灵绍特高压直流控制系统冗余切换逻辑的研究

富银芳 乔 敏 曹力潭 黄 智 贾轩涛

（1. 国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 310018；2. 国网浙江省电力公司运检部，杭州 310000）

灵绍特高压直流控制系统冗余切换逻辑的研究

富银芳1乔 敏2曹力潭1黄 智1贾轩涛1

（1. 国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 310018；2. 国网浙江省电力公司运检部，杭州 310000）

本文基于灵绍特高压直流输电工程对南瑞PCS9550控制系统的冗余切换逻辑和原理进行分析，研究了两套冗余控制主机之间值班、备用的切换过程，以及不同工况下控制系统出现轻微、严重和紧急故障后冗余切换逻辑的响应策略。研究结果表明，两套控制系统的冗余切换首先由备用系统发起，即备用系统首先切换为值班后，原值班系统退出值班状态，在切换过程中短时出现两套控制系统同为值班的状态。该研究结果为类似工程的设计提供了参考和借鉴价值。

特高压直流输电；冗余切换；值班；备用；轻微故障；严重故障；紧急故障

为了贯彻国家“西部大开发战略”，扩大“西电东送”规模，进一步加强雾霾及大气污染防治工作，国家能源局批准建设宁东—浙江、晋北—江苏、锡盟—泰州、上海庙—山东4条特高压直流线路，其中宁东—浙江即灵绍（宁夏灵州—浙江绍兴）特高压直流输电工程已于2016年10月投入运行，功率输送能力为8000MW。

在特高压直流输电工程中直流控制保护系统作为整个输电系统的核心和“大脑”，要完成交、直流功率转换和直流功率输送的全过程控制，并确保直流系统的安全和稳定运行，因此，高稳定性和高可靠性是直流输电控制保护系统的关键。灵绍特高压直流工程控制保护系统采用南瑞 PCS9550技术平台，控制主机采用完全双重化冗余的两套系统，每一套系统均具备完善的自检功能，在检测到故障后会及时进行冗余系统切换，已确保始终由完好的一套系统处于值班状态[1-5]。

本文基于灵绍工程，对PCS9550直流控制系统的冗余切换逻辑进行详细分析和深入研究，包括硬件配置、故障监视、切换响应逻辑等。研究结果可为类似工程提供借鉴和参考。

1 灵绍工程控制系统总体设计

1.1 硬件组成

灵绍特高压直流工程控制系统主要包括极控系统、阀控系统、交流控制系统、交流滤波器控制系统、站用电控制系统等；控制系统均为100%双重化冗余配置，包括控制主机、I/O机箱、采样单元和通信总线等。PCS9550控制系统冗余切换功能在主机的NR1139板卡中实现，NR1139板卡为高性能DSP板，可通过光纤以太网通信实现两套控制主机间的数据交换。如图1所示，为了保证两套主机间通信可靠性，采用了两路STM BUS光纤以太网完成数据传输，两路总线可互为备用[6-9]。

图1 灵绍工程控制系统冗余切换硬件配置图

1.2 控制主机故障监视

在控制系统正常工作时，控制主机对自身的硬件设备实时监控，包括屏柜电源、处理器板卡、通信总线、测量装置等，检测到故障发生后会及时发送告警信息，并根据严重程度对故障信息进行分类汇总；故障监视功能在上述 NR1139板卡中实现，故障等级分为轻微、严重、紧急3级，严重程度依次递增。以极控主机为例，3级故障分类见表1[10]。

1.3 控制系统运行状态

灵绍工程控制系统的冗余结构保证了硬件装置在设备维修、直流系统的调试、试验、运行过程中有高度的灵活性，能把由控制系统引起的直流系统不可用率降到最低。控制主机在正常运行时分为值班（ACTIVE）、备用（STANDBY）、工作（SERVICE）和测试（TEST）状态，通过判断两套冗余系统的故障等级自动完成冗余切换，始终保证运行状态较完好的主机工作在值班模式[11]。

控制主机上电后自动进入TEST状态，在TEST状态的主机，可由运行人员通过工作站下发命令，将控制主机切换SERVICE状态；在SERVICE状态下的控制主机根据以下两个条件自动完成后续的状态切换。

表1 极控主机故障等级表

条件1：如果已切换到SERVICE状态的主机检测到另一套冗余控制主机未在值班状态，那么无论该主机自检逻辑是否检测到紧急、严重、轻微故障，均在10s中后自动切换到STANDBY状态；如果该主机有紧急故障并且另一系统未启机（系统间通信全部故障），那么主机停滞至STANDBY状态，否则10s后自动切换到ACTIVE状态。

条件2：如果已切换到SERVICE状态的主机检测到另一套冗余控制主机已在值班状态，那么当自检逻辑检测到紧急、严重故障时，禁止切换到STANDBY状态；如果无紧急、严重故障，就在10s中后自动切换到STANDBY状态。

2 控制主机冗余切换逻辑

2.1 控制主机间通信信息

在灵绍特高压直流系统正常运行过程中，为了实现始终保证运行状态较好的控制主机工作在值班模式，两套控制主机需相互监视对方的运行状态和故障，并通过冗余切换逻辑完成值班、备用状态的自动切换[12-16]。

控制主机系统间用于冗余切换逻辑的监视信号见表2。

表2 控制主机系统间监视信号表

2.2 有备用系统时，值班系统紧急、严重故障后的响应

在两套控制主机均无故障且正常运行时，值班主机与备用主机的ACTIVE切换逻辑运行状态如图2和图3所示。

图2 值班系统故障前，值班系统逻辑图

图3 值班系统故障前，备用系统逻辑图

在值班系统出现紧急、严重故障后，SYS_OK信号由“1”变为“0”，该信号通过系统间通信总线送至备用控制主机；在备用控制主机的切换逻辑图4中，对应的O_SYS_OK（另一系统OK）信号由“1”变为“0”，在系统间通信正常时ACTIVE状态由“0”转换为“1”，即备用系统切换为值班系统。

图4 值班系统故障后，备用系统逻辑图

在上述切换完成后，原值班系统在检测到另一系统切换为值班状态时，在图5中O_SYS_ACTV（另一系统值班状态）由“0”变为“1”，值班状态也随之切换为备用状态。

通过对上述切换过程进行分析可得：在两套控制主机进行值班备用切换时，首先是原备用主机切换为值班状态，然后是原值班主机切换为备用状态，切换过程中存在短时两套主机均为值班状态。

图5 值班系统故障后，值班系统逻辑图

2.3 有备用系统时，值班系统轻微故障后的响应

根据图6所示，如果在系统间通信正常情况下，备用系统无轻微、严重和紧急故障，当值班系统仅出现轻微故障时，延时 5s，当前值班控制主机中SET_SYS_NOT_OK输出 1，则 SYS_OK信号将被置为 0；两套控制系统的值班、备用状态切换过程与2.2节相同。

图6 值班系统轻微故障逻辑图

2.4 无备用系统时，值班系统轻微、严重故障后的响应

根据图2所示，在无备用系统工况下，如果值班系统出现轻微、严重故障，值班主机切换逻辑中O_SYS_ACTV信号始终为0，则值班系统继续保持值班状态。

2.5 无备用系统时，值班系统紧急故障后的响应

根据图2所示，无备用系统情况下，如果值班系统出现紧急故障，值班主机切换逻辑中信号EMERGENCY_FAULT由“0”变为“1”，根据图7所示，EMERGENCY_FAULT信号在状态变化后，控制主机将会退出值班状态。

2.6 备用系统故障后的响应

在正常工况下，两套控制系统中备用主机STANDBY状态逻辑如图8所示。

图7 无备用系统，值班主机紧急故障切换逻辑图

图8 正常工况下，备用系统逻辑图

当备用主机发生轻微、严重、紧急故障时响应如下。

1）当备用主机出现轻微故障时，根据图8逻辑，控制主机继续保持备用状态运行。

2）当备用系统出现严重或紧急故障时，如图9所示，SEVERE_FAULT和 EMERGENCY_FAULT将由“0”变为“1”，控制主机退出备用状态；如故障消失，需运行人员手动下发命令，才能返回备用状态。

3 结论

通过对灵绍特高压直流工程 PCS-9550控制系统冗余切换逻辑的深入研究和分析，得出以下结论：

图9 严重或紧急故障后，备用系统逻辑图

1）正常运行时，两套控制主机分别工作在值班和备用状态，在主机发生故障时，控制系统冗余切换功能可以实现较为完好的主机在值班状态。

2）在无备用主机运行工况下，仅有的一套值班主机发生严重或轻微故障时，控制主机一直保持值班运行状态。

3）在无备用主机运行工况下，仅有的一套值班主机发生紧急故障时，控制主机自动退出值班运行状态。

4）备用状态下的控制主机出现严重或紧急故障时，控制主机自动退出备用状态，故障消失后需手动切换到备用状态。

5）两套控制主机在切换过程中，存在同为值班状态的运行工况。

根据灵绍工程投运以来的运行情况，PCS-9550控制系统的冗余切换功能可以实现系统间的快速切换，在切换过程中直流系统运行平稳。

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Study on the Redundancy Switching Logic of the UHVDC Control Systems based on Lingshao Project

Fu Yinfang1Qiao Min2Cao Litan1Huang Zhi1Jia Xuantao1
(1. Maintenance Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310018;2. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310000)

The NARI's PCS9550 is used as DC control systems in Lingshao UHVDC project, the switching logic and principle of the control system are analyzed in this paper, the active and standby switching process between the two redundant control systems is studied, and the response strategy of redundant switching logic in different fault levels is studied too. The results show that the redundant switching is initiated by the standby system first, the standby system switched to active mode first, then the original active system out of active mode, the two control systems worked on active mode together in a short time during the switching processes. The research results provide reference for similar engineering design.

UHVDC; redundancy switching; active; standby; minor fault; severe fault; emergency fault

富银芳（1984-），男，本科，工程师，研究方向为特高压换流站设备运维。