TDM總線切換對特高壓直流系統的作用
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測量系統的測量數據流轉包括現場采集、處理、分配、傳輸、接收等環節，輸入-輸出接口板卡彼此串聯構成tdm總線環網，與該環網相連的所有測量模塊的測量數據均通過固定的數據格式和地址在測量總線上傳輸，每個周期向控制保護系統傳輸128次數據，如果交流系統頻率為50Hz，則測量總線傳輸數據的時間間隔為156μs[3]。
測量總線（TDM總線）切換邏輯
云廣和糯扎渡特高壓直流工程采用測量總線與控制保護系統交叉冗余運行，系統中兩路測量總線同時工作，控制保護系統1默認測量總線1（TDM-Bus1）為主，控制保護系統2默認測量總線2（TDM-Bus2）為主。當兩路測量總線都正常工作時，它們在每一時刻向控制保護裝置傳遞同樣的測量數據，每套控制保護系統對兩路測量總線發來的數據均會接收，但只讀取主用測量總線的數據。當主用測量總線故障時，控制保護系統會自動切換至備用測量總線，讀取備用測量總線的測量數據，不影響直流系統的正常運行。這樣雙冗余的測量總線不僅在物理層上得實現了冗余，而且在數據鏈路層和交互信息方面都得到了冗余，大大提高了測量系統的穩定性和可靠性。特高壓直流保護系統發生以下情況時，主用測量總線將向備用測量總線進行切換[4]：1）發生物理性故障，即循環冗余檢測故障或總線響應超時；2）測量模塊判定測量值有效性故障，即檢測到無合法測量值位；3）測量值偏差校驗監視功能模塊檢測到測量值與檻值出現偏差故障；4）保護動作出口前T時間預告警（prewarn-ing）。當保護裝置主用測量總線的測量值達到保護動作定值時，保護動作出口前T時間會發預告警，預告警的作用就是請求保護系統進行測量總線切換，進而判定測量量是否確實達到了保護動作定值。同時，若保護系統檢測到備用的測量總線滿足前3條任何一項，將不會再進行測量總線切換。測量總線切換完成后，不管保護裝置動作出口與否，5s后測量總線會自動切回到原測量總線。預告警切換至備用測量總線后，若備用測量總線測量數據也達到保護動作定值，則保護裝置會按照保護時間定值動作出口；若切至備用測量總線后，測量數據未達到保護動作定值則預告警復歸，同時，保護程序中會開放一個長65s的時間窗口，并在5s后測量系統自動返回到原測量總線。在這65s之內，若再次出現保護預告警，則測量系統會再次切換到備用測量總線上，并保持在備用測量總線上。同時，將原測量總線定義為故障，不再進行回切。另外，直流保護裝置讀取測量總線所傳輸的測量數據需進行低通濾波預處理，然后才會參與保護判據運算。
實例分析
在糯扎渡特高壓直流輸電工程控制保護設備功能性試驗期間，出現了由于直流保護系統測量總線切換導致直流誤動作的情況。試驗時雙極四閥組解鎖運行，極Ⅰ（Pole1）以70%降壓（560kV）運行，極Ⅱ（Pole2）全壓（800kV）運行。在試驗過程中，由于極Ⅰ極測量系統2因測量總線接線松動導致極Ⅰ極保護系統2的直流線路低電壓保護（27du/dt）動作出口，故障錄波如圖2所示。直流線路低電壓保護（27du/dt）動作判據為：dUdH/dt>112kV/0.15ms&UdH<480kV，動作出口時間為100ms，并且在保護動作出口前10ms應進行測量總線切換。由圖2可知，極Ⅰ極保護系統2以測量總線2為主用，由于極Ⅰ極測量系統2因測量總線接線松動，極測量系統測量總線2傳輸至極Ⅰ極保護系統2中的高壓側直流電壓UdH直接降為0，且電壓變化率dUdH/dt達到137kV/0.15ms，從而滿足了直流線路低電壓保護（27du/dt）動作判據條件。同時，在保護出口前10ms（即保護動作90ms時刻）發出預告警進行測量總線切換，由測量總線2主用切換至測量總線1主用。由圖2可以看出，測量總線切換完成后，由于測量總線1未出現故障，極測量系統通過測量總線1傳輸至極保護系統2的高壓側直流電壓UdH恢復至正常電壓560kV。按照設計原則，測量總線切換完成后，由于極測量系統的測量總線1傳輸的測量數據是正常值，不滿足保護動作判據，預告警應復歸，保護不能夠動作出口。
直流線路低電壓保護（27du/dt）之所以能夠動作出口，原因如下：當極Ⅰ極保護系統2突然切換到以測量總線1為主用后，來自測量總線1的測量數據還需要進行低通濾波預處理才能參與直流線路低電壓保護（27du/dt）判據運算。讀入保護裝置測量系統1的極Ⅰ高壓側直流電壓測量數據雖然達到了正常值560kV，但是，該值經低通濾波器輸出會有從0kV到560kV的過渡過程，該過渡過程會超出10ms。由于低通濾波器數據輸出的滯后，在10ms時間內直流線路低電壓保護（27du/dt）還無法準確讀取測量系統1的正常數據，直流線路低電壓保護（27du/dt）動作判據依然滿足，同時達到保護動作時間定值100ms,導致了保護動作出口。為驗證分析的正確性，對保護系統低通濾波功能塊IIR2的輸出進行了監測，波形如圖3所示。從仿真試驗波形圖3可以看出：從測量總線切換時刻到低通濾波器的輸出數據達到保護復歸值480kV需要13ms，達到正常的高壓直流電壓值560kV需要30ms，遠超出直流保護系統從預告警至保護動作出口時間10ms。
改進措施
1）直流線路低電壓保護（27du/dt）從預告警切換測量總線到保護動作出口時間僅為10ms，在這10ms時間內高壓側直流電壓值經低通濾波模塊后無法準確輸出至保護判據運算模塊，通過對保護系統低通濾波功能塊IIR2的輸出監測可知從測量總線切換到達到保護復歸值至少需要13ms。因此，可以考慮適當提前保護系統預告警時刻，給低通濾波模塊輸出留出充足的時間裕度，使得在保護動作時間定值滿足之前可以讀取到準確的測量數據，避免測量總線切換后保護系統誤動作出口。
2）升級改造保護系統低通濾波模塊，當發生測量總線切換后，縮短低通濾波模塊對測量數據的處理時間，使得低通濾波模塊在保護預告警和動作出口這段時間內可以完成測量數據的預處理，提供給保護判據運算模塊準確的測量數據。目前，已按照第2種方法對糯扎渡特高壓直流工程直流保護系統低通濾波模塊進行了升級改造，將原有的低通濾波模塊IIR2升級為IIR2S，IIR2S和IIR2不同之處在于：在測量總線切換的那個周期，低通濾波模塊IIR2S會直接輸出切換之后測量總線的測量數據，避免了低通濾波模塊IIR2的時間過渡。同時，測量總線切換的信號只持續一個采樣周期，一個采樣周期之后，低通濾波模塊還將按公式（1）進行測量數據的濾波計算。低通濾波模塊IIR2和IIR2S對比輸出波形如圖4所示。圖4可以看出，當主用測量總線切換到備用測量總線之后，測量電壓從0突然階躍到800kV時，低通濾波模塊IIR2S能短時將備用測量總線上的測量數據準確輸出，滿足直流保護系統的要求。按照第2種方法，對糯扎渡特高壓直流輸電工程直流保護系統的升級改造完成之后，對直流保護系統進行了相同的試驗，沒有再出現保護誤動作的情況。
結語
直流測量系統TDM總線首次在特高壓直流工程中應用，目前尚無法對其運行風險進行全面而準確的評估，而測量總線的運行風險直接關系到特高壓直流系統的正常運行。因此，有必要通過特高壓直流設備功能性試驗和現場運行調試，對特高壓直流測量系統進行運行風險辨識，探索分析其運行特性，進而日趨完善特高壓直流工程的控制保護系統，提高特高壓直流系統安全穩定運行的能力。（本文作者：徐攀騰、張志朝 單位：中國南方電網超高壓輸電公司、中國南方電網超高壓輸電公司）