某换流站直流远动系统故障分析

王兴善

(国网青海省电力公司检修公司,青海 西宁 810000)

关键字：高压直流系统； 直流控保系统； 远动系统； 站间通信。

0 引言

目前随着直流系统不断发展，各类技术不断提高，对高压直流系统站间通讯提出更高的要求，之前不被引起注意的站间通讯问题逐渐暴露出存在问题，尤其是多次出现因站间通讯故障引起直流系统异常，逐渐引起设计及设备运维单位重视。

1 直流远动系统概述

1.1 直流远动功能

直流远动系统是指为两站间控制保护系统提供信息传输和处理的系统。所提供的高压直流远动系统包括全部必要的电路系统，以接收来自直流控制、保护系统的信号，或者将信号送至对站的控制、保护系统，完成信号的并联-串联/串联-并联的转换，以及信号的编码和解码，并保证信号不出错；该远动系统将通过接口连接两换流站之间的通信系统。通信系统的组织结构为：光纤(主通道)+光纤(备用通道)。高压直流系统中，直流远动系统与极控制系统一样采用双重化冗余配置。每一个换流器极的远动系统设备都与另一极的远动系统设备在电气及物理结构上分开，因此每个系统的运行都是独立的。所必须的任何双极信号将通过各个换流器极有关的高压直流远动系统进行传送。远动信号包括为满足控制保护功能及相关的重要状态监视功能要传输的模拟信号和数字信号。具体来说，模拟信号主要包括：电流指令，线路电流测量值，需要站间协调的其他模拟量等。数字信号主要包括：运行状态，运行模式，保护动作信号，开关状态等。高压直流远动系统具备误码检测功能，能在系统的接收端以帧为单位，自动的对接收到的数据中的误码进行检测和计数。高压直流远动系统对各通信通道的状态进行实时监视，出现通道故障或者通道的品质下降都会有相应的事件上送到运行人员工作站。

1.2 直流远动系统通道配置

直流远动系统的通道配置依赖于直流控制保护系统的冗余结构设计。控制设备为冗余设备，两套设备间有值班和备用之分。向对站传输的数据只能是值班系统的，所以两套冗余设备中选择值班系统通过一个通道与对站通讯。考虑到通道的冗余，两套冗余控制设备需要配置两个通道。每极的保护设备有两套，每套之间完全独立，无值班、备用之分。设备工作时直接与对站相应极的相应保护设备通讯。考虑到通道的冗余，每套保护设备都需要配置两个通道

1.3 队列式通讯原理

采用队列式方式通信将要传输的数据进行分类，根据不同的类别和类别的传输级别定义进行数据传输的组织，通过复用设备和对端换流站进行通讯，高压直流系统极I极II各自有独立的远动系统，每个极需要两个数据通道，分别作为主通道和备用通道，为保证两个极的远动系统可靠性，一般会把一个极的主通道和另一个极的备用通道走同一路光纤。这样当某一路光纤故障时，只有一个极的主通道受到影响。

队列式通信需要通道较少，在直流控制保护集成设计时需要双极4路2 M通道，在直流控制与保护独立设计时，为提高可靠性，减少极控制和保护间的通信，控制系统和保护系统间的远动通道可以独立配置，独立配置的极控制系统、保护系统间通信结构如图1、图2所示，对于双重化配置的直流保护系统而言，每个极的保护分为A和B两套系统，两套系统各自独立且均处于工作状态，保护的直流远动通道独立配置时，每个极的极保护要4个通道，其中2个通道作为A系统主通道和备用通道，另外2个作为B系统主通道和备用通道，双极共计需要8路2 M通道。

图1 队列式换流站极控制系统间通信结构图

图2 队列式换流站极保护系统间通信结构图

直流远动系统通讯程序结构上分为4层，每一层都具有独立的输入输出通道，层与层之间紧密衔接，这4层分别为用户层、队列处理层、优先选择层、传输层。整流侧和逆变侧的极控制与保护设备之间传递的数据可分为3类，一是电流指令和功率调节信号；二是用户数据，用户状态指示数据；三是布尔量，如高优先级保护信号。为传递这些数据，远动系统程序设计中采用3种不同类型的帧对这些数据进行分类，分别称为A、B、C类帧，每类帧都包含通信状态指示、停止标志位、数据校验字节。

直流远动系统通信的A型帧长度为9个字节，0和1字为通信的状态信息和快速布尔量，2-5字节是数据，6、7字节是Checksum，即数据校验字节，8字节是Flag。A型帧的传输间隔为6 ms。B型帧长度11个字节，0、1字节为通讯的状态信息和FASTBOOLEAN信号，2-7字节是数据，8、9字节是Checksum，10字节是Flag。C型帧长度5个字节，0、1字节为通讯的状态信息和FASTBOOLEAN信号，2、3字节是Checksum，4字节是Flag。A型帧用于电流指令(IO_CFC)通信。B型帧用于USERDATA通信，即一般的用户数据发送都采用B型帧；这里的USERDATA指绝大多数的通信信息，包括：PACKBOOL-打包到一起的BOOL量，ANALOG-模拟量。C型帧用于发送IDLEMESSAGE，即空闲无用户数据发送时发送C型帧。FastBoolean表示需要快速传递的单个Bool变量；它的通信和前述的电流指令和用户数据两者有所不同。FastBoolean的数据放在所有帧的前两个字节中，每次发送A，B或C型帧，都有FastBoolean数据的发送。〔1〕

1.4 远动系统通信异常标志

站间通讯的每个通道只要符合以下任何一个条件，即可置异常标志：

(1) 通道5个任务周期(5 ms)未接收到站间通讯报文；

(2) 接收报文帧格式错误；

(3) 三接收到对侧发送过来的通道异常标志。对侧通道异常标志，由帧头的一个数据位表示。

本通道内连续五个周期接收不到报文或是报文不正确，通道置错误标志，同时还会将报文头中的dataerr置为1，来使对站置通道异常标志，从而使两站主机通道状态均为异常。

2 某换流站直流远动故障分析

2.1 故障简述

从2018年12月初，某高压直流系统出现多台PPR及PCP主机站间通讯故障，远动通信结构详见图3。且通过通道检查判断，故障均为一个站无通道故障，而另一个站报主通道故障，备用通道正常，两站通道故障信息存在不一致，此情况导致主备通道均正常的主机无法向对站主通道异常的主机发送站间通讯数据，如果在ows显示站间通信无故障而进行功率调整时，实际存在无法进行功率调整的严重问题，若故障发生在直流调整功率期间，甚至存在主控站和从控站通道交换信息不一致导致直流功率异常升降问题。

图3 远动通信故障两侧站通信结构图

2.2 两侧换流站直流远动系统结构配置

根据典型换流站设计原则，两端换流站直流控制系统通过南瑞继保PCS-9550控制主机NR1127板卡交叉连接到直流控制A、B系统的两台PCS-9518通道切换装置，将来自冗余系统的站间通信通道进行切换，再由切换装置用连接MUX-2M通信接口装置实现两站站间通信功能。极控制系统由冗余的双系统组成，其切换逻辑保证每个时刻只有一个更健康的系统处于值班系统。在和对站通信时，每个极的值班和备用系统都能收到对站同一极的值班系统发送的数据；另一方面，两个系统都在往外发出数据，他们发出的数据送到PCS-9518板卡，在该板卡上通过系统的值班信号，即“Active”信号进行选择。通过选择后，只有值班系统的数据才能送到对站。

两端换流站直流保护系统通过PCS-9550保护主机NR1128板卡分别连接到主、备通道两台MUX-2M通信接口装置，实现站间通信功能。每一个极的极保护系统同样包含两台主机，称为A、B系统。极保护的主机状态和极控制有所区别，每个主机只有值班和测试两种状态；保护各系统的主机状态彼此也没有联系，即两者的切换逻辑是相互独立的。鉴于极保护系统的冗余结构的特点，把每个极的两个冗余的极保护系统通过站间通信，分别与对站对极的对应系统相连。每套极保护系统需要两个通道，分别作为主通道和备用通道。

2.3 故障检查情况

现场多次试验发现断开S1站P1PPRA的主通道，S2站就会报P1PCPA通道故障，恢复S1站P1PPRA的主通道S2站P1PCPA通道故障就复归。然而S2站P1PPRA的主通道却一直不复归，进一步说明S1站的P1PPRA的主通道并没有接到S2站P1PPRA的主通道，怀疑S1站P1PPRA的主通道与S2站P1PCPA通道存在某种关联性，通过对PPRA主机主备通道检查及通道自环测试，最终确认为两侧通道出现“鸳鸯”线，导致S1站P1PPRA的主通道的电信通道误接到了S2站的P1PCP的主通道的电信通道。

3 存在隐患及整改措施

虽然本次异常主要原因为两站直流控制系统和保护系统出现错接线，但是由于设计及配置存在问题，导致此隐患一直未能及时发现，设备长时间待隐患运行，也给本次远动通信故障分析及排查工作带来较大阻碍。通过本次异常分析及排查目前归纳存在以下几点问题：

(1) 直流控制和保护系统均通过主机单一NR1127/NR1128实现站间及极间通讯，存在单一NR1127/NR1128板卡故障，引起单套直流控制系统极间和站间通信异常或主备通道同时故障等隐患，极控制系统、保护系统硬件连接如图4、5所示；

图4 极控制系统直流远动连接图

图5 极保护系统直流远动连接图

(2) 延续MACH2的设计的直流远动系统，直流极控制和保护主机报文没有预留主机类型标识位，未考虑不同类型主机站间通讯混接情况。

具体整改措施及建议：

(1) 建议在设计阶段，将直流控制和保护系统主机极间通信、站间通信和主备通道板卡进行独立配置，由不同板卡实现通信功能，有效避免单一元器件造成直流控保系统退出运行。

(2) 建议厂家尽快在高压直流远动系统应用程序中增加装置类型校验位，并完成厂内仿真试验，及时提交现场完成软件修改工作，确保即使出现直流极控制系统与保护系统混接，也能在两端换流站及时报出相关故障信息，避免出现设备长时间带隐患运行。

(3) 建议在设备投运阶段开展站间通信接线及数据校核工作，确保两端换流站通信接线正确，相关系统数据传输正确，并在每年直流年检期间及进行直流远动大修技改等相关工作后同步开展此工作。

(4) 对于目前仍采用MACH2的设计换流站，应加强两站异常信息汇报工作，当任意站极控制系统出现站间通信故障时，及时汇报整流站和调度人员，严禁在此种情况下进行直流系统功率自动调整工作，并开展在自动调整功率过程中出现极控制系统站间通信故障情况下的应急预案编制及演练工作。