特高压直流工程保护系统定值管理实现方案

张 健,刘威鹏,曾丽丽,李跃鹏,罗 磊

(许继电气股份有限公司,河南 许昌 461000)

0 引言

近年来,特高压直流输电以其输电距离远、传输容量大、控制灵活等特点在我国得到迅速发展[1]。直流输电的控制保护系统是特高压直流输电系统的重要组成部分,其可控性高,快速调整潮流分布能力强,对于提高系统暂态和动态稳定性具有重要作用[2]。保护定值与直流保护动作策略密切相关,是决定保护系统能否准确可靠反映电网各类故障的重要参数。随着电网运行方式的变化,保护定值需要做出相应调整,以最大限度地满足直流保护的可靠性、快速性、选择性及灵敏度[3-8]。

目前,直流输电控制保护面临新的挑战,直流控制保护系统的标准化程度低,工程差异化大,软件版本缺乏有效技术管控手段,存在较大安全隐患[9]。直流保护系统并未构建起全网一体化整定与在线校核平台。以±800 kV特高压直流工程为例,保护系统通过应用程序配置保护初始定值,系统运行过程中,位于现场控制层的测控装置实时采集现场数据[10],保护系统在电网变化时,对初始定值进行综合分析与判断,实时调整保护定值。目前,直流输电保护装置修改定值主要通过工程人员手动修改图形化应用程序中配置的定值项并重新编译,然后退出保护,下载应用程序并重启保护装置使定值生效。这种定值修改方法会造成软件版本难以定版,不利于保护装置的标准化,同时工作量大,增加运行成本。因此,根据直流保护系统特征及其组成架构,开发合适的定值管理系统,对实现全网整定计算业务与流程的规范化及直流保护的标准化具有重要意义。

本文提出了一种基于HCM5000的高压直流输电保护系统定值管理方案,该方案可以根据应用需求灵活配置,实现远程在线修改、校核定值等功能,为开展一体化整定与在线校核工作提供标准化软件平台。

1 HCM5000平台

高压直流输电控制保护设备的硬件平台一般由工控机或嵌入式设备构成[11]。

HCM5000是许继电气股份有限公司最新自主研发的标准化紧凑型直流保护系统平台,继承了HCM3000平台的诸多优点,如安全可靠的运行系统、装置板卡可灵活组态、多种总线接口、多CPU并行处理、CFC图形化编程工具、种类丰富的功能块库、可快速实现二次应用组态等[12-13]。

与HCM3000平台对比,HCM5000在系统构架、背板总线构架、主处理器板卡总体性能、接口速度、总线速度、装置结构、装置功耗、装置可维护性等方面均取得较大的技术提升,不仅可以应用于常规直流输电工程,还可以应用于实时性极高的柔性直流输电、超高速保护等工程。 HCM5000主机外观如图1所示。

图1 HCM5000主机外观

2 HCM5000定值管理系统总体设计方案

特高压直流控制保护系统可分为运行控制层、控制保护层、现场测量层3个层次,保护装置位于核心层——控制保护层,主要完成检测和清除直流侧区域内发生的故障,确保直流系统发生故障时快速、准确地切除故障。保护装置的保护动作通过3取2逻辑进行裁决和控制。控制保护层与运行控制层通过LAN网通信,装置快速通信板卡实现控制保护层装置间通信,保护装置高速背板总线保证装置内数据传输[14-15]。

保护装置背板为PCIE高速总线,支持CPU间传输数据。针对以上特点,可以根据应用需求,在保护装置中设定一个定值管理CPU,由该CPU完成与EWS工程师站通信、定值报文的解析等工作,然后通过背板将整装置的保护定值传输给其他CPU,实现保护装置CPU间定值共享。包含定值管理功能的标准化直流保护系统结构如图2所示。

图2 标准化直流保护系统结构

基于以上分析,构建如图2所示的标准化直流保护系统,红色线路为保护定值传递线路,定值管理系统总体技术方案可分2个环节。

a. 基于以太网实现保护装置与EWS工程师站通信,完成定值报文通信、报文解析、定值保存。

b. 基于PCIE背板总线实现保护装置内CPU间定值传输与保存。

该设计方案以直流保护系统结构为依据,充分利用系统硬件资源,可以准确高效地完成定值管理功能。

3 设计原则

直流保护定值的整定功能可以由多种方案实现,不同系统实现的方案也不相同。定值管理系统需要根据保护系统配置结构并结合HCM5000平台的特征进行开发设计。

保护装置的首要功能是保证直流系统安全运行,定值管理系统的增加应当在不影响保护装置的主体功能前提下进行合理设计。

保护装置定值管理CPU与EWS工程师站间的通信采用TCP/IP以太网层协议,需要根据TCP协议的传输机制和应用需求制定严谨的通信规约,准确合理进行封包与解包。

HCM5000的软件平台是一个基于优先级抢占机制的多任务运行系统,CFC图形化编程工具为用户提供了8个可选择中断源的中断任务和5个周期可配置的周期任务,中断任务由外部中断源触发,优先级高于周期任务,如果中断任务负荷较大,会频繁打断周期任务,造成系统整体负荷增加,因此,要合理划分定值管理功能的执行时间,尽可能少占用用户任务,特别是不能占用中断任务的执行时间。

装置接收到保护定值后,需要进行多个环节的拷贝、校核等操作,最终将最新的保护定值以文件方式保存在装置文件系统中,其中任何一个环节出错,将会影响保护系统的正常运行,因此,必须设计合理的定值校验与保存机制,确保装置最终生效的定值与下发的定值单中的定值一致。

HCM5000保护装置是一个多CPU串行总线架构系统,系统一般会配置多个CPU,每个CPU均运行有应用程序,理论上各个CPU均可添加定值管理功能。为简化工程应用,本方案通过定值管理CPU与EWS工程师站通信,完成定值接收,并通过装置背板总线传递定值到其他CPU。因此,需要根据保护装置的结构特征设计合理的方案,实现保护装置内所有CPU准确及时获取最新有效定值。

4 主要功能设计

根据设计原则,结合标准化紧凑型直流保护系统总体结构特点,完成具体功能设计。

4.1 基于以太网的定值通信功能设计

通信双方采用TCP/IP以太网层协议,保护装置作为服务器,EWS工程师站作为客户端,通信流程如图3所示。

a. EWS工程师站发送定值长度报文,告知保护装置将要下发的保护定值的长度;

b. 保护装置接收、保存定值长度,并回应状态报文;

c. EWS工程师站接收到状态报文后,下发定值数据报文;

d. 保护装置接收并解析定值数据报文,并回应状态报文;

e. EWS工程师站接收到状态报文后,下发“执行/取消”命令报文;

f. 保护装置接收并解析命令报文,如果接收到“执行”命令报文,则启动定值文件写任务,将定值数据以bin文件形式保存到文件系统中;如果接收到“取消”命令报文,则不进行后续定值保存操作。

保护系统运行过程中,EWS工程师站可以通过下发召回报文,获取保护装置中正在执行的保护定值,校核定值数据的正确性。

4.2 多核CPU定值管理功能设计

图4为多核CPU定值管理结构,系统由多个功能模块组成。主核(CORE0)负责与EWS工程师站通信,接收并保存定值文件到文件系统中,然后执行一次定值文件,将定值数据读取到预先设定的核间共享内存区,之后触发核间中断,通知从核(CORE1～COREn)响应核间中断,更新定值数据。

图4 多核CPU定值管理结构

HCM5000平台负责定值管理的多核CPU采用非对称多处理(AMP)方式,每个核均有运行时系统。平台的软件功能以图形化功能块的形式提供给用户。因此,定值管理系统采用功能块的形式进行开发,包括网络建立、定值下发、解析、存储、读取、回读等多个功能模块,各模块的主要功能如下。

定值收发模块:完成以太网服务器创建、申请定值接收与发送缓存区等网络初始化工作。当EWS工程师站通过以太网发起连接请求时,建立保护装置与EWS工程师站之间的以太网连接,完成报文接收和发送工作。

报文解析模块:完成定值报文的解析和报文正确性的校验工作。接收到下发的定值报文后,由该模块按照报文规约解析定值报文数据,校验定值数据的正确性,如果校核正确,则将定值数据拷贝到临时存储区,并释放文件写任务信号量。

定值保存模块:完成定值文件写任务创建和有效定值数据的存储工作。初始化模式下,创建优先级低于软件平台的用户可配置任务的定值文件写任务(ProFileTask),并通过信号量进行调度。运行过程中,当ProFileTask获取信号量时,完成定值数据的存储及存储校验工作,并将定值数据写入核间共享内存中。文件系统中保存有3个定值相关文件,分别为定值文件、冗余定值文件、旧版定值文件。更新定值文件前,首先将定值文件重命名为旧版定值文件,如果定值文件保存过程出现文件损坏、写入出错等状况,系统会删除错误文件,并将旧版定值文件重命名为定值文件,同时发出告警信号,通知系统查找错误原因。定值文件保存成功后,拷贝一份作为冗余定值文件,当定值文件损坏或读取失败时,装置临时读取冗余定值文件,并发出告警。

定值读取模块:完成装置初始定值的读取及新下发定值的更新读取工作。系统上电后,主核首先从系统存储的定值文件中读取保护定值到核间共享内存区间,然后各个核的定值读取模块拷贝定值数据到其定值缓存区,作为装置的定值数据;运行过程中,如果有新的有效定值,则该模块将完成一次定值数据拷贝操作,将核间共享内存中的定值数拷贝到定值缓存区,保证保护装置使用的是最新的有效定值数据。

定值回读模块:完成定值的回读校验工作。当EWS工程师站下发定值回读命令时,该模块从定值区缓存中读取保护定值上送到EWS工程师站。

信号解析模块:该模块位于核中,完成核间中断的初始化挂接和使能工作。当核间中断信号到来时,响应中断并获取主核定值更新标志、定值长度等信息。

4.3 定值在线更新流程

HCM5000系统初始化时,驱动程序遍历处于PCIE交换机拓扑结构中的设备,并为设备分配外设空间,拓扑结构中的设备可以通过PCIE总线相互访问外设空间。因此,可以指定一个外设空间作为定值共享空间,定值管理CPU将接收到的最新有效定值写入共享空间,其他CPU从中读取定值。

定值管理系统在线更新定值流程如图5所示,工程应用人员根据定值单编写EXCEL定值表,EWS工程师站通过EXCEL定值表修改当前定值并校核定值上下限,然后通过以太网下发定值报文,定值管理CPU接收并根据报文规约解析出最新有效定值,一方面,由定值保存模块将最新有效定值保存为定值文件,并读取最新有效定值到核间共享内存中,然后触发核间中断通知从核更新定值数据;另一方面,定值管理CPU更新外设共享内存中的定值数据,并通过PCIE总线向其他CPU发送内存写请求,触发MSI中断,其他CPU响应中断,启动中断服务程序,读取外设共享内存的最新有效定值,并保存为定值文件,从而实现整装置保护定值的在线更新。

图5 保护定值在线更新流程

5 应用例程实现

5.1 保护装置应用例程

基于以上设计原理开发的VIGET图形化功能块如图6所示,其中EPI和HPSD为以太网通信及报文处理功能块,PRFF将定值文件读取到定值缓存区,PSDO解析定值缓存区的定值,PTD 输出管脚输出目标定值基地址,由DRD读地址功能块输出定值。

图6 定值管理应用样例

5.2 EWS工程师站

图7为通过QT编写的EWS工程师站,工程人员根据定值单录入定值名称、初始定值、定值单位、上下限、数据类型等信息,修改定值时首先对定值的上下限校核,然后配合保护装置完成定值在线整定、查询、校核等功能。可通过“下载”实现在线整定,通过“查询”召回保护装置中运行的定值,然后“校验”对比整定值与运行值。

图7 EWS工程师站

系统包括登录页面、定值模板管理、定值工程管理和通信告警等页面,并提供有详细的系统日志,用于记录工程师站与保护装置间报文通信的报文类型、操作时间、报文返回状态等信息,方便用户追溯定值操作。

6 结语

定值管理功能可根据应用程序灵活配置到指定的CPU中,实现保护定值在线修改、查询、校核等功能,无需通过更改应用程序来修改定值,保证了应用程序的标准化。为开展保护定值在线校核和预警技术业务与流程提供了系统化、规范化的定值管理系统,有助于提升直流保护系统运行、管理水平。