HCM3000控制保护平台在电力系统中的应用现状分析

HCM3000控制保护平台在电力系统中的应用现状分析

邢超;何鑫;赵勇帅

【摘要】HCM3000控制保护平台的板卡主要由处理器、通信、开关量、模拟量、存储器模块、点火脉冲模块等部分构成,该平台在电力系统中有着广阔的应用和发

展前景.文章介绍了HCM3000系列控制保护平台的原理及构成,分析了其发展和应用现状,最后指出了HCM3000平台应用过程中存在的问题及相关对策.

【期刊名称】《通信电源技术》

【年(卷),期】2017(034)005

【总页数】4页(P116-119)

【关键词】HCM3000;继电保护;直流输电;故障检测

【作者】邢超;何鑫;赵勇帅

【作者单位】云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南昆明650217;云南电网

有限责任公司电力科学研究院,云南昆明650217;云南电网有限责任公司电力科学

研究院,云南昆明650217

【正文语种】中文

控制保护主机系统是高压直流输电工程的核心控制器。根据超高压公司以往直流工程的运行经验，过去五年时间内超高压公司所辖各回直流输电工程共出现63次控制保护板卡故障，其中有7次导致了直流闭锁[1-8]。

HCM3000平台是由许继电气公司自主原创开发的国内第一款大型嵌入式高端工

业控制系统软硬件平台。该平台采用广泛用于航空航天、军事和工业领域的众多领

先技术，体系结构和信息通道更加合理，处理能力更为强大。系统融合了多家国外成熟技术的优点，集成了内置大容量故障录波等附加功能，同时具备嵌入式系统高度的运行可靠性和PC技术灵活性的特征。平台针对直流输电应用的需要采用过采样、正序滤波、数字锁相等技术，以及优化的FPGA脉冲单元设计，可使点火脉冲不平衡度的理论值小于0.02电角度。

平台按照嵌入式工业控制的国际标准，采用紧密耦合的多主处理器硬件结构，由高性能的硬件系统、系统软件、图形化工程工具、应用软件功能块库、通信及接口系统等主要部分构成。平台在总体结构上分为以下4个层次：硬件平台层、系统软件层、工具软件层、应用层[9-13]。其中硬件平台层、系统软件层和工具软件层为工程应用提供载体和工具。基于平台提供的工具进行直流控制保护设备的硬件和工程应用软件开发、调试。工程应用软件以平台为载体运行，从而实现设备规定的控制保护功能。HCM3000直流输电控制保护软硬件平台的体系结构如图1所示。国内外主流直流控制保护平台性能对比列表如表1所示。从表1可以看出，HCM3000控制保护平台和国外系统相比，具有一致的技术特征和功能配置。HCM3000平台与西门子TDC平台采用相同的嵌入式工业控制结构。HCM3000平台在处理速度、功能配置及性能指标等方面均等同于或超过了两种国外系统[13-16]。综上所述，由于HCM3000直流控制保护平台系融合国内外现有技术和工程经验开发，因此在实际的工程应用中，无论直流输电控制保护的硬件设计、软件开发和调试，还是运行维护，均和现有直流控制保护系统具备良好的延续性。

3.1 负荷率测试

许继新一代的HCM3000直流控制保护平台不仅可以满足特高压直流输电等应用高速复杂运算的要求，还可大幅降低控制保护系统处理器的负荷率，保证高度的系统稳定性和运行可靠性[16-19]。

图2为HCM3000平台运行于完整背靠背工程时，负荷率最高的主处理器模块

4(阀组控制器)的负荷率测试结果，该模块中有包括中断和循环任务在内的六级任

务同时运行，由图2可以看出，在I1阶段时候，负荷率为6.43%，然后从T1阶

段到T5阶段负荷率依次仅为2.04%、2.92%、0.05%、0. 86%、0.01%，负荷率从I1阶段到T5阶段整体呈下降趋势。且总体负荷率仅为12.3%。这一负荷率充

分表明HCM3000平台较之以往的直流控制系统能够满足更大型的直流输电工程

负荷要求。

3.2 故障录波性能测试

HCM3000控制保护装置内设置故障录波功能，将有利于故障发生后，定位故障

部件，分析故障发生的原因及过程，有助于直流输电控制保护的进一步研究和发展。如图3所示，平台专门设置一个内置故障录波管理CPU，其他CPU将需要录波的过程数据通过背板总线送给内置故障录波管理CPU，由该CPU 完成全装置的过程数据的录波功能，最后将录波数据通过以太网接口上传到录波分析工作站。

对设计好的录波系统进行相关测试：共设计3个CPU，其中CPU1担任故障录波

管理功能，这3个CPU需要录波的数据要求如表2所示。

由表2可以看出，这一录波功能的基本设计为：周期1 ms，模拟量16路，开关

通道达到48路，故障前记录数据2 s，故障后记录数据10 s，采用脉冲启动方式。经测试内置故障录波功能的增加对其他非录波管理CPU 的影响很小，可忽略不计，录波功能的增加前后运行时间没有明显区别。因为这一录波功能实现了录波快速任务和慢速任务的分离，使得任务执行效率大大提高，并且有录制需要的变量功能，录波频率也可以手动进行调整。因此，加入这一录波功能的直流控制保护平台能够大大提高直流输电工程的运行安全性和效率。

尽管直流控制保护平台属于直流输电工程中的核心，但是由于一些相关技术还不算成熟，使得直流控制保护平台还有待进一步研究完善。例如，阀组差动保护策略还不够完善，中性母线开关(neutral bus switch，简称NBS)需要进一步优化，缺乏

对板卡有效的检测手段。

4.1 阀组差动保护动作策略修改

阀组差动保护检测阀区内的接地故障，为接地故障的主保护。以往工程中该保护动作后发出S闭锁和阀组隔离至阀控系统以闭锁故障阀组，并跳开故障阀组的交流断路器。

试验中发现在双阀组运行时，若整流侧发生阀组差动保护动作后，则故障阀组会快速移相闭锁，其后备保护极差保护无法立刻动作，非故障阀组则会移相后重启，然后继续运行。如果故障为瞬时故障，这种动作策略有利于最大限度地减小危害，维护输送功率，但如果故障为永久故障，则会在故障点产生二次故障电流，不符合快速切除故障的保护要求。

根据试验分析，以快速切除故障为首要任务，故将阀组差动保护动作策略修改为：保护动作后闭锁故障阀组策略不变，同时故障阀组的阀组控系统收到闭锁信号后，通过快速控制总线将闭锁信号传至极控系统，极控系统再通过快速控制总线将闭锁信号传给非故障阀组的阀组控系统，快速闭锁两个阀组。

4.2 NBS开关保护优化

NBS开关保护动作后启动中性母线开关函数(neutral bus switch function，简称NBSF)顺控逻辑：即合上中性母线接地开关(neutral bus grounding switch，简称NBGS)，拉开故障极连接双极区的隔刀，然后非故障极进行移相重启，同时拉开NBGS开关，实现非故障恢复正常运行，故障极拉开隔刀，隔离故障点。NBSF 顺控逻辑主要是针对双极运行，其中一个极的NBS开关与NBS电流测点间的区域发生接地故障时，极闭锁后，无法完成极隔离的情况。

试验过程中发现，在双极额定运行时，若一个极发生Z闭锁后，投旁通对和合旁路开关后会构成电流回路，与接地极形成分流约1 000 A，此时执行极隔离拉开NBS开关时，NBS开关将流过振荡电流，NBS开关保护误动作，然后误启动