TDM总线切换对特高压直流系统的作用

测量系统的测量数据流转包括现场采集、处理、分配、传输、接收等环节，输入-输出接口板卡彼此串联构成TDM总线环网，与该环网相连的所有测量模块的测量数据均通过固定的数据格式和地址在测量总线上传输，每个周期向控制保护系统传输128次数据，如果交流系统频率为50Hz，则测量总线传输数据的时间间隔为156μs[3]。

测量总线（TDM总线）切换逻辑

云广和糯扎渡特高压直流工程采用测量总线与控制保护系统交叉冗余运行，系统中两路测量总线同时工作，控制保护系统1默认测量总线1（TDM-Bus1）为主，控制保护系统2默认测量总线2（TDM-Bus2）为主。当两路测量总线都正常工作时，它们在每一时刻向控制保护装置传递同样的测量数据，每套控制保护系统对两路测量总线发来的数据均会接收，但只读取主用测量总线的数据。当主用测量总线故障时，控制保护系统会自动切换至备用测量总线，读取备用测量总线的测量数据，不影响直流系统的正常运行。这样双冗余的测量总线不仅在物理层上得实现了冗余，而且在数据链路层和交互信息方面都得到了冗余，大大提高了测量系统的稳定性和可靠性。特高压直流保护系统发生以下情况时，主用测量总线将向备用测量总线进行切换[4]：1）发生物理性故障，即循环冗余检测故障或总线响应超时；2）测量模块判定测量值有效性故障，即检测到无合法测量值位；3）测量值偏差校验监视功能模块检测到测量值与槛值出现偏差故障；4）保护动作出口前T时间预告警（prewarn-ing）。当保护装置主用测量总线的测量值达到保护动作定值时，保护动作出口前T时间会发预告警，预告警的作用就是请求保护系统进行测量总线切换，进而判定测量量是否确实达到了保护动作定值。同时，若保护系统检测到备用的测量总线满足前3条任何一项，将不会再进行测量总线切换。测量总线切换完成后，不管保护装置动作出口与否，5s后测量总线会自动切回到原测量总线。预告警切换至备用测量总线后，若备用测量总线测量数据也达到保护动作定值，则保护装置会按照保护时间定值动作出口；若切至备用测量总线后，测量数据未达到保护动作定值则预告警复归，同时，保护程序中会开放一个长65s的时间窗口，并在5s后测量系统自动返回到原测量总线。在这65s之内，若再次出现保护预告警，则测量系统会再次切换到备用测量总线上，并保持在备用测量总线上。同时，将原测量总线定义为故障，不再进行回切。另外，直流保护装置读取测量总线所传输的测量数据需进行低通滤波预处理，然后才会参与保护判据运算。

实例分析

在糯扎渡特高压直流输电工程控制保护设备功能性试验期间，出现了由于直流保护系统测量总线切换导致直流误动作的情况。试验时双极四阀组解锁运行，极Ⅰ（Pole1）以70%降压（560kV）运行，极Ⅱ（Pole2）全压（800kV）运行。在试验过程中，由于极Ⅰ极测量系统2因测量总线接线松动导致极Ⅰ极保护系统2的直流线路低电压保护（27du/dt）动作出口，故障录波如图2所示。直流线路低电压保护（27du/dt）动作判据为：dUdH/dt>112kV/0.15ms&UdH<480kV，动作出口时间为100ms，并且在保护动作出口前10ms应进行测量总线切换。由图2可知，极Ⅰ极保护系统2以测量总线2为主用，由于极Ⅰ极测量系统2因测量总线接线松动，极测量系统测量总线2传输至极Ⅰ极保护系统2中的高压侧直流电压UdH直接降为0，且电压变化率dUdH/dt达到137kV/0.15ms，从而满足了直流线路低电压保护（27du/dt）动作判据条件。同时，在保护出口前10ms（即保护动作90ms时刻）发出预告警进行测量总线切换，由测量总线2主用切换至测量总线1主用。由图2可以看出，测量总线切换完成后，由于测量总线1未出现故障，极测量系统通过测量总线1传输至极保护系统2的高压侧直流电压UdH恢复至正常电压560kV。按照设计原则，测量总线切换完成后，由于极测量系统的测量总线1传输的测量数据是正常值，不满足保护动作判据，预告警应复归，保护不能够动作出口。

直流线路低电压保护（27du/dt）之所以能够动作出口，原因如下：当极Ⅰ极保护系统2突然切换到以测量总线1为主用后，来自测量总线1的测量数据还需要进行低通滤波预处理才能参与直流线路低电压保护（27du/dt）判据运算。读入保护装置测量系统1的极Ⅰ高压侧直流电压测量数据虽然达到了正常值560kV，但是，该值经低通滤波器输出会有从0kV到560kV的过渡过程，该过渡过程会超出10ms。由于低通滤波器数据输出的滞后，在10ms时间内直流线路低电压保护（27du/dt）还无法准确读取测量系统1的正常数据，直流线路低电压保护（27du/dt）动作判据依然满足，同时达到保护动作时间定值100ms,导致了保护动作出口。为验证分析的正确性，对保护系统低通滤波功能块IIR2的输出进行了监测，波形如图3所示。从仿真试验波形图3可以看出：从测量总线切换时刻到低通滤波器的输出数据达到保护复归值480kV需要13ms，达到正常的高压直流电压值560kV需要30ms，远超出直流保护系统从预告警至保护动作出口时间10ms。

改进措施

1）直流线路低电压保护（27du/dt）从预告警切换测量总线到保护动作出口时间仅为10ms，在这10ms时间内高压侧直流电压值经低通滤波模块后无法准确输出至保护判据运算模块，通过对保护系统低通滤波功能块IIR2的输出监测可知从测量总线切换到达到保护复归值至少需要13ms。因此，可以考虑适当提前保护系统预告警时刻，给低通滤波模块输出留出充足的时间裕度，使得在保护动作时间定值满足之前可以读取到准确的测量数据，避免测量总线切换后保护系统误动作出口。

2）升级改造保护系统低通滤波模块，当发生测量总线切换后，缩短低通滤波模块对测量数据的处理时间，使得低通滤波模块在保护预告警和动作出口这段时间内可以完成测量数据的预处理，提供给保护判据运算模块准确的测量数据。目前，已按照第2种方法对糯扎渡特高压直流工程直流保护系统低通滤波模块进行了升级改造，将原有的低通滤波模块IIR2升级为IIR2S，IIR2S和IIR2不同之处在于：在测量总线切换的那个周期，低通滤波模块IIR2S会直接输出切换之后测量总线的测量数据，避免了低通滤波模块IIR2的时间过渡。同时，测量总线切换的信号只持续一个采样周期，一个采样周期之后，低通滤波模块还将按公式（1）进行测量数据的滤波计算。低通滤波模块IIR2和IIR2S对比输出波形如图4所示。图4可以看出，当主用测量总线切换到备用测量总线之后，测量电压从0突然阶跃到800kV时，低通滤波模块IIR2S能短时将备用测量总线上的测量数据准确输出，满足直流保护系统的要求。按照第2种方法，对糯扎渡特高压直流输电工程直流保护系统的升级改造完成之后，对直流保护系统进行了相同的试验，没有再出现保护误动作的情况。

结语

直流测量系统TDM总线首次在特高压直流工程中应用，目前尚无法对其运行风险进行全面而准确的评估，而测量总线的运行风险直接关系到特高压直流系统的正常运行。因此，有必要通过特高压直流设备功能性试验和现场运行调试，对特高压直流测量系统进行运行风险辨识，探索分析其运行特性，进而日趋完善特高压直流工程的控制保护系统，提高特高压直流系统安全稳定运行的能力。（本文作者：徐攀腾、张志朝 单位：中国南方电网超高压输电公司、中国南方电网超高压输电公司）