隨著電力設(shè)備制造技術(shù)的進(jìn)步和控制理論的發(fā)展，直流輸電成為高電壓遠(yuǎn)距離電能輸送的主要方式。我國早期直流輸電工程的控制保護(hù)設(shè)備完全依賴于西門子、ABB等國外公司的產(chǎn)品，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，逐步實現(xiàn)了自主化。

板卡檢測系統(tǒng)作為直流輸電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，主要有兩大功能，一是對板卡的故障部件進(jìn)行檢測定位，二是確保備件板卡的完好性。但是，現(xiàn)有板卡檢測系統(tǒng)僅能對IO單元中的少量板卡進(jìn)行檢測，存在可檢測板卡種類少、檢測功能單一、檢測結(jié)果展示粗糙等問題，對現(xiàn)場板卡維護(hù)工作起不到全面有效的支撐。

針對以上問題，本文對直流換流站內(nèi)控制保護(hù)系統(tǒng)中所含板卡進(jìn)行全面梳理和功能歸類，以覆蓋所有類型板卡為目標(biāo)，設(shè)計檢測系統(tǒng)設(shè)備單元的整體硬件結(jié)構(gòu)?？紤]到各板卡的功能差異，提出板卡間互聯(lián)互測的方法，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)每一塊板卡的有效檢測。

1 總體方案

PCS—9550直流控制保護(hù)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司的直流輸電工程中，主要包含控制保護(hù)主機單元、分布式IO單元和電子式互感器測量單元等部分。

為降低設(shè)備造價，節(jié)約占地空間，對板卡檢測系統(tǒng)進(jìn)行緊湊化設(shè)計，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。IO單元和合并單元將各自采集到的信號送給主機單元，主機單元完成檢測主邏輯后將結(jié)果送至運行人員工作站（operator work station, OWS），最終通過上位機監(jiān)控軟件將檢測報告呈現(xiàn)到界面上。

圖1 板卡檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

板卡檢測系統(tǒng)應(yīng)盡量將工程現(xiàn)場控制保護(hù)系統(tǒng)中所有使用到的板卡都涵蓋進(jìn)來，只有做到“應(yīng)檢盡檢”，才能在最大程度上發(fā)現(xiàn)故障板卡，保證直流輸電系統(tǒng)的可靠運行。以國內(nèi)某±800kV特高壓直流工程為例，現(xiàn)場所使用的PCS—9550直流控制保護(hù)系統(tǒng)的各部分硬件配置及主要功能見表1。

可以看到，控制保護(hù)主機單元、分布式IO單元和電子式互感器測量單元這三大類設(shè)備中包含多種不同的裝置和相應(yīng)的板卡。統(tǒng)計換流站現(xiàn)場每一類裝置單元的板卡取并集以后再進(jìn)行集成化精簡設(shè)計，得到板卡檢測系統(tǒng)的設(shè)備單元，設(shè)計原則示意圖如圖2所示。

表1 PCS—9550系統(tǒng)硬件功能

圖2 板卡檢測系統(tǒng)設(shè)備單元設(shè)計原則

2.1 主機單元設(shè)計

控制保護(hù)系統(tǒng)的主機分為控制和保護(hù)兩大類， 經(jīng)統(tǒng)計，其板卡包括電源板卡1、管理CPU板卡、邏輯數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）板卡1、邏輯DSP板卡2、通信DSP板卡1、通信DSP板卡2、通信DSP板卡3、開出板卡1、開出板卡2。板卡檢測系統(tǒng)主機單元配置如圖3所示，包含上述所有板卡，可以實現(xiàn)檢測全覆蓋。

圖3 板卡檢測系統(tǒng)主機單元配置

2.2 IO單元設(shè)計

現(xiàn)場IO單元采集的信號繁多，所使用的板卡種類也各不相同。經(jīng)統(tǒng)計，包括電源板卡2、電源板卡3、總線接口板卡、模擬量通信板卡1、模擬量通信板卡2、交流板卡1～6、開關(guān)量通信板卡、直流小信號采樣板卡、開入板卡、開入開出板卡1、開入開出板卡2。

板卡檢測系統(tǒng)IO單元配置如圖4所示，包括兩臺IO設(shè)備單元，其中IO1為長背板機箱，可以實現(xiàn)電源板卡2、總線接口板卡、模擬量通信板卡1～2、交流板卡1～4的檢測；IO2為短背板機箱，可以實現(xiàn)電源板卡3、交流板卡5～6、開關(guān)量通信板卡、直流小信號采樣板卡、開入板卡、開入開出板卡1～2的檢測。

圖4 板卡檢測系統(tǒng)IO單元配置

2.3 電子式互感器測量單元設(shè)計

電子式互感器測量系統(tǒng)包括一次測量線圈、電阻盒、遠(yuǎn)端模塊和合并單元四大部分。一次測量線圈的檢測校核由專門的設(shè)備完成，本系統(tǒng)的電子式互感器測量單元僅包括后級的電阻盒、遠(yuǎn)端模塊和合并單元三部分。

工程現(xiàn)場有三種不同類型的遠(yuǎn)端模塊和配套的電阻盒，檢測系統(tǒng)配置一臺合并單元，可為三種遠(yuǎn)端模塊提供激光能量，同時將三路數(shù)據(jù)采集匯總后上送給主機單元。板卡檢測系統(tǒng)電子式互感器測量單元結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 板卡檢測系統(tǒng)電子式互感器測量單元

3 檢測原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照分塊采集，再統(tǒng)一整合的思路進(jìn)行軟件設(shè)計。檢測主程序配置在檢測主機中，可以完成主機、IO及電子式互感器單元各個板卡的檢測，主程序流程如圖6所示。

圖6 板卡檢測主程序流程

開機后首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，確保各裝置單元運行正常；準(zhǔn)備就緒后，檢測人員從OWS系統(tǒng)下發(fā)檢測命令開始檢測；檢測完成后可以選擇生成并打印相應(yīng)的報告。以下對幾種核心板卡的檢測方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

3.1 通信類板卡檢測

系統(tǒng)中具備通信功能的板卡包括主機CPU板卡、DSP板卡、IO單元通信板卡、合并單元通信板卡等，這些板卡配置有多路光口，完成裝置間的數(shù)據(jù)交互功能。

通信類板卡采用板卡互聯(lián)的方式進(jìn)行檢測。將IO單元和合并單元的通信板卡通過光纖、CAN線等傳輸介質(zhì)連接到主機板卡的相應(yīng)端口上，在檢測主程序控制下進(jìn)行板卡間的數(shù)據(jù)交互測試，該方式可同時完成對IO單元、合并單元及主機板卡相應(yīng)端口的檢測。

對于主機的其他板卡或端口，采用同機板卡互聯(lián)，即主機板卡1的端口按順序接到主機板卡2的端口，在檢測主程序的控制下，通過板卡間互發(fā)數(shù)據(jù)的方式完成檢測。通信類板卡的檢測結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 通信類板卡檢測結(jié)構(gòu)

3.2 開入開出類板卡檢測

主機和IO單元中均包含開入開出類板卡，采用互聯(lián)方式進(jìn)行檢測。將主機開出板卡的開出接點依次接入IO單元開入板卡的開入接點；將IO單元兩塊開入開出板卡的開入開出接點交叉互聯(lián)，即將板卡1的開出接點接到板卡2的開入接點上，板卡2的開出接點接到板卡1的開入接點上。

通過設(shè)定檢測主程序，按序依次對相應(yīng)板卡進(jìn)行開出操作，結(jié)合接收到的開入狀態(tài)，即可得知待檢板卡的接點故障情況。開入開出類板卡的檢測結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 開入開出類板卡檢測結(jié)構(gòu)

3.3 常規(guī)模擬量采集類板卡檢測

常規(guī)模擬量采集類板卡包含IO裝置中的模擬量采集板卡、模擬量通信板卡和主機中的邏輯DSP板卡1。模擬量采集板卡采集到電磁式互感器和零磁通互感器的電壓、電流后，通過模擬量通信板卡以標(biāo)準(zhǔn)的IEC 60044-8協(xié)議上送到主機單元的邏輯DSP板卡1中。

考慮到上述過程，將模擬量通信板卡的多路發(fā)送光口與邏輯DSP板卡1的相應(yīng)接收光口相連，即可實現(xiàn)對鏈路上所有相關(guān)板卡的檢測。

常規(guī)模擬量采集類板卡的檢測需要標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號源的配合，在屏柜端子排給對應(yīng)的模擬量采集板卡加入電壓或電流信號，經(jīng)過全鏈路采集傳輸后，在檢測界面可以看到實際采集到的模擬量值，通過和所施加的標(biāo)準(zhǔn)模擬量值對比，可以判斷出鏈路中待檢板卡的功能完整性和測量精度。常規(guī)模擬量采集類板卡檢測結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 常規(guī)模擬量采集類板卡檢測結(jié)構(gòu)

3.4 電子式互感器測量類板卡檢測

根據(jù)2.3節(jié)所述，本系統(tǒng)只對電阻盒、遠(yuǎn)端模塊和合并單元進(jìn)行檢測，實際一次線圈的輸出由標(biāo)準(zhǔn)信號源來模擬。

合并單元的光功率插件給遠(yuǎn)端模塊供能，多路遠(yuǎn)端模塊將采集到的數(shù)據(jù)送給合并單元，再由合并單元將測量數(shù)據(jù)打包后送至檢測主機處理。

類似3.3節(jié)的方式，將合并單元通信板卡的多路發(fā)送光口與邏輯DSP板卡1的相應(yīng)接收光口相連，即可實現(xiàn)對鏈路上所有相關(guān)板卡的功能和精度檢測。電子式互感器測量單元檢測結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 電子式互感器測量單元檢測結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)開發(fā)與試驗

4.1 系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)以上設(shè)計，開發(fā)了圖11所示板卡檢測系統(tǒng)。IO單元和檢測主機配備了換流站現(xiàn)場IO單元和控制保護(hù)單元的所有類型板卡；AC-DC電源模塊可將220V市電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各設(shè)備所需的標(biāo)準(zhǔn)220V直流電源，解決某些單位無配套直流電源的問題；電阻盒、遠(yuǎn)端模塊和合并單元一起實現(xiàn)對電子式互感器核心二次部件的檢測；此外，考慮到合并單元溫升問題，配置了風(fēng)扇單元增加散熱。

圖11 板卡檢測系統(tǒng)實物屏柜

4.2 測試實例

對某±800kV換流站使用的所有類型板卡進(jìn)行了檢測試驗，其中四種典型板卡的測試結(jié)果如下。

1）通信類板卡NR1139A

NR1139A型DSP板卡主要用于控制裝置的核心邏輯運算和主機間通信功能，具有6路高速光口和2路CAN通信口。

NR1139A的6路光口與IO單元開關(guān)量通信板卡NR1136D的6路光口相連，2路CAN口與IO單元總線接口板卡NR1201B的CAN口相連。開始檢測后，NR1139A板卡每一個通信口給IO裝置發(fā)送既定測試信號，IO裝置接收到這些信號后，再返回給NR1139A板卡，在檢測主程序中經(jīng)過收發(fā)一致性判斷，便可得出各個通道的故障情況。NR1139A型邏輯DSP板卡的檢測結(jié)果如圖12所示。

2）開入開出板卡NR1520A

NR1520A型開入開出板卡用于開關(guān)的位置采集及分合遙控控制，具有8路開入，10路開出。

圖12 NR1139A板卡檢測結(jié)果

NR1520A板卡的檢測需要和同機箱的另一種11路開入、5路開出的板卡NR1530A配合。

NR1520A板卡的開出接點1～9分別與NR1530A板卡的開入接點1～9相連，開出接點10與NR1530A板卡的開入接點10、11相連；NR1520A板卡的開入接點1～4分別與NR1530A的開出接點1～4相連，開入接點5～8與NR1530A的開出接點5相連。

在端子排上挑開待檢NR1520A板卡的開出6、8、9、10接線端子和開入6、8接線端子以模擬故障。系統(tǒng)按順序依次給NR1520A和NR1530A板卡的每一個開出通道發(fā)出開出指令，由于上述端子開路，收不到相應(yīng)開入信號，故判斷出NR1520A板卡的接點故障。NR1520A型開入開出板卡檢測結(jié)果如圖13所示。

圖13 NR1520A板卡檢測結(jié)果

3）常規(guī)交流電流采集板卡NR1405A

NR1405A型6輸入交流電流板卡用于電流采集，通道額定電流1A，對應(yīng)現(xiàn)場一次5 000A電流。在屏柜端子排上給NR1405A板卡的通道1接入1A交流電流源后，在界面輸入所加電流的標(biāo)幺值1.00p.u.，點擊開始檢測，系統(tǒng)即可給出當(dāng)前實測采樣值5 003.705A和測量誤差值0.074 1%。NR1405A型交流板卡檢測結(jié)果如圖14所示。

圖14 NR1405A型交流板卡檢測結(jié)果

4）電子式互感器測量單元遠(yuǎn)端模塊NR1458B

NR1458B型遠(yuǎn)端模塊與NR1466A型電阻盒配套使用，用于采集直流電壓。在屏柜端子排上給NR1466A型電阻盒接入5V直流電壓源后，在界面輸入所加電壓實際值5.00V，系統(tǒng)即可給出當(dāng)前實測采樣值5.000 6V和測量誤差值0.012 0%。NR1458B型遠(yuǎn)端模塊檢測結(jié)果如圖15所示。

圖15 NR1458B型遠(yuǎn)端模塊檢測結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有板卡檢測系統(tǒng)可檢測板卡種類少、檢測功能單一、檢測結(jié)果展示粗略等問題，對現(xiàn)場用到的控制保護(hù)主機單元、IO單元和電子式互感器測量單元等相關(guān)設(shè)備所有類型的板卡進(jìn)行了分類統(tǒng)計，通過對裝置單元配置、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、板卡測試原理等方面的設(shè)計研究，采用板卡互聯(lián)、裝置互通的方式，開發(fā)出了一種基于PCS—9550硬件平臺的新型板卡檢測系統(tǒng)。

通過國內(nèi)某直流輸電工程實際板卡的檢測試驗證明，本系統(tǒng)可支持檢測的板卡種類全、范圍廣，配備的上位機軟件界面清楚簡單，操作方便，檢測報告完整清晰。此外，系統(tǒng)的板卡離線整定功能支持待更換備品備件的程序下載、參數(shù)整定等工作，避免了直接在運行的直流控制保護(hù)系統(tǒng)上操作帶來的安全隱患。

本系統(tǒng)可以為換流站日常運維檢修工作中的定位板卡故障部件提供技術(shù)保障，為現(xiàn)場備品備件的可靠檢測提供全面支撐，為電力科研單位仿真系統(tǒng)的板卡日常維護(hù)提供檢測手段，同時也為其他類似的檢測系統(tǒng)提供了一種新的設(shè)計思路。

本文編自2021年第12期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于PCS—9550直流控制保護(hù)平臺的板卡檢測系統(tǒng)研制”，作者為唐俊、王楊正 等。