基于PCS—9550直流控制保护平台的板卡检测系统研制

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针对现有板卡检测系统的不足，南京南瑞继保电气有限公司的研究人员唐俊、王杨正、王永平、邹强，在2021年第12期《电气技术》上撰文，设计开发一种基于PCS—9550直流控制保护平台的板卡检测系统。以降低造价、节约空间为约束条件，对控制保护主机单元、分布式IO单元和电子式互感器测量单元三部分装置所含板卡进行归类，给出每类板卡的检测原理并开发检测软硬件。最后以某±800kV特高压直流输电工程的典型板卡为例进行试验，结果表明，该系统能快速准确地检测该工程中基于PCS—9550平台的各类型板卡，可以为换流站现场的运维工作和科研单位的仿真系统提供支撑。

随着电力设备制造技术的进步和控制理论的发展，直流输电成为高电压远距离电能输送的主要方式。我国早期直流输电工程的控制保护设备完全依赖于西门子、ABB等国外公司的产品，经过二十多年的发展，逐步实现了自主化。

板卡检测系统作为直流输电系统中的重要设备，主要有两大功能，一是对板卡的故障部件进行检测定位，二是确保备件板卡的完好性。但是，现有板卡检测系统仅能对IO单元中的少量板卡进行检测，存在可检测板卡种类少、检测功能单一、检测结果展示粗糙等问题，对现场板卡维护工作起不到全面有效的支撑。

针对以上问题，本文对直流换流站内控制保护系统中所含板卡进行全面梳理和功能归类，以覆盖所有类型板卡为目标，设计检测系统设备单元的整体硬件结构。考虑到各板卡的功能差异，提出板卡间互联互测的方法，实现对系统内每一块板卡的有效检测。

1  总体方案

PCS—9550直流控制保护系统广泛应用于国家电网公司和南方电网公司的直流输电工程中，主要包含控制保护主机单元、分布式IO单元和电子式互感器测量单元等部分。

为降低设备造价，节约占地空间，对板卡检测系统进行紧凑化设计，整体结构如图1所示。IO单元和合并单元将各自采集到的信号送给主机单元，主机单元完成检测主逻辑后将结果送至运行人员工作站（operator work station, OWS），最终通过上位机监控软件将检测报告呈现到界面上。

图1  板卡检测系统整体结构

2  硬件设计

板卡检测系统应尽量将工程现场控制保护系统中所有使用到的板卡都涵盖进来，只有做到“应检尽检”，才能在最大程度上发现故障板卡，保证直流输电系统的可靠运行。以国内某±800kV特高压直流工程为例，现场所使用的PCS—9550直流控制保护系统的各部分硬件配置及主要功能见表1。

可以看到，控制保护主机单元、分布式IO单元和电子式互感器测量单元这三大类设备中包含多种不同的装置和相应的板卡。统计换流站现场每一类装置单元的板卡取并集以后再进行集成化精简设计，得到板卡检测系统的设备单元，设计原则示意图如图2所示。

表1  某直流输电工程中PCS—9550系统硬件功能

图2  板卡检测系统设备单元设计原则示意图

2.1  主机单元设计

控制保护系统的主机分为控制和保护两大类， 经统计，其板卡包括电源板卡1、管理CPU板卡、逻辑数字信号处理器（digital signal processor, DSP）板卡1、逻辑DSP板卡2、通信DSP板卡1、通信DSP板卡2、通信DSP板卡3、开出板卡1、开出板卡2。板卡检测系统主机单元配置如图3所示，包含上述所有板卡，可以实现检测全覆盖。

图3  板卡检测系统主机单元配置

2.2  IO单元设计

现场IO单元采集的信号繁多，所使用的板卡种类也各不相同。经统计，包括电源板卡2、电源板卡3、总线接口板卡、模拟量通信板卡1、模拟量通信板卡2、交流板卡1～6、开关量通信板卡、直流小信号采样板卡、开入板卡、开入开出板卡1、开入开出板卡2。

板卡检测系统IO单元配置如图4所示，包括两台IO设备单元，其中IO1为长背板机箱，可以实现电源板卡2、总线接口板卡、模拟量通信板卡1～2、交流板卡1～4的检测；IO2为短背板机箱，可以实现电源板卡3、交流板卡5～6、开关量通信板卡、直流小信号采样板卡、开入板卡、开入开出板卡1～2的检测。

图4  板卡检测系统IO单元配置

2.3  电子式互感器测量单元设计

电子式互感器测量系统包括一次测量线圈、电阻盒、远端模块和合并单元四大部分。一次测量线圈的检测校核由专门的设备完成，本系统的电子式互感器测量单元仅包括后级的电阻盒、远端模块和合并单元三部分。

工程现场有三种不同类型的远端模块和配套的电阻盒，检测系统配置一台合并单元，可为三种远端模块提供激光能量，同时将三路数据采集汇总后上送给主机单元。板卡检测系统电子式互感器测量单元结构如图5所示。

图5  板卡检测系统电子式互感器测量单元结构

3  检测原理与结构设计

按照分块采集，再统一整合的思路进行软件设计。检测主程序配置在检测主机中，可以完成主机、IO及电子式互感器单元各个板卡的检测，主程序流程如图6所示。

图6  板卡检测主程序流程

开机后首先进行系统自检，确保各装置单元运行正常；准备就绪后，检测人员从OWS系统下发检测命令开始检测；检测完成后可以选择生成并打印相应的报告。以下对几种核心板卡的检测方案进行详细说明。

3.1  通信类板卡检测

系统中具备通信功能的板卡包括主机CPU板卡、DSP板卡、IO单元通信板卡、合并单元通信板卡等，这些板卡配置有多路光口，完成装置间的数据交互功能。

通信类板卡采用板卡互联的方式进行检测。将IO单元和合并单元的通信板卡通过光纤、CAN线等传输介质连接到主机板卡的相应端口上，在检测主程序控制下进行板卡间的数据交互测试，该方式可同时完成对IO单元、合并单元及主机板卡相应端口的检测。

对于主机的其他板卡或端口，采用同机板卡互联，即主机板卡1的端口按顺序接到主机板卡2的端口，在检测主程序的控制下，通过板卡间互发数据的方式完成检测。通信类板卡的检测结构如图7所示。

图7  通信类板卡检测结构

3.2  开入开出类板卡检测

主机和IO单元中均包含开入开出类板卡，采用互联方式进行检测。将主机开出板卡的开出接点依次接入IO单元开入板卡的开入接点；将IO单元两块开入开出板卡的开入开出接点交叉互联，即将板卡1的开出接点接到板卡2的开入接点上，板卡2的开出接点接到板卡1的开入接点上。

通过设定检测主程序，按序依次对相应板卡进行开出操作，结合接收到的开入状态，即可得知待检板卡的接点故障情况。开入开出类板卡的检测结构如图8所示。

图8  开入开出类板卡检测结构

3.3  常规模拟量采集类板卡检测

常规模拟量采集类板卡包含IO装置中的模拟量采集板卡、模拟量通信板卡和主机中的逻辑DSP板卡1。模拟量采集板卡采集到电磁式互感器和零磁通互感器的电压、电流后，通过模拟量通信板卡以标准的IEC 60044-8协议上送到主机单元的逻辑DSP板卡1中。

考虑到上述过程，将模拟量通信板卡的多路发送光口与逻辑DSP板卡1的相应接收光口相连，即可实现对链路上所有相关板卡的检测。

常规模拟量采集类板卡的检测需要标准模拟量信号源的配合，在屏柜端子排给对应的模拟量采集板卡加入电压或电流信号，经过全链路采集传输后，在检测界面可以看到实际采集到的模拟量值，通过和所施加的标准模拟量值对比，可以判断出链路中待检板卡的功能完整性和测量精度。常规模拟量采集类板卡检测结构如图9所示。

图9  常规模拟量采集类板卡检测结构

3.4  电子式互感器测量类板卡检测

根据2.3节所述，本系统只对电阻盒、远端模块和合并单元进行检测，实际一次线圈的输出由标准信号源来模拟。

合并单元的光功率插件给远端模块供能，多路远端模块将采集到的数据送给合并单元，再由合并单元将测量数据打包后送至检测主机处理。

类似3.3节的方式，将合并单元通信板卡的多路发送光口与逻辑DSP板卡1的相应接收光口相连，即可实现对链路上所有相关板卡的功能和精度检测。电子式互感器测量单元检测结构如图10所示。

图10  电子式互感器测量单元检测结构

4  系统开发与试验

4.1  系统开发

根据以上设计，开发了图11所示板卡检测系统。IO单元和检测主机配备了换流站现场IO单元和控制保护单元的所有类型板卡；AC-DC电源模块可将220V市电转换为系统各设备所需的标准220V直流电源，解决某些单位无配套直流电源的问题；电阻盒、远端模块和合并单元一起实现对电子式互感器核心二次部件的检测；此外，考虑到合并单元温升问题，配置了风扇单元增加散热。

图11  板卡检测系统实物屏柜

4.2  测试实例

对某±800kV换流站使用的所有类型板卡进行了检测试验，其中四种典型板卡的测试结果如下。

1）通信类板卡NR1139A

NR1139A型DSP板卡主要用于控制装置的核心逻辑运算和主机间通信功能，具有6路高速光口和2路CAN通信口。

NR1139A的6路光口与IO单元开关量通信板卡NR1136D的6路光口相连，2路CAN口与IO单元总线接口板卡NR1201B的CAN口相连。开始检测后，NR1139A板卡每一个通信口给IO装置发送既定测试信号，IO装置接收到这些信号后，再返回给NR1139A板卡，在检测主程序中经过收发一致性判断，便可得出各个通道的故障情况。NR1139A型逻辑DSP板卡的检测结果如图12所示。

2）开入开出板卡NR1520A

NR1520A型开入开出板卡用于开关的位置采集及分合遥控控制，具有8路开入，10路开出。

图12  NR1139A型逻辑DSP板卡检测结果

NR1520A板卡的检测需要和同机箱的另一种11路开入、5路开出的板卡NR1530A配合。

NR1520A板卡的开出接点1～9分别与NR1530A板卡的开入接点1～9相连，开出接点10与NR1530A板卡的开入接点10、11相连；NR1520A板卡的开入接点1～4分别与NR1530A的开出接点1～4相连，开入接点5～8与NR1530A的开出接点5相连。

在端子排上挑开待检NR1520A板卡的开出6、8、9、10接线端子和开入6、8接线端子以模拟故障。系统按顺序依次给NR1520A和NR1530A板卡的每一个开出通道发出开出指令，由于上述端子开路，收不到相应开入信号，故判断出NR1520A板卡的接点故障。NR1520A型开入开出板卡检测结果如图13所示。

图13  NR1520A型开入开出板卡检测结果

3）常规交流电流采集板卡NR1405A

NR1405A型6输入交流电流板卡用于电流采集，通道额定电流1A，对应现场一次5 000A电流。在屏柜端子排上给NR1405A板卡的通道1接入1A交流电流源后，在界面输入所加电流的标幺值1.00p.u.，点击开始检测，系统即可给出当前实测采样值5 003.705A和测量误差值0.074 1%。NR1405A型交流板卡检测结果如图14所示。

图14  NR1405A型交流板卡检测结果

4）电子式互感器测量单元远端模块NR1458B

NR1458B型远端模块与NR1466A型电阻盒配套使用，用于采集直流电压。在屏柜端子排上给NR1466A型电阻盒接入5V直流电压源后，在界面输入所加电压实际值5.00V，系统即可给出当前实测采样值5.000 6V和测量误差值0.012 0%。NR1458B型远端模块检测结果如图15所示。

图15  NR1458B型远端模块检测结果

5  结论

本文针对现有板卡检测系统可检测板卡种类少、检测功能单一、检测结果展示粗略等问题，对现场用到的控制保护主机单元、IO单元和电子式互感器测量单元等相关设备所有类型的板卡进行了分类统计，通过对装置单元配置、系统整体结构、板卡测试原理等方面的设计研究，采用板卡互联、装置互通的方式，开发出了一种基于PCS—9550硬件平台的新型板卡检测系统。

通过国内某直流输电工程实际板卡的检测试验证明，本系统可支持检测的板卡种类全、范围广，配备的上位机软件界面清楚简单，操作方便，检测报告完整清晰。此外，系统的板卡离线整定功能支持待更换备品备件的程序下载、参数整定等工作，避免了直接在运行的直流控制保护系统上操作带来的安全隐患。

本系统可以为换流站日常运维检修工作中的定位板卡故障部件提供技术保障，为现场备品备件的可靠检测提供全面支撑，为电力科研单位仿真系统的板卡日常维护提供检测手段，同时也为其他类似的检测系统提供了一种新的设计思路。

本文编自2021年第12期《电气技术》，论文标题为“基于PCS—9550直流控制保护平台的板卡检测系统研制”，作者为唐俊、王杨正 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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