我國已建成多個特高壓直流輸電工程，在新能源外送、跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)等方面發(fā)揮了重要作用?！笆奈濉逼陂g，國家仍將規(guī)劃建設(shè)多個特高壓直流輸電工程。經(jīng)過多年發(fā)展，特高壓直流工程成套設(shè)備已具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，但是直流控制保護系統(tǒng)的核心芯片大量使用進口產(chǎn)品，面臨供應(yīng)鏈“卡脖子”風(fēng)險。在當(dāng)前復(fù)雜的國際形勢下，實現(xiàn)關(guān)鍵電力設(shè)備的自主可控對于保證電網(wǎng)安全、保障國民經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

近年來，國內(nèi)芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了能滿足電力設(shè)備使用需求的高性能芯片和元器件，為研制自主可控控制保護平臺提供了條件。本文設(shè)計基于國產(chǎn)芯片的自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)，并研制功能樣機。首先介紹自主可控控制保護平臺的軟、硬件架構(gòu)和平臺的特點，然后基于該平臺設(shè)計特高壓直流控制保護系統(tǒng)，最后在實時數(shù)字仿真系統(tǒng)（real-time digital simulation system, RTDS）中進行工程應(yīng)用試驗，充分驗證系統(tǒng)的功能和性能。

1 自主可控特高壓直流控制保護平臺設(shè)計

自主可控特高壓直流控制保護平臺在已有統(tǒng)一先進控制保護平臺（unified advanced platforms for protection and control, UAPC）的基礎(chǔ)上，按照軟件、硬件分層解耦的思路，實現(xiàn)軟、硬件全國產(chǎn)化替代和升級，做到完全自主可控，總體設(shè)計原則為：

1）在已有成熟平臺進行升級，沿用嵌入式、分布式的整體結(jié)構(gòu)，保持既有特高壓直流控制保護功能完整性和一致性。

2）硬件接口適配特高壓直流控制保護系統(tǒng)開發(fā)需求，充分考慮各類采樣和通信接口。

3）考慮芯片可替代性，硬件和軟件模塊化設(shè)計，應(yīng)用軟件和底層驅(qū)動解耦設(shè)計。

4）冗余化設(shè)計，保持可靠性高、穩(wěn)定性強的特點，整體性能不降低。

自主可控特高壓直流控制保護平臺主要包括控制保護主機、I/O單元、通信裝置、監(jiān)控系統(tǒng)等，本文將重點介紹控制保護主機。

1.1 主機平臺硬件設(shè)計

各類具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)芯片已陸續(xù)應(yīng)用在電力二次設(shè)備中，特高壓直流控制保護系統(tǒng)復(fù)雜、主機運算量大，對處理器芯片性能和穩(wěn)定性要求較高，一般國產(chǎn)處理器芯片難以滿足要求。

目前，國內(nèi)具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能處理器芯片主要包括龍芯、飛騰、全志和麒麟等，應(yīng)用較多的芯片及主要參數(shù)見表1。

表1 國內(nèi)主要處理器芯片

全志在語音處理、智能家居領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟，麒麟主要用于智能手機等智能終端設(shè)備，龍芯和飛騰則在高性能計算、工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用較多，電力行業(yè)也有所應(yīng)用。自主可控控制保護主機核心芯片選型需要綜合考慮：

①芯片廠家技術(shù)自主性，采用自建架構(gòu)或永久授權(quán)架構(gòu)，關(guān)鍵技術(shù)不受制約；②處理器生態(tài)建設(shè)有所積累，技術(shù)支持完善，具有電力行業(yè)應(yīng)用背景；③芯片相應(yīng)開發(fā)工具功能完備、可靠，具備自主知識產(chǎn)權(quán)；④接口資源和運算負載率能滿足特高壓直流輸電應(yīng)用場景需求；⑤工作溫度范圍寬，送端換流站一般自然環(huán)境較為惡劣；⑥具備內(nèi)存糾錯（error correcting code, ECC）功能，防止單bit出錯導(dǎo)致直流系統(tǒng)運行異常。

本平臺主控芯片選取的某國產(chǎn)性能處理器芯片集成了4個64位高性能核，主頻超2GHz，工業(yè)級工作溫度范圍是◆40℃～85℃，片內(nèi)、片外內(nèi)存均支持糾錯功能。

控制保護主機采用基于分布式通信的多處理器硬件架構(gòu)，插件配置為“CPU插件+數(shù)字信號處理（digital signal processing, DSP）插件+光纖擴展插件”的形式，自主可控平臺硬件示意圖如圖1所示。CPU插件負責(zé)實現(xiàn)配置管理、后臺通信等功能；DSP插件負責(zé)控制保護算法實現(xiàn)等功能；光纖擴展插件用于光纖接口的擴展。

圖1 自主可控平臺硬件示意圖

CPU插件采用“國產(chǎn)處理器+國產(chǎn)大容量現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）”的硬件方案，處理器與FPGA之間經(jīng)過吉比特介質(zhì)獨立接口（reduced gigabit media inde- pendent interface, RGMII）總線通信。

核心DSP插件采用“國產(chǎn)高性能多核處理器+國產(chǎn)大容量FPGA”硬件方案，處理器與FPGA之間經(jīng)過高速串行擴展總線（peripheral component interconnect express, PCIE）通信。光纖擴展插件采用“國產(chǎn)微控單元（microcontroller unit, MCU）+國產(chǎn)大容量FPGA”硬件方案，MCU用于加載FPGA程序。

主機內(nèi)部板卡經(jīng)過背板總線，采用PCIE或RGMII總線及自主開發(fā)的多路復(fù)用高速串行（high performance time determinate multiplexed synchronous serial bus, HTM）總線進行數(shù)據(jù)交互。主機對外接口支持光纖以太網(wǎng)、控制器域網(wǎng)（controller area network, CAN）總線、高級數(shù)據(jù)鏈路控制（high-level data link control, HDLC）、IEC 6044—8等協(xié)議，并且預(yù)留豐富的協(xié)議拓展接口，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景進行靈活配置。

1.2 主機平臺軟件設(shè)計

已成熟應(yīng)用的UAPC平臺軟件具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)，軟件為模塊化解耦設(shè)計，不依賴具體硬件，從底層驅(qū)動到上層應(yīng)用均具備自主。自主可控主機平臺軟件在UAPC平臺的基礎(chǔ)上，針對國產(chǎn)化芯片進行功能調(diào)整和優(yōu)化。自主可控平臺軟件示意圖如圖2所示，自主可控控制保護主機平臺軟件由三個部分組成，從下到上依次為系統(tǒng)軟件、工具軟件和應(yīng)用層軟件。

圖2 自主可控平臺軟件示意圖

系統(tǒng)軟件主要為插件的底層驅(qū)動，實現(xiàn)配置管理、任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)交換等功能，需要針對處理器芯片進行適配性開發(fā)。工具軟件是應(yīng)用功能和系統(tǒng)軟件的接口，開發(fā)人員在工具軟件上進行控制保護功能的開發(fā)，對下屏蔽硬件和系統(tǒng)軟件差異。應(yīng)用層軟件主要是控制保護邏輯程序、數(shù)據(jù)采樣處理程序、通信數(shù)據(jù)處理程序。

自主可控平臺軟件設(shè)計時需要綜合考慮：①冗余性設(shè)計，將雙重化冗余的程序分散在不同插件、不同內(nèi)核；②負載分配，根據(jù)程序運算量將模塊化的程序平均調(diào)整至不同內(nèi)核；③數(shù)據(jù)交換量，聯(lián)系緊密的應(yīng)用元件布置于同一內(nèi)核，減少總線的數(shù)據(jù)量。

平臺軟件整體采用面向?qū)ο蟮乃枷脒M行設(shè)計，以元件封裝的形式打包數(shù)據(jù)計算和邏輯處理過程，可以提升代碼的可靠性、可讀性和重用性。軟件開發(fā)工具采用可視化、圖形化編程模式，支持層次化設(shè)計，開發(fā)人員可以直觀地梳理數(shù)據(jù)流及設(shè)計功能邏輯。

平臺軟件主要具備以下特點：1）模塊化分層，面向?qū)ο?，結(jié)構(gòu)清晰；2）系統(tǒng)程序統(tǒng)一管理，編程接口統(tǒng)一管理，后期維護方便；3）控制保護功能和通信功能獨立配置，避免非核心進程影響核心邏輯運算。

1.3 主機監(jiān)視功能設(shè)計

特高壓直流控制保護系統(tǒng)中的裝置必須具備完善的自監(jiān)視功能，裝置內(nèi)部發(fā)生軟、硬件故障時，能及時檢測到異常并采取系統(tǒng)切換等措施，避免擴大故障影響范圍。

傳統(tǒng)采用多層次混合結(jié)構(gòu)監(jiān)視方法，依賴某一插件監(jiān)視系統(tǒng)其他各插件的運行情況，在某些故障情況下較難區(qū)分是負責(zé)監(jiān)視的板卡異常還是被監(jiān)視板卡異常。自主可控平臺的控制保護主機根據(jù)平臺的軟、硬件特點，充分利用處理器多核的特性，采用“核內(nèi)自監(jiān)視+核間平行監(jiān)視”的方法，每一個核都會監(jiān)視其他核，同時也受到其他核監(jiān)視。自主可控主機監(jiān)視邏輯如圖3所示。

圖3 自主可控主機監(jiān)視邏輯

監(jiān)視對象可包括總線寄存器循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check, CRC）錯誤統(tǒng)計、各核負載率、各級中斷負載、HTM總線數(shù)據(jù)校驗、中斷計數(shù)等，本主機監(jiān)測到某核出現(xiàn)異常時，根據(jù)特高壓直流系統(tǒng)主機三級故障劃分方法將異常主機置相應(yīng)故障等級，退出值班運行狀態(tài)，冗余配置的對系統(tǒng)主機經(jīng)系統(tǒng)間通信獲取異常信息后，立即進行系統(tǒng)切換。

這種監(jiān)視方法主要具有以下優(yōu)點：1）充分保證能夠及時準確地定位故障，沒有監(jiān)視盲點；2）平行結(jié)構(gòu)檢測到異常時無需經(jīng)過第三方中轉(zhuǎn)異常信息；3）主機運行異常時，能立即進行系統(tǒng)切換，有效縮短系統(tǒng)切換時間。

1.4 主機外部通信設(shè)計

特高壓直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主機的外部通信模式多樣，站間、極間、主機間和系統(tǒng)間等通信必須快速、安全、可靠。自主可控主機通信方式如圖4所示，自主可控系統(tǒng)的外部通信采用完全冗余的設(shè)計原則，將外部通道配置在不同的插件中，同時從硬件和軟件上防止單一元件故障導(dǎo)致的通信異常。

圖4 自主可控主機通信方式

主機通信鏈路、主機接口模塊、FPGA芯片、處理器芯片等外部結(jié)構(gòu)完全冗余，從而保證通信的物理鏈路完全獨立。同時，系統(tǒng)軟件保證兩路通信數(shù)據(jù)互為備用，兩路冗余數(shù)據(jù)在兩個插件之間通過PCIE總線進行數(shù)據(jù)交換。應(yīng)用層程序處理兩路冗余數(shù)據(jù)時按照“同發(fā)同收”的原則，冗余數(shù)據(jù)同時經(jīng)兩個外部通道發(fā)送至外部設(shè)備，接收到的冗余數(shù)據(jù)則按照主通道和備用通道進行劃分，后續(xù)邏輯處理時優(yōu)先使用主通道接收到的數(shù)據(jù)，在檢測到主通道通信異常時，則切換至備用通道的數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)安全可靠。

1.5 自主可控平臺的特點

自主可控系統(tǒng)在保持既有UAPC平臺功能的基礎(chǔ)上，具備以下新的特點：

1）主機集成度高，數(shù)據(jù)處理和計算能力強，負載率可有效降低。

2）多核并行運算，可在不增加插件的條件下實現(xiàn)應(yīng)用功能冗余設(shè)計。

3）主機通信實現(xiàn)完全冗余設(shè)計，充分保證通信數(shù)據(jù)可靠性。

4）利用處理器豐富的多核配置，具備更加完善的監(jiān)視功能。

5）運算速度提升，控制保護程序最快執(zhí)行周期從UAPC平臺的75μs提升至20μs，可提升觸發(fā)角控制、階躍響應(yīng)、換相失敗預(yù)測控制、鎖相環(huán)計算等對實時性要求高的應(yīng)用功能的執(zhí)行效果。

2 自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)在設(shè)計上采用分散、分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)備之間通過各類總線進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、穩(wěn)定運行。自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)設(shè)計方案如圖5所示，以單極設(shè)備為例，系統(tǒng)自上而下分為站控層、設(shè)備層和現(xiàn)場I/O層，分別實現(xiàn)廠站級數(shù)據(jù)監(jiān)視與控制、控制保護功能、現(xiàn)場信號采集和傳遞等功能。

圖5 特高壓直流控制保護系統(tǒng)設(shè)計方案

設(shè)備層的控制保護主機與I/O層的測控裝置之間采用基于光纖介質(zhì)的現(xiàn)場總線進行通信，可完成模擬量和數(shù)字量的交換。測控裝置采集的模擬量經(jīng)IEC 60044—8標準總線協(xié)議上送至控制保護主機進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，數(shù)字量經(jīng)光纖以太網(wǎng)和控制保護主機進行數(shù)據(jù)交換。控制保護主機間采用基于光纖介質(zhì)的高速以太網(wǎng)協(xié)議進行通信，通信高速、可靠、抗干擾能力強?？刂票Ｗo主機和站控層的運行人員控制后臺之間采用IEC 61850協(xié)議進行通信，上送裝置運行數(shù)據(jù)至后臺，接收運行人員下發(fā)的指令。

在物理連接上，光纖以太網(wǎng)協(xié)議根據(jù)不同應(yīng)用場景，支持交換機組網(wǎng)和光纖點對點的方式；IEC 60044—8總線采用光纖點對點的連接方式；IEC 61850協(xié)議的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用交換機組網(wǎng)的形式，統(tǒng)一組成站內(nèi)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（supervisory control and data acquisition, SCADA）網(wǎng)。

2.2 控制保護設(shè)備配置方案

按照分層設(shè)計的思想，控制保護系統(tǒng)從上到下依次分為雙極層、極層和換流器層。進行功能劃分時，應(yīng)遵循將控制功能盡量下放至較低層級的原則，盡量減少雙極層設(shè)備的數(shù)量，防止單一設(shè)備故障的影響范圍擴大。因此，將雙極層的功能調(diào)整至極層設(shè)備中，極層設(shè)備通過比較兩極的功能狀態(tài)，選取狀態(tài)較好的極作為控制極，實現(xiàn)本極功能的同時也執(zhí)行雙極層的功能。

極層設(shè)備主要包括極控制主機、極保護主機，換流器層設(shè)備主要包括換流器控制主機和換流器保護主機。控制主機采取主備冗余配置，保護主機采取三取二冗余配置，進一步提升系統(tǒng)的可靠性。針對特高壓直流工程典型的雙極四閥組十二脈動拓撲結(jié)構(gòu)，兩個極分別配置極控制主機和極保護主機，四個閥組分別配置換流器控制主機和換流器保護主機。

極控制主機主要實現(xiàn)雙極區(qū)/極區(qū)的順序控制及聯(lián)鎖、雙極的功率/電流分配、本極的功率/電流指令計算、無功控制、安穩(wěn)控制等功能。換流器控制主機主要實現(xiàn)本閥組區(qū)域的順序控制及聯(lián)鎖、觸發(fā)脈沖的實時計算、換流變分接開關(guān)控制、閥冷設(shè)備控制等功能。

保護主機功能按照保護區(qū)域進行劃分，極保護主機保護范圍包括雙極區(qū)設(shè)備、極區(qū)設(shè)備和直流濾波器區(qū)設(shè)備，換流器保護主機保護范圍包括換流閥區(qū)設(shè)備和換流變區(qū)設(shè)備。

3 系統(tǒng)驗證

采用已投運的 ±800kV上海廟—山東特高壓直流輸電工程（下文簡稱上山工程）參數(shù)，在RTDS系統(tǒng)中對自主可控特高壓直流控制保護樣機進行了大量的測試，與已有的基于UAPC平臺的上山工程仿真系統(tǒng)試驗結(jié)果進行對比，受篇幅限制，本文選取部分試驗結(jié)果。

3.1 解鎖試驗

直流雙極全壓運行，功率模式為雙極功率控制，功率指令1 000MW，兩站極1起極波形如圖6所示，起極過程中電流、電壓穩(wěn)定，迅速達到目標值。與UAPC平臺的上山工程仿真系統(tǒng)相比，自主可控系統(tǒng)平臺直流起動過程中的電流、電壓響應(yīng)過程基本一致，由于自主可控系統(tǒng)的程序執(zhí)行周期快，電流、電壓建立過程相對較快。同時，自主可控主機相比于UAPC平臺主機的最大負載率下降約15%。

3.2 閉鎖試驗

直流雙極全壓運行，功率1 000MW，模擬整流站極1發(fā)生極X閉鎖，兩站波形如圖7所示，故障發(fā)生后，整流站立即移相，電流迅速降為0，逆變站投旁通對后電壓降為0。與UAPC上山工程仿真系統(tǒng)相比，自主可控系統(tǒng)在閉鎖過程時序保持一致的前提下，同樣由于執(zhí)行周期的提升和優(yōu)化，閉鎖執(zhí)行過程相對較快。

圖6 起極過程

3.3 功率階躍試驗

極1單極功率控制，輸送功率500MW，功率階躍400MW，電流和功率響應(yīng)如圖8所示，輸送功率迅速增加至900MW。與UAPC上山工程仿真系統(tǒng)相比，自主可控系統(tǒng)的功率階躍響應(yīng)速度更快，階躍性能更好。

3.4 觸發(fā)脈沖準確度

整流側(cè)觸發(fā)角的指令值及測量值如圖9所示，觸發(fā)角的測量值跟隨指令值，且上下波動幅度最大只有0.05°左右。與UAPC上山工程仿真系統(tǒng)相比，在交流同步電壓一致的情況下，自主可控系統(tǒng)觸發(fā)角測量值波動幅度較小，觸發(fā)角控制更加精確。

圖7 整流站X閉鎖

3.5 主機狀態(tài)異常試驗

站2極1極控制主機A套在值班狀態(tài)，B套在備用狀態(tài)，模擬站1極1極控制主機A套DSP插件某核運行異常，試驗結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，A套主機檢測到運行異常后，退出值班狀態(tài)，B套主機由備用狀態(tài)升至值班狀態(tài)，切換過程主機通信數(shù)據(jù)正常，直流運行正常，本文設(shè)計的主機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能完備。

圖8 電流和功率階躍響應(yīng)

圖9 觸發(fā)脈沖測量

圖10 模擬主機運行異常

4 結(jié)論

本文設(shè)計并研發(fā)了基于國產(chǎn)芯片和元器件的自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)，分別介紹了系統(tǒng)的軟、硬件平臺，并針對特高壓直流輸電工程進行了工程化的設(shè)計，最后在RTDS平臺進行大量的工程試驗，充分驗證了系統(tǒng)的功能和性能。自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)在現(xiàn)有系統(tǒng)軟、硬件升級和優(yōu)化的基礎(chǔ)上，總體性能不低于現(xiàn)有系統(tǒng)。

本文研制的自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)對于提高電網(wǎng)的安全性、解決關(guān)鍵領(lǐng)域“卡脖子”問題具有重要工程應(yīng)用價值。

本文編自2022年第3期《電氣技術(shù)》，論文標題為“自主可控特高壓直流控制保護系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)”，作者為沈天驕、仲浩 等。