目前HCM3000、PCS9550兩種硬件平臺在國內特高壓直流工程中應用廣泛，其中HCM3000主要用于宜賓—金華、晉北—南京、錫盟—泰州等工程，PCS9550主要用于靈州—紹興、哈密—鄭州、扎魯特—青州等工程。HCM3000、PCS9550兩種技術路線的直流保護系統均采用三重化冗余配置，保護出口采用三取二邏輯，即至少兩套保護裝置同時動作，保護信號才會最終出口，直流保護三取二邏輯通過硬件三取二裝置和控制主機三取二邏輯實現。

本文基于金華和紹興換流站對兩種不同技術路線的直流保護三取二功能邏輯及硬件配置進行研究，兩者在功能策略、保護動作出口方式上有顯著差異，同時針對HCM3000直流保護三取二出口配置的問題，進行詳細分析。

1 HCM3000直流保護三取二功能原理

1.1 直流保護及硬件三取二配置

金華站雙極層和極層保護功能集成在極保護主機（PPR）中實現，閥組層保護功能在閥組保護主機（CPR）中實現，極保護主機與閥組保護主機均采用HCM3000保護裝置，采用三重化冗余配置，硬件三取二裝置型號為HPL100。以極保護為例，極保護系統配置如圖1所示。

圖1 金華站HCM3000極保護屏柜配置圖

1.2 硬件三取二出口邏輯

直流保護硬件三取二出口邏輯如圖2所示，三套直流保護主機保護動作信號采用IFC總線分別送至兩套三取二裝置，保護動作經三取二邏輯判斷后，直接通過硬接線經壓板接至進線斷路器或旁路開關等一次設備的控制回路，執行跳閘、重合開關等保護動作命令。正常情況下，兩套三取二裝置同為值班狀態，任一套出口，對應的開關即動作。

圖2 金華站硬件三取二出口邏輯示意圖

1.3 軟件三取二功能及出口邏輯

1）閥組保護軟件三取二邏輯

閥組保護軟件三取二功能在閥組控制主機（CCP）中實現，三取二邏輯及保護動作出口如圖3所示。

圖3 金華站閥組保護軟件三取二出口邏輯示意圖

在圖3中，三套直流保護主機保護動作信號采用IFC總線分別送至兩套閥組控制主機，在閥組控制主機程序中配置了三取二選擇邏輯和系統監視功能；當軟件三取二檢測到閥組保護發出跳進線斷路器信號（跳閘）并輸出后，系統監視功能將其作為主機緊急故障信號輸出給閥組控制屏柜內的冗余切換裝置，冗余切換裝置如果監視到兩套閥組控制主機均故障，則同時發出跳閘和重合旁路開關命令，實現閥組的閉鎖和旁路。

閥組控制主機程序僅對軟件三取二輸出的“跳進線斷路器”信號進行處理，未對“重合BPS”“重合BPI”信號進行響應，將導致保護動作結果僅包含“重合BPS”或“重合BPI”的保護類型無法出口，受影響的閥組保護包括旁通對過負荷保護、旁路開關保護。

2）極保護軟件三取二邏輯

極保護軟件三取二功能在極控主機（PCP）中實現，三取二及保護動作出口邏輯如圖4所示。在圖4中，極保護跳閘出口邏輯與閥組保護相同，通過極控屏柜內的冗余切換裝置輸出跳閘命令。

對于其他的極保護動作信號“重合NBS開關”“重合NBGS開關”“打開直流濾波器高壓側刀閘”，極控主機完成三取二邏輯判斷后，通過IFC總線交叉輸送至直流站控主機，僅用于鎖定斷路器邏輯，未對“重合NBS開關”“重合NBGS開關”“打開直流濾波器高壓側刀閘”設計出口回路，導致相關極保護功能無法出口，受影響保護包括中性母線開關保護、站內接地開關保護、接地極引線開路保護、直流濾波差動保護、直流濾波器電抗器過負荷保護。

圖4 金華站極保護軟件三取二出口邏輯示意圖

1.4 三取二功能切換邏輯

正常情況下，當直流保護硬件三取二裝置正常運行時，其輸出有效，控制主機中軟件三取二功能為屏蔽狀態；當控制主機檢測到兩套硬件三取二裝置均故障時（電源故障或通信總線故障），軟件三取二功能將自動投入，切換邏輯如圖5所示。

2 PCS9550直流保護三取二功能原理

2.1 直流保護及三取二主機配置

紹興站直流保護系統采用PCS9550硬件平臺，分層結構與金華站相同，由雙極層保護、極層保護和閥組層保護組成，通過極保護主機（PPR）和閥組保護主機（CPR）實現，其中三取二裝置采用單獨的PCS-9552裝置實現，與保護主機同硬件平臺。以紹興站極保護為例，保護與三取二主機配置如圖6所示。

圖5 金華站三取二邏輯功能切換示意圖

圖6 紹興站PCS9550極保護屏柜配置圖

采用PCS9550硬件平臺的直流極保護系統由三臺獨立保護主機與兩臺冗余的三取二主機構成。通過三取二邏輯確保每套保護單一元件損壞時保護不誤動，保證安全性；三套保護主機中有兩套相同類型保護動作被判定為正確的動作行為，才允許出口閉鎖或跳閘，保證可靠性。

2.2 三取二邏輯及出口回路

PCS9550直流保護三取二邏輯在獨立的“三取二主機”和“控制主機”中同時實現，功能配置及出口回路設計上，極層與閥組層保護原理相同。以極層保護為例，極保護主機、三取二主機、極控主機配置及出口回路如圖7所示。

圖7 紹興站極保護三取二邏輯圖

在各層控制系統主機程序中，均配置了與三取二主機相同的三取二邏輯，冗余的控制主機同時接收三套保護分類動作信息，通過相同的三取二保護邏輯出口，實現閉鎖、極隔離、跳交流開關及重合BPS開關等功能。保護主機與三取二主機、控制主機之間通過CTRL LAN總線光纖進行連接，傳輸經校驗的數字量信號，進一步提高信號傳輸的可靠性和抗干擾能力。

2.3 三取二主機與控制主機三取二功能配合策略

根據圖7所示，采用同一PCS9550硬件平臺的 三取二主機和控制主機中分別實現“三取二”功能，三取二主機實現跳換流變開關、重合BPS開關、重合NBGS開關及跳DCF高壓側隔刀等所有開關設備出口功能，控制主機三取二邏輯在實現上述開關設備出口功能外，同時完成直流閉鎖功能。

正常情況下在直流保護動作后，三取二主機與控制主機三取二邏輯同時工作，相互獨立，如極端情況下冗余的三取二主機未能跳換流變開關，控制主機也可完成跳換流變開關動作；如極端情況下冗余的控制主機未正確發出開關設備動作命令，則由三取二主機完成保護出口。

3 HCM3000直流保護三取二動作出口問題分析

根據前文1.4節的分析結論，基于HCM3000硬件平臺的直流保護系統在兩套冗余配置的硬件三取二裝置故障時，控制主機中的軟件三取二功能將自動切換到有效輸出狀態，在此工況下，存在設備故障和直流閉鎖的風險隱患。

3.1 閥組保護動作出口影響分析

由于閥組保護軟件三取二的出口回路設計上未充分考慮到“重合旁路開關”或“重合旁路刀閘”動作情況，導致“旁路開關保護”“旁通對過負荷保護”無法正確動作，存在一次設備過載運行或無法重合旁路開關，引起設備故障、極閉鎖的風險隱患，閥組保護動作對比及影響分析見表1。

表1 閥組保護動作對比及影響分析

3.2 極保護動作出口影響分析

由于極保護軟件三取二“重合NBS開關”“重合NBGS開關”“打開直流濾波器高壓側刀閘”未設計出口回路，導致極保護“中性母線開關保護”“站內接地開關保護”“接地極引線開路保護”“直流濾波差動保護”“直流濾波器電抗器過負荷保護”動作無法出口，對直流系統穩定運行造成影響，存在直流閉鎖隱患。

3.3 改進優化措施

通過對比分析，HCM3000直流保護系統三取二出口邏輯上存在安全隱患，正常情況下僅硬件三取二裝置出口有效，控制主機軟件三取二為備用狀態，控制主機三取二邏輯在出口回路設計上存在問題。

針對HCM3000硬件輸出板卡進行升級改造，增加DC110V開關量輸出板卡，同時借鑒采用PCS9550直流保護三取二裝置與控制主機的配合策略，進一步增強保護系統的可靠性，在統一硬件平臺的基礎上，提升現場設備的維護和操作效率。

結論

結合賓金直流金華站和靈紹直流紹興站，通過對HCM3000、PCS9550兩種不同硬件平臺在特高壓直流保護三取二邏輯的應用進行研究，深入分析了兩者在硬件配置、出口邏輯、切換功能上存在的差異，并得出如下結論：

• 1）PCS9550特高壓直流保護系統通過相同硬件平臺的三取二主機和控制主機分別實現兩種獨立的三取二功能，三取二主機和控制主機同時工作，三取二判斷邏輯相同，直流保護動作后，均會發出開關設備的動作命令，開關設備外的保護動作信號由控制主機完成三取二判斷并執行。
• 2）HCM3000閥組保護軟件三取二邏輯的“重合BPS”“重合BPI”信號未設計出口回路，當閥組硬件三取二故障后，將導致閥組保護“旁路開關保護”“旁通對過負荷保護”重合閘動作無法出口，存在導致設備異常隱患的風險。
• 3）HCM3000極保護軟件三取二邏輯的“重合NBS”“重合NBGS”“打開直流濾波器高壓側隔刀”信號未設計出口回路，當硬件三取二故障后將導致極保護“中性母線開關保護”“站內接地開關保護”“接地極引線開路保護”“直流濾波差動保護”“直流濾波器電抗器過負荷保護”動作命令無法出口，存在極閉鎖風險。
• 4）通過優化改進HCM3000硬件板卡設計，并借鑒PCS9550直流保護三取二功能配置策略，可有效解決當前問題，提升賓金等工程直流保護系統的運行可靠性。