行业: 电力
技术: 工控技术
我国电力资源与电力负荷呈“逆向分布”，资源主要分布在西部，而负荷主要分布在中东部，为缓解这一矛盾，国家提出“西电东送”发展战略，以合理调配电力资源，助力各区域协同发展。直流输电尤其是特高压直流输电是落实国家“西电东送”战略的关键技术，和交流输电相比，直流输电具有输送容量大、输送距离远、走廊占地少、单位容量造价低等优势，截至2025年3月底，我国已投产运行直流工程56项，其中特高压直流工程20项，直流输电规模居世界首位。
直流控制保护系统作为直流输电技术的核心系统，对设备使用芯片要求极高，需满足高实时性、高可靠性、高计算性能、宽温适应、强电磁兼容及低功耗等特性，同时面临多核并行计算、高速通信与数据交互、复杂算法实现及安全防护等挑战。
为积极响应国家发展战略，支撑我国直流输电工程建设，许继电气联合飞腾公司推出特高压直流输电控制保护系统联合解决方案。该系统基于全国产的软硬件技术构建，控制保护设备主控板芯片选用飞腾FT-2000/4，计算能力强，实时性高，对标目前业界最高水平。系统整体采用分层分布式体系结构设计，分为运行人员控制层、控制保护层、现场层，系统架构图如下。
图1 直流控制保护系统架构图
运行人员控制层：主要包括运行人员控制系统、站长工作站和全球定位系统（GPS）对时等。其中运行人员控制系统是运行人员控制层的核心设备，由运行人员工作站、工程师工作站、辅助系统工作站等构成。
控制保护层：主要包括直流输电控制保护平台和特高压直流输电控制保护设备。具体包括极控及测量、阀控及测量、交直流站控、站用电控制、极保护及测量、阀组保护及测量等设备，其中测量接口装置和控制保护主机采取合并组屏的紧凑型方式设计。
现场层：主要由分布式I/O单元构成，包括阀厅/换流变接口屏、直流场接口屏、交流滤波器场接口屏等，提供控制保护装置与交直流系统一次设备和换流站辅助系统的接口，实现一次设备状态和系统运行信息的采集处理和上传等功能。
运行在控制保护层的控制保护主机是关键核心设备，该设备采用紧密耦合的多主处理器结构，使用高速统一的背板总线，由处理器板卡、模拟量输入输出、开关量输入输出、触发脉冲、现场总线通信及以太网通信等十几种板卡构成，可以根据工程需要灵活组态，各个处理器板卡可以分别控制不同的外设板卡，实现特定的控制保护功能。
图2 控制保护主机及主控板
处理器板卡中的主控芯片采用CPU+FPGA搭配的方式，CPU选择飞腾FT-2000/4，FPGA选择复旦微产品。CPU主要完成指令控制、网络通信、系统监控和整体协调，FPGA主要完成高速数据并行处理，二者相互配合共同完成数据采集和控制保护动作。
CPU与FPGA之间通过PCIe和SPI接口连接，双接口构建多层次协同网络，兼顾高速数据传输与高可靠性控制需求，形成异构计算架构的核心互联方案。PCIe接口作为CPU与FPGA之间的高速通信主干，采用基于差分信号的串行传输技术，其物理层由多对LVDS（低压差分信号）线路组成，基于高速差分信号传输技术，能在短时间内完成大数据量传输，满足系统对高速数据处理的要求；与PCIe互补，SPI接口以主从式架构构建低速控制通道，FPGA作为SPI从设备，CPU作为主控制器，通过4线制（SCLK、MOSI、MISO、CS）实现全双工同步通信。
图3 CPU+FPGA通信接口
该方案攻克了基于国产软硬件的高性能核心运算模块、信号采集与传感、万兆光纤实时通信、图形化编程运算平台、大规模实时仿真及多层级功耗控制等众多技术难题，具备强大的运算能力与良好的扩展性，能够灵活适配各种规模和需求的直流输电工程，与同类非国产化平台相比，其运算性能提升了30%，最小运算周期可达50微秒，为我国高端电力设备的自主创新奠定了坚实基础。
●国产化设计：融合国产高性能飞腾CPU处理器、国产FPGA、国产实时操作系统的控制保护软硬件体系架构设计，自研系统平台软件，实现全栈国产化。
●性能优越：基于飞腾高性能多核CPU处理器，设计了多核异构运行模式，充分发挥多核处理器计算性能，最小任务周期可达20us。
●设计创新：创新提出了一种多主多模高速互联背板总线，实现了多主处理器阵列并行计算和功能板卡的灵活配置，有效优化了总线结构，实现了系统的灵活组态。
●快速响应：优化的任务响应机制，将调度算法同信号量管理相结合，任务抖动时间小于5us，保证系统执行的实时性。
●全方位监控：多维度的异常监视功能，全息状态监测，覆盖芯片级、板级和装置级。
●功率控制：创新性实现了换流站实时功率控制功能，具备对计划曲线的全维度校验能力。
●低延时：创新性提出了一种低控制链路延时设计方法，通过信号采集、控制逻辑及触发信号输出功能集成化设计，降低控制链路延时，提高直流控制系统的响应特性，保障了直流输电系统和交流电网的稳定运行。
FT-2000/4
飞腾腾珑E2000
许继集团是专注于电力、自动化和智能制造的高科技现代产业集团，注册资金319039.4万元，是全国首批创新型企业和国家技术创新示范企业，国家电力行业大型骨干和主导企业，是河南省首批高新技术企业。拥有国家认定的企业技术中心、国家高压直流输变电设备工程技术研究中心、国家能源主动配电网技术研发中心、国家工业设计中心，以及国家电工仪器仪表质量监督检验中心，是IEC/TC85技术委员会秘书处和全国电工仪器仪表标准化技术委员会秘书处承担单位。其中直流输电控制保护技术研究和设备研制先后获得百余项政府和行业协会的奖励，其中“高压直流输电重大技术研制”荣获中国机械工业科学技术特等奖、“超高压直流输电重大成套技术开发及产业化”荣获国家科学技术进步一等奖、“特高压±800kV直流输电工程”荣获国家科技进步特等奖。
许继电气直流输电公司是专门从事高压直流输电及柔性直流输电控制保护系统的设计、研发、试验及工程服务公司，致力于为客户提供高可靠性、高性能的直流输电控制保护设备和优质高效的技术服务。
公司从1986年开始从事直流输电业务，距今已有近30年的从业经验，公司的特高压直流及柔性直流控制保护产品技术在国内处于领先地位，从1997年开始先后为21个完全由国内自主建设的直流输电工程研制了成套控制保护设备，经过持续多年的建设，特高压试验研究中心，拥有了30个RACK规模的RTDS实时仿真器、3套RT-LAB实时仿真器、1套HYPERSIM实时仿真器、7台PSCAD高性能离线仿真工作站、2台HYPERSIM离线仿真站，拥有常规直流、柔性直流、多端直流、多端混合直流、直流配网、海上风电等控制保护仿真系统；试验能力在业内处于先进行列。
