王學(xué)奎，張 潔，胡望雄，邱 毓，楊建榮

(1. 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510515；2. 中廣核工程有限公司調(diào)試中心，廣東深圳 518124)

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核電廠內(nèi)半數(shù)字化繼電保護(hù)對(duì)時(shí)中斷問題研究

王學(xué)奎1，張 潔2，胡望雄2，邱 毓2，楊建榮2

(1. 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510515；2. 中廣核工程有限公司調(diào)試中心，廣東深圳 518124)

針對(duì)臺(tái)山核電廠采用的數(shù)字化繼電保護(hù)運(yùn)行中發(fā)生對(duì)時(shí)故障，測(cè)試各種對(duì)時(shí)故障情況下數(shù)字化繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作情況，總結(jié)了對(duì)時(shí)系統(tǒng)對(duì)數(shù)字化繼電保護(hù)的主要影響；應(yīng)用對(duì)時(shí)裝置的修正步長(zhǎng)、合并單元的跳變時(shí)間及GPS時(shí)鐘誤差之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，分析出數(shù)字保護(hù)出現(xiàn)采樣失步的各種可能情況；結(jié)合目前該核電廠對(duì)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀以及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)的保護(hù)對(duì)時(shí)告警情況，提出了解決方案，為故障的解決及后續(xù)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了方向。

核電廠； 數(shù)字化； 繼電保護(hù)； 對(duì)時(shí)系統(tǒng)； 共模故障

核電機(jī)組功率大，單個(gè)廠區(qū)規(guī)劃?rùn)C(jī)組數(shù)量較多，廠區(qū)面積大，尤其是三代堆型技術(shù)，考慮到機(jī)組的安全性能，提高了設(shè)備冗余度，設(shè)計(jì)上廠區(qū)220 kV輔助開關(guān)站布置在距離機(jī)組較遠(yuǎn)的地點(diǎn)。國(guó)內(nèi)EPR核電機(jī)組(三代壓水堆核電技術(shù))設(shè)計(jì)，要求220 kV輔助變壓器能夠同時(shí)對(duì)機(jī)組的四列電氣系統(tǒng)進(jìn)行供電，一臺(tái)輔助變壓器只服務(wù)一臺(tái)機(jī)組，其電源來(lái)自同一個(gè)220 kV開關(guān)站。變壓器低壓側(cè)電流、電壓互感器與220 kV站相距近2 km，為解決遠(yuǎn)距離電流、電壓傳輸?shù)膯栴}，臺(tái)山核電廠首次采用半數(shù)字化繼電保護(hù)設(shè)計(jì)，它同時(shí)具有常規(guī)繼電保護(hù)和數(shù)字化繼電保護(hù)特點(diǎn)，解決了輔助變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)電流、電壓長(zhǎng)距離通信問題，但在運(yùn)行中出現(xiàn)了對(duì)時(shí)信號(hào)中斷帶來(lái)的新問題。

1 半數(shù)字化繼電保護(hù)介紹

全數(shù)字化繼電保護(hù)采用了光電互感器，其通過光電子技術(shù)和光纖傳感技術(shù)的有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)內(nèi)部電壓和電流測(cè)量，換言之，數(shù)字化繼電保護(hù)從一次設(shè)備中直接采集數(shù)字信號(hào)的電流和電壓[1]。由于電子式互感器運(yùn)行的原理及機(jī)構(gòu)與常規(guī)的互感器不同，種類較多，同時(shí)涉及到有關(guān)電子器件、光學(xué)部件，通常無(wú)法有效控制其運(yùn)行情況，可靠性較低，數(shù)字化繼電保護(hù)誤動(dòng)、誤報(bào)警率較高，實(shí)際工程中，全數(shù)字化的繼電保護(hù)應(yīng)用較少，仍在可靠性提升研究階段[2]。

半數(shù)字繼電保護(hù)是常規(guī)繼電保護(hù)與數(shù)字化繼電保護(hù)的折中設(shè)計(jì)，采用常規(guī)的電壓、電流互感器，在保護(hù)裝置內(nèi)通過合并單元將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳輸至保護(hù)單元。目前的數(shù)字化繼電保護(hù)都按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，即IEC 61850，該標(biāo)準(zhǔn)中給出了各智能電子設(shè)備的同步要求，但沒有給出同步對(duì)時(shí)的具體方法，數(shù)字繼電保護(hù)裝置、合并單元都按照該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[3-4]。在臺(tái)山核電廠中，輔助變壓器為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸高低壓側(cè)電流、電壓，采用了數(shù)字化繼電保護(hù)裝置CSC-316B及合并單元CSN-15B，實(shí)現(xiàn)原理見圖1。

圖1 臺(tái)山核電廠半數(shù)字化繼電保護(hù)配置原理圖

圖1中，保護(hù)裝置采集的變壓器高、低壓側(cè)電流量、電壓量，通過220 kV站內(nèi)GPS對(duì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。在運(yùn)行過程中，如果同步時(shí)鐘出現(xiàn)中斷，對(duì)數(shù)字化繼電保護(hù)功能影響很大。

2 同步時(shí)鐘中斷對(duì)保護(hù)裝置的影響

2.1 同步時(shí)鐘中斷試驗(yàn)

在上述核電廠中，1號(hào)機(jī)組的輔助電源系統(tǒng)已正常投入運(yùn)行，過程中發(fā)現(xiàn)某一階段，數(shù)字化繼電保護(hù)出現(xiàn)“采樣失步”告警信息。經(jīng)查，電力時(shí)鐘同步裝置同時(shí)間段也有異常告警，查看錄波，發(fā)現(xiàn)電力時(shí)鐘同步裝置在該年度出現(xiàn)了多次時(shí)鐘異常告警，時(shí)間從幾分鐘到十幾分鐘不等。當(dāng)時(shí)2號(hào)機(jī)組的輔助變壓器系統(tǒng)正在調(diào)試，針對(duì)該情況，在2號(hào)輔助變壓器保護(hù)裝置進(jìn)行模擬各種時(shí)鐘告警，測(cè)試同步時(shí)鐘故障對(duì)數(shù)字化繼電保護(hù)功能的影響。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)數(shù)字化繼電保護(hù)可靠運(yùn)行與同步時(shí)鐘有十分重要的關(guān)系，主要有以下幾種情況：

(1) 合并單元失去對(duì)時(shí)10 min內(nèi)，保護(hù)裝置能夠正常工作，10 min后，閉鎖差動(dòng)保護(hù)，出現(xiàn)“通道異?！备婢?0 min內(nèi)，對(duì)時(shí)恢復(fù)，保護(hù)不會(huì)出現(xiàn)時(shí)鐘異常告警；10 min后，對(duì)時(shí)恢復(fù)，保護(hù)裝置差動(dòng)保護(hù)可以立即恢復(fù)。

(2) 有任何一側(cè)合并單元對(duì)時(shí)正常時(shí)，保護(hù)裝置的后備保護(hù)在10 min后仍可以正確動(dòng)作。

(3) 5側(cè)合并單元完全失去對(duì)時(shí)10 min后，保護(hù)裝置采樣及動(dòng)作均不正確。

2.2 合并單元采樣分析

合并單元主要有通信組件、通信轉(zhuǎn)接組件、電源板等組成。通信組件，接收對(duì)時(shí)信號(hào)，產(chǎn)生采樣脈沖給通信轉(zhuǎn)接組件(A/D)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通信轉(zhuǎn)接組件主要完成A/D采集功能，按照采樣脈沖的節(jié)拍對(duì)常規(guī)互感器和遙信量進(jìn)行采集。同步時(shí)鐘提供了采樣脈沖，保護(hù)裝置在同一時(shí)間對(duì)高低壓側(cè)的數(shù)據(jù)量進(jìn)行比對(duì)，判讀系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，如果出現(xiàn)故障，做出正確動(dòng)作。為防止GPS對(duì)時(shí)出現(xiàn)意外中斷，CSN-15B中，設(shè)計(jì)了10 min的守時(shí)程序，即在外部同步信號(hào)消失后，至少在10 min內(nèi)繼續(xù)滿足4 μs的誤差，裝置判斷此時(shí)的采樣仍正確可信，10 min后，為防止主保護(hù)誤動(dòng)作，閉鎖差動(dòng)保護(hù)，后備保護(hù)(過流等)仍可以正確動(dòng)作，如各側(cè)都失去對(duì)時(shí)，采樣數(shù)據(jù)不再準(zhǔn)確，保護(hù)裝置上讀取的數(shù)據(jù)或動(dòng)作情況不再可信。

2.3 對(duì)時(shí)方案研究分析

該核電廠內(nèi)同步時(shí)鐘結(jié)構(gòu)見圖2，對(duì)變壓器的每一套保護(hù)，只采用了同型號(hào)冗余的GPS對(duì)時(shí)裝置。在圖2所示結(jié)構(gòu)下，主時(shí)鐘有共模故障，如果外部或裝置內(nèi)部的一種卡件出現(xiàn)問題，則會(huì)同時(shí)中斷。在本次故障告警后，調(diào)出兩套同步時(shí)鐘裝置的故障記錄，發(fā)現(xiàn)兩套裝置均是同時(shí)出現(xiàn)中斷信息，發(fā)生了典型的共模故障。

圖2 臺(tái)山核電廠GPS對(duì)時(shí)構(gòu)架圖

主時(shí)鐘裝置在失去外部GPS信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)自身的守時(shí)功能，可以自行維持時(shí)間同步信號(hào)輸出，在守時(shí)保持狀態(tài)下的時(shí)間準(zhǔn)確度優(yōu)于0.92 μs/min(55 μs /h)，當(dāng)GPS信號(hào)恢復(fù)正常，時(shí)鐘裝置能夠鎖星時(shí)，裝置根據(jù)自己的修正步長(zhǎng)，對(duì)當(dāng)前精度進(jìn)行修正。設(shè)裝置中斷修正步長(zhǎng)為T1，合并單元判斷時(shí)間跳變閾值為T2，當(dāng)前時(shí)鐘誤差為Td，存在以下關(guān)系：

(1)Td≤T1，且Td≤T2，同步裝置一次將時(shí)間修正到準(zhǔn)確值，合并單元對(duì)時(shí)糾正，不出現(xiàn)采樣失步。

(2)Td≤T1，且Td>T2，同步裝置可以一次修正到位，合并單元認(rèn)為時(shí)間跳變過大，出現(xiàn)采樣失步。

(3)Td>T1，同步裝置根據(jù)步長(zhǎng)多次修正，如果T2T1，合并單元出現(xiàn)采樣失步。

圖3為GPS中斷與對(duì)時(shí)裝置守時(shí)及修正的關(guān)系。

圖3 GPS信號(hào)與對(duì)時(shí)裝置的修正關(guān)系

在該裝置配置中，CSC-196主時(shí)鐘裝置，失去GPS信號(hào)后，進(jìn)入守時(shí)并輸出B碼信號(hào)，該信號(hào)的最大誤差為Td=55 μs/h，裝置的修正步長(zhǎng)為以T1=150 μs，合并單元判斷時(shí)間跳變的閾值T2=200 ns，假如時(shí)鐘丟失2 min，恢復(fù)時(shí)，誤差小于裝置的修正步長(zhǎng)，一次補(bǔ)償?shù)綐?biāo)準(zhǔn)時(shí)間，并授時(shí)給合并單元，合并單元判斷其大于跳變時(shí)間，出現(xiàn)采樣失步，同時(shí)閉鎖差動(dòng)保護(hù)，時(shí)間同步后，重新開放差動(dòng)保護(hù)，裝置功能恢復(fù)正常。

2.4 應(yīng)對(duì)措施

(1) 應(yīng)對(duì)方案一。為避免出現(xiàn)共模故障，考慮GPS+北斗的對(duì)時(shí)方式。目前對(duì)時(shí)裝置均可以支持GPS+北斗雙對(duì)時(shí)，修改對(duì)時(shí)裝置中的修正步長(zhǎng)T1，使其小于合并單元的跳變時(shí)間T2，其配置見圖4。

圖4 GPS+北斗對(duì)時(shí)配置原理圖

優(yōu)點(diǎn)：解決了共模故障，GPS和北斗同時(shí)失步的可能性很小，即便發(fā)生同時(shí)失步，由于修正步長(zhǎng)小于合并單元的跳變時(shí)間，仍然不會(huì)出現(xiàn)“現(xiàn)采樣失步”，不會(huì)閉鎖差動(dòng)保護(hù)，提高了對(duì)時(shí)系統(tǒng)的可靠性，目前該方案在電力系統(tǒng)中有應(yīng)用，效果較好。

缺點(diǎn)：需增加北斗對(duì)時(shí)模塊及北斗對(duì)時(shí)天線。

(2) 應(yīng)對(duì)方案二。單獨(dú)設(shè)立一保護(hù)主對(duì)時(shí)裝置，采用恒溫晶振擴(kuò)展時(shí)鐘自守時(shí)授時(shí)方式，不與GPS通訊，單獨(dú)給變壓各分支的合并單元發(fā)送脈沖，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部獨(dú)立的對(duì)時(shí)系統(tǒng)。這樣可以避開外部對(duì)時(shí)的影響，同時(shí)又確保了變壓器高低壓側(cè)的采集信息在相同的時(shí)鐘脈沖下進(jìn)行。

優(yōu)點(diǎn)：完全避免外界衛(wèi)星對(duì)時(shí)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

缺點(diǎn)：需要對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)并升版，與IEC 61850要求不一致，無(wú)法做到通用。

(3) 應(yīng)對(duì)方案三。借鑒線路光纖縱差保護(hù)數(shù)據(jù)通道的同步方法，各側(cè)電氣量在時(shí)間軸上同步由數(shù)據(jù)通道的時(shí)延來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用乒乓原理測(cè)定通道時(shí)延，根據(jù)測(cè)定的通道時(shí)延調(diào)整同步端的采樣頻率，使得各側(cè)裝置的采樣同步；或者根據(jù)測(cè)定的通道時(shí)延補(bǔ)償各側(cè)電氣量的相位差，使得各側(cè)電氣量在時(shí)間軸上一致。這類方法實(shí)現(xiàn)同步的前提是假定雙向通道的時(shí)延相等[5]。變壓器差動(dòng)保護(hù)高低壓側(cè)距離較遠(yuǎn)，高壓側(cè)采用站內(nèi)時(shí)鐘，低壓側(cè)采用另一套時(shí)鐘，可認(rèn)為低壓側(cè)合并單元之間數(shù)據(jù)同步，測(cè)出高低壓側(cè)的通道時(shí)延，在保護(hù)裝置內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償，求得同步。

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)置雙側(cè)時(shí)鐘源，有成熟的線路光纖縱差保護(hù)經(jīng)驗(yàn)，能夠很好地避免對(duì)時(shí)中斷帶來(lái)的問題。

缺點(diǎn)：需要增加時(shí)鐘源，需要對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行升級(jí)，增加時(shí)延補(bǔ)償?shù)墓δ埽淖兞爽F(xiàn)有變壓器數(shù)字差動(dòng)保護(hù)的結(jié)構(gòu)，難以推廣。

(4) 應(yīng)對(duì)方案四。增加接入全廠區(qū)其他位置的對(duì)時(shí)源。GPS對(duì)時(shí)中斷，往往由于區(qū)域或接收器出現(xiàn)問題，如果在廠區(qū)的另一側(cè)有時(shí)鐘源(DCS時(shí)鐘源等)，兩套主時(shí)鐘分別取自不同地方，可以在一定程度上減小中斷事故的發(fā)生。

優(yōu)點(diǎn)：成本較小，有已經(jīng)安裝的時(shí)鐘源，可以直接通過光纖接入。

缺點(diǎn)：無(wú)法完全避免GPS對(duì)時(shí)出現(xiàn)共模故障，未能根本上解決問題。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者對(duì)臺(tái)山核電廠中采用的半數(shù)字化繼電保護(hù)，發(fā)生對(duì)時(shí)中斷的故障進(jìn)行分析，并通過實(shí)際試驗(yàn)得出對(duì)時(shí)對(duì)數(shù)字化繼電保護(hù)裝置功能的影響，研究了核電廠內(nèi)目前設(shè)計(jì)的對(duì)時(shí)方案。分析出該方案存在的問題，出現(xiàn)采樣失步并閉鎖差動(dòng)保護(hù)的各種情況。最后給出四種改進(jìn)方案，對(duì)每一種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，建議采用GPS+北斗的對(duì)時(shí)方案，該方案可以很好地解決當(dāng)前出現(xiàn)的對(duì)時(shí)問題，在后續(xù)核電廠內(nèi)半數(shù)字化繼電保護(hù)或數(shù)字化繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)及實(shí)施中有很好的應(yīng)用前景。

[1] 李友軍,張成彬. 數(shù)字化變電站對(duì)時(shí)方案分析[J]. 電氣自動(dòng)化,2016,38(1): 68-70,74.

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[5] 國(guó)家能源局. DL/T 364—2010 光纖通道傳輸保護(hù)信息通用技術(shù)條件[S]. 北京: 中國(guó)電力出版社,2010.

Research on Timer Interruption in Semi-digital Relay Protection of Nuclear Power Plants

Wang Xuekui1,Zhang Jie2,Hu Wangxiong2,Qiu Yu2,Yang Jianrong2

(1. Guangdong Mechanical & Electrical Polytechnic,Guangzhou 510515,China; 2. Commissioning Center,China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen 518124, Guangdong Province,China)

To solve the timer interruption problem occurring in the operation of a semi-digital relay protection system of Taishan Nuclear Power Plant,following items were performed,such as testing the action status of the relay protection system during timer interruption periods,analyzing the effects of timer interruption on the digital relay protection,finding out the possible cases of out of step sampling based on analysis of the mathematical relations among the modified step size of timing device,the jumping time of merging unit and the error of GPS device,after which several solutions were given,considering the current design of the timer and the frequent alarms of the relay protection system,which may serve as a reference for final settling of the fault and for further improvement of the design.

nuclear power plant; digitalization; relay protection; timing system; common-mode fault

2016-09-08；

2016-10-31

王學(xué)奎(1982—)，男，工程師，從事電站自動(dòng)化工作。

E-mail: wangxk9999@163.com

TM588

A

1671-086X(2017)04-0263-04