刁光宇，張書曉，樊 宇，慈建斌

（國網(wǎng)遼寧電力有限公司 大連供電公司，遼寧 大連 116000）

0 引 言

對具有雙套直流電源裝置的變電站，若其中一臺或一套電源發(fā)生故障，則需切換直流母線運行方式，在該母線上負(fù)荷供電設(shè)備的位置更換為另一套沒有故障的直流供電設(shè)備，向電源供電后，退出有故障的直流電源設(shè)備進(jìn)行維修?！秶译娋W(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》中明確規(guī)定，需要定期檢查直流充電設(shè)備的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度以及波紋系數(shù)，并定期對電池組進(jìn)行放電測試。對于具有雙組直流電源設(shè)備的變電所，定期測試時需要在系統(tǒng)中進(jìn)行直流電源運行模式切換，即取一組待測直流電源設(shè)備運行，另一組直流電源裝置備用。當(dāng)直流電源裝置發(fā)生故障時，必須切換直流電源的工作方式來保障電源的持續(xù)供應(yīng)。隨著自動化技術(shù)的迅速進(jìn)步和智能化變電站的迅速發(fā)展，變電站一次設(shè)備、系統(tǒng)運行方式、二次保護(hù)、測控裝置等都已經(jīng)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能“一鍵式”順序控制操作。但是，變電所直流供電系統(tǒng)運行方式的切換操作還沒有實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能運行，無法滿足變電站智能化發(fā)展的需要。

1 智能型變電所直流供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀

智能化變電站投運后，全站都會配備有直流電源、交流電源、反變電源、UPS電源、通信電源等綜合設(shè)計以及集成配置和集成監(jiān)控等系統(tǒng)，消除獨立通信電源供電電池組和充電設(shè)備等，使用DC/DC轉(zhuǎn)換器直接連接DC總線[1]。在UPS中將單獨的面板分組，改為DC/AC逆變器直接與直流母線相連，從而減少了投資和板組的數(shù)目，節(jié)約了空間，簡化了電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[2,3]。采用自動切換開關(guān)，實現(xiàn)交流電源開關(guān)的遙控與監(jiān)視，通過使用常規(guī)的直流斷路器和隔離開關(guān)，直流供電系統(tǒng)仍然不能進(jìn)行有效的遠(yuǎn)距離自動控制[4,5]。當(dāng)前直流電源系統(tǒng)中存在的主要問題如圖1所示。

圖1 直流電源系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，直流電源的工作方式轉(zhuǎn)換還需要手工操作才能完成。集中式監(jiān)測模塊對全站直流電源、交流電源、逆變電源、UPS電源以及通信電源等進(jìn)行全面監(jiān)測，主要是完成對各功能部件及各監(jiān)測單元的控制工作[6-9]。通過監(jiān)測獲得系統(tǒng)內(nèi)的各項操作參數(shù)及狀態(tài)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)及運行狀態(tài)，實時管理各功能部件并發(fā)出異常報警，但是不能實現(xiàn)直流供電系統(tǒng)運行方式的遠(yuǎn)程切換操作[10]。

2 直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測技術(shù)方案

下面分別從設(shè)計原則、功能框架以及該技術(shù)方案解決的問題3個方面闡述直流系統(tǒng)絕緣檢測技術(shù)方案。

2.1 設(shè)計原則

本方案提出的絕緣監(jiān)測裝置優(yōu)化了功能結(jié)構(gòu)，以集成化、可視化以及標(biāo)準(zhǔn)化為設(shè)計原則，加強了絕緣監(jiān)測裝置的監(jiān)測功能。

2.1.1 一體化原則

搭建一體化監(jiān)控平臺，實現(xiàn)監(jiān)控、分析以及控制一體化。突出模塊化設(shè)計思想，將分散測控與集中管理相結(jié)合，實現(xiàn)對直流系統(tǒng)絕緣狀態(tài)的全面監(jiān)控。

2.1.2 可視化原則

設(shè)備可以實時顯示母線電壓、正負(fù)對地電壓、交流侵入電壓、正極對地電阻、負(fù)極對地電阻以及系統(tǒng)對地電容等，具有實時動態(tài)評估和分析能力。

2.1.3 通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化原則

通信系統(tǒng)具有良好的開放性。設(shè)備支持接入各種標(biāo)準(zhǔn)接口類型以及即插即用的后端軟件，同時可以通過協(xié)議分析接入非標(biāo)準(zhǔn)接口的后端軟件，為模塊化設(shè)計提供互聯(lián)互通的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 功能框架設(shè)計

系統(tǒng)功能框架包括系統(tǒng)電壓實時監(jiān)測、絕緣電阻監(jiān)測及選線、交流入侵監(jiān)測及選線、直流互通道監(jiān)測及選線、電池接地監(jiān)測、正負(fù)極接地電壓偏差監(jiān)測及補償?shù)?。上述一系列?nèi)容可以使得直流電源智能管理運維系統(tǒng)具備完善的功能，滿足當(dāng)前直流電源運維過程中的各種需求。

實時監(jiān)測母線電壓和對地正負(fù)電壓，并能在母線電壓超過過壓和欠壓閾值后發(fā)出報警信息。當(dāng)系統(tǒng)對地絕緣電阻小于設(shè)定閾值時，設(shè)備能發(fā)出正確的絕緣預(yù)警或警告信息，并能正確選擇絕緣降低支路。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生交流入侵時，設(shè)備可以發(fā)出交流入侵直流報警信息，并選擇正確的交流入侵支路。當(dāng)電池在系統(tǒng)中接地時，設(shè)備可以發(fā)出電池接地的警告信息，并且可以選擇接地的具體電芯數(shù)量，并可以計算出電池接地電阻的大小。此外，當(dāng)系統(tǒng)對地正負(fù)電壓偏差達(dá)到1.22 V時，設(shè)備會發(fā)出電壓偏差報警信息，當(dāng)偏差補償功能啟動時，兩極電壓將得到補償平衡。

2.3 解決的問題

一是解決正負(fù)極母線絕緣降低，電阻值相同時，無法監(jiān)測報警的問題。舊的絕緣監(jiān)測設(shè)備往往只采用平衡橋法來確定接地電阻。

二是解決了絕緣監(jiān)測裝置選線時向直流系統(tǒng)注入交流信號的問題。原有的絕緣監(jiān)測設(shè)備在選擇支線時常采用交流注入法。目前不推薦這種方法，因為交流注入方式會造成地電壓不斷波動，而選線方式向系統(tǒng)注入信號，會對系統(tǒng)的安全運行造成隱患，而且只能判斷支路絕緣劣化失效，不能區(qū)分是正極還是負(fù)極發(fā)生絕緣劣化。考慮到保護(hù)設(shè)備的安全運行，在線監(jiān)測裝置基本不允許采用交流注入方式。

目前，絕緣監(jiān)測設(shè)備很難區(qū)分上述兩種情況。通常情況下電流絕緣監(jiān)測裝置只能對電池的直接接地故障做出準(zhǔn)確判斷。電池電阻接地時，絕緣監(jiān)測裝置可能誤報直流系統(tǒng)接地故障，或者當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣接地故障時，絕緣監(jiān)測設(shè)備可能會誤報電池接地故障。ZHY367絕緣監(jiān)測設(shè)備在電池出口處安裝漏電流傳感器，實時采集漏感數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷電池是否接地或系統(tǒng)絕緣降低，可計算出電池阻性接地的任意電阻值。

三是解決了直流系統(tǒng)兩段發(fā)生直流互竄故障時無法報警和選線的問題。當(dāng)兩段總線之間存在環(huán)網(wǎng)時，保護(hù)設(shè)備發(fā)生故障的風(fēng)險會增加。例如，有兩段直流母線的單段點接地故障，如果母線的兩段之間存在電氣連接，就會引起整個直流系統(tǒng)的兩個接地故障，導(dǎo)致保護(hù)設(shè)備誤動作。如果Ⅰ段直流母線接地，Ⅱ段直流系統(tǒng)正極發(fā)生接地故障，此時Ⅰ段負(fù)極與II段的正極接觸會導(dǎo)致線圈失效，進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)裝置拒絕動作。當(dāng)線圈的動作需要改變時，線圈的控制節(jié)點閉合，會造成直流系統(tǒng)短路故障，造成嚴(yán)重后果。通常情況下，I段母線和II段母線會分別設(shè)絕緣監(jiān)測裝置，如果Ⅰ段母線和Ⅱ段母線相互獨立，則兩者之間除接地線外沒有其他連接。此外，如果兩段之間存在電氣連接，則當(dāng)其中一個母線上的絕緣監(jiān)測裝置通斷電橋時，必然會改變另一母線的正負(fù)接地電壓，據(jù)此可以判斷系統(tǒng)是否存在直流互竄故障。

四是采用開放式漏電流傳感器，解決了電流封閉式傳感器無法更換的問題。ZHY007直流漏電流傳感器是專門研制的開放式直流漏電流傳感器，安裝簡單方便，完美解決了閉口漏感更換困難的問題。

五是使用手持式接地故障檢測儀，解決系統(tǒng)發(fā)生絕緣降低故障時系統(tǒng)無法定位特定點的問題。ZHY367-T03手持式絕緣監(jiān)測故障定位儀是以定位接地點為主要目的的手持式儀器。與ZHY367絕緣監(jiān)測儀配合使用，在絕緣監(jiān)測儀檢測到接地故障并選擇故障支路后，使用儀器對故障支路進(jìn)行分段排查，可快速找到接地點的實際位置。該設(shè)備用于發(fā)電廠和變電站直流系統(tǒng)的接地故障檢測和故障點確定。采用隔離式可編程恒流源向系統(tǒng)注入小電流信號，安全可靠，快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障點，測量精度高。采用波形分析法，實時計算顯示阻性電流的大小和方向，可直接查看地電流波形，克服了系統(tǒng)分布電容的影響，大大提高了判斷的準(zhǔn)確性，可有效解決高阻接地、交直流接地、低阻接地、脈沖干擾、回路接地、單點接地以及多點接地等問題。

3 智能型變電所直流供電系統(tǒng)運行方式遠(yuǎn)動解決方案

智能化變電所已經(jīng)全面投入使用，系統(tǒng)一般從直流、交逆變、UPS、整體設(shè)計以及組態(tài)等方面進(jìn)行集成。集成式監(jiān)測其運行狀態(tài)和信息數(shù)據(jù)可由綜合監(jiān)測單元顯示并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模式數(shù)據(jù)，將標(biāo)準(zhǔn)模式與本地自動化系統(tǒng)相連，上載至遠(yuǎn)端控制中心。開關(guān)直流電源系統(tǒng)的工作方式需要從硬件和軟件兩方面加以解決。

3.1 硬件解決方案

電路設(shè)計上，采用5臺電動操縱機構(gòu)(雙穩(wěn)開關(guān))組成具有電動工作條件的直流供電系統(tǒng)。雙穩(wěn)開關(guān)的工作狀態(tài)有閉式和斷式，兩套控制回路分別實現(xiàn)合閘和分閘控制以及機械的合閘、分閘運行。

在正常工作方式下，18個雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)在斷開位置，4雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)在關(guān)閉位置，變電所直流母線分段串聯(lián)運行。在進(jìn)行常規(guī)測試或直流電源設(shè)備發(fā)生故障時，5個雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的通斷狀態(tài)由邏輯軟件控制。遠(yuǎn)程切換操作在開關(guān)不正?；蚴r報警和阻止。因為這種雙穩(wěn)開關(guān)分合閘采用電操縱和機械檢修的原理，在控制電源失靈、系統(tǒng)復(fù)位或故障時，主回路雙穩(wěn)開關(guān)沒有動作，控制器中斷，避免了嚴(yán)重的直流母線斷電事故。

3.2 軟件解決方案

直流供電系統(tǒng)采用雙穩(wěn)開關(guān)技術(shù)，使其具有一定的電氣性能。然而，要使工作狀態(tài)切換真正實現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，還需要集中監(jiān)測模塊的邏輯控制功能。在控制理論中，閉環(huán)控制是基礎(chǔ)。從控制理論來看，通常閉環(huán)控制是由輸出端的“側(cè)鏈”反饋至輸入端，參與輸出方的再控制。本方案將直流供電系統(tǒng)運行方式改為遠(yuǎn)距離運行，使用閉環(huán)邏輯順序控制。在生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格按照電力相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計生產(chǎn)控制程序，每一步都有反饋信息，這些信息是閉環(huán)的，通過綜合邏輯來判斷直流電源系統(tǒng)的運行狀況，然后根據(jù)判斷結(jié)果決定下一步如何執(zhí)行。整個執(zhí)行過程是由無數(shù)個執(zhí)行、反饋、邏輯判斷以及反復(fù)執(zhí)行步驟構(gòu)成的小循環(huán)。

此外，設(shè)計時應(yīng)考慮當(dāng)有常規(guī)的直流電源設(shè)備發(fā)生故障時，必須停止工作，使測試有故障的直流電源設(shè)備停運，用另一直流電源裝置來承載整個站的直流負(fù)荷。在正常試驗結(jié)束或直流電源設(shè)備故障處理完畢后，檢測出的（故障）直流電源設(shè)備必須重新開始工作。兩套直流電源裝置為全站直流負(fù)荷提供電力，此方法在執(zhí)行整個操作序列時，在前一操作步驟已正確完成并且收到反饋信息后再執(zhí)行下一步。如果有步驟執(zhí)行異常，則執(zhí)行故障恢復(fù)順序，并發(fā)出警報。

4 結(jié) 論

變電所直流電源系統(tǒng)工作方式的切換實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離一鍵式順序控制操作，可以從根本上防止運行模式切換期間由于人為因素引起的直流母線掉電等不正常事件。關(guān)于智能型變電所直流電源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，本解決方案是在硬件上采用電氣運行和機械維持雙穩(wěn)開關(guān)，或者斷開控制器，以免失去直流母線。在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)重大故障時，軟件采用閉環(huán)順序控制邏輯，這符合智能變電站技術(shù)的發(fā)展方向。