閆茂華,溫才權,黃義華,李 寧,劉英男
(1.中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司梧州局,廣西 梧州 543002;2.山東大學電氣工程學院,山東 濟南 250061)
繼電保護二次回路作為聯(lián)系一次設備和二次控保裝置的紐帶,在變電站運行過程中起到極為重要的作用[1-2]。二次回路接線復雜、環(huán)節(jié)多、涉及面廣、缺陷隱蔽性強、危害大,往往會影響到繼電保護裝置的正確動作,造成設備損壞或電網(wǎng)瓦解等嚴重事故[3-5]。在二次回路中,開入回路易出現(xiàn)不正確動作問題:一方面,開入回路電纜接線較多,與外部設備配合復雜,環(huán)節(jié)多易出錯;另一方面,開入回路均采用開關量傳輸,且電纜長度較長,分布電容較大,易受到外部干擾[6-10]。
二次回路接線復雜、環(huán)節(jié)多、涉及面廣、缺陷隱蔽性強、問題危害大,一直是研究的熱點之一[7]。截至目前,因變電站二次回路異常導致保護裝置誤動作、一次設備損壞等事故仍偶爾出現(xiàn),給變電站運維帶來巨大困擾和嚴重影響。國內(nèi)相關學者一直在進行相關方向的研究,如針對交流竄入、直流接地等,《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》、《直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置技術條件》等規(guī)范均提出了相應的要求[8-10]。然而,目前二次回路直流系統(tǒng)仍主要依賴于直流絕緣監(jiān)測裝置,雖然該類裝置技術一直在發(fā)展,但目前的動作速度和選線速度仍然在百秒級別。相對于繼電保護裝置數(shù)十毫秒級別的動作速度,絕緣監(jiān)測裝置無法完全阻止因二次回路異常導致的保護誤動作[11-16]。更多國內(nèi)學者研究絕緣監(jiān)測裝置原理的改進和性能的提升,鮮有對繼電保護裝置本體抗干擾性能進行研究。
綜上所述,開展基于智能開入的保護裝置研究,提出新型的保護裝置原理,優(yōu)化現(xiàn)有的保護硬件、軟件邏輯,進一步提高保護裝置的抗干擾能力。
直流單點接地或者交流竄入對繼電保護裝置威脅極大,容易導致保護不正確的動作,尤其以交流竄入直流危害更大。而變電站中早期配置的直流絕緣監(jiān)測裝置僅能進行直流接地故障檢測,并不具備交流竄入檢測能力。鑒于交流電源竄入直流系統(tǒng)的極大危害,《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》要求嚴防交流竄入直流故障出現(xiàn),并明確要求絕緣監(jiān)測裝置應具備交流竄入直流的測記功能和報警功能。雖然普通的絕緣監(jiān)測裝置具備直流接地檢測能力,但仍無法有效解決保護誤動作問題。一方面絕緣監(jiān)測裝置一般動作時間較長,達到百秒級別,與常規(guī)保護裝置幾十毫秒級別的動作時間無法匹配,無法有效防止保護的誤動作。另一方面,微機保護開入元件的內(nèi)阻大于100 kΩ,而絕緣監(jiān)測裝置的靈敏度小于100 kΩ,導致開入外部電纜一點接地時無法找出、告警,高阻接地、直流母線電壓偏移長期存在,可能會引發(fā)保護誤動,且誤動原因很難分析。
電纜的絕緣下降往往是較為緩慢的過程,如接點受潮、銹蝕等,導致開入接點阻抗逐漸降低,當開入電壓達到門檻時,就會導致開入誤動作。由于開入電纜布線較長,往往因為老化、鼠害等問題導致開入電纜破損,可能出現(xiàn)電纜高阻接地或者金屬性接地,最終引發(fā)開入誤動作等嚴重后果。
出口回路異常是一種較為隱蔽的問題,在系統(tǒng)故障發(fā)生前往往難以發(fā)現(xiàn)。而當系統(tǒng)發(fā)生故障時,繼電保護裝置正確動作,如果后續(xù)出口回路異常,可能會導致斷路器拒動等嚴重故障。另外,現(xiàn)有開關位置監(jiān)視回路過于復雜,在每相分、合閘控制回路中分別串接同一個遠方/就地切換開關的不同接點,斷路器的閉鎖分、合閘繼電器節(jié)點、斷路器的輔助節(jié)點等,因此操作箱、保護內(nèi)獲得的開關位置信號可能并非準確的開關位置,不利于獲悉斷路器的真實狀態(tài)。
目前保護裝置電源和開入電源共用,而部分開入電纜長度較長,分布電容較大。在該電纜受到干擾時,保護電源易受到開入電纜傳到過來的干擾,進而引起保護裝置異常。
現(xiàn)有開入模塊由于其硬件成本及功能要求限制,多為開關量檢測,一般采用光電隔離原理實現(xiàn)。光電隔離開入的設計原理是基于光電耦合器,該隔離技術是消除“地干擾”(指通過裝置接地線連接形成的電磁干擾)途徑的抗干擾方法,光電耦合器件實現(xiàn)電→光→電的隔離,能有效地破壞干擾源進入,可靠實現(xiàn)信號隔離。但這類光耦一般線性范圍窄、線性度差,無法實現(xiàn)較寬范圍內(nèi)的電壓采樣[17-20]。
普通光耦無法在較寬范圍內(nèi)正確傳變原邊輸入信號,如圖1 所示。針對交流竄入及接地監(jiān)測等需求,處理器側(cè)必須能夠感知到外部輸入電壓信號真實的變化,才能進行進一步的故障特征提取,因此要求開入插件能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍電壓采樣。開入回路模型如圖2所示。
圖1 光耦傳輸
圖2 開入回路模型
圖2中,以下等式恒成立:
式中:Upn為開入電源正負極電壓;Ung為開入電源負極對地電壓;Upg為開入電源正極對地電壓;Cpg為開入電源正極對地電容,Rpg為電阻;Cng為開入電源負極對地電容,Rng為電阻;Ubix為開入通道X元件電壓;Zbix為開入通道X元件阻抗;Zlx為開入通道X電纜阻抗;Cbix為開入通道X電纜對地寄生電容。
交流竄入直流故障模型如圖3 所示,直流電壓特征如圖4所示。
圖3 交流竄入直流故障模型
圖4 交流竄入直流電壓特征
如圖4 所示,按照正常電纜分布電容考慮,Ubix在正常開入時上升速率一般較快,而交流竄入時電壓變化比較緩慢,可通過變化率進行識別。發(fā)生交流竄入時,Ung也會呈現(xiàn)交流波動,而正常開入不存在這一特征,可作為輔助判據(jù)。如果在交流竄入期間發(fā)生正常開入,則通過分析Ubix采樣值,可考慮計算連續(xù)5 點采樣值標準差,在容限內(nèi)則認為是正常開入,否則認為是非法開入,報警并觸發(fā)錄波。運行中可對Ung進行傅氏計算,計算交流竄入幅值,超過設定值則報警并觸發(fā)錄波。
電纜正極側(cè)一點接地故障模型如圖5所示。
圖5 電纜正極側(cè)一點接地故障模型
針對外部電纜正極側(cè)接地問題,可結合Ubix及Ung進行判斷。電源負極對地電壓相對于開入電源電壓嚴重不對稱,可判斷出存在單點接地情況。Ubix上升期間Ung也上升,可作為輔助判據(jù),否則可能導致開入誤動作。
電纜開入元件側(cè)一點接地故障模型如圖6所示。
圖6 電纜開入側(cè)一點接地故障模型
針對外部電纜開入側(cè)接地問題,可結合Ubix及Ung進行判斷。Ung相對于Upn嚴重不對稱,可判斷出存在單點接地情況。再根據(jù)Ubix與Ung最接近的通道應是異常電纜所在。電纜開入側(cè)一點接地電壓特征如圖7 所示,裝置檢測到該異常時閉鎖該開入,報警并觸發(fā)錄波。當電纜發(fā)生金屬性接地時,接地電纜對應開入電壓與負極對地電壓接近。
圖7 電纜開入側(cè)一點接地電壓特征
電纜絕緣阻抗降低故障模型如圖8所示。
圖8 電纜絕緣阻抗降低故障模型
電纜絕緣阻抗降低電壓特征如圖9 所示,針對電纜受潮等因絕緣阻抗降低導致開入誤導通問題,可通過分析Ubix變化趨勢進行分析,檢測到該電壓緩慢上升,則閉鎖該開入功能,同時發(fā)報警。
圖9 電纜絕緣阻抗降低電壓特征
綜上所述,如果需要檢出上述各種故障,需要新型開入板卡支持各開入通道Ubix、Ung、Upn電壓采樣,要求能夠最大限度地保留上述輸入量的故障特征。采用基于數(shù)字隔離的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC)采樣架構,如圖10所示。
圖10 基于數(shù)字隔離的ADC采樣架構
相對于光耦傳輸方式,上述架構能夠?qū)崿F(xiàn)輸入量寬范圍采樣。此種架構線性度好,電壓測量范圍寬,能夠滿足上述各種輸入采樣需求。
智能開入板的總體架構如圖11 所示,主要包括開入回路及開入電源監(jiān)視回路兩部分。
圖11 智能開入總體架構
智能開入回路邏輯如圖12所示。
圖12 智能開入回路邏輯
智能開入回路采用對開入電壓進行采樣的方式,實現(xiàn)開入電壓的比較、記錄和功能判斷。
1)電源回路:裝置內(nèi)部弱電電源經(jīng)過隔離轉(zhuǎn)換后輸出給信號處理電路和ADC轉(zhuǎn)換電路使用。
2)信號回路:開入電壓接入外接端子,信號處理電路對開入電壓進行取樣和變換后,ADC 轉(zhuǎn)換電路將模擬量開入電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,經(jīng)過磁隔離電路輸出到CPU。
3)智能開入功能實現(xiàn):CPU 根據(jù)采樣到的開入外接端子上的電壓信號進行判斷,結合各種故障特征及開入門檻電壓,判斷是否有真實開入輸入。
4)開入啟動電壓范圍:可通過在CPU 中預置啟動電壓定值,實現(xiàn)較精確控制開入的啟動電壓范圍,如實現(xiàn)啟動電壓范圍55%Un~70%Un。
5)智能開入記錄:智能開入記錄有兩方面,一是對開入判斷情況的記錄,二是對開入電壓波形的記錄。
6)絕緣電阻簡化計算:正極接地時,可假設負極外部電纜無接地,通過正負極母線對地電壓和平衡電阻計算出正極接地電阻;負極接地(光耦外部電纜接地)時,可通過光耦兩端電壓、負極對地電壓、光耦的內(nèi)阻進行計算接地電阻阻值。
直流電源監(jiān)視回路的邏輯如圖13所示。
圖13 直流電源監(jiān)視回路邏輯
直流電源監(jiān)視回路通過對正負電源之間的電壓、負電源對地的電壓進行采樣的方式,實現(xiàn)對直流電源的監(jiān)視、記錄和工作狀態(tài)判斷的功能。
CPU 采樣到的外接端子上的電壓信號,判斷輸入電壓是否在正常范圍內(nèi)??赏ㄟ^在CPU 對采樣電壓的計算處理,對電源的質(zhì)量進行分析和判斷。對電源電壓波形存儲記錄。
針對電源消失、電源接地、混入交流等情況,可通過開入電壓的實時波形判斷。
硬件配置如圖14 所示,實物如圖15 所示。以南網(wǎng)500 kV PCS-931N5Y 型常規(guī)采樣和跳閘線路保護裝置為基礎試驗保護裝置,通過增加插件并結合現(xiàn)場二次接線更改,硬件增加一塊智能開入板卡NRBI,占據(jù)B07槽位。
圖14 硬件配置
圖15 硬件實物
模擬電纜開入端接地進行測試,測試電路如圖16所示,模擬電纜正極端金屬性接地,裝置應能夠檢出并觸發(fā)錄波,開入不會誤動作。通過空開控制將0電阻短接至開入電源正極。閉合空開,模擬開入正極接地,然后斷開空開,自檢報告正確,選線正確,得到測試結果如圖17 所示。變位報告為空,說明無開入誤動情況。查看錄波波形,如圖18所示。
圖16 測試電路
圖17 測試報告
圖18 錄波波形
從工程實際出發(fā),針對變電站二次回路常見問題,對各種故障特征進行逐一深入分析,并結合智能開入插件給出了相應的設計方案。相對于外置的絕緣監(jiān)測裝置功能單一、動作速度慢等不足,智能開入插件能夠有效識別出常見二次回路故障,集成于繼電保護裝置中的智能開入,可實現(xiàn)與保護的無縫銜接,實現(xiàn)更快的動作速度,提供更完善的事故分析手段,獲取更精準的故障數(shù)據(jù),從而降低二次回路干擾對保護裝置的影響。