變電站測(cè)控和保護(hù)裝置中電源模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 川，崔 勇

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司吉安供電分公司，江西 吉安343000，2.華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京昌平 102206）

0 引言

某變電站執(zhí)行一條220 kV聯(lián)絡(luò)線的送電操作任務(wù)時(shí)，值班人員對(duì)該線路斷路器同期遙控合閘不成功，通過(guò)檢查確認(rèn)聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)電氣量同期并列條件滿足，且相關(guān)一、二次設(shè)備運(yùn)行正常。檢查發(fā)現(xiàn)線路測(cè)控裝置電源插件實(shí)際上為220 kV線路保護(hù)裝置電源插件，經(jīng)追查得知該測(cè)控裝置在發(fā)生電源插件故障時(shí)，由于缺少備品備件，檢修人員臨時(shí)采用線路保護(hù)裝置的電源插件代替，人為加工后將規(guī)格不符的電源插件接入測(cè)控裝置。裝設(shè)了錯(cuò)誤電源插件的測(cè)控裝置長(zhǎng)期運(yùn)行并未出現(xiàn)異常告警，所以電源插件一直未更換。本次事故造成了變電站與電廠的220 kV聯(lián)絡(luò)線延期7 h并列。

1 提出優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

若采用一種將變電站內(nèi)同一電壓等級(jí)一次設(shè)備的保護(hù)和測(cè)控裝置電源模塊進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)，則在電源模塊更換工作環(huán)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單化。根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》（2012年修訂版）[1]中15.5.2規(guī)定：微機(jī)保護(hù)裝置的開(kāi)關(guān)電源模件宜在運(yùn)行6年后予以更換，實(shí)踐證明許多保護(hù)和測(cè)控裝置的電源插件在不到6年的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)就已出現(xiàn)故障，給安全運(yùn)行帶來(lái)巨大威脅。所以將電源模塊進(jìn)行通用性優(yōu)化設(shè)計(jì)是完全可行的。

目前國(guó)網(wǎng)公司范圍內(nèi)已經(jīng)推行運(yùn)行檢修工作一體化改革，采用通用的電源模塊，對(duì)于運(yùn)行人員來(lái)說(shuō)可以提升檢修效率，大大減少誤檢修的可能性。

2 排查和推斷

2.1 事故分析排查

線路測(cè)控裝置的同期功能是由CPU模塊上的一個(gè)開(kāi)入量啟動(dòng)，而向CPU 提供電氣量進(jìn)行同期判別的元件是非智能交流模塊，非智能交流模塊共有8個(gè)輸入端子，其中使用了U1、U2、U3、Ux四組電壓輸入端子，分別代表變電站母線相電壓Ua、Ub、Uc以及線路A相相電壓Uax，其余四組電流端子未接線。非智能交流模塊中的變壓器將U1和Ux放大，輸入CPU模塊中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲得兩側(cè)電壓幅值；同時(shí)再將電壓經(jīng)方波形成回路整形得到方波，輸入CPU 模塊并經(jīng)測(cè)頻、測(cè)相運(yùn)算后得到U1、Ux的頻率和相位差。CPU模塊將以上運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行判別比對(duì)，就是整個(gè)測(cè)控裝置同期判別過(guò)程。

測(cè)控裝置同期合閘操作的判別定值設(shè)有三個(gè)條件，即待并列兩側(cè)電氣量允許合閘角為15°，頻差定值為0.5 Hz，電壓差定值為10 V（二次值），同時(shí)滿足三者條件時(shí)才可進(jìn)行同期合閘操作。

測(cè)量測(cè)控裝置同期非智能交流模塊電壓背板輸入端子，顯示母線三相電壓和線路相電壓的采集輸入正常，測(cè)控裝置本身未報(bào)出任何報(bào)警或裝置呼喚信號(hào)；檢查測(cè)控裝置整定值，確認(rèn)與定值單規(guī)定的定值一致。更換了錯(cuò)誤的電源插件的測(cè)控裝置在運(yùn)行期間可以實(shí)現(xiàn)遙控分合閘，且信號(hào)指示正確。由于沒(méi)有發(fā)出告警和其他異常信號(hào)，沒(méi)有引起人員重視并保持測(cè)控裝置持續(xù)運(yùn)行。

人機(jī)對(duì)話界面調(diào)閱測(cè)控裝置的線路A相電壓Uax顯示為0.1 V，等同于采樣數(shù)值為零，而正常時(shí)Uax應(yīng)有58 V 左右的采樣值。24 V、5 V 的電壓供給正常，電壓顯示燈正常顯示。

2.2 輸出端子檢查推斷

進(jìn)一步檢查，把保護(hù)裝置電源插件拔出后，在輸入端子施加直流±220 V電源，然后用萬(wàn)用表測(cè)量電源插件±12 V 輸出端子之間電壓，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有±12 V電壓輸出。據(jù)保護(hù)裝置相關(guān)技術(shù)資料說(shuō)明，保護(hù)裝置電源插件雖然在銘牌上標(biāo)注有±12 V 輸出電源，但在實(shí)際使用中并沒(méi)有±12 V輸出[2]。

2.3 結(jié)論推斷

廠家設(shè)計(jì)中，測(cè)控裝置±12 V 輸出端用于裝置的非智能模擬量采集回路，±12 V 供給非智能交流模件方波形成回路和A/D 轉(zhuǎn)換回路運(yùn)行。缺少了±12 V電源的測(cè)控裝置無(wú)法進(jìn)行非智能交流采樣和A/D 采樣，進(jìn)而無(wú)法同期采樣致使同期操作失敗。但由于±12 V電源僅為非智能交流采樣功能提供電源，測(cè)控裝置中其余的包括CPU、智能交流采樣、跳閘出口、開(kāi)入開(kāi)出等功能均不需要±12 V電源供給，所以在不進(jìn)行同期合閘的運(yùn)行過(guò)程中，電源插件混用并不會(huì)造成任何異常。

事故中反映了檢修人員沒(méi)有對(duì)被檢修設(shè)備的原理深入了解，同時(shí)廠家沒(méi)有對(duì)電源插件的設(shè)計(jì)差異化進(jìn)行重點(diǎn)說(shuō)明，導(dǎo)致檢修人員錯(cuò)誤地認(rèn)為電源插件可以混用并釀成事故。

3 通用電源插件的可行性

根據(jù)引起這起事故中檢修人員的這種錯(cuò)誤方法，考慮將兩套裝置的電源插件通用化設(shè)計(jì)，可以節(jié)約制造和設(shè)計(jì)成本，又可以有效提升因電源模塊故障引起的故障處理效率。

3.1 兩種裝置電源插件的原理對(duì)比

某廠家生產(chǎn)的數(shù)字式綜合測(cè)控裝置電源插件接線原理圖如圖1 所示，直流220 V 輸入后經(jīng)濾波至內(nèi)部逆變電源模塊，轉(zhuǎn)換成供各處理器系統(tǒng)工作的5 V電源、用于模擬采集系統(tǒng)的±12 V電源、用于驅(qū)動(dòng)信號(hào)回路及繼電器的24 V(1)電源，以及用于外部開(kāi)入的24 V(2)電源。

圖1 某廠生產(chǎn)的綜合測(cè)控裝置電源插件原理示意圖

某廠生產(chǎn)的保護(hù)裝置電源插件接線原理圖如圖2 所示[3-5]，電源電壓的轉(zhuǎn)換原理和過(guò)程與測(cè)控裝置電源插件大致相同，同樣經(jīng)內(nèi)部電源模塊將±220 V 的高壓電轉(zhuǎn)換成5 V 和24 V 電源。與測(cè)控裝置模擬采集系統(tǒng)所需要的±12 V 電源不同的是，保護(hù)裝置采用5 V 輸出作為各處理器芯片的工作電源，而處理器芯片CPU 模塊是整個(gè)裝置的核心部分，完成模擬量、開(kāi)關(guān)量的處理，實(shí)現(xiàn)控制和邏輯功能，然后產(chǎn)生相應(yīng)的控制出口，發(fā)信號(hào)及通訊傳輸?shù)?，這一系列過(guò)程均由5 V 電源驅(qū)動(dòng)，且上述所有功能的總負(fù)荷電流不超過(guò)3 A，這樣由5 V 電源驅(qū)動(dòng)完全可以滿足要求，因此保護(hù)裝置在運(yùn)行中不需要±12 V 電源[6-8]。

圖2 某廠生產(chǎn)的保護(hù)裝置電源插件接線

3.2 通用性電源插件設(shè)計(jì)

測(cè)控裝置電源插件可以輸出5 V、±12 V、24 V（1）、24 V（2）電源，所以通用電源插件可以采用測(cè)控裝置電源插件的內(nèi)部電源模塊。具有通用性的電源插件可以用于相同規(guī)格的測(cè)控裝置和保護(hù)裝置，接線圖見(jiàn)圖3，該電源插件可以輸出5 V、±12 V、24 V（1）、24 V（2）電源，當(dāng)用于不需要±12 V 電源的保護(hù)裝置時(shí)，可以通過(guò)AN1、AN3 關(guān)閉±12 V 和24 V（1）電源輸出，合上AN2保持±24 V電源輸出，再將無(wú)±12 V電源輸出的電源插件裝入保護(hù)裝置。而用于測(cè)控裝置時(shí)，只要確保電源插件中5 V、±12 V、24 V（1）、24 V（2）各路均有輸出即可安裝運(yùn)行。

圖3 通用電源插件原理接線

制造這種通用電源插件時(shí)，只需要在原測(cè)控裝置電源插件上進(jìn)行簡(jiǎn)單改造即可，在內(nèi)部電源模塊中增加一路±24 V 電源輸出[9-10]，有選擇性輸出的回路中增加手動(dòng)控制分合的開(kāi)關(guān)，以防止因電路電源錯(cuò)接和電壓不匹配造成的裝置不正常運(yùn)行。通用電源插件背板接線設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖4。

圖4 通用電源插件背板接線

要注意的是文獻(xiàn)[11]中指出：電源插件輸出功率不足將導(dǎo)致輸出電壓下降，進(jìn)而影響比較電路基準(zhǔn)值的變化、充電電路時(shí)間變短等異?，F(xiàn)象，最終使保護(hù)裝置的邏輯配合出現(xiàn)異常甚至邏輯判斷失誤。由于保護(hù)裝置和測(cè)控裝置雖然功能不同，但內(nèi)部工作原理大致相同，在進(jìn)行通用電源插件制造時(shí)應(yīng)考慮裝置內(nèi)部負(fù)載需求，進(jìn)而設(shè)計(jì)能同時(shí)滿足兩套裝置負(fù)載的電源插件[12-14]。

4 結(jié)束語(yǔ)

考慮到保護(hù)和測(cè)控裝置的電源模塊易損易老化部件，和重要變電站和重要設(shè)備的保護(hù)和測(cè)控裝置在電網(wǎng)中的地位之重，可以采用通用于保護(hù)裝置和測(cè)控裝置的電源插件。這種通用電源插件一旦投入實(shí)際運(yùn)行，并作為裝置備品備件配齊，可以大幅縮短電源插件的更換效率，有效改善運(yùn)行檢修一體化工作的薄弱環(huán)節(jié)，從中長(zhǎng)期眼光考慮，可以進(jìn)一步提升電網(wǎng)尤其是超/特高壓電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。

[1]國(guó)家電網(wǎng)公司生產(chǎn)技術(shù)部.《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》（2012年修訂版）[S].北京：國(guó)家電網(wǎng)公司，2012.

[2]許繼電氣股份有限公司.FCK-800微機(jī)測(cè)控裝置說(shuō)明書(shū)[Z]

[3]國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司.PSL-601 數(shù)字式線路保護(hù)裝置技術(shù)說(shuō)明書(shū)[Z].

[4]許繼電氣股份有限公司.WXH-802/3A 微機(jī)線路保護(hù)裝置說(shuō)明書(shū)[Z].

[5]國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司.PSR-650 數(shù)字式綜合測(cè)控裝置技術(shù)說(shuō)明書(shū)[Z].

[6]余華武，史志偉.保護(hù)測(cè)控裝置繼電器回路抗干擾分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012,36(5):36-41.

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[8]黃益莊.變電站智能電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36（15）：6-9.

[9]董福廣.基于模塊化設(shè)計(jì)的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置通用平臺(tái)的研究[D].山東：山東大學(xué)，2008.

[10]南京工學(xué)院、西北電訊工程學(xué)院合編.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1979.

[11]王川.實(shí)用電源技術(shù)(第二版).[M]，重慶：重慶大學(xué)出版社，2005.

[12]邱關(guān)源.電路（第四版）.[M]，北京：高等教育出版社，1999.

[13]張斌，周斌，黃國(guó)方，等.數(shù)字化測(cè)控裝置關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（11）：109-111.

[14]黃國(guó)方，徐云燕，奚后瑋，等.新型超高壓變電站測(cè)控裝置的研制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005 29（6）：98-100.