過程層網(wǎng)絡(luò)的推廣對(duì)直流系統(tǒng)故障的改善研究

張 晟，謝 征，楊 印，黃 博，董曉峰

過程層網(wǎng)絡(luò)的推廣對(duì)直流系統(tǒng)故障的改善研究

張 晟，謝 征，楊 印，黃 博，董曉峰

（國網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114001）

直流系統(tǒng)故障始終是威脅變電站生產(chǎn)的一大隱患，其隱蔽性、復(fù)雜性及事故嚴(yán)重性一直困擾著運(yùn)維檢修人員。通過解析直流故障的原理，結(jié)合對(duì)數(shù)字化變電站過程層的研究，參考王鐵變“網(wǎng)采網(wǎng)跳”的實(shí)例，闡述第三代綜合性變電站向數(shù)字化變電站轉(zhuǎn)型的過程中，直流系統(tǒng)完成“以軟代硬”、“織纖成網(wǎng)”的重大意義。

直流系統(tǒng)故障；網(wǎng)采網(wǎng)跳；數(shù)字化變電站

1 直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組件

變電站直流電源是電力系統(tǒng)中斷路器操作機(jī)構(gòu)、繼電保護(hù)裝置、信號(hào)裝置及事故照明裝置的可靠電源，其可靠性直接影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

直流系統(tǒng)主要包括直流電源（充電裝置、蓄電池組）、直流母線（合閘母線、控制母線）、直流饋線、監(jiān)控系統(tǒng)（微機(jī)監(jiān)控裝置、絕緣監(jiān)測(cè)裝置），如圖1所示。

圖1 直流系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

直流系統(tǒng)主要靠通信信號(hào)和電纜傳遞完成其各模塊的銜接，傳輸數(shù)據(jù)的正確性與可靠性尤為重要。而絕緣監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)直流接地故障的測(cè)量報(bào)警裝置，需要設(shè)置絕緣監(jiān)測(cè)裝置在直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣降低后迅速發(fā)出報(bào)警信號(hào)。其設(shè)計(jì)思路可參考小電流接地系統(tǒng)TV零序電壓繞組的應(yīng)用，雖然不能作為保護(hù)切除故障，但起到故障警報(bào)的作用。

2 直流接地的危害

在實(shí)際工作中，直流系統(tǒng)分布廣、回路多、很容易發(fā)生故障和異常，其中最常見的是直流接地故障。

直流接地故障指的是系統(tǒng)中出現(xiàn)了與大地絕緣降低的情況。如果只有一點(diǎn)接地，不會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)造成直接危害，但必須及時(shí)消除故障，否則，若在直流系統(tǒng)中再有一點(diǎn)接地就可能造成對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的嚴(yán)重危害。

當(dāng)直流系統(tǒng)的正極或負(fù)極對(duì)地絕緣水平降低到某一整定值時(shí)，絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷直流接地并發(fā)出響應(yīng)信號(hào)。例如，對(duì)220 V直流系統(tǒng)，‖u＋｜-｜u-‖＜40 V或絕緣降低到25 kΩ以下應(yīng)視為直流接地。常態(tài)下，正負(fù)極絕對(duì)值的差應(yīng)為0，如果正負(fù)極差大于40 V或小于-40 V，表明正負(fù)極有一方對(duì)地電壓小于原有電壓，由此可推理發(fā)生了系統(tǒng)接地故障。

發(fā)生故障后，如果上述回路內(nèi)再有一點(diǎn)接地故障，2個(gè)接地點(diǎn)會(huì)跟大地形成通道從而形成回路，而在接地兩點(diǎn)間所“跨過”（短接）的部分，根據(jù)2個(gè)接地點(diǎn)位置的不同，對(duì)直流系統(tǒng)的影響也不同。A，B兩點(diǎn)接地是指A、B兩點(diǎn)將電流繼電器1KA、2KA觸點(diǎn)短接，＋wc→A→大地→KC→-wc構(gòu)成導(dǎo)通回路，QF常開觸點(diǎn)也閉合，使LT啟動(dòng)跳閘線圈跳閘進(jìn)而導(dǎo)致斷路器誤動(dòng)，如圖2所示。

圖2 直流接地故障分析圖

當(dāng)A、C兩點(diǎn)接地時(shí)也會(huì)造成斷路器誤動(dòng)，由此可得出結(jié)論，當(dāng)斷路器線圈的控制觸點(diǎn)或中間繼電器的控制觸點(diǎn)直接或間接的被兩點(diǎn)接地回路短接時(shí)，會(huì)在一定程度上造成斷路器誤動(dòng)。由于該情況下有一個(gè)接地點(diǎn)在正極附近，稱之為直流系統(tǒng)正極接地，如圖3所示。

而當(dāng)BE、CE、DE位置短接時(shí)，2個(gè)接地點(diǎn)的回路直接將繼電器或開關(guān)回路線圈短接，這樣，無論故障點(diǎn)前的電流如何流入，都不能經(jīng)過中間繼電器或斷路器線圈，此類接地故障相當(dāng)于將開關(guān)的功能“屏蔽”掉?；谠摴收嫌幸粋€(gè)接地點(diǎn)在負(fù)極，稱之為直流系統(tǒng)負(fù)極接地，如圖4所示。

在220 kV綜合型變電站中，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和保護(hù)的可靠性，220 kV線路的保護(hù)通常采用2套獨(dú)立保護(hù)，對(duì)2套獨(dú)立保護(hù)要求是“非同源非同原理”，直流部分的供應(yīng)通常采用2組蓄電池，從而形成2組獨(dú)立的直流系統(tǒng)。直流環(huán)網(wǎng)的形成原因通常是2套獨(dú)立系統(tǒng)出現(xiàn)了電氣上的連接。

該故障的現(xiàn)象為“2套絕緣檢查裝置均發(fā)出了直流接地信號(hào)”，一組直流系統(tǒng)為正極絕緣降低，另一組直流系統(tǒng)為負(fù)極絕緣降低，前文分析絕緣監(jiān)控在‖u＋｜-｜u-‖＜40 V時(shí)判定為有接地故障。分析可知，直流環(huán)網(wǎng)故障應(yīng)該是一個(gè)電源的正極與另一個(gè)電源的負(fù)極相“中和”，導(dǎo)致“中和”部分對(duì)地電壓降到25 kΩ以下。當(dāng)排查直流系統(tǒng)將連接點(diǎn)斷開時(shí)，2個(gè)警報(bào)也會(huì)隨即消失。

圖3 直流系統(tǒng)正極接地圖

圖4 直流系統(tǒng)負(fù)極接地圖

除了直流接地、直流環(huán)網(wǎng)之外，還有一種比較嚴(yán)重的故障就是交流串直流。直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)本應(yīng)為2個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng)。直流系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，而交流系統(tǒng)為接地系統(tǒng)。交流串直流實(shí)質(zhì)是指2個(gè)系統(tǒng)發(fā)生了電氣連接，交流系統(tǒng)串入直流系統(tǒng)，使直流系統(tǒng)處于接地狀態(tài)，發(fā)生交流串直流會(huì)導(dǎo)致斷路器直接動(dòng)作跳閘。若交流從負(fù)電源側(cè)串入直流系統(tǒng)，由于交流分量過零，且通過圖5中所示的路徑流入絕緣監(jiān)測(cè)裝置，裝置檢測(cè)出“正、負(fù)兩極同時(shí)接地狀態(tài)”。另外，交流電流可以通過電纜的對(duì)地電容形成回路，引起斷路器直接跳閘，即所謂的保護(hù)“無故障跳閘”。

圖5 交直混流故障分析圖

若交流從正電源側(cè)流入直流系統(tǒng)，同樣的原理如圖5所示，絕緣監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)出“正、負(fù)兩極同時(shí)接地狀態(tài)”。電纜對(duì)地電容的等效值，比從負(fù)電源串入的容抗值要大一些。故交流從正電源側(cè)串入比從負(fù)電源側(cè)串入“無故障跳閘”的概率要稍低一些。

3 直流系統(tǒng)故障原因分析

通過對(duì)直流系統(tǒng)故障的本質(zhì)探究，直流系統(tǒng)的異常以及故障的直接原因大多是由于控制回路對(duì)地的絕緣控制線路饋線，線路之間的絕緣不足或者損壞產(chǎn)生的。針對(duì)直流系統(tǒng)故障問題，在不斷的生產(chǎn)實(shí)踐中也取得了一系列的改善措施，如敷設(shè)繼電保護(hù)專用銅地網(wǎng)，增大繼電器的動(dòng)作功率等。但是由于控制電纜的存在無法根本解決，將電纜作為信號(hào)傳輸介質(zhì)為系統(tǒng)帶來的影響主要有以下幾點(diǎn)。

a.每個(gè)類別的信號(hào)都要用一回單獨(dú)的線路來傳遞，加上繼電保護(hù)數(shù)據(jù)的需要，造成線路冗雜，端子排多密，增大了直流故障的可能性，電纜接線見圖6。

圖6 電纜接線圖

b.根據(jù)《鞍山供電公司操作規(guī)范》排除直流故障，按照14種回路順序逐一拉合，可稱為“拉路”法，其原理對(duì)直流接地的處理在于找接地點(diǎn)。“拉路法”雖然可達(dá)到排除系統(tǒng)內(nèi)直流接地故障的目的，但工作步驟及邏輯的冗雜嚴(yán)重影響絕緣排查的高效性和準(zhǔn)確性。

c.電纜的布置和建造過程以及維護(hù)過程中自身帶有一定影響，下雨天經(jīng)常會(huì)發(fā)生直流接地。因?yàn)橛晁h入密封不好的戶外二次接線盒，使接線樁頭和外殼導(dǎo)通接地；二次線與轉(zhuǎn)動(dòng)部件（如開關(guān)柜門）靠在一起經(jīng)常受到磨損，造成絕緣損壞也會(huì)導(dǎo)致直流接地；另外，二次接線松動(dòng)脫落，抗干擾電容擊穿等因素都會(huì)導(dǎo)致直流接地。前文提及的交直竄流也是因電纜的對(duì)地電容引起的。

除了上述3點(diǎn)，線路還存在電纜耦合問題。由于電磁耦合產(chǎn)生的事故也不勝枚舉，各種干擾源通過控制電纜耦合進(jìn)入二次設(shè)備，造成設(shè)備的損壞或保護(hù)裝置的不正確動(dòng)作時(shí)有發(fā)生。

綜上所述，電纜作為直流系統(tǒng)以及二次回路的銜接者，控制回路的載體已經(jīng)不能滿足當(dāng)今電網(wǎng)對(duì)二次及直流回路穩(wěn)定性、可靠性和簡(jiǎn)約性的要求。為此，新的傳輸媒介及傳輸網(wǎng)絡(luò)取代電纜成為直流系統(tǒng)改造的焦點(diǎn)。

4 數(shù)字化變電站對(duì)過程層的整改

4.1 光纜取代電纜的優(yōu)勢(shì)

光纜電纜對(duì)比圖如圖7所示。

圖7 光纜電纜對(duì)比圖

光纖差動(dòng)保護(hù)的產(chǎn)生結(jié)束了高頻保護(hù)在差動(dòng)保護(hù)領(lǐng)域的弊端。通信設(shè)備由光發(fā)射機(jī)、光纖、中繼器和光接收機(jī)組成，發(fā)射機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)。通過光纖的傳播，再由光接收機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，完成電→光→電的傳送，數(shù)字化變電站在構(gòu)建的投運(yùn)過程中借鑒了光纖這種傳播介質(zhì)的優(yōu)越性，用光纖取代了原有控制電纜的硬連接，有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

a.與電纜傳輸?shù)男畔⑾啾?，通道容量更大，且不受信息類別的限制，可以將二次回路接線大大簡(jiǎn)化，減少接線的數(shù)量。該方式不僅減少了材料的使用，更簡(jiǎn)化了二次系統(tǒng)，可以降低直流系統(tǒng)維護(hù)量單點(diǎn)接地故障的可能性。

b.光纖成纜時(shí)，其涂覆層及套塑構(gòu)成的保護(hù)套能承受較大的機(jī)械沖擊，與電纜機(jī)械磨損和絕緣層破損相比確有較強(qiáng)的機(jī)械性優(yōu)勢(shì)。

c.光纖距離傳輸中的中繼距離長，由于傳播的是光信號(hào)，極大程度上削弱了電磁干擾，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)造成影響的耦合電容等。光纜在材料層面上取代了電纜，新傳遞介質(zhì)的應(yīng)用降低了直流系統(tǒng)故障的可能性。

4.2 織纖成網(wǎng)

在綜合自動(dòng)化變電站中，隨著微機(jī)保護(hù)的全面使用，通信設(shè)備同時(shí)投入到站控層的組織框架里。在交換機(jī)的幫助下光纖鏈接到站控層，使光纖通信在變電站中得到應(yīng)用，在站控層中，操作指令通過光纖通信將指令傳到斷路器的控制端。

為進(jìn)一步簡(jiǎn)化二次系統(tǒng)邏輯，將過程層的改造列入日程。原有二次系統(tǒng)信息邏輯關(guān)系是誰使用誰同步原則（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)原則），即使改造后的光纖通道容量很大，大量信號(hào)通過也同樣會(huì)造成通信阻塞，進(jìn)而造成效率性和可靠性的降低，因此，將數(shù)據(jù)采集出來上傳到網(wǎng)上，需要時(shí)到網(wǎng)平臺(tái)上取的想法不斷得到落實(shí)，也改變了原有設(shè)備與設(shè)備之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的原始邏輯關(guān)系，“網(wǎng)采網(wǎng)跳”邏輯圖如圖8所示。

圖8 “網(wǎng)采網(wǎng)跳”邏輯圖

王鐵變電站是國內(nèi)為數(shù)不多的網(wǎng)采網(wǎng)跳數(shù)字化變電站，除了一次組件全智能外，更主要的是在邏輯架構(gòu)上保留了過程層演變的過程，綜合站與數(shù)字化變電站的邏輯結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖9所示。

圖9 綜合站與數(shù)字化變電站的邏輯結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

通過邏輯圖的對(duì)比，網(wǎng)絡(luò)將整個(gè)直流過程層的組件合并在一起。IEC61850是關(guān)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。制定IEC61850的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)不同廠家智能電子設(shè)備間的互操作。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)站內(nèi)智能電子設(shè)備的信息描述方法、訪問方法和通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了全面定義，使不同廠家的智能電子設(shè)備可以互操作。因此，建立在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)之上的數(shù)字化變電站更有效地解決了設(shè)備互操作問題，數(shù)字變電站的整體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 數(shù)字變電站整體結(jié)構(gòu)圖

GOOSE（Generic Object Oriented Substation E?vent）指面向通用對(duì)象的變電站事件，它的存在和引入使IEC61850的流通和設(shè)備間的溝通有了一個(gè)“平臺(tái)”?；贕OOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬接線實(shí)現(xiàn)開關(guān)位置、閉鎖信號(hào)和跳閘命令等實(shí)時(shí)信息的可靠傳輸，其在過程層應(yīng)用的可靠性、實(shí)時(shí)性、安全性能滿足繼電保護(hù)的要求。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了將原有IDE點(diǎn)對(duì)點(diǎn)邏輯關(guān)系網(wǎng)絡(luò)化、MU傳入信息平臺(tái)化、邏輯結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)化。

隨著數(shù)字化通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，直流接地故障將不再是一個(gè)難題，綜合自動(dòng)化變電站的改進(jìn)方向以及大量數(shù)字站的使用將從根本層面上解決困擾電力系統(tǒng)多年的“頑疾”。

5 結(jié)束語

目前正處于綜合自動(dòng)化站向智能化數(shù)字變電站的轉(zhuǎn)型期，也是第三代變電站向第四代變電站轉(zhuǎn)型的時(shí)代，雖然某些技術(shù)還有待提升，如同步對(duì)接、電子互感器的應(yīng)用等。但數(shù)字站的轉(zhuǎn)型方向毋庸置疑，既有承接性又有改進(jìn)性，單從過程層改造這一點(diǎn)講，對(duì)原有直流系統(tǒng)故障的防范效果顯著。不僅從原理上降低了故障的可能性，也同樣降低了接線和運(yùn)檢的成本。

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Research on Improvement of DC System Failure Based on Generalized Process Layer Network

ZHANG Sheng，XIE Zheng，YANG Yin，HUANG Bo，DONG Xiao-feng
（State Gird Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114001，China）

DC system faultwith concealment，complexity and severity is amajor risk for substation.Maintenance staff is often plagued by DC system fault.The principle of DC system fault is analyzed and the process layer of digital substation is studied.This paper choo?ses＂network collection and network trip＂ofWang Tie substation as an example，elucidates that the great significance of DC system in the transition from third generation comprehensive substation to digital substation.

DC system fault；Network collection and network trip；Digital substation

TM711

A

1004-7913（2015）07-0058-05

張 晟（1990—），男，學(xué)士，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)研究。

2015-04-01）