10kV線路保護測控裝置的同期合閘功能實現(xiàn)

徐玉琴 ，聶 暘 ，高 原 ，王 雪 ，康 慧 ，焦彥軍

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127；3.北開電氣集團有限公司，浙江 嘉興 314000）

0 引言

隨著能源政策的調(diào)整，一些與主電網(wǎng)并網(wǎng)的地方小電源（如小水電廠、自備電廠等）日益增多，10 kV配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。電網(wǎng)對10 kV線路保護、測控裝置的功能配置要求越來越多，性能要求越來越高［1-4］。其中，實現(xiàn)同期合閘已是10 kV線路保護測控裝置的必備功能之一。

文獻［5-6］分析了變電站測控裝置的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計及同期點預(yù)報算法，但并未具體介紹同期合閘原理及軟件實現(xiàn)流程。文獻［7］提出并實現(xiàn)了一種新型微機自動準(zhǔn)同期裝置，采用頻率差和電壓差的自適應(yīng)控制方法，以及單向頻率差和單向相角差并列原則，但該方法測量精度較低，并且運行不夠穩(wěn)定，在較大沖擊下容易發(fā)生并列的情況。

本文說明了同期合閘方式，給出了實現(xiàn)同期合閘的詳細條件約束及實現(xiàn)方案，介紹了所研發(fā)的以CPU STM32F407為核心的線路保護測控裝置硬件系統(tǒng)，包括主CPU處理器系統(tǒng)模塊、模數(shù)采集與處理模塊、開入/開出量模塊、人機接口模塊、通信模塊及電源模塊等，它也是實現(xiàn)同期合閘功能的硬件平臺。同時，本文說明了同期合閘中所采用的頻率測量方法及實現(xiàn)方案，確定了完整的同期合閘軟件流程，采用C++開發(fā)語言完成了軟件開發(fā)。通過微機繼電保護測試實驗和動模實驗驗證了同期合閘功能的準(zhǔn)確性。

1 同期合閘原理

對帶有地方電源的10 kV線路，為了滿足運行方式的需要，線路保護測控裝置中需配備同期合閘功能，實現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)［8-9］。進行同期合閘操作時，必須考慮兩側(cè)頻率、電壓之間是否滿足同期條件，避免沖擊電流給電網(wǎng)帶來的振蕩和沖擊［10］。

理想同期合閘條件為斷路器兩側(cè)電壓幅值相等、頻率相同，斷路器合閘的瞬間相角差為0°。但實際同期合閘操作并不能完全滿足上述條件。本文結(jié)合電網(wǎng)運行情況，具體分析同期合閘方式及所需滿足條件。

1.1 自動檢無壓合閘

檢無壓合閘即斷路器兩側(cè)均沒有電壓或其中任意一側(cè)沒有電壓，需要測量母線側(cè)電壓Um和線路側(cè)電壓Ux，同時判斷是否有電壓互感器（TV）斷線閉鎖信號。自動檢無壓合閘分為以下2種情況。

a.當(dāng)線路側(cè)電壓Ux與母線側(cè)電壓Um都小于無壓定值，且電壓互感器斷線沒有發(fā)出閉鎖信號時，滿足同期合閘條件。

b.當(dāng)線路側(cè)電壓Ux與母線側(cè)電壓Um有且只有一側(cè)有電壓，且電壓互感器斷線沒有發(fā)出閉鎖信號時，滿足同期合閘條件。

在兩側(cè)都有電壓的情況下，同期合閘程序自動識別是同頻并網(wǎng)還是差頻并網(wǎng)。由于測量過程中兩側(cè)的頻率存在誤差因此，當(dāng)時就認為是同頻并網(wǎng)，否則就認為是差頻并網(wǎng)。

1.2 同頻并網(wǎng)

同頻并網(wǎng)即斷路器兩側(cè)是同一系統(tǒng)的兩部分，合上斷路器后電網(wǎng)在此處增加1個聯(lián)絡(luò)點，并網(wǎng)時應(yīng)同時滿足以下3個條件：

a.母線電壓、線路電壓、母線側(cè)頻率和線路側(cè)頻率在正常范圍內(nèi)，并且滿足

b.母線側(cè)電壓和線路側(cè)電壓的差值小于最大允許電壓差值；

c.母線側(cè)電壓相角與線路側(cè)電壓相角差小于最大允許相角差。

1.3 差頻并網(wǎng)

差頻并網(wǎng)是2個無聯(lián)系的系統(tǒng)并網(wǎng)或發(fā)電機組并網(wǎng)，并網(wǎng)時應(yīng)同時滿足以下5個條件。

a.母線電壓、線路電壓、母線側(cè)頻率和線路側(cè)頻率均在正常范圍內(nèi)。

b.母線側(cè)頻率和線路側(cè)頻率的差值滿足式（1）：

其中，為最大允許頻率差。

c.母線側(cè)電壓和線路側(cè)電壓的差值小于最大允許電壓差值。

d.母線側(cè)電壓與線路側(cè)電壓的相角差逐漸減小。

e.，其中φ為導(dǎo)前角測量值，φda為導(dǎo)前角，ε為誤差精度。導(dǎo)前角計算公式如式（2）所示：

其中，tda為導(dǎo)前時間。

2 同期合閘實現(xiàn)方案

2.1 頻率計算方法

頻率測量是同期合閘的重要內(nèi)容之一，本裝置采用周期法計算頻率。周期法是一種基于硬件電路測頻的方法，容易實現(xiàn)，而且電力系統(tǒng)的頻率變化具有一定慣性。因此，周期法測頻在精度和時間上均滿足要求［11-12］。周期法測頻原理如圖1所示。

圖1 周期法測頻原理圖Fig．1 Schematic diagram of cyclic frequency measuring

時間閘門的開放時間為被測信號的周期T，高頻時鐘信號每隔tCLK發(fā)1次信號，記錄時間T內(nèi)所發(fā)高頻信號的個數(shù)N，則周期T可用式（3）進行計算，測量頻率如式（4）所示。

周期法只需1個周期就可以測量頻率，高頻信號頻率越高，測量就越準(zhǔn)確。

2.2 同期合閘軟件程序流程

本裝置中同期合閘程序按照圖2編寫。

圖2 同期合閘程序流程圖Fig．2 Flowchart of synchronous closing routine

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

同期合閘功能是在線路保護測控裝置的統(tǒng)一硬件平臺上實現(xiàn)的。硬件電路采用模塊化設(shè)計，主要由主CPU處理器系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)釆集與處理模塊、開入/開出量模塊、人機接口模塊、通信模塊及電源模塊等組成，如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig．3 Composition of hardware system

系統(tǒng)CPU為MCU STM32F407芯片，采用STM32F系列的ARM-cortex4內(nèi)核，具有浮點運算能力和增強的數(shù)字信號處理（DSP）指令，新增信號處理的功能，提高了運行速度。另外，以MCU STM32F407芯片為核心的硬件系統(tǒng)主要負責(zé)人機對話的管理以及與內(nèi)/外部進行通信聯(lián)絡(luò)的任務(wù)，其主要硬件設(shè)計電路包括2路DM9000A以太網(wǎng)接口、3個串行接口和1個對時接口。

線路保護測控裝置需要對三相電壓、三相電流、不平衡電壓、不平衡電流及零序電流等進行12路交流采樣，為保證數(shù)據(jù)采樣的速度和精度，采樣電路選用了外部模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7606。

3.2 開關(guān)量輸入/輸出板

開關(guān)量輸入電路主要完成外部信號狀態(tài)的輸入任務(wù)，主要包括斷路器與隔離開關(guān)的輔助觸點及跳合閘的位置、繼電器的接點輸入等。本裝置接收DC 24 V開入信號，共有20路開關(guān)量輸入。開關(guān)量輸入信號經(jīng)過光耦隔離，再通過74HCT245驅(qū)動傳入CPU。

開關(guān)量輸出板的輸出繼電器采用高容量型繼電器，節(jié)點容量高達AC 220 V、16 A，可保證硬件輸出回路的可靠性。繼電器驅(qū)動采用24 V驅(qū)動，并具有完善的防誤閉鎖功能。

3.3 模擬量輸入板

模擬量輸入板共有12路交流輸入，即：三相電壓、三相電流、三相測量電流、1路零序電流、1路不平衡電流、1路不平衡電壓。電壓互感器輸入采用300V/7.07V電壓互感器，電流互感器輸入采用50A/7.07 V電流變換器將電壓和電流分別轉(zhuǎn)化為小電壓信號傳輸至CPU板，供AD7606采樣。同期合閘母線電壓、線路電壓都通過該模塊選擇、轉(zhuǎn)換。

3.4 通信接口

本裝置共有2路以太網(wǎng)接口，其中1路為CPU自帶，另外1路通過并行總線擴展。選用DM9000A芯片作為以太網(wǎng)的物理層接口芯片。

3.5 頻率測量電路

線路保護測控裝置測頻原理如圖4所示。測頻電路將電壓正弦波信號經(jīng)過光耦隔離輸入互感器和比較電路，最終輸出與正弦波頻率相等的方波信號。

圖4 測頻原理圖Fig．4 Schematic diagram of frequency measuring

4 同期合閘實驗測試

利用PW30AE型繼電保護測試儀對線路保護測控裝置進行了測試，為檢驗同期合閘功能的實現(xiàn)，主要測試內(nèi)容如下。

a.線路側(cè)檢無壓元件定值校驗。

測試方法：投入同期功能和檢無壓合閘功能，設(shè)置無壓檢測時間定值為0 s。A、B、C三相電壓正常，按照表1數(shù)據(jù)設(shè)置線路側(cè)電壓，測試裝置動作行為。表中測量值分別取0.975Uset和1.025Uset，Uset為相電壓整定值。

表1 線路側(cè)檢無壓元件定值校驗Table1 Setting calibration of line-side no-voltage check element

分析表1測試結(jié)果可知，當(dāng)測量電壓小于整定值時，滿足檢無壓合閘條件，發(fā)出同期合閘命令；反之，裝置不動作，與所編寫程序的邏輯相符合。

b.同頻檢測元件定值校驗。

測試方法：兩側(cè)電壓有效值均在正常范圍內(nèi)，電壓差為0，初始相位差為0°，按照表2數(shù)據(jù)設(shè)置電壓頻率，測試裝置動作行為。

表2 同頻檢測元件定值校驗Table 2 Setting calibration of same-frequency check element

由表2測試結(jié)果可知，當(dāng)頻率差小于設(shè)定頻率差0.05 Hz時，能夠?qū)崿F(xiàn)同頻并網(wǎng)；大于等于設(shè)定頻率差時，裝置不動作。測試結(jié)果與理論分析相符。

c.差頻檢測元件定值校驗。

測試方法：兩側(cè)電壓有效值均在正常范圍內(nèi)，電壓差為0，兩側(cè)頻率在正常范圍內(nèi)，按表3設(shè)置頻率值，初始相位差設(shè)置為較大數(shù)值，測試裝置動作行為。

表3 差頻檢測元件定值校驗Table 3 Setting calibration of different-frequency check element

由表3測試結(jié)果可知，當(dāng)頻率差大于設(shè)定頻率差0.05 Hz時，能夠?qū)崿F(xiàn)差頻并網(wǎng)；小于等于設(shè)定頻率差時，裝置不動作。測試結(jié)果與理論分析相符。

5 動模實驗

為了進一步驗證線路保護測控裝置的同期合閘性能，搭建如圖5、圖6所示的測試系統(tǒng)進行動模實驗。本文裝置接在QF1處。設(shè)置最大允許頻率差為1 Hz。以下波形圖中Ux表示線路側(cè)電壓，Ua表示A相母線電壓。

a.檢無壓合閘。

采用圖 5 所示系統(tǒng)，在 QF2、QF4閉合，QF1、QF3斷開的情況下接入同期合閘開入，此時母線側(cè)有電壓，線路側(cè)沒有電壓。利用DF1024錄波儀進行錄波，試驗波形如圖7所示。

圖5 檢無壓、差頻合閘實驗系統(tǒng)Fig．5 Test system of no-voltage check and different-frequency closing

圖6 同頻合閘實驗系統(tǒng)Fig．6 Test system of same-frequency closing

圖7 檢無壓實驗波形Fig．7 Experimental waveforms of no-voltage check

由圖7可知，母線側(cè)有電壓，線路側(cè)沒有電壓時可以合閘。

b.差頻合閘。

采用圖 5 所示系統(tǒng)。 令 QF2、QF3、QF4閉合，QF1斷開。

調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機側(cè)頻率在同頻檢測門檻值（0.05 Hz）和最大允許頻率差之間，接入同期合閘開入，實驗波形如圖8所示。

圖8 差頻合閘實驗波形（1）Fig．8 Experimental waveforms of different-frequency closing（1）

調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機側(cè)頻率大于最大允許頻率差，接入同期合閘開入，實驗波形如圖9所示。

圖9 差頻合閘實驗波形（2）Fig．9 Experimental waveforms of different-frequency closing（2）

由圖8、圖9可知，頻率小于最大允許頻率差時可以在合適時刻發(fā)出合閘命令，對應(yīng)合閘時刻的相位差很?。活l率大于最大允許頻率差值時不會發(fā)出合閘命令。

c.同頻合閘。

采用圖 6 所示系統(tǒng)，QF2、QF3、QF4閉合，QF1斷開。設(shè)置最大允許相位差為30°，并聯(lián)線路帶較輕負荷，測試線路斷路器兩側(cè)電壓相位差小于最大允許相位差時，接入同期合閘開入，實驗波形如圖10所示。

圖10 同期合閘實驗波形（1）Fig．10 Experimental waveforms of synchronous closing（1）

設(shè)置最大允許相位差為10°，并聯(lián)線路帶較重負荷，測試線路斷路器兩側(cè)電壓相位差大于最大允許相位差時，接入同期合閘開入，實驗波形如圖11所示。

由圖10、圖11可知，并聯(lián)線路輕載且相位差小于定值時會發(fā)出合閘命令，重載時不滿足合閘條件，故沒有發(fā)出合閘命令。

動模實驗波形表明本文所提同期合閘方案能夠快速準(zhǔn)確地識別同期合閘方式，實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。相較文獻［7-8］中所提方法，本文方案細化了同期合閘程序流程，全面考慮了同期合閘的不同方式，降低了裝置的誤動及拒動概率，保證配電網(wǎng)安全可靠運行。

圖11 同期合閘實驗波形（2）Fig．11 Experimental waveforms of synchronous closing（2）

6 結(jié)論

本文分析了同期合閘方式，細分了同期合閘條件，利用線路保護測控裝置硬件平臺實現(xiàn)了同期合閘功能。

本裝置CPU模塊采用MCU STM32F407芯片，可準(zhǔn)確完成數(shù)據(jù)采集和信號處理任務(wù)，提高了系統(tǒng)運行速度。利用硬件電路測頻，易于實現(xiàn)，頻率及頻率滑差誤差較小。微機繼電保護測試和動模實驗結(jié)果表明，裝置能夠正確完成同期合閘功能，具有良好的實用價值。

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