直流系統(tǒng)智能保護(hù)裝置及系統(tǒng)組建的論述

變電站的直流電源是全站作為控制、信號(hào)、繼電保護(hù)的操作電源，也是重要設(shè)備的保安電源及事故照明電源。監(jiān)視和維護(hù)直流設(shè)備的完好性對(duì)變電站以及整個(gè)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。直流系統(tǒng)的可靠是保障變電站安全運(yùn)行的決定性條件之一。當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，上下級(jí)空開有時(shí)會(huì)產(chǎn)生越級(jí)跳閘，擴(kuò)大停電范圍；當(dāng)線路發(fā)生接地故障時(shí)，接地線路判別不準(zhǔn)，也會(huì)使正常線路受到影響。另外寄生回路或不同支路間爬電故障、高壓斷路器動(dòng)作異常等故障也是存在的隱患。目前國內(nèi)變電站普遍存在的這些問題，還沒有較好的解決方法。直流監(jiān)測(cè)與保護(hù)需要通過兩種不能互聯(lián)的裝置實(shí)現(xiàn)：監(jiān)測(cè)采用直流絕緣監(jiān)察裝置，保護(hù)采用直流斷路器。直流斷路器本身不帶通訊模塊和智能設(shè)定模塊，無法實(shí)現(xiàn)智能化的監(jiān)控和遠(yuǎn)方操作。因此，開發(fā)一種帶通訊的直流保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)直流斷路器的通訊和遠(yuǎn)方控制，對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行智能化保護(hù)：對(duì)直流系統(tǒng)實(shí)時(shí)分級(jí)保護(hù)、多項(xiàng)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)警、故障定位等功能的直流智能保護(hù)裝置及其后臺(tái)系統(tǒng)組建十分重要。

一、直流智能保護(hù)裝置設(shè)計(jì)原理優(yōu)越性

目前國內(nèi)變電站系統(tǒng)普遍采用直流斷路器作為保護(hù)裝置，直流斷路器的保護(hù)特性是反時(shí)限特性：當(dāng)短路達(dá)到反時(shí)限區(qū)域定值，進(jìn)入速斷動(dòng)作區(qū)即跳閘。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)往往上下級(jí)空開都能夠同時(shí)達(dá)到反時(shí)限動(dòng)作區(qū)，達(dá)到各自的速斷動(dòng)作值，由于每只開關(guān)的機(jī)械性能不一樣，則可能造成越級(jí)跳閘，擴(kuò)大停電范圍。

1.直流智能保護(hù)裝置。克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，利用成熟的單片機(jī)技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)、霍爾直流檢測(cè)技術(shù)、通訊技術(shù)，整合應(yīng)用組建功能完善的直流保護(hù)系統(tǒng)。解決了直流保護(hù)動(dòng)作值不能智能設(shè)定，不能通訊遠(yuǎn)傳問題。

2.直流保護(hù)技術(shù)的發(fā)展。從最初的熔斷器、到后來的斷路器，都是不具備通訊功能和定值整定功能的動(dòng)作設(shè)備。也就無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流參數(shù)的監(jiān)測(cè)。直流智能保護(hù)裝置及直流分級(jí)控制綜合監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)的組建研發(fā)的成功，實(shí)現(xiàn)了直流系統(tǒng)保護(hù)監(jiān)測(cè)的通訊化、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化。

二、直流智能保護(hù)裝置及系統(tǒng)組建技術(shù)方案介紹

目前國內(nèi)都是開斷直流斷路器對(duì)直流進(jìn)行保護(hù)。直流斷路器本身不帶通訊模塊和智能設(shè)定模塊，無法實(shí)現(xiàn)智能化的監(jiān)控和遠(yuǎn)方操作，采用本裝置和系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)直流斷路器的通訊和遠(yuǎn)方控制，對(duì)直流系統(tǒng)智能化保護(hù)。

1.功能介紹。直流智能保護(hù)裝置具備直流級(jí)差保護(hù)、電壓電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、接地監(jiān)測(cè)及報(bào)警、寄生回路或不同支路間爬電報(bào)警、直流空開的遙控切斷、高壓斷路器動(dòng)作異常報(bào)警、通訊功能、事件記錄功能。

2.各項(xiàng)保護(hù)功能判據(jù)設(shè)定。①級(jí)差配合：通過對(duì)每個(gè)饋線的動(dòng)作電壓以及動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行整定，達(dá)到隔離越級(jí)跳的可能性。②接地監(jiān)測(cè)報(bào)警：當(dāng)直流系統(tǒng)中存在接地，接地電阻小于20KΩ時(shí)，裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)定位，指出接地故障存在的支路。③寄生回路或不同支路間爬電報(bào)警：當(dāng)變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)、中央信號(hào)系統(tǒng)、通訊遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)等不同系統(tǒng)之間或同一系統(tǒng)內(nèi)部不同支路之間存在寄生回路，或由于絕緣擊穿等原因造成不同支路間發(fā)生爬電故障時(shí)，本系統(tǒng)均認(rèn)為存在寄生回路并實(shí)現(xiàn)定位和報(bào)警功能。④直流空開遙控切斷：具備通訊接口，可通過對(duì)直流斷路器的直接控制，實(shí)現(xiàn)直流斷路器的遠(yuǎn)方分?jǐn)喙δ?。特別適合無人值守站和智能變電站。⑤高壓斷路器動(dòng)作異常報(bào)警：當(dāng)控制回路、繼電保護(hù)裝置獲自動(dòng)裝置向斷路器發(fā)出分合閘指令，直流分?jǐn)啾Ｗo(hù)裝置可以利用電流突變檢測(cè)空能檢測(cè)到分合閘脈沖，若在一定時(shí)間之內(nèi)斷路器沒有動(dòng)作，分合閘脈沖仍然存在，該裝置會(huì)發(fā)出斷路器動(dòng)作異常報(bào)警，給繼電保護(hù)動(dòng)作系統(tǒng)的動(dòng)作行為提供分析依據(jù)，也可以驅(qū)動(dòng)直流斷路器跳閘以避免燒損高壓斷路器部分的分、合閘線圈，并提醒對(duì)斷路器進(jìn)行檢修。⑥裝置及系統(tǒng)具有“三遙”所需的通信功能。通信協(xié)議符合國家標(biāo)準(zhǔn)。遙信：直流斷路器的分、合位置遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。遙測(cè)：電流、電壓、漏電電流實(shí)時(shí)顯示。遙控：能夠遠(yuǎn)方遙切直流開關(guān)。具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，采用多種通訊接口：RS232/RS485通訊接口、可與上位機(jī)通訊?？梢暂p松接入變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)或者調(diào)度系統(tǒng)中。⑦事件記錄。每路饋線保護(hù)都與保護(hù)裝置內(nèi)的MCU處理器進(jìn)行通訊，MCU處理器對(duì)每條饋線事件進(jìn)行綜合分析判斷、記錄，為變電站設(shè)備運(yùn)行提供事件分析依據(jù)。

3.直流智能保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)原理圖。其功能方框圖如圖所示。

圖1. 直流智能分級(jí)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖

①如圖1示，直流智能保護(hù)裝置主要包括開關(guān)電源、MCU處理器、跳閘機(jī)構(gòu)、互感器、上位機(jī)和自動(dòng)化后臺(tái)。MCU處理器與互感器和跳閘機(jī)構(gòu)連接，開關(guān)電源與進(jìn)線連接取電并轉(zhuǎn)換成低電壓24V、12V、5V為MCU處理器供電，互感器和跳閘機(jī)構(gòu)安裝在進(jìn)線上，上位機(jī)與MCU處理器連接，上位機(jī)通過串口線或以太網(wǎng)與設(shè)置在遠(yuǎn)端的自動(dòng)化后臺(tái)連接。采用熱動(dòng)脫扣器加新型電子跳閘機(jī)構(gòu)，用電子原件構(gòu)成電路。進(jìn)線穿過互感器產(chǎn)生與進(jìn)線電流成比例的縮放電壓信號(hào)，互感器發(fā)送電壓信號(hào)給MCU處理器將采集的實(shí)時(shí)信號(hào)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比、并驅(qū)動(dòng)跳閘機(jī)構(gòu)斷開出線，同時(shí)通過互感器檢測(cè)的漏電流信號(hào)對(duì)直流故障進(jìn)行判斷；上位機(jī)對(duì)事件進(jìn)行記錄，自動(dòng)化后臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方對(duì)直流系統(tǒng)的分?jǐn)?、監(jiān)控以及實(shí)時(shí)電流電壓采集和故障原因及報(bào)警；進(jìn)線上還安裝有熱動(dòng)脫扣器做為后備保護(hù)。當(dāng)發(fā)生直流故障時(shí)，靠設(shè)定的動(dòng)作時(shí)限來實(shí)現(xiàn)定時(shí)限智能保護(hù)以防止上一級(jí)開關(guān)誤動(dòng)作跳閘。②MCU子系統(tǒng)采用美國MICROCHIP 公司MCU PIC30F6012A 單片機(jī)作為軟硬件開發(fā)平臺(tái)。MCU 的最小系統(tǒng)為整個(gè)微機(jī)保護(hù)裝置的核心。依據(jù)一定的算法和邏輯判斷對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，并根據(jù)處理結(jié)果完成輸出控制功能。適合實(shí)時(shí)分析、控制和操作任務(wù)，在本裝置中主要實(shí)現(xiàn)對(duì)直流系統(tǒng)實(shí)時(shí)電壓、電流等參數(shù)的測(cè)量，數(shù)據(jù)超過整定值時(shí)，發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，單片機(jī)將此動(dòng)作信號(hào)默認(rèn)為中斷信號(hào)，結(jié)合指定的過流或漏電流預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判據(jù)，完成保護(hù)功能。③電源模塊。為使硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練緊湊，本裝置采用模塊電源，輸入電壓220V（直流），輸出電壓為+24V、+12V、+5V。電源模塊內(nèi)置設(shè)備之中，無需另外增加電源。+5V供MCU處理器工作，24V驅(qū)動(dòng)跳閘機(jī)構(gòu)工作，12V供設(shè)備顯示報(bào)警等。

4.直流分級(jí)控制綜合監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖 。直流智能分級(jí)保護(hù)裝置控制部分與直流系統(tǒng)之間沒有直接的電氣連接，對(duì)直流不注入外加信號(hào)，各單元相對(duì)獨(dú)立，對(duì)直流系統(tǒng)的每一級(jí)和每條線路進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)電流電壓、直流接地、直流寄生回路等進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)數(shù)據(jù)接收管理機(jī)，可根據(jù)供電公司需要傳輸至各級(jí)管理中心。

三、結(jié)語

直流智能保護(hù)裝置替代常規(guī)直流斷路器，對(duì)直流回路具有過電流保護(hù)作用，具有電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警及通信功能，可自由設(shè)定動(dòng)作電流和時(shí)間。防止上一級(jí)開關(guān)誤動(dòng)作現(xiàn)象的發(fā)生，解決直流保護(hù)不能遠(yuǎn)傳通訊的問題。在結(jié)構(gòu)上便于安裝，從根本上解決了變電站直流系統(tǒng)的安全問題。有效的簡(jiǎn)化了直流系統(tǒng)接線繁雜、故障檢修困難、功能模塊分散等問題，將直流故障監(jiān)測(cè)模塊，直流CT，電流電壓檢測(cè)等集成為一體。而通過其分級(jí)組建的直流分級(jí)控制綜合監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)，綜合考慮了目前直流系統(tǒng)保護(hù)領(lǐng)域中的各種應(yīng)用情況與需求，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)、霍爾直流技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)、通信技術(shù)，組建功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便、安全可靠、高性價(jià)比的實(shí)時(shí)綜合保護(hù)系統(tǒng)，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息遠(yuǎn)程傳送。系統(tǒng)綜合功能集中、節(jié)約硬件投資。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流系統(tǒng)的綜合保護(hù)和高效管理。

（作者單位：陜西省電力公司寶雞供電公司）