基于一次系統(tǒng)故障模擬的二次系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)研究

陳勇　許守東　李勝男　張麗　馮自權(quán)

摘要：電氣保護(hù)裝置、開關(guān)設(shè)備在線路發(fā)生故障時，若其出現(xiàn)保護(hù)裝置、開關(guān)拒動現(xiàn)象導(dǎo)致出現(xiàn)故障的故障設(shè)備或線路部分不能及時的被切除，使電氣設(shè)備被進(jìn)一步破壞，同時也使電網(wǎng)中其余沒有故障的部分遭到破壞（主要表現(xiàn)為短路，電流過大引起熔斷等），對電網(wǎng)安全和電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響是很大的，而且其故障只能依靠相關(guān)后備保護(hù)延時動作切除，若不能及時反應(yīng)大面積停電將不可避免。同理，保護(hù)裝置、開關(guān)設(shè)備的勿動會縮短變電站電氣設(shè)備的壽命，嚴(yán)重的會引起大面積的停電事故，為人民的生活和工業(yè)生產(chǎn)造成不可估量的損失。因此，二次保護(hù)裝置和一次開關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定、可靠工作是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提。本文主要分析電力一次系統(tǒng)故障類型，研究二次系統(tǒng)的調(diào)試檢修方法，并開發(fā)能夠真實(shí)模擬一次系統(tǒng)故障的功率放大器，從而實(shí)現(xiàn)變電站一二次系統(tǒng)的整體檢測和試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：故障；二次系統(tǒng)；功率放大器；試驗(yàn)系統(tǒng)

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）30-0120-04

0引言

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國電力事業(yè)取得了明顯的進(jìn)步，社會對電能的需求量也越來越大，電能已經(jīng)成為人們生活和社會發(fā)展不可缺少的能源之一。但是在變電運(yùn)行過程中還是會遇到各種各樣的故障，電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的一系列故障會對電力系統(tǒng)的性能造成影響，最終會影響到電力系統(tǒng)的正常供電。在人民對電力系統(tǒng)供電要求越來越高的背景下加強(qiáng)對電力系統(tǒng)的研究有著重要的意義。

電力結(jié)構(gòu)及分布的調(diào)整會建設(shè)越來越多的輸配電線路，而變電站在電力系統(tǒng)中連接于發(fā)電廠和用戶起著電壓變換、分配電能的作用，目前，變電站的數(shù)量在不斷增加，設(shè)備也在逐年增加，人們對變電站二次系統(tǒng)的的檢修和保養(yǎng)工作也越來越關(guān)注。目前國內(nèi)對變電站二次保護(hù)系統(tǒng)的檢修調(diào)試試驗(yàn)研究主要分為兩方面，一方面是通過繼保測試儀模擬二次值得故障模擬量和數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)對保護(hù)設(shè)備的全面檢修測試。此類此類方法優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小，操作檢單，測試范圍廣，缺點(diǎn)是只能對單體裝置進(jìn)行測試，不能對整體設(shè)備性能考核，不能模擬實(shí)際一次設(shè)備故障。另一方面是依靠仿真測試系統(tǒng)，通過模擬仿真系統(tǒng)軟件構(gòu)建全站設(shè)備的仿真系統(tǒng)，利用放大器輸出各種類型故障實(shí)現(xiàn)全站仿真測試。此類方法優(yōu)點(diǎn)是能對全站設(shè)備進(jìn)行模擬仿真，模擬故障接近真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，精確度高，缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴，體積龐大，只能放在實(shí)驗(yàn)室使用，不能拿到現(xiàn)場進(jìn)行檢修調(diào)試，且不能模擬一次系統(tǒng)故障。

本文主要提出了一種基于一次系統(tǒng)故障模擬的技術(shù)，通過開發(fā)高精度、大電流（2000A）功率放大模塊，利用綜合仿真系統(tǒng)來控制多路大電流功率放大器輸出大電流，實(shí)現(xiàn)變電站互感器、合并單元、智能終端、保護(hù)測控設(shè)備和斷路器等設(shè)備的綜合仿真測試，模擬現(xiàn)場實(shí)際短路故障（三相短路、單相接地、兩相短路和兩相短路接地等）和斷線故障（一相斷線和兩相斷線等）等，測試環(huán)境與實(shí)際現(xiàn)場一模一樣，對傳統(tǒng)變電站、智能變電站的綜合性測試有很大的幫助和指導(dǎo)。

1一次系統(tǒng)故障分類

在電力系統(tǒng)中，常見的故障種類有短路故障、斷線故障和其它各種復(fù)雜故障（即在不同地點(diǎn)同時發(fā)生短路和斷線），而發(fā)生頻率最高和對電力系統(tǒng)影響最大的市短路故障。依短路故障為基礎(chǔ)分析，高壓送電線路故障分為單相接地故障、兩相短路故障、兩相接地故障、三相短路故障、三相接地故障等5種類別，最常見的是單相接地故障，占到故障總數(shù)的90%以上。常見的故障類型主要有雷擊故障、風(fēng)偏故障、污閃故障、覆冰故障、外力故障、鳥害故障、其它故障等。

系統(tǒng)如果發(fā)生短路故障時，基本特點(diǎn)可以分為四種：

①單相接地短路故障：1）一相電流增大，一相電壓降低，出現(xiàn)零序電流、零序電壓。2）電流增大、電壓降低為同一相別。3）零序電流相位與故障相電流同相，零序電壓與故障相電壓反相。

②兩相短路故障：1）兩相電流增大，兩相電壓降低，設(shè)有零序電流、零序電壓。2）電流增大、電壓降低為相同兩個相別。3）兩個故障相電流基本反相。

③兩相接地短路故障：1）兩相電流增大，兩相電壓降低，出現(xiàn)零序電流、零序電壓。2）電流增大、電壓降低為相同兩個相別。

④三相短路故障：三相電流增大，三相電壓降低，沒有零序電流、零序電壓。

經(jīng)過分析可知，短路故障會使故障相電流在短時內(nèi)迅速升高，其數(shù)值可能超過該回路額定電流的許多倍，短路點(diǎn)距發(fā)電機(jī)距離越近，短路電流越大，而短路電流流過導(dǎo)體和用電設(shè)備時，所產(chǎn)生的過量的熱能可能會損害導(dǎo)體和用電設(shè)備。短路故障還會引起系統(tǒng)電網(wǎng)中電壓的降低，特別是靠近短路點(diǎn)處的電壓下降最多，部分供電用戶會受到影響，嚴(yán)重還會引起用電設(shè)備的壽命和安全。同時，不對稱接地短路所引起的不平衡電流在線路周圍產(chǎn)生不平衡磁通，對附件的通信系統(tǒng)會造成一定的干擾，甚至?xí)＜巴ㄐ旁O(shè)備和人身安全。

2二次系統(tǒng)調(diào)試

無論是傳統(tǒng)變電站還是智能變電站，目前安全維護(hù)的區(qū)域主要分為兩部分，一部分是變電站建設(shè)初期的調(diào)試驗(yàn)收試驗(yàn)，另一部分是變電站正常運(yùn)行時的定期檢修維護(hù)試驗(yàn)。以智能變電站為例，智能變電站從建設(shè)到投運(yùn)經(jīng)過設(shè)計(jì)生產(chǎn)、系統(tǒng)調(diào)試、電氣安裝和現(xiàn)場調(diào)試等環(huán)節(jié)，具體如圖1所示。

全站設(shè)備的調(diào)試主要分以下：

配置文件檢查（icd、SCD）；

合并單元單體（精度、報(bào)文離散、級聯(lián)、切換等）；

智能終端單體（開入開出、動作時間、自檢告警）；

保護(hù)測控單體（功能邏輯、定值、處理方法）；

整組（保護(hù)之間配合、壓板正確性）；

對時精度；

數(shù)據(jù)同步性；

交換機(jī)性能。

目前由于測試儀設(shè)備等條件限制，在變電站的建設(shè)調(diào)試及后期維護(hù)檢修中，通常采用模擬二次系統(tǒng)故障方法來實(shí)現(xiàn)，具體如圖2所示。

采用二次系統(tǒng)故障模擬方法能夠?qū)误w裝置做詳細(xì)的測試，但是此方法完成整站調(diào)試檢修耗時較長，會做很多重復(fù)性工作，最重要的是無法實(shí)現(xiàn)變電站現(xiàn)場運(yùn)行工況和故障類型的真實(shí)模擬，例如采用單體裝置測試時，無法模擬電磁互感器CT飽和現(xiàn)象用。同時，無法實(shí)現(xiàn)變電站整體全面測試及不同保護(hù)開關(guān)設(shè)備的配合能力驗(yàn)證，從而對變電站的后期運(yùn)行留下許多未知的安全隱患。endprint

3一次系統(tǒng)故障模擬方案

針對目前變電站調(diào)試中存在的不足，本文主要介紹一種基于一次系統(tǒng)故障模方案來實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)的檢測和試驗(yàn)。通過模擬實(shí)際一次系統(tǒng)接地、短路等復(fù)雜故障，來對一個或多個間隔的二次系統(tǒng)進(jìn)行整體檢測，驗(yàn)證各裝置性能、動作正確性以及相關(guān)電流、電壓、連接回路的正確性。

方案原理：采用控制主機(jī)、單相大電流功率放大器和三相電壓功率放大器模式構(gòu)成一次故障模擬系統(tǒng)?？刂浦鳈C(jī)內(nèi)置控制仿真軟件，通過分布式光纖同時控制三相電壓放大器與分相電流放大器輸出，分相電流放大器輸出一次值大電流通過電纜直接連接在電流互感器一次側(cè)，互感器將一次大電流轉(zhuǎn)換為二次額定電流接入到合并單元電流輸入端，三相電壓功率放大器輸出二次額定電壓接入到合并單元電壓輸入端，合并單元將模擬量二次電壓電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字量電壓電流信號傳輸給保護(hù)、測控等裝置，而斷路器刀閘位置通過智能終端GOOSE信號反饋給控制主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)瞬時故障和永久故障的模擬真實(shí)模。一次故障模擬系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，通過控制主機(jī)控制仿真軟件精確控制電流放大器和電壓放大器的電流電壓輸出值大小和時間從而真實(shí)模擬各種短路故障，實(shí)現(xiàn)一次加量，保護(hù)裝置、合并單元、智能終端、互感器、斷路器、刀閘開關(guān)等一二次設(shè)備整體測試的效果。

優(yōu)點(diǎn)：該系統(tǒng)方案采用分布式設(shè)計(jì)模式，電流放大器采用單相模式，能保持較高電流輸出，技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)。二次系統(tǒng)低電壓能夠滿足保護(hù)設(shè)備基本故障需求，變電站調(diào)試檢修人員人身安全得到極大保證?？刂浦鳈C(jī)直接控制電壓電流同步輸出，整個模擬系統(tǒng)直接從互感器一次側(cè)直接加量，大電流可以逼真仿真各種類型一次系統(tǒng)故障和CT飽和等現(xiàn)象，真實(shí)模擬整個變電站運(yùn)行環(huán)境，操作方便，穩(wěn)定性好。整套故障模擬系統(tǒng)拆裝簡單，方便變電站調(diào)試檢修使用。

缺點(diǎn)：電流放大器分散輸出，體積重量會比常規(guī)放大器偏大，攜帶不方便。但是大電流放大器目前技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)單相輸出，且通過對電流放大器加裝小滑輪，不影響實(shí)際現(xiàn)場使用。

4裝置功能實(shí)現(xiàn)

控制主機(jī)：主機(jī)裝置主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸、同步以及解析控制功能?？刂浦鳈C(jī)內(nèi)部集成數(shù)字信號處理DSP（Digital Signal Processing）芯片、FPGA（Field-Programmable Gate Array）芯片以及IEC61850高速通信卡。工作時，主機(jī)裝置根據(jù)控制軟件相關(guān)指令，產(chǎn)生控制電壓電流功率放大器的相關(guān)指令，該指令通過高速通訊卡傳輸傳輸給相關(guān)功率放大器，放大器產(chǎn)生的相關(guān)模擬量傳輸給對應(yīng)的保護(hù)設(shè)備，當(dāng)模擬保護(hù)故障時，保護(hù)裝置跳閘后將智能終端對應(yīng)的信號通過開關(guān)量信號輸入到控制主機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制主機(jī)的閉環(huán)控制和實(shí)時控制。DSP芯片內(nèi)綜合了硬件乘法器，其單周期指令執(zhí)行時間為50ns，35ns，25ns，保證電壓電流功率放大器三相能夠?qū)崿F(xiàn)同步傳輸，完全能夠滿足數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)膶?shí)時性?？刂浦鳈C(jī)最大可同時接入9臺分布式終端（即電流電壓放大器），能夠?qū)崿F(xiàn)母線、線路故障的模擬，另有3個GOOSE報(bào)文收發(fā)端口，8對硬開入和8對硬開出?？梢詫?shí)現(xiàn)斷路器刀閘位置等開關(guān)量信號的靈活輸入，從而構(gòu)成完整的閉環(huán)測試系統(tǒng)。

功率放大器：綜合功率放大器的線性度、響應(yīng)速度、精度度、負(fù)載能力和兼容性等各個方面的綜合因素考慮，電壓電流功率放大器均采用線性功率放大器。功率放大器主要由高速差分放大器輸入回路、電流功率放大器模塊、失真檢測及報(bào)警電路、保護(hù)電路和風(fēng)冷系統(tǒng)構(gòu)成，具有噪聲低、高精度、大電流、快速響應(yīng)、線性輸出性能優(yōu)良和過熱自動保護(hù)等特點(diǎn)。工作時，外部輸入相關(guān)控制指令，控制信號通過差分放大器模塊、波形發(fā)生模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和電壓電流功率放大模塊輸出對應(yīng)的電壓電流信號。當(dāng)功率過載或內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生故障時，保護(hù)電路及時發(fā)送相關(guān)控制信號，從而切斷輸出電壓電流信號。

電流放大器輸出一次大電流，真實(shí)模擬一次系統(tǒng)故障，電流輸出范圍為0～2000A，輸出精度為0.5%，輸入輸出延時20us，電流上升時間小于500us。電壓放大器電壓輸二次額定電壓，因?yàn)橐淮胃邏簩ぷ魅藛T的安全造成嚴(yán)重威脅，且二次額定電壓也能達(dá)到試驗(yàn)效果。電壓輸出范圍為0～120V，輸出精度為0.1%，輸入輸出延時20us，電流上升時間小于100us。

5結(jié)論

實(shí)際故障模擬系統(tǒng)基于能夠產(chǎn)生一次大電流的功率放大器模塊，真實(shí)模擬電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，首次實(shí)現(xiàn)變電站互感器、合并單元、保護(hù)測控設(shè)備、智能終端、斷路器、智能刀閘和高壓開關(guān)的整體調(diào)試檢修，及早發(fā)現(xiàn)并解決不同電力裝備廠家在配合中出現(xiàn)的各種問題。同時，分布式設(shè)計(jì)思想還能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)設(shè)備的單體調(diào)試，攜帶移動方便，能夠適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室、變電站現(xiàn)場等不同場合的應(yīng)用。實(shí)際故障模擬系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了變電站一次系統(tǒng)故障真實(shí)模擬，對變電站現(xiàn)場調(diào)試檢修、電力科學(xué)院及高校和科研機(jī)構(gòu)的電力研究有據(jù)大的幫助和指導(dǎo)意義。endprint