狀態(tài)監(jiān)視及防誤智能保護壓板的設(shè)計與應(yīng)用研究

馮志延，王翰龍，李 壯，林偉杰

(深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東 深圳 518115)

0 引 言

隨著人們對蓄能電站自動化技術(shù)研究不斷深入，調(diào)度系統(tǒng)信息化、智能化在蓄能電站的應(yīng)用越來越廣泛。繼電保護作為電站最核心部分，對信息化與智能化水平有著更高要求[1]。而保護壓板作為實現(xiàn)繼電保護的關(guān)鍵因素，其信息化、智能化水平相對薄弱。一方面，目前保護壓板運行狀態(tài)確認完全處于人工模式，自動化水平不足[2]；另一方面，二次設(shè)備壓板具有在布局上高度密集性以及在功能上集成復(fù)合性等特點，這些特點極易導(dǎo)致巡檢疏漏及操作錯誤。尤其當水電站實現(xiàn)無人值班時，保護壓板誤操作之后更難于發(fā)現(xiàn)[3]。目前一系列管理措施的出臺也不能真正從根本上解決二次防誤的問題，導(dǎo)致此類電力系統(tǒng)事故時有發(fā)生[4-5]。近幾年的統(tǒng)計資料表明，人為誤投退、漏投退保護壓板引起的事故百分比雖然有所下降，但其絕對值仍然居高不下，并且造成的負荷損失也愈發(fā)嚴重[6]。因此，實現(xiàn)二次設(shè)備保護壓板投退狀態(tài)檢測、防誤操作是當務(wù)之急[7]。

目前，許多研究者致力于智能保護壓板的研究，現(xiàn)有的智能保護壓板設(shè)備主要通過以下兩種方式實現(xiàn)：第一種是設(shè)計一種全新的智能保護壓板設(shè)備，重新設(shè)計傳感器、信號采集、信號傳輸方式，對于新的電廠和監(jiān)控站有著明顯的優(yōu)勢，但對于現(xiàn)有已投運的站卻較難實施，必須停電更換[8-9]。第二種是對現(xiàn)有保護壓板進行改進，在現(xiàn)有保護壓板設(shè)備上加裝傳感器、采集器、信號傳輸和處理單元、報警智能壓板等檢測裝置，實現(xiàn)保護壓板狀態(tài)的智能監(jiān)控，無需改動原有保護壓板及線路，方便實施[10-11]。為了避免停運一次線路設(shè)備和改動原有設(shè)備二次接線的情況，本文采用后者。

本文設(shè)計的狀態(tài)監(jiān)視及防誤智能保護壓板通過狀態(tài)傳感器達到了對二次設(shè)備壓板投退狀態(tài)實時監(jiān)測的目的，搭配智能壓板管理系統(tǒng)實現(xiàn)了防誤操作功能，并具備查詢歷史操作及變位記錄功能，解決了電站中二次設(shè)備的誤投退、漏投退等問題。該智能保護壓板有效地應(yīng)用于深圳抽水蓄能電站，實現(xiàn)了全站壓板的集中管理。

1 保護壓板原理

1.1 保護壓板構(gòu)造

保護壓板因其硬連片設(shè)計也常被稱為保護連片，在變電站運維中使用率較高，當硬連片合上時表示該壓板對應(yīng)的功能投入，反之斷開則為退出對應(yīng)功能[12]。保護壓板的投入與退出關(guān)系到保護功能和動作出口能否正常發(fā)揮作用。按照壓板接入二次回路位置的不同，可分為保護功能壓板和出口壓板兩類。保護功能壓板主要實現(xiàn)主保護、距離保護、零序保護等功能的投退。該壓板一般為弱電壓板，接直流24 V。出口壓板決定保護動作的結(jié)果，根據(jù)保護動作出口作用的對象不同，可分為跳閘出口壓板和啟動壓板。跳閘出口壓板直接作用于本開關(guān)或連跳其他開關(guān)，一般為強電壓板，接直流220 V或110 V。啟動壓板作為其他保護開入時啟用，如失靈啟動壓板、閉鎖備自投壓板等，根據(jù)接入回路不同，有強電壓板也有弱電壓板[13]。

2 傳統(tǒng)保護壓板的不足

繼電保護系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備的安全運行對電網(wǎng)安全具有重要作用，在二次回路上，設(shè)計保護壓板來確保繼電保護系統(tǒng)的安全運行。例如在跳閘回路上設(shè)計保護壓板，該保護壓板是一個可視的斷開點，便于運行人員判斷繼電保護裝置的跳閘電路是否為可連通開關(guān)(斷路器)的跳閘線圈，為檢修、運行提供了極大的便利，但也使變電站的保護系統(tǒng)中，增加了一個不能完全閉環(huán)的斷開點。因繼電保護跳閘壓板的特殊性，正常狀態(tài)下(無跳閘命令)時，兩側(cè)不能同時帶電[14]。而壓板的投退由人工操作，完全靠運行人員的責任心、實際技術(shù)水平來把關(guān)。故在實際運行中，因壓板投退不當，造成保護系統(tǒng)不能正確行為的現(xiàn)象時有發(fā)生。本文通過分析傳統(tǒng)壓板的原理以及變電站運行管理人員對傳統(tǒng)壓板的操作經(jīng)驗[15-16]，總結(jié)了傳統(tǒng)壓板存在以下缺陷：①無法評估壓板的虛接狀態(tài)；②無法遠方實時監(jiān)測壓板運行的位置；③無法就地顯示上位機確認的壓板位置；④無法評估壓板投退是否可靠正確。

3 狀態(tài)監(jiān)視及防誤智能保護壓板的設(shè)計

3.1 智能保護壓板框架設(shè)計

與傳統(tǒng)壓板不同，為了能有效評估壓板的虛接狀態(tài)，本文設(shè)計的狀態(tài)監(jiān)視及防誤智能保護壓板使用通訊與直采結(jié)合的方式進行二次壓板信息采集，其中軟壓板的狀態(tài)主要通過與監(jiān)控系統(tǒng)通信的方式獲取，硬壓板采用非電量檢測技術(shù)。智能保護壓板原理如圖1所示，通過壓板測量回路反饋壓板位置，并通過壓板位置指示燈將位置狀態(tài)顯示，從而實現(xiàn)對壓板位置的就地監(jiān)視。同時配套智能壓板防誤管理系統(tǒng)實現(xiàn)遠方監(jiān)視，當壓板投入或退出時，系統(tǒng)更新顯示壓板的實時狀態(tài)，彌補了傳統(tǒng)壓板無法遠方實時監(jiān)測壓板運行位置和就地顯示上位機確認的壓板位置等缺陷。同時在智能防誤壓板管理系統(tǒng)增加了壓板的防誤邏輯判斷及管理功能，系統(tǒng)可對壓板的邏輯規(guī)則進行編輯，并以典型票的方式保存在數(shù)據(jù)庫中。操作壓板時預(yù)先進行模擬預(yù)演，模擬預(yù)演按照壓板操作規(guī)則進行邏輯判斷，從而消除了因壓板誤投退造成的安全事故隱患，達到了事故前的科學預(yù)防，極大提高了電網(wǎng)運行的安全性[17-18]。

圖1 狀態(tài)監(jiān)視及防誤智能壓板基本硬件原理

3.2 智能保護壓板的狀態(tài)監(jiān)視及防誤方案設(shè)計

狀態(tài)監(jiān)視及防誤智能保護壓板包括三大模塊：壓板管理系統(tǒng)、壓板狀態(tài)采集器組成的通訊回路和壓板狀態(tài)傳感器形成的壓板位置測量回路，其設(shè)計原理如圖2所示。

圖2 狀態(tài)監(jiān)視及防誤智能保護壓板的設(shè)計原理

首先，為了實現(xiàn)對壓板狀態(tài)信息的監(jiān)測，導(dǎo)軌式壓板狀態(tài)傳感器基于感應(yīng)附件的磁感應(yīng)原理采集壓板的投退狀態(tài)，通過CAN總線將采集到的信號送給壓板采集器。該設(shè)備采用直接加裝套設(shè)在壓板上的感應(yīng)附件的設(shè)計，達到了不停運一次線路設(shè)備和改動原有設(shè)備二次接線的目的。為了就地顯示相應(yīng)壓板的位置信息，智能保護壓板采用了壓板位置指示燈，其中，紅色常亮，表示操作該壓板；紅色閃亮表示該壓板異常，如線槽未接好，非法投或非法退；熄滅則表示該壓板沒有異常。

其次，壓板狀態(tài)采集器構(gòu)成智能保護壓板的通訊回路，可管理多條壓板狀態(tài)傳感器，并自動識別壓板狀態(tài)傳感器地址，且具有1路RS485通訊、12路LIN通訊和雙桿鑰匙接口。為了實現(xiàn)壓板的遠方監(jiān)視，壓板狀態(tài)采集器搭配壓板管理系統(tǒng)，將采集的壓板狀態(tài)傳感器信息通過通訊方式上送至壓板管理系統(tǒng)，達到遠方監(jiān)視壓板狀態(tài)的目的?？紤]到無線通訊方式的傳輸信號易受安裝環(huán)境干擾，且為了保證無線通訊的安全性，需采取通訊加密措施，該方案設(shè)計的通訊方式采用穩(wěn)定性優(yōu)良的有線通訊方式[19]。

最后，壓板管理系統(tǒng)作為狀態(tài)監(jiān)視及防誤智能保護壓板的核心，實現(xiàn)壓板防誤操作功能，通過模擬預(yù)演壓板操作，從而達到防誤操作的目的。為了方便管理人員溯源歷史操作，當壓板狀態(tài)發(fā)生變化時，系統(tǒng)將產(chǎn)生事件記錄入數(shù)據(jù)庫，并且管理人員能夠查詢壓板的歷史操作及變位記錄。

4 狀態(tài)監(jiān)視及防誤智能保護壓板的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用場所

為驗證本文所設(shè)計狀態(tài)監(jiān)視及防誤智能保護壓板的有效性，將該智能壓板應(yīng)用于深圳抽水蓄能電站。深圳抽水蓄能電站于2018年全面投入運行，運行主要采用分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)(CSCS)，分為現(xiàn)地控制層、中控層和調(diào)度層。該電站按國際先進水平進行設(shè)計、建設(shè)，力求實現(xiàn)變電站“無人值班”?！盁o人值班”的實現(xiàn)對深圳抽水蓄能電站的繼電保護系統(tǒng)的自動化水平提出了較高要求，而保護壓板是實現(xiàn)繼電保護的關(guān)鍵因素。因此，狀態(tài)監(jiān)視及防誤智能保護壓板的啟用對“無人值班”在深圳抽水蓄能電站的實施是至關(guān)重要的。

4.2 狀態(tài)監(jiān)視及防誤智能保護壓板在蓄能電站的應(yīng)用

智能保護壓板在不停運設(shè)備的情況下，成功安裝于主廠房的28面保護屏、主廠房地下GIS室的4面保護屏以及220 kV開關(guān)站二次設(shè)備室的19面保護屏上，圖3為智能保護壓板220 kV開關(guān)站二次設(shè)備室的20P 220 kV母線保護屏上的現(xiàn)場安裝情況。壓板狀態(tài)采集器貼裝在屏面板上，利用現(xiàn)有變電站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信接入安全管控平臺，傳送壓板狀態(tài)信號至智能壓板系統(tǒng)，當壓板狀態(tài)發(fā)生變化時產(chǎn)生事件并錄入數(shù)據(jù)庫，從而實時監(jiān)視壓板的狀態(tài)。智能壓板系統(tǒng)壓板狀態(tài)監(jiān)視界面如圖4所示。執(zhí)行壓板操作時，智能壓板系統(tǒng)按一次主接線圖設(shè)備防誤操作畫面、邏輯設(shè)定及各種功能菜單，檢驗操作順序是否正確，若操作錯誤，則在顯示器上顯示相應(yīng)警告信息并同時發(fā)出聲光報警，達到了防止各種誤操作的目的，同時也起到了仿真培訓的作用。

圖3 現(xiàn)場安裝

圖4 智能壓板系統(tǒng)壓板狀態(tài)監(jiān)視界面

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的狀態(tài)監(jiān)視及防誤智能保護壓板在安裝上，實現(xiàn)了不停運一次設(shè)備完成設(shè)備安裝；在功能上，具有狀態(tài)監(jiān)視和防誤操作功能，狀態(tài)監(jiān)視功能成功實現(xiàn)了對壓板的自動化狀態(tài)監(jiān)視，以及實現(xiàn)遠方就地查詢壓板的工作狀態(tài)信息。防誤操作功能通過結(jié)合計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的模擬預(yù)演，實現(xiàn)了壓板正確可靠的投退，避免了人工操作出現(xiàn)失誤后無法由微機監(jiān)控實時報警而造成的重大損失。該智能壓板已成功應(yīng)用于深圳抽水蓄能電站，為電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行提供了保障。