一種變電站直流電源級(jí)差配合實(shí)現(xiàn)方法

陸洪建，劉志遠(yuǎn)，楊晨，黃欣，崔鵬

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司， 寧夏 銀川 750011)

0 引 言

變電站、換流站直流電源系統(tǒng)為控制保護(hù)裝置、信號(hào)系統(tǒng)、斷路器操作等提供電源，電壓等級(jí)根據(jù)不同情況有所差異。通常，變電站采用多組蓄電池、充電機(jī)配合構(gòu)成可靠直流供電方案，其供電方式多采用樹(shù)狀輻射結(jié)構(gòu)，由充電機(jī)和蓄電池為母線(xiàn)供電，再經(jīng)母線(xiàn)將電源傳至站內(nèi)直流負(fù)荷處，因變電站直流負(fù)荷眾多，故負(fù)荷支路、級(jí)層較為復(fù)雜，每一級(jí)支路通過(guò)直流空開(kāi)作為保護(hù)元件，存在著不同層級(jí)間級(jí)差的配合問(wèn)題。若直流系統(tǒng)發(fā)生短路或其他故障時(shí)各級(jí)空開(kāi)無(wú)法正確執(zhí)行，將造成越級(jí)跳閘甚至引發(fā)更嚴(yán)重電網(wǎng)事故[1]，因此，各級(jí)直流空開(kāi)的配置選擇是否合理，對(duì)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

1 變電站直流電源系統(tǒng)概述

1.1 變電站直流電源系統(tǒng)構(gòu)成

直流系統(tǒng)一般由蓄電池、充電機(jī)、饋電屏、分電屏等設(shè)備組成，由分電屏向下接出多級(jí)負(fù)荷。如圖1所示為某換流站110 V I段直流系統(tǒng)，II段直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和I段相似，故只對(duì)直流I段系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。I、II段間通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)進(jìn)行連接，直流電壓為110 V。直流電源系統(tǒng)為樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)圖1可知，從上到下分4部分，最終向負(fù)荷供電:第一部分是蓄電池和充電機(jī)向直流母線(xiàn)充電；第二部分是電源由主饋電屏向各個(gè)繼電小室直流分電屏供電，主母線(xiàn)上直接連接UPS電源等；第三部分是由直流分電屏至各控制保護(hù)裝置屏等；第四部分從控制保護(hù)裝置屏至直流負(fù)載，包括測(cè)控裝置、保護(hù)裝置、故障錄波、交換機(jī)、計(jì)量表等。

從圖1可以看出，要實(shí)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)上下級(jí)間級(jí)差正確配合，取決于回路中流過(guò)支路的電流和上下級(jí)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間[2]。類(lèi)似于繼電保護(hù)中電流多斷式保護(hù)，只有當(dāng)回路中流過(guò)的電流小于上級(jí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的瞬時(shí)值，但大于下級(jí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的瞬時(shí)值，或同時(shí)達(dá)到了上下級(jí)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作瞬時(shí)值，但下級(jí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間更快，可實(shí)現(xiàn)低壓直流系統(tǒng)級(jí)差的正確配合。

圖1 某換流站直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 直流斷路器工作原理

低壓直流斷路器(后文簡(jiǎn)稱(chēng)空開(kāi))種類(lèi)、型號(hào)眾多，基本原理及結(jié)構(gòu)基本一致，結(jié)構(gòu)上分為3部分：1)脫扣器，包括失壓脫扣器、熱脫扣器、電流脫扣器等；2)滅弧系統(tǒng)和觸頭；3)操作機(jī)構(gòu)。如圖2所示為低壓空開(kāi)原理，三相空開(kāi)目前處于閉合狀態(tài)，當(dāng)主電路流過(guò)的電流較大，超過(guò)定值后，過(guò)流脫扣器動(dòng)作，使銜鐵吸合，頂桿向上移動(dòng)并將鎖扣打開(kāi)，已儲(chǔ)能的分?jǐn)鄰椈杀銓⒂|頭斷離。欠壓動(dòng)作原理與之類(lèi)似，若出現(xiàn)電壓低于定值的情況，失壓脫扣器中的銜鐵無(wú)法保持吸合，釋放銜鐵，向上頂開(kāi)鎖扣，觸頭斷開(kāi)[3]。

圖2 低壓斷路器工作原理

1.3 存在的問(wèn)題

變電站的低壓直流電源系統(tǒng)中，負(fù)荷種類(lèi)繁多，支路復(fù)雜，三、四級(jí)串接情況普遍，隨著智能電網(wǎng)、數(shù)字變電站的快速推進(jìn)，對(duì)保護(hù)器件正確動(dòng)作切斷負(fù)荷提出了更高的要求。此外，低壓直流供電負(fù)荷不斷延伸，負(fù)荷數(shù)量不斷增加，傳統(tǒng)級(jí)差配合中采用單一空開(kāi)組網(wǎng)方法已無(wú)法完全滿(mǎn)足系統(tǒng)需求，主要表現(xiàn)在：

1)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)直流級(jí)差配置方法僅根據(jù)本支路電流負(fù)荷情況設(shè)計(jì)相應(yīng)等級(jí)空開(kāi)，未能從全站系統(tǒng)層面出發(fā)進(jìn)行總體控制保護(hù)，且缺乏各支路電流實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段[4]。

2)在跳閘邏輯方面，利用空開(kāi)作為唯一跳閘執(zhí)行元件，僅當(dāng)本級(jí)直流電流超過(guò)跳閘值后才能發(fā)現(xiàn)故障情況并隔離，針對(duì)負(fù)荷過(guò)大、電流突變、三相不一致等輕微故障無(wú)法精確進(jìn)行判斷并自動(dòng)跳閘[5]。

3)在業(yè)務(wù)管理方面，重要變電站諸如換流站等低壓直流供電系統(tǒng)無(wú)智能控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，某些分合單一空開(kāi)的操作需遠(yuǎn)距離驅(qū)車(chē)前往，耗時(shí)費(fèi)力，該情況在無(wú)人值守站尤為突出[6]，嚴(yán)重影響數(shù)字化變電站推進(jìn)實(shí)施。

2 集中站域級(jí)差實(shí)現(xiàn)方法

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

本文引入站域理念對(duì)低壓直流級(jí)差系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，融合高速采樣技術(shù)、分勵(lì)脫扣器技術(shù)、電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)采集、跳閘執(zhí)行、遠(yuǎn)程操控，將各級(jí)保護(hù)定值進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)低壓直流系統(tǒng)的智能化監(jiān)測(cè)、保護(hù)和控制功能，運(yùn)維人員實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)的各類(lèi)數(shù)據(jù)信息，當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，亦可實(shí)現(xiàn)快速故障定位、隔離等，總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 變電站級(jí)差系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示，具體包括以下部分：

圖4 變電站級(jí)差結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

1)采集監(jiān)測(cè)部分。增加電流互感器，二級(jí)裝置、三級(jí)裝置負(fù)責(zé)采集相應(yīng)母線(xiàn)的進(jìn)線(xiàn)電流、各出線(xiàn)電流、空開(kāi)狀態(tài)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)本級(jí)的控制保護(hù)功能。

2)跳閘執(zhí)行部分。為各級(jí)空開(kāi)增加分勵(lì)脫扣器，實(shí)現(xiàn)空開(kāi)跳閘功能。

3)遠(yuǎn)程控制部分。增加電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，通過(guò)各級(jí)裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分合閘操作。

2.2 采集監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)級(jí)差實(shí)現(xiàn)方法中無(wú)精確監(jiān)測(cè)手段問(wèn)題，提出對(duì)極端故障情況下的故障電流特征進(jìn)行捕捉，本文采用超高速、高精度的電流采樣技術(shù)，流程如圖5所示。

圖5 快速高精度采集流程

主要包括以下環(huán)節(jié)：

高速模數(shù)轉(zhuǎn)換。該部分對(duì)電流信號(hào)高速采樣，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)為相關(guān)保護(hù)提供支持，如電流突變量保護(hù)等?？紤]到對(duì)至少2回進(jìn)線(xiàn)、8回出線(xiàn)電流進(jìn)行采樣，故障時(shí)采樣點(diǎn)最低采樣頻率不小于10 MHz。

信號(hào)調(diào)理電路。通過(guò)電流互感器等措施將一次回路電流降低至二次小電流，后經(jīng)取樣電阻等轉(zhuǎn)換回路將電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。在電流數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，需為MCU提供1個(gè)同步信號(hào)加在處理器的中斷信號(hào)端口[7]。

完整的電流采樣系統(tǒng)。使用電流互感器等手段將一次強(qiáng)電信號(hào)變?yōu)槎稳蹼娦盘?hào)，再經(jīng)處理變?yōu)殡妷盒盘?hào)，隔離放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，并進(jìn)行濾波等處理，最終變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)、可靠的電流信號(hào)。數(shù)模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)內(nèi)可以處理的數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)一定的公式計(jì)算出電流瞬時(shí)值、有效值，構(gòu)成完整的電流采樣系統(tǒng)。

基于上述技術(shù)理論，本設(shè)計(jì)方法結(jié)合開(kāi)口式電流互感器，將采集電流傳入集中站域式保護(hù)裝置內(nèi)部，執(zhí)行監(jiān)視、分析、動(dòng)作等操作。

2.3 跳閘執(zhí)行元件性能要求

針對(duì)傳統(tǒng)級(jí)差實(shí)現(xiàn)方法對(duì)輕微故障無(wú)法精確判斷并實(shí)現(xiàn)跳閘問(wèn)題，基于集中式站域控制思路，利用分勵(lì)脫扣器作為跳閘執(zhí)行元件。分勵(lì)脫扣器是1種遠(yuǎn)距離操縱分閘的附件，本質(zhì)上是1個(gè)分閘線(xiàn)圈加脫扣器，其結(jié)構(gòu)原理[8-9]如圖6所示，給分勵(lì)脫扣線(xiàn)圈加上規(guī)定的電壓，空開(kāi)就脫扣而分閘。分勵(lì)脫扣器只能實(shí)現(xiàn)空開(kāi)的遠(yuǎn)程分閘，不能合閘，脫扣最大時(shí)間不大于10 ms。因此，本設(shè)計(jì)方法中利用分勵(lì)脫扣器作為系統(tǒng)的跳閘出口動(dòng)作元件，保證系統(tǒng)異常時(shí)快速動(dòng)作，隔離故障。

圖6 空氣開(kāi)關(guān)分勵(lì)脫扣器原理

根據(jù)表1中分勵(lì)脫扣器性能數(shù)據(jù)，以典型變電站為例，選擇110 V DC電壓等級(jí)、脫扣時(shí)間≤10 ms、接線(xiàn)能力大于4 mm2、最小脫扣電壓大于額定電壓70%、脫扣功耗較低的S2C-A2脫扣器作為設(shè)計(jì)元件，并將控制信號(hào)引入集中站域式保護(hù)裝置中，實(shí)現(xiàn)快速跳閘。

表1 分勵(lì)脫扣器性能數(shù)據(jù)

2.4 遠(yuǎn)程控制方法設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)空開(kāi)無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程分、合控制問(wèn)題，提出利用電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)[10]作為遠(yuǎn)程分合閘的輔助執(zhí)行元件，如圖7所示，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)空開(kāi)的連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)空開(kāi)的遠(yuǎn)程開(kāi)合閘。相比于分勵(lì)脫扣器，電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)不僅可以遠(yuǎn)程分閘，而且也可以合閘，但其分合閘時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，分閘時(shí)間約200 ms，合閘時(shí)間約400 ms。

圖7 電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)控制原理

由于其遙控分閘時(shí)間較長(zhǎng)，故不作為跳閘動(dòng)作出口執(zhí)行元件，該電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)特殊情況下的遠(yuǎn)程快速恢復(fù)，尤其針對(duì)無(wú)人值守變電站，可節(jié)約故障處置時(shí)間。實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)對(duì)各級(jí)直流空開(kāi)加裝電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，并將控制信號(hào)引入集中站域式保護(hù)裝置中，由保護(hù)裝置統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)控制功能。

3 仿真分析

針對(duì)直流電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)比方案改進(jìn)前后的短路電流動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電流說(shuō)明本文所提方法的有效性。

仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，直流電源系統(tǒng)為集中輻射方式，帶有饋線(xiàn)4回。饋線(xiàn)4中帶有三級(jí)負(fù)荷，通過(guò)對(duì)電流互感器模擬電流進(jìn)行仿真，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，其中PS為啟動(dòng)電流，TMS為動(dòng)作時(shí)間。

表2 直流電源保護(hù)配置改進(jìn)前后仿真結(jié)果

通過(guò)表3可以看出:各支路的啟動(dòng)動(dòng)作電流相較之前均有所提升，這是因?yàn)楦删€(xiàn)增加電流互感器之后，對(duì)短路故障的檢測(cè)更加靈敏，從而提高了各支路的可靠性;TMS也隨之減少，另外三級(jí)裝置時(shí)間配合較好，脫扣時(shí)間滿(mǎn)足要求，總體上提高了保護(hù)的可靠性。

4 結(jié) 論

以傳統(tǒng)直流級(jí)差配合中缺乏智能控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)功能等問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)引入站域理念，提出了融合高速采樣技術(shù)、分勵(lì)脫扣器技術(shù)、電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)技術(shù)的直流電源級(jí)差配合方法，實(shí)現(xiàn)了低壓直流系統(tǒng)各支路的精準(zhǔn)保護(hù)、負(fù)荷開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程控制、系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)上傳，并通過(guò)系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證了保護(hù)方案的有效性,為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障，為電網(wǎng)公司數(shù)字化變電站穩(wěn)步推進(jìn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。