基于智能開入的抗干擾保護(hù)裝置研究

閆茂華，溫才權(quán)，黃義華，李 寧，劉英男

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司梧州局，廣西 梧州 543002；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

繼電保護(hù)二次回路作為聯(lián)系一次設(shè)備和二次控保裝置的紐帶，在變電站運(yùn)行過程中起到極為重要的作用［1-2］。二次回路接線復(fù)雜、環(huán)節(jié)多、涉及面廣、缺陷隱蔽性強(qiáng)、危害大，往往會影響到繼電保護(hù)裝置的正確動作，造成設(shè)備損壞或電網(wǎng)瓦解等嚴(yán)重事故［3-5］。在二次回路中，開入回路易出現(xiàn)不正確動作問題：一方面，開入回路電纜接線較多，與外部設(shè)備配合復(fù)雜，環(huán)節(jié)多易出錯；另一方面，開入回路均采用開關(guān)量傳輸，且電纜長度較長，分布電容較大，易受到外部干擾［6-10］。

二次回路接線復(fù)雜、環(huán)節(jié)多、涉及面廣、缺陷隱蔽性強(qiáng)、問題危害大，一直是研究的熱點(diǎn)之一［7］。截至目前，因變電站二次回路異常導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動作、一次設(shè)備損壞等事故仍偶爾出現(xiàn)，給變電站運(yùn)維帶來巨大困擾和嚴(yán)重影響。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者一直在進(jìn)行相關(guān)方向的研究，如針對交流竄入、直流接地等，《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》、《直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置技術(shù)條件》等規(guī)范均提出了相應(yīng)的要求［8-10］。然而，目前二次回路直流系統(tǒng)仍主要依賴于直流絕緣監(jiān)測裝置，雖然該類裝置技術(shù)一直在發(fā)展，但目前的動作速度和選線速度仍然在百秒級別。相對于繼電保護(hù)裝置數(shù)十毫秒級別的動作速度，絕緣監(jiān)測裝置無法完全阻止因二次回路異常導(dǎo)致的保護(hù)誤動作［11-16］。更多國內(nèi)學(xué)者研究絕緣監(jiān)測裝置原理的改進(jìn)和性能的提升，鮮有對繼電保護(hù)裝置本體抗干擾性能進(jìn)行研究。

綜上所述，開展基于智能開入的保護(hù)裝置研究，提出新型的保護(hù)裝置原理，優(yōu)化現(xiàn)有的保護(hù)硬件、軟件邏輯，進(jìn)一步提高保護(hù)裝置的抗干擾能力。

1 二次回路常見故障

1.1 直流系統(tǒng)接地及交流竄入

直流單點(diǎn)接地或者交流竄入對繼電保護(hù)裝置威脅極大，容易導(dǎo)致保護(hù)不正確的動作，尤其以交流竄入直流危害更大。而變電站中早期配置的直流絕緣監(jiān)測裝置僅能進(jìn)行直流接地故障檢測，并不具備交流竄入檢測能力。鑒于交流電源竄入直流系統(tǒng)的極大危害，《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》要求嚴(yán)防交流竄入直流故障出現(xiàn)，并明確要求絕緣監(jiān)測裝置應(yīng)具備交流竄入直流的測記功能和報警功能。雖然普通的絕緣監(jiān)測裝置具備直流接地檢測能力，但仍無法有效解決保護(hù)誤動作問題。一方面絕緣監(jiān)測裝置一般動作時間較長，達(dá)到百秒級別，與常規(guī)保護(hù)裝置幾十毫秒級別的動作時間無法匹配，無法有效防止保護(hù)的誤動作。另一方面，微機(jī)保護(hù)開入元件的內(nèi)阻大于100 kΩ，而絕緣監(jiān)測裝置的靈敏度小于100 kΩ，導(dǎo)致開入外部電纜一點(diǎn)接地時無法找出、告警，高阻接地、直流母線電壓偏移長期存在，可能會引發(fā)保護(hù)誤動，且誤動原因很難分析。

1.2 電纜絕緣下降或電纜接地

電纜的絕緣下降往往是較為緩慢的過程，如接點(diǎn)受潮、銹蝕等，導(dǎo)致開入接點(diǎn)阻抗逐漸降低，當(dāng)開入電壓達(dá)到門檻時，就會導(dǎo)致開入誤動作。由于開入電纜布線較長，往往因為老化、鼠害等問題導(dǎo)致開入電纜破損，可能出現(xiàn)電纜高阻接地或者金屬性接地，最終引發(fā)開入誤動作等嚴(yán)重后果。

1.3 出口回路異常

出口回路異常是一種較為隱蔽的問題，在系統(tǒng)故障發(fā)生前往往難以發(fā)現(xiàn)。而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，繼電保護(hù)裝置正確動作，如果后續(xù)出口回路異常，可能會導(dǎo)致斷路器拒動等嚴(yán)重故障。另外，現(xiàn)有開關(guān)位置監(jiān)視回路過于復(fù)雜，在每相分、合閘控制回路中分別串接同一個遠(yuǎn)方/就地切換開關(guān)的不同接點(diǎn)，斷路器的閉鎖分、合閘繼電器節(jié)點(diǎn)、斷路器的輔助節(jié)點(diǎn)等，因此操作箱、保護(hù)內(nèi)獲得的開關(guān)位置信號可能并非準(zhǔn)確的開關(guān)位置，不利于獲悉斷路器的真實狀態(tài)。

1.4 電纜干擾次生效應(yīng)

目前保護(hù)裝置電源和開入電源共用，而部分開入電纜長度較長，分布電容較大。在該電纜受到干擾時，保護(hù)電源易受到開入電纜傳到過來的干擾，進(jìn)而引起保護(hù)裝置異常。

2 故障識別

現(xiàn)有開入模塊由于其硬件成本及功能要求限制，多為開關(guān)量檢測，一般采用光電隔離原理實現(xiàn)。光電隔離開入的設(shè)計原理是基于光電耦合器，該隔離技術(shù)是消除“地干擾”（指通過裝置接地線連接形成的電磁干擾）途徑的抗干擾方法，光電耦合器件實現(xiàn)電→光→電的隔離，能有效地破壞干擾源進(jìn)入，可靠實現(xiàn)信號隔離。但這類光耦一般線性范圍窄、線性度差，無法實現(xiàn)較寬范圍內(nèi)的電壓采樣［17-20］。

普通光耦無法在較寬范圍內(nèi)正確傳變原邊輸入信號，如圖1 所示。針對交流竄入及接地監(jiān)測等需求，處理器側(cè)必須能夠感知到外部輸入電壓信號真實的變化，才能進(jìn)行進(jìn)一步的故障特征提取，因此要求開入插件能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍電壓采樣。開入回路模型如圖2所示。

圖1 光耦傳輸

圖2 開入回路模型

圖2中，以下等式恒成立：

式中：Upn為開入電源正負(fù)極電壓；Ung為開入電源負(fù)極對地電壓；Upg為開入電源正極對地電壓；Cpg為開入電源正極對地電容，Rpg為電阻；Cng為開入電源負(fù)極對地電容，Rng為電阻；Ubix為開入通道X元件電壓；Zbix為開入通道X元件阻抗；Zlx為開入通道X電纜阻抗；Cbix為開入通道X電纜對地寄生電容。

2.1 交流竄入直流

交流竄入直流故障模型如圖3 所示，直流電壓特征如圖4所示。

圖3 交流竄入直流故障模型

圖4 交流竄入直流電壓特征

如圖4 所示，按照正常電纜分布電容考慮，Ubix在正常開入時上升速率一般較快，而交流竄入時電壓變化比較緩慢，可通過變化率進(jìn)行識別。發(fā)生交流竄入時，Ung也會呈現(xiàn)交流波動，而正常開入不存在這一特征，可作為輔助判據(jù)。如果在交流竄入期間發(fā)生正常開入，則通過分析Ubix采樣值，可考慮計算連續(xù)5 點(diǎn)采樣值標(biāo)準(zhǔn)差，在容限內(nèi)則認(rèn)為是正常開入，否則認(rèn)為是非法開入，報警并觸發(fā)錄波。運(yùn)行中可對Ung進(jìn)行傅氏計算，計算交流竄入幅值，超過設(shè)定值則報警并觸發(fā)錄波。

2.2 電纜正極側(cè)一點(diǎn)接地

電纜正極側(cè)一點(diǎn)接地故障模型如圖5所示。

圖5 電纜正極側(cè)一點(diǎn)接地故障模型

針對外部電纜正極側(cè)接地問題，可結(jié)合Ubix及Ung進(jìn)行判斷。電源負(fù)極對地電壓相對于開入電源電壓嚴(yán)重不對稱，可判斷出存在單點(diǎn)接地情況。Ubix上升期間Ung也上升，可作為輔助判據(jù)，否則可能導(dǎo)致開入誤動作。

2.3 電纜開入元件側(cè)一點(diǎn)接地

電纜開入元件側(cè)一點(diǎn)接地故障模型如圖6所示。

圖6 電纜開入側(cè)一點(diǎn)接地故障模型

針對外部電纜開入側(cè)接地問題，可結(jié)合Ubix及Ung進(jìn)行判斷。Ung相對于Upn嚴(yán)重不對稱，可判斷出存在單點(diǎn)接地情況。再根據(jù)Ubix與Ung最接近的通道應(yīng)是異常電纜所在。電纜開入側(cè)一點(diǎn)接地電壓特征如圖7 所示，裝置檢測到該異常時閉鎖該開入，報警并觸發(fā)錄波。當(dāng)電纜發(fā)生金屬性接地時，接地電纜對應(yīng)開入電壓與負(fù)極對地電壓接近。

圖7 電纜開入側(cè)一點(diǎn)接地電壓特征

2.4 電纜絕緣阻抗降低

電纜絕緣阻抗降低故障模型如圖8所示。

圖8 電纜絕緣阻抗降低故障模型

電纜絕緣阻抗降低電壓特征如圖9 所示，針對電纜受潮等因絕緣阻抗降低導(dǎo)致開入誤導(dǎo)通問題，可通過分析Ubix變化趨勢進(jìn)行分析，檢測到該電壓緩慢上升，則閉鎖該開入功能，同時發(fā)報警。

圖9 電纜絕緣阻抗降低電壓特征

3 智能開入回路設(shè)計

綜上所述，如果需要檢出上述各種故障，需要新型開入板卡支持各開入通道Ubix、Ung、Upn電壓采樣，要求能夠最大限度地保留上述輸入量的故障特征。采用基于數(shù)字隔離的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）采樣架構(gòu)，如圖10所示。

圖10 基于數(shù)字隔離的ADC采樣架構(gòu)

相對于光耦傳輸方式，上述架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入量寬范圍采樣。此種架構(gòu)線性度好，電壓測量范圍寬，能夠滿足上述各種輸入采樣需求。

智能開入板的總體架構(gòu)如圖11 所示，主要包括開入回路及開入電源監(jiān)視回路兩部分。

圖11 智能開入總體架構(gòu)

3.1 智能開入回路

智能開入回路邏輯如圖12所示。

圖12 智能開入回路邏輯

智能開入回路采用對開入電壓進(jìn)行采樣的方式，實現(xiàn)開入電壓的比較、記錄和功能判斷。

1）電源回路：裝置內(nèi)部弱電電源經(jīng)過隔離轉(zhuǎn)換后輸出給信號處理電路和ADC轉(zhuǎn)換電路使用。

2）信號回路：開入電壓接入外接端子，信號處理電路對開入電壓進(jìn)行取樣和變換后，ADC 轉(zhuǎn)換電路將模擬量開入電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)過磁隔離電路輸出到CPU。

3）智能開入功能實現(xiàn)：CPU 根據(jù)采樣到的開入外接端子上的電壓信號進(jìn)行判斷，結(jié)合各種故障特征及開入門檻電壓，判斷是否有真實開入輸入。

4）開入啟動電壓范圍：可通過在CPU 中預(yù)置啟動電壓定值，實現(xiàn)較精確控制開入的啟動電壓范圍，如實現(xiàn)啟動電壓范圍55%Un～70%Un。

5）智能開入記錄：智能開入記錄有兩方面，一是對開入判斷情況的記錄，二是對開入電壓波形的記錄。

6）絕緣電阻簡化計算：正極接地時，可假設(shè)負(fù)極外部電纜無接地，通過正負(fù)極母線對地電壓和平衡電阻計算出正極接地電阻；負(fù)極接地（光耦外部電纜接地）時，可通過光耦兩端電壓、負(fù)極對地電壓、光耦的內(nèi)阻進(jìn)行計算接地電阻阻值。

3.2 直流電源監(jiān)視回路

直流電源監(jiān)視回路的邏輯如圖13所示。

圖13 直流電源監(jiān)視回路邏輯

直流電源監(jiān)視回路通過對正負(fù)電源之間的電壓、負(fù)電源對地的電壓進(jìn)行采樣的方式，實現(xiàn)對直流電源的監(jiān)視、記錄和工作狀態(tài)判斷的功能。

CPU 采樣到的外接端子上的電壓信號，判斷輸入電壓是否在正常范圍內(nèi)。可通過在CPU 對采樣電壓的計算處理，對電源的質(zhì)量進(jìn)行分析和判斷。對電源電壓波形存儲記錄。

針對電源消失、電源接地、混入交流等情況，可通過開入電壓的實時波形判斷。

3.3 硬件配置

硬件配置如圖14 所示，實物如圖15 所示。以南網(wǎng)500 kV PCS-931N5Y 型常規(guī)采樣和跳閘線路保護(hù)裝置為基礎(chǔ)試驗保護(hù)裝置，通過增加插件并結(jié)合現(xiàn)場二次接線更改，硬件增加一塊智能開入板卡NRBI，占據(jù)B07槽位。

圖14 硬件配置

圖15 硬件實物

模擬電纜開入端接地進(jìn)行測試，測試電路如圖16所示，模擬電纜正極端金屬性接地，裝置應(yīng)能夠檢出并觸發(fā)錄波，開入不會誤動作。通過空開控制將0電阻短接至開入電源正極。閉合空開，模擬開入正極接地，然后斷開空開，自檢報告正確，選線正確，得到測試結(jié)果如圖17 所示。變位報告為空，說明無開入誤動情況。查看錄波波形，如圖18所示。

圖16 測試電路

圖17 測試報告

圖18 錄波波形

4 結(jié)論

從工程實際出發(fā)，針對變電站二次回路常見問題，對各種故障特征進(jìn)行逐一深入分析，并結(jié)合智能開入插件給出了相應(yīng)的設(shè)計方案。相對于外置的絕緣監(jiān)測裝置功能單一、動作速度慢等不足，智能開入插件能夠有效識別出常見二次回路故障，集成于繼電保護(hù)裝置中的智能開入，可實現(xiàn)與保護(hù)的無縫銜接，實現(xiàn)更快的動作速度，提供更完善的事故分析手段，獲取更精準(zhǔn)的故障數(shù)據(jù)，從而降低二次回路干擾對保護(hù)裝置的影響。