繼電保護(hù)裝置開(kāi)入回路直流電壓識(shí)別研究

劉 黎，肖遠(yuǎn)清，胡 炯，王世偉，楚孔紀(jì)

（1.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085；2.北京四方繼保工程技術(shù)有限公司，北京 100085）

0 引 言

繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行必不可少的重要設(shè)施，它需要區(qū)分電力系統(tǒng)或被保護(hù)設(shè)備的各種故障及不正常運(yùn)行狀態(tài)，包含實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)電壓、電流等模擬量值，也需要采集一些開(kāi)關(guān)量狀態(tài)作為保護(hù)的重要判斷條件，如啟動(dòng)重合閘的硬開(kāi)入、上下級(jí)線路之間的斷路器觸點(diǎn)等?；诖?，開(kāi)入量輸入狀態(tài)的準(zhǔn)確判別尤為重要[1]。

由于上述開(kāi)關(guān)量都處在高壓回路中，對(duì)微機(jī)裝置有很強(qiáng)的電磁干擾。目前我國(guó)繼電保護(hù)裝置及許多自動(dòng)化裝置的開(kāi)關(guān)量輸入回路大部分采用光耦實(shí)現(xiàn)光電隔離，對(duì)于這種類(lèi)型的開(kāi)入量回路，電力系統(tǒng)用戶(hù)一般需要開(kāi)入量在額定直流電源電壓的55%～70%范圍以?xún)?nèi)時(shí)光耦可靠動(dòng)作[2,3]。實(shí)際應(yīng)用中，變電站內(nèi)開(kāi)入量直流工作電壓等級(jí)要求不同，為達(dá)到一種板卡硬件適應(yīng)不同的直流電壓等級(jí)的需求，現(xiàn)有開(kāi)入量采集技術(shù)是將光耦模擬量輸出信號(hào)接到微控制單元（Microcontrol Unit，MCU）的數(shù)據(jù)應(yīng)用中心（Application Data Center，ADC）輸入端，通過(guò)MCU進(jìn)行模擬量采樣，并與預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作門(mén)檻值進(jìn)行比較得到其真實(shí)狀態(tài)。

根據(jù)多年現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，存在現(xiàn)場(chǎng)整定的直流額定電壓等級(jí)與實(shí)際站用直流電壓等級(jí)不一致的情況，但限于目前開(kāi)入量采集技術(shù)只能依靠軟件來(lái)獲取其動(dòng)作門(mén)檻值，在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)開(kāi)入量回路電壓輸入為0，無(wú)法第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)整定錯(cuò)誤，從而造成系統(tǒng)故障后開(kāi)入量誤動(dòng)或者拒動(dòng)，給繼電保護(hù)裝置的正確運(yùn)行帶來(lái)很大的安全隱患。為及時(shí)識(shí)別整定錯(cuò)誤，閉環(huán)由于誤整定帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，本文提出專(zhuān)門(mén)增加一路開(kāi)入回路接入站用直流電源，用于校驗(yàn)額定電壓等級(jí)。

1 開(kāi)入量工作原理

為進(jìn)一步說(shuō)明以上問(wèn)題，簡(jiǎn)單介紹保護(hù)裝置內(nèi)部開(kāi)入量回路原理、開(kāi)入量變位原理。

1.1 開(kāi)入量回路原理

如圖1所示，開(kāi)入量回路兩端接直流電壓，通過(guò)限流電阻接入光電隔離回路。當(dāng)外接電壓增大到一定值，光耦內(nèi)部發(fā)光二極管導(dǎo)通，MCU即可采集到光耦輸出的信號(hào)U0，并根據(jù)信號(hào)值大小，判斷開(kāi)入量狀態(tài)為0或1[4]。其中，C1、C2、C3為濾波電容。

圖1 開(kāi)入回路工作原理

以光耦輸出電壓U0為研究對(duì)象，計(jì)算公式為

式中：IF為光耦副邊驅(qū)動(dòng)電流；R5為接地電阻，廠內(nèi)實(shí)際應(yīng)用電阻值為510 Ω[5]。

式中：R1、R2、R3、R4為限流電阻，廠內(nèi)實(shí)際應(yīng)用電阻值均27 kΩ；UF為光耦發(fā)光二極管正向?qū)妷海籙i為輸入開(kāi)入量回路直流電壓值；RCTR為光耦電流傳輸比。在不同輸入電流時(shí)，傳輸比不同，可查所使用的光耦手冊(cè)。

由式（1）、式（2）可得

以16位AD采樣精度為例，滿(mǎn)量程電壓為3.3 V，則

由式（3）、式（4）可得

由式（3）可知，在光耦電流傳輸比和光耦發(fā)光二極管均為已知的情況下，光耦輸出電壓只取決于輸入電壓大小。當(dāng)輸入電壓達(dá)到一定值后，MCU即可采集到電壓信號(hào)。

由式（4）可知，MCU采集電壓后僅進(jìn)行了AD轉(zhuǎn)換，所輸出AD碼值取決于MCU的采樣精度和光耦輸出電壓值。以下所測(cè)數(shù)據(jù)均以本廠保護(hù)裝置16位AD采樣精度為例計(jì)算所得。

1.2 開(kāi)入量變位原理

規(guī)范要求55%～70%電壓范圍內(nèi)開(kāi)入量能變位，根據(jù)開(kāi)入量回路工作原理，綜合判斷理論值及經(jīng)驗(yàn)值，取變位范圍中間值62.5%電壓值為動(dòng)作門(mén)檻值，即

式中：Un為直流系統(tǒng)額定電壓值。

以110 V額定電壓為例，光耦原邊電流ID計(jì)算公式為

以廠內(nèi)使用TLP385-G-TB光耦為例，110 V額定電壓下，施加62.5%Un外部電壓，查光耦使用手冊(cè)可知25 ℃下的UF=0.3 V，可忽略。原邊電流ID小于1 mA時(shí)，光耦電流傳輸比RCTR約為60%。

將光耦電流傳輸比RCTR、輸入直流電壓代入式（3）、式（5）可得光耦輸出電壓U0與Uadc的采樣值，理論值如表1所示。

表1 光耦輸出電壓信號(hào)理論值

表1中Uadc值即為軟件控制的不同額定電壓下的開(kāi)入量動(dòng)作門(mén)檻值，MCU將不同電壓等級(jí)的ADC碼值存儲(chǔ)在EEPROM的不同區(qū)域。裝置到現(xiàn)場(chǎng)后，整定對(duì)應(yīng)變電站直流額定電壓值，以此自動(dòng)識(shí)別對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)域中的開(kāi)入量動(dòng)作門(mén)檻值。

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，開(kāi)入量回路斷路器斷開(kāi)，輸入電壓為0，模擬量采樣值為0，即開(kāi)入量狀態(tài)為0。電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，繼電器閉合，開(kāi)入量回路輸入電壓增大，MCU對(duì)光耦輸出信號(hào)進(jìn)行采樣。并將當(dāng)前電壓采樣值與讀取到的EEPROM中動(dòng)作門(mén)檻值進(jìn)行比較，得到開(kāi)關(guān)量的真實(shí)狀態(tài)1或0，并參與保護(hù)邏輯判斷。

通過(guò)以上梳理不難看出，現(xiàn)有繼電保護(hù)裝置中開(kāi)入量的狀態(tài)值很大程度上取決于EEPROM中的動(dòng)作門(mén)檻值，整定值一旦下發(fā)錯(cuò)誤，將會(huì)造成開(kāi)入量狀態(tài)的誤判斷。

2 開(kāi)入量判斷防誤措施

為避免上述問(wèn)題帶來(lái)的隱患，硬件上增加一路開(kāi)入量回路（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電壓校驗(yàn)開(kāi)入），如圖2所示。此回路區(qū)別于保護(hù)用的開(kāi)入回路，它不經(jīng)過(guò)斷路器，而是直接接入站用直流系統(tǒng)，以保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)MCU也能采集到電壓輸出信號(hào)，用來(lái)進(jìn)行定期電壓等級(jí)自檢。

圖2 電壓校驗(yàn)開(kāi)入量回路接線

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電壓校驗(yàn)開(kāi)入量回路輸入電壓為站用額定直流電壓值，MCU對(duì)光耦輸出信號(hào)進(jìn)行模擬量采樣。如果采樣值大于220 V動(dòng)作門(mén)檻值，則認(rèn)定外部直流電源為220 V；如果采樣值大于110 V動(dòng)作門(mén)檻值，則認(rèn)定外部直流電源為110 V。

將電壓校驗(yàn)開(kāi)入回路判定結(jié)果與當(dāng)前繼電保護(hù)裝置下發(fā)的額定電壓等級(jí)進(jìn)行比較，如果不一致，主動(dòng)告警。

軟件詳細(xì)判斷流程如圖3所示。

圖3 電壓校驗(yàn)流程

受光耦溫度特性影響，ADC采樣偏差較大，需要軟件自動(dòng)補(bǔ)償。經(jīng)廠內(nèi)測(cè)試，不同額定電壓等級(jí)的開(kāi)入動(dòng)作門(mén)檻值如表2所示。

表2 光耦輸出電壓信號(hào)實(shí)測(cè)門(mén)檻值

廠內(nèi)測(cè)試，接入開(kāi)入量回路不同電壓時(shí)，采樣值如表3所示。

表3 光耦輸出電壓信號(hào)實(shí)測(cè)采樣值

（1）以110 V為例，當(dāng)實(shí)際接入電壓校驗(yàn)回路的電壓值為110 V時(shí)，采樣值為10 495。由圖3可知，滿(mǎn)足110 V分支判斷條件，即不大于220 V門(mén)檻值11 625，且大于110 V門(mén)檻值4 004。此時(shí)認(rèn)為外部額定直流電壓為110 V。解析整定的額定電壓等級(jí)，二者判斷結(jié)果一致，保護(hù)裝置可正常運(yùn)行，否則主動(dòng)告警。

（2）當(dāng)無(wú)外部電源接入時(shí)，MCU采樣值為0。根據(jù)流程圖可知，不進(jìn)入110分支、220 V分支判斷條件，即認(rèn)為此時(shí)電壓校驗(yàn)開(kāi)入未接入電源，不做直流電壓校驗(yàn)，保護(hù)裝置仍可正常運(yùn)行。

3 結(jié) 論

以上新增加一路開(kāi)入用于直流額定電壓校驗(yàn)，造價(jià)低廉，功能易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于保護(hù)裝置來(lái)說(shuō)，能及時(shí)識(shí)別外部開(kāi)入電源電壓等級(jí)，避免了由于電壓等級(jí)誤整定帶來(lái)的開(kāi)入拒動(dòng)、誤動(dòng)等潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，使裝置可靠性大大提高。改進(jìn)后的開(kāi)入插件及軟件功能已經(jīng)應(yīng)用在南網(wǎng)、國(guó)網(wǎng)及國(guó)際化市場(chǎng)，尤其是為國(guó)內(nèi)外變電站工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供了很大幫助。