變電站測控和保護裝置中電源模塊優化設計

王 川，崔 勇

（1.國網江西省電力公司吉安供電分公司，江西 吉安343000，2.華北電力大學經濟與管理學院，北京昌平 102206）

0 引言

某變電站執行一條220 kV聯絡線的送電操作任務時，值班人員對該線路斷路器同期遙控合閘不成功，通過檢查確認聯絡線兩側電氣量同期并列條件滿足，且相關一、二次設備運行正常。檢查發現線路測控裝置電源插件實際上為220 kV線路保護裝置電源插件，經追查得知該測控裝置在發生電源插件故障時，由于缺少備品備件，檢修人員臨時采用線路保護裝置的電源插件代替，人為加工后將規格不符的電源插件接入測控裝置。裝設了錯誤電源插件的測控裝置長期運行并未出現異常告警，所以電源插件一直未更換。本次事故造成了變電站與電廠的220 kV聯絡線延期7 h并列。

1 提出優化設計思路

若采用一種將變電站內同一電壓等級一次設備的保護和測控裝置電源模塊進行通用化設計，則在電源模塊更換工作環節即可實現簡單化。根據《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》（2012年修訂版）[1]中15.5.2規定：微機保護裝置的開關電源模件宜在運行6年后予以更換，實踐證明許多保護和測控裝置的電源插件在不到6年的運行時間內就已出現故障，給安全運行帶來巨大威脅。所以將電源模塊進行通用性優化設計是完全可行的。

目前國網公司范圍內已經推行運行檢修工作一體化改革，采用通用的電源模塊，對于運行人員來說可以提升檢修效率，大大減少誤檢修的可能性。

2 排查和推斷

2.1 事故分析排查

線路測控裝置的同期功能是由CPU模塊上的一個開入量啟動，而向CPU 提供電氣量進行同期判別的元件是非智能交流模塊，非智能交流模塊共有8個輸入端子，其中使用了U1、U2、U3、Ux四組電壓輸入端子，分別代表變電站母線相電壓Ua、Ub、Uc以及線路A相相電壓Uax，其余四組電流端子未接線。非智能交流模塊中的變壓器將U1和Ux放大，輸入CPU模塊中進行A/D轉換，獲得兩側電壓幅值；同時再將電壓經方波形成回路整形得到方波，輸入CPU 模塊并經測頻、測相運算后得到U1、Ux的頻率和相位差。CPU模塊將以上運算結果進行判別比對，就是整個測控裝置同期判別過程。

測控裝置同期合閘操作的判別定值設有三個條件，即待并列兩側電氣量允許合閘角為15°，頻差定值為0.5 Hz，電壓差定值為10 V（二次值），同時滿足三者條件時才可進行同期合閘操作。

測量測控裝置同期非智能交流模塊電壓背板輸入端子，顯示母線三相電壓和線路相電壓的采集輸入正常，測控裝置本身未報出任何報警或裝置呼喚信號；檢查測控裝置整定值，確認與定值單規定的定值一致。更換了錯誤的電源插件的測控裝置在運行期間可以實現遙控分合閘，且信號指示正確。由于沒有發出告警和其他異常信號，沒有引起人員重視并保持測控裝置持續運行。

人機對話界面調閱測控裝置的線路A相電壓Uax顯示為0.1 V，等同于采樣數值為零，而正常時Uax應有58 V 左右的采樣值。24 V、5 V 的電壓供給正常，電壓顯示燈正常顯示。

2.2 輸出端子檢查推斷

進一步檢查，把保護裝置電源插件拔出后，在輸入端子施加直流±220 V電源，然后用萬用表測量電源插件±12 V 輸出端子之間電壓，發現沒有±12 V電壓輸出。據保護裝置相關技術資料說明，保護裝置電源插件雖然在銘牌上標注有±12 V 輸出電源，但在實際使用中并沒有±12 V輸出[2]。

2.3 結論推斷

廠家設計中，測控裝置±12 V 輸出端用于裝置的非智能模擬量采集回路，±12 V 供給非智能交流模件方波形成回路和A/D 轉換回路運行。缺少了±12 V電源的測控裝置無法進行非智能交流采樣和A/D 采樣，進而無法同期采樣致使同期操作失敗。但由于±12 V電源僅為非智能交流采樣功能提供電源，測控裝置中其余的包括CPU、智能交流采樣、跳閘出口、開入開出等功能均不需要±12 V電源供給，所以在不進行同期合閘的運行過程中，電源插件混用并不會造成任何異常。

事故中反映了檢修人員沒有對被檢修設備的原理深入了解，同時廠家沒有對電源插件的設計差異化進行重點說明，導致檢修人員錯誤地認為電源插件可以混用并釀成事故。

3 通用電源插件的可行性

根據引起這起事故中檢修人員的這種錯誤方法，考慮將兩套裝置的電源插件通用化設計，可以節約制造和設計成本，又可以有效提升因電源模塊故障引起的故障處理效率。

3.1 兩種裝置電源插件的原理對比

某廠家生產的數字式綜合測控裝置電源插件接線原理圖如圖1 所示，直流220 V 輸入后經濾波至內部逆變電源模塊，轉換成供各處理器系統工作的5 V電源、用于模擬采集系統的±12 V電源、用于驅動信號回路及繼電器的24 V(1)電源，以及用于外部開入的24 V(2)電源。

圖1 某廠生產的綜合測控裝置電源插件原理示意圖

某廠生產的保護裝置電源插件接線原理圖如圖2 所示[3-5]，電源電壓的轉換原理和過程與測控裝置電源插件大致相同，同樣經內部電源模塊將±220 V 的高壓電轉換成5 V 和24 V 電源。與測控裝置模擬采集系統所需要的±12 V 電源不同的是，保護裝置采用5 V 輸出作為各處理器芯片的工作電源，而處理器芯片CPU 模塊是整個裝置的核心部分，完成模擬量、開關量的處理，實現控制和邏輯功能，然后產生相應的控制出口，發信號及通訊傳輸等，這一系列過程均由5 V 電源驅動，且上述所有功能的總負荷電流不超過3 A，這樣由5 V 電源驅動完全可以滿足要求，因此保護裝置在運行中不需要±12 V 電源[6-8]。

圖2 某廠生產的保護裝置電源插件接線

3.2 通用性電源插件設計

測控裝置電源插件可以輸出5 V、±12 V、24 V（1）、24 V（2）電源，所以通用電源插件可以采用測控裝置電源插件的內部電源模塊。具有通用性的電源插件可以用于相同規格的測控裝置和保護裝置，接線圖見圖3，該電源插件可以輸出5 V、±12 V、24 V（1）、24 V（2）電源，當用于不需要±12 V 電源的保護裝置時，可以通過AN1、AN3 關閉±12 V 和24 V（1）電源輸出，合上AN2保持±24 V電源輸出，再將無±12 V電源輸出的電源插件裝入保護裝置。而用于測控裝置時，只要確保電源插件中5 V、±12 V、24 V（1）、24 V（2）各路均有輸出即可安裝運行。

圖3 通用電源插件原理接線

制造這種通用電源插件時，只需要在原測控裝置電源插件上進行簡單改造即可，在內部電源模塊中增加一路±24 V 電源輸出[9-10]，有選擇性輸出的回路中增加手動控制分合的開關，以防止因電路電源錯接和電壓不匹配造成的裝置不正常運行。通用電源插件背板接線設計圖見圖4。

圖4 通用電源插件背板接線

要注意的是文獻[11]中指出：電源插件輸出功率不足將導致輸出電壓下降，進而影響比較電路基準值的變化、充電電路時間變短等異常現象，最終使保護裝置的邏輯配合出現異常甚至邏輯判斷失誤。由于保護裝置和測控裝置雖然功能不同，但內部工作原理大致相同，在進行通用電源插件制造時應考慮裝置內部負載需求，進而設計能同時滿足兩套裝置負載的電源插件[12-14]。

4 結束語

考慮到保護和測控裝置的電源模塊易損易老化部件，和重要變電站和重要設備的保護和測控裝置在電網中的地位之重，可以采用通用于保護裝置和測控裝置的電源插件。這種通用電源插件一旦投入實際運行，并作為裝置備品備件配齊，可以大幅縮短電源插件的更換效率，有效改善運行檢修一體化工作的薄弱環節，從中長期眼光考慮，可以進一步提升電網尤其是超/特高壓電網的運行可靠性。

[1]國家電網公司生產技術部.《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》（2012年修訂版）[S].北京：國家電網公司，2012.

[2]許繼電氣股份有限公司.FCK-800微機測控裝置說明書[Z]

[3]國電南京自動化股份有限公司.PSL-601 數字式線路保護裝置技術說明書[Z].

[4]許繼電氣股份有限公司.WXH-802/3A 微機線路保護裝置說明書[Z].

[5]國電南京自動化股份有限公司.PSR-650 數字式綜合測控裝置技術說明書[Z].

[6]余華武，史志偉.保護測控裝置繼電器回路抗干擾分析[J].電網技術，2012,36(5):36-41.

[7]呂仁清，蔣全興.電磁兼容性結構設計[M].南京：東南大學出版社，1990.

[8]黃益莊.變電站智能電子設備的電磁兼容技術[J].電力系統保護與控制，2008，36（15）：6-9.

[9]董福廣.基于模塊化設計的微機保護測控裝置通用平臺的研究[D].山東：山東大學，2008.

[10]南京工學院、西北電訊工程學院合編.電子設備結構設計原理[M].南京：江蘇科學技術出版社，1979.

[11]王川.實用電源技術(第二版).[M]，重慶：重慶大學出版社，2005.

[12]邱關源.電路（第四版）.[M]，北京：高等教育出版社，1999.

[13]張斌，周斌，黃國方，等.數字化測控裝置關鍵技術的實現[J].電力自動化設備，2009，29（11）：109-111.

[14]黃國方，徐云燕，奚后瑋，等.新型超高壓變電站測控裝置的研制[J].電力系統自動化，2005 29（6）：98-100.