過程層網絡的推廣對直流系統故障的改善研究

張 晟，謝 征，楊 印，黃 博，董曉峰

過程層網絡的推廣對直流系統故障的改善研究

張 晟，謝 征，楊 印，黃 博，董曉峰

（國網鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114001）

直流系統故障始終是威脅變電站生產的一大隱患，其隱蔽性、復雜性及事故嚴重性一直困擾著運維檢修人員。通過解析直流故障的原理，結合對數字化變電站過程層的研究，參考王鐵變“網采網跳”的實例，闡述第三代綜合性變電站向數字化變電站轉型的過程中，直流系統完成“以軟代硬”、“織纖成網”的重大意義。

直流系統故障；網采網跳；數字化變電站

1 直流系統結構及組件

變電站直流電源是電力系統中斷路器操作機構、繼電保護裝置、信號裝置及事故照明裝置的可靠電源，其可靠性直接影響到電網的安全運行。

直流系統主要包括直流電源（充電裝置、蓄電池組）、直流母線（合閘母線、控制母線）、直流饋線、監控系統（微機監控裝置、絕緣監測裝置），如圖1所示。

圖1 直流系統邏輯結構圖

直流系統主要靠通信信號和電纜傳遞完成其各模塊的銜接，傳輸數據的正確性與可靠性尤為重要。而絕緣監測主要是針對直流接地故障的測量報警裝置，需要設置絕緣監測裝置在直流系統對地絕緣降低后迅速發出報警信號。其設計思路可參考小電流接地系統TV零序電壓繞組的應用，雖然不能作為保護切除故障，但起到故障警報的作用。

2 直流接地的危害

在實際工作中，直流系統分布廣、回路多、很容易發生故障和異常，其中最常見的是直流接地故障。

直流接地故障指的是系統中出現了與大地絕緣降低的情況。如果只有一點接地，不會對直流系統造成直接危害，但必須及時消除故障，否則，若在直流系統中再有一點接地就可能造成對整個電力系統的嚴重危害。

當直流系統的正極或負極對地絕緣水平降低到某一整定值時，絕緣監測系統判斷直流接地并發出響應信號。例如，對220 V直流系統，‖u＋｜-｜u-‖＜40 V或絕緣降低到25 kΩ以下應視為直流接地。常態下，正負極絕對值的差應為0，如果正負極差大于40 V或小于-40 V，表明正負極有一方對地電壓小于原有電壓，由此可推理發生了系統接地故障。

發生故障后，如果上述回路內再有一點接地故障，2個接地點會跟大地形成通道從而形成回路，而在接地兩點間所“跨過”（短接）的部分，根據2個接地點位置的不同，對直流系統的影響也不同。A，B兩點接地是指A、B兩點將電流繼電器1KA、2KA觸點短接，＋wc→A→大地→KC→-wc構成導通回路，QF常開觸點也閉合，使LT啟動跳閘線圈跳閘進而導致斷路器誤動，如圖2所示。

圖2 直流接地故障分析圖

當A、C兩點接地時也會造成斷路器誤動，由此可得出結論，當斷路器線圈的控制觸點或中間繼電器的控制觸點直接或間接的被兩點接地回路短接時，會在一定程度上造成斷路器誤動。由于該情況下有一個接地點在正極附近，稱之為直流系統正極接地，如圖3所示。

而當BE、CE、DE位置短接時，2個接地點的回路直接將繼電器或開關回路線圈短接，這樣，無論故障點前的電流如何流入，都不能經過中間繼電器或斷路器線圈，此類接地故障相當于將開關的功能“屏蔽”掉。基于該故障有一個接地點在負極，稱之為直流系統負極接地，如圖4所示。

在220 kV綜合型變電站中，為了實現系統的穩定性和保護的可靠性，220 kV線路的保護通常采用2套獨立保護，對2套獨立保護要求是“非同源非同原理”，直流部分的供應通常采用2組蓄電池，從而形成2組獨立的直流系統。直流環網的形成原因通常是2套獨立系統出現了電氣上的連接。

該故障的現象為“2套絕緣檢查裝置均發出了直流接地信號”，一組直流系統為正極絕緣降低，另一組直流系統為負極絕緣降低，前文分析絕緣監控在‖u＋｜-｜u-‖＜40 V時判定為有接地故障。分析可知，直流環網故障應該是一個電源的正極與另一個電源的負極相“中和”，導致“中和”部分對地電壓降到25 kΩ以下。當排查直流系統將連接點斷開時，2個警報也會隨即消失。

圖3 直流系統正極接地圖

圖4 直流系統負極接地圖

除了直流接地、直流環網之外，還有一種比較嚴重的故障就是交流串直流。直流系統和交流系統本應為2個相互獨立的系統。直流系統為不接地系統，而交流系統為接地系統。交流串直流實質是指2個系統發生了電氣連接，交流系統串入直流系統，使直流系統處于接地狀態，發生交流串直流會導致斷路器直接動作跳閘。若交流從負電源側串入直流系統，由于交流分量過零，且通過圖5中所示的路徑流入絕緣監測裝置，裝置檢測出“正、負兩極同時接地狀態”。另外，交流電流可以通過電纜的對地電容形成回路，引起斷路器直接跳閘，即所謂的保護“無故障跳閘”。

圖5 交直混流故障分析圖

若交流從正電源側流入直流系統，同樣的原理如圖5所示，絕緣監測裝置檢測出“正、負兩極同時接地狀態”。電纜對地電容的等效值，比從負電源串入的容抗值要大一些。故交流從正電源側串入比從負電源側串入“無故障跳閘”的概率要稍低一些。

3 直流系統故障原因分析

通過對直流系統故障的本質探究，直流系統的異常以及故障的直接原因大多是由于控制回路對地的絕緣控制線路饋線，線路之間的絕緣不足或者損壞產生的。針對直流系統故障問題，在不斷的生產實踐中也取得了一系列的改善措施，如敷設繼電保護專用銅地網，增大繼電器的動作功率等。但是由于控制電纜的存在無法根本解決，將電纜作為信號傳輸介質為系統帶來的影響主要有以下幾點。

a.每個類別的信號都要用一回單獨的線路來傳遞，加上繼電保護數據的需要，造成線路冗雜，端子排多密，增大了直流故障的可能性，電纜接線見圖6。

圖6 電纜接線圖

b.根據《鞍山供電公司操作規范》排除直流故障，按照14種回路順序逐一拉合，可稱為“拉路”法，其原理對直流接地的處理在于找接地點。“拉路法”雖然可達到排除系統內直流接地故障的目的，但工作步驟及邏輯的冗雜嚴重影響絕緣排查的高效性和準確性。

c.電纜的布置和建造過程以及維護過程中自身帶有一定影響，下雨天經常會發生直流接地。因為雨水飄入密封不好的戶外二次接線盒，使接線樁頭和外殼導通接地；二次線與轉動部件（如開關柜門）靠在一起經常受到磨損，造成絕緣損壞也會導致直流接地；另外，二次接線松動脫落，抗干擾電容擊穿等因素都會導致直流接地。前文提及的交直竄流也是因電纜的對地電容引起的。

除了上述3點，線路還存在電纜耦合問題。由于電磁耦合產生的事故也不勝枚舉，各種干擾源通過控制電纜耦合進入二次設備，造成設備的損壞或保護裝置的不正確動作時有發生。

綜上所述，電纜作為直流系統以及二次回路的銜接者，控制回路的載體已經不能滿足當今電網對二次及直流回路穩定性、可靠性和簡約性的要求。為此，新的傳輸媒介及傳輸網絡取代電纜成為直流系統改造的焦點。

4 數字化變電站對過程層的整改

4.1 光纜取代電纜的優勢

光纜電纜對比圖如圖7所示。

圖7 光纜電纜對比圖

光纖差動保護的產生結束了高頻保護在差動保護領域的弊端。通信設備由光發射機、光纖、中繼器和光接收機組成，發射機將電信號轉變為光信號。通過光纖的傳播，再由光接收機把光信號轉為電信號，完成電→光→電的傳送，數字化變電站在構建的投運過程中借鑒了光纖這種傳播介質的優越性，用光纖取代了原有控制電纜的硬連接，有如下幾點優勢。

a.與電纜傳輸的信息相比，通道容量更大，且不受信息類別的限制，可以將二次回路接線大大簡化，減少接線的數量。該方式不僅減少了材料的使用，更簡化了二次系統，可以降低直流系統維護量單點接地故障的可能性。

b.光纖成纜時，其涂覆層及套塑構成的保護套能承受較大的機械沖擊，與電纜機械磨損和絕緣層破損相比確有較強的機械性優勢。

c.光纖距離傳輸中的中繼距離長，由于傳播的是光信號，極大程度上削弱了電磁干擾，同時也不會產生對系統造成影響的耦合電容等。光纜在材料層面上取代了電纜，新傳遞介質的應用降低了直流系統故障的可能性。

4.2 織纖成網

在綜合自動化變電站中，隨著微機保護的全面使用，通信設備同時投入到站控層的組織框架里。在交換機的幫助下光纖鏈接到站控層，使光纖通信在變電站中得到應用，在站控層中，操作指令通過光纖通信將指令傳到斷路器的控制端。

為進一步簡化二次系統邏輯，將過程層的改造列入日程。原有二次系統信息邏輯關系是誰使用誰同步原則（點對點原則），即使改造后的光纖通道容量很大，大量信號通過也同樣會造成通信阻塞，進而造成效率性和可靠性的降低，因此，將數據采集出來上傳到網上，需要時到網平臺上取的想法不斷得到落實，也改變了原有設備與設備之間點對點的原始邏輯關系，“網采網跳”邏輯圖如圖8所示。

圖8 “網采網跳”邏輯圖

王鐵變電站是國內為數不多的網采網跳數字化變電站，除了一次組件全智能外，更主要的是在邏輯架構上保留了過程層演變的過程，綜合站與數字化變電站的邏輯結構對比如圖9所示。

圖9 綜合站與數字化變電站的邏輯結構對比圖

通過邏輯圖的對比，網絡將整個直流過程層的組件合并在一起。IEC61850是關于變電站自動化系統通信網絡和系統的國際標準。制定IEC61850的主要目的是為了實現變電站內不同廠家智能電子設備間的互操作。該標準對站內智能電子設備的信息描述方法、訪問方法和通信網絡進行了全面定義，使不同廠家的智能電子設備可以互操作。因此，建立在IEC61850標準之上的數字化變電站更有效地解決了設備互操作問題，數字變電站的整體結構如圖10所示。

圖10 數字變電站整體結構圖

GOOSE（Generic Object Oriented Substation E?vent）指面向通用對象的變電站事件，它的存在和引入使IEC61850的流通和設備間的溝通有了一個“平臺”。基于GOOSE網絡傳輸代替傳統的硬接線實現開關位置、閉鎖信號和跳閘命令等實時信息的可靠傳輸，其在過程層應用的可靠性、實時性、安全性能滿足繼電保護的要求。進而實現了將原有IDE點對點邏輯關系網絡化、MU傳入信息平臺化、邏輯結構精簡化。

隨著數字化通信技術的進一步發展，直流接地故障將不再是一個難題，綜合自動化變電站的改進方向以及大量數字站的使用將從根本層面上解決困擾電力系統多年的“頑疾”。

5 結束語

目前正處于綜合自動化站向智能化數字變電站的轉型期，也是第三代變電站向第四代變電站轉型的時代，雖然某些技術還有待提升，如同步對接、電子互感器的應用等。但數字站的轉型方向毋庸置疑，既有承接性又有改進性，單從過程層改造這一點講，對原有直流系統故障的防范效果顯著。不僅從原理上降低了故障的可能性，也同樣降低了接線和運檢的成本。

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Research on Improvement of DC System Failure Based on Generalized Process Layer Network

ZHANG Sheng，XIE Zheng，YANG Yin，HUANG Bo，DONG Xiao-feng
（State Gird Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114001，China）

DC system faultwith concealment，complexity and severity is amajor risk for substation.Maintenance staff is often plagued by DC system fault.The principle of DC system fault is analyzed and the process layer of digital substation is studied.This paper choo?ses＂network collection and network trip＂ofWang Tie substation as an example，elucidates that the great significance of DC system in the transition from third generation comprehensive substation to digital substation.

DC system fault；Network collection and network trip；Digital substation

TM711

A

1004-7913（2015）07-0058-05

張 晟（1990—），男，學士，主要從事電力系統穩態研究。

2015-04-01）