面向智能變電站的環網分布式弧光保護系統

張瑋，李玉平，康豐，陳慶旭，葉品勇

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京　211100)

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面向智能變電站的環網分布式弧光保護系統

張瑋，李玉平，康豐，陳慶旭，葉品勇

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京211100)

摘要：在新一代智能變電站建設中，為保證中低壓母線的可靠性和安全性，充分利用先進的網絡通信技術提供的可共享的數據信息，與合并單元和智能單元配合，提出了適用于智能變電站的環網分布式弧光保護系統。通過雙重冗余環網將從機互聯并共享數據，依托于通信的高可靠性，各從機不進行邏輯判斷，采用單主機設計方案。點帶通用式傳感器及其自檢技術有利于系統的擴展和檢修，快速跳閘技術可提高智能變電站的整體性能。

關鍵詞：智能變電站；環網分布式；分布式弧光保護；自檢技術；快速跳閘

0引言

我國中低壓電網多采用中性點不接地或中性點經消弧線圈接地的運行方式，而單相接地故障是該運行方式下最常見和頻率最高的故障形式。我國運行規程規定，出現單相接地故障后機組可繼續運行2 h，這是該運行方式的主要優點，但目前中低壓電網不斷擴大，出線多，線路長，當電力電纜大量使用時，單相接地電容電流大幅增加，通過接地點的電流為全系統非故障相的對地電容電流之和，達到一定程度后，單相接地電弧不能自動熄滅，極易重燃，并出現電弧接地過電壓，可導致電網中電感和電容回路產生電磁振蕩[1]。此外，非故障的對地電壓升高為線電壓，當系統中某些設備的絕緣較差時，故障可迅速發展為相間短路，電弧持續燃燒釋放的巨大能量會燒毀開關柜，若沒有及時切除故障，會造成主變壓器繞組損壞，因此，為防止故障進一步擴大，需要裝設繼電保護裝置[2-5]。隨著GB/T 14598—2016《弧光保護裝置技術要求》和《弧光保護裝置選用導則》的陸續制訂和發布，有理由相信在未來的智能化電網建設中，弧光保護將占有一席之地。弧光保護系統由電弧光單元、弧光傳感器、電流單元及監控后臺組成。目前常規變電站中各廠家弧光保護多采用弧光主機加擴展機的方式各自組屏、集中布置，現場走線繁雜且多為電纜硬連線，也有部分廠家使用光纜代替電纜，但組網方式多為串形或星形結構，當其中某一節點損壞，必然導致下級弧光保護數據全部丟失，帶來不可靠因素和更多的維護工作量。為簡化二次回路，考慮到弧光保護裝置與被保護對象距離遠近不一，且弧光傳感器多為點對點模式，光纜數量眾多，由于現場環境、安裝等多種因素，以智能變電站分布式母線保護多年成功運行經驗和實踐探索為基礎，提出了在智能變電站中構建以弧光保護主機為“大腦”，以弧光保護從機為“眼睛和耳朵”，以符合IEC 61850系列標準要求的監控系統為“表達方式”，結合智能單元和合并單元應用的層次化弧光保護控制系統，采用光纖雙重冗余環網的組網方式和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)快速跳閘技術，實現可靠、快速切除故障，減少了二次設計和施工難度，降低工程造價，保護針對性強，便于維護和檢修。

1系統方案

1.1系統組成

在智能變電站應用中，弧光保護系統的特點是充分利用可共享的數據信息和網絡通信技術，強調了設備之間的協調配合，進而提升了保護控制系統的總體性能，其系統結構如圖1所示。

圖1中弧光保護系統由監控主機、弧光保護主機、弧光保護從機、弧光傳感器、進線合并單元及變壓器高、低壓側合并單元組成。采用1主多從的方式，弧光從機間隔布置，條件允許時可按每3個間隔配置1臺從機，每個從機與相應間隔母線室內的弧光傳感器通過專用光纖連接，從機之間通過光纖環網組成一個可靠的雙備份網絡，各從機獨立采集弧光數據并將數據發往環網，進線合并單元根據IEC 61850-9-2-2009《特殊通信服務映射》相關規定，采樣值(SV)報文將進線電流采樣數據通過SV網發往主機，主變壓器高、低壓側智能單元通過GOOSE網發送斷路器位置信號，主機處理全部信息，邏輯判斷后通過GOOSE網發送跳閘信號給各智能單元執行。若斷路器拒絕跳閘，主機將通過GOOSE網發送斷路器失靈跳閘信號，使上級保護動作。

圖1　智能變電站弧光保護系統結構

面向智能變電站的環網分布式弧光保護系統，解決了傳統中低壓母線保護動作速度慢、裝置冗余、接線復雜、調試檢修與擴建不便等問題，充分利用了SV數據網和GOOSE網，增加了冗余容錯，提高了可靠性，是未來智能變電站中低壓母線保護的發展方向。

1.2弧光保護主機

弧光保護主機安裝在保護屏上，考慮到裝置的可靠性和運行維護的便利，采用222.250 mm封閉式機箱、鈑金工藝，背插式設計，如圖2所示。從正面看，裝置含有液晶、發光二極管(LED)指示燈和鍵盤。從背面看，裝置5個功能模塊分別是交流采樣模件(AC)、核心處理模件(CPU)、環網通信模件(CC)、跳閘信號模件(TRIP)及電源模件(POWER)。

圖2　主機機箱結構

1.3弧光保護從機

從機硬件架構如圖3所示，采用66.675 mm掛壁式封閉機箱，盒式設計，弧光數據的模數轉換器(AD)采集、LED指示、開入、開出及數據、收發均由1塊現場可編程門陣列(FPGA)邏輯芯片控制。所有數據流只在FPGA的內部總線交互，各邏輯功能協同工作。為滿足現場需要，機箱不配置液晶顯示器，僅設計LED用于實時顯示裝置狀態，2個按鍵用于設置從機地址，LED功能包括顯示本機地址信息、弧光傳感器狀態自檢信息和通信口狀態監視信息。從機結構簡單，調試、維護方便，只有本機地址這1個參數需要設置，安全性、可靠性極高，可安裝在開關柜儀表室內的任何位置。

1.4弧光傳感器

弧光傳感器是系統的重要組成部分，《弧光保護裝置選用導則》將傳感器分為點狀傳感器和裸光纖傳感器2種類型。本文提出的點帶通用式傳感器也是創新技術之一，可簡化硬件設計。弧光傳感器硬件上由光感應材料、支架托盤、傳輸光纖、連接器件及光收發單元組成，如圖4所示。它的光感應材料可以彎曲，當作為點式安裝時，可盤繞成多圈圓環后通過連接器和傳輸光纖連接，提高安裝點的感光面積，感應角180°；當作為裸光纖使用時可纏繞在母線上，感應角360°，最終接入收發單元。對于交界面清楚、可能造成弧光的部位，可選用點狀方式，例如開關柜的母線室、斷路器室觸頭或電纜室電纜接頭部位；對于結構復雜、空間狹窄、遮擋較多、產生弧光的部位不確定的設備，可采用裸光纖方式，例如抽屜式開關柜、整流柜等。弧光傳感器的數量按工程中監視或保護對象的數量配置，一般母線室安裝1～2個，斷路器室安裝1個，對于開放式的無功補償柜可按每2～3 m配置1個。

2關鍵技術

環網分布式弧光保護系統具有4大技術特點。特別適用于未來智能變電站發展的需要。

圖3　從機機箱結構

圖4　弧光傳感器組件

2.1面向智能變電站的接口技術

為滿足智能變電站的需求，SV按模擬量接入主機的5組互感器通道，也可接入SV IEC 61850-9-2-2009報文，開關量可以通過主機的開入、開出模件接入，也可接入GOOSE網，此外還提供了從機上的開入和開出接口，提供的接口見表1。

表1　環網分布式弧光保護接口

2.2基于高可靠性無縫冗余環網組網的技術

目前，弧光保護傳感器擴展的主要形式是使用擴展單元，而擴展單元之間的連接或通信方式直接影響弧光保護系統的總體速度和可靠性。早期技術方案由國外提出，主要是串行通信，成熟產品有ABB公司的REA100系列、VAMP公司的VB40系列。國內市場逐步啟動后，生產廠商根據國內市場的需求對技術進行了改進，開始采用星形網絡，例如南京弘毅電氣自動化有限公司的DPR360系列，其優點是實現簡單，價格便宜，可靠性尚可，缺點是隨著擴展單元節點的增加，網絡傳輸延時加大，且當其中任何一個擴展單元失效后，下級網絡的數據全部中斷，必然影響弧光保護系統的速動性和可靠性。高可靠性無縫冗余環網技術的提出，解決了以上所有問題，將其簡化后用于弧光保護系統優勢明顯：速度快，容量大，安全可靠性極高。圖5為1主2從節點的網絡示例，環網接口為ST型光纖接口百兆光口，由FPGA處理數據收發邏輯，每個節點分別向網口A，B發送相同數據包，接收節點采用先到先用、后到丟棄的策略，可防止類似網絡風暴的發生。假設有500個弧光傳感器接入，每個數據是16位，那么數據的傳送延時為500×16×0.1÷1 000=0.8(ms)，考慮弧光掃描間隔是200 μs，則最大的延時也小于1 ms，說明系統性能優越。此外當環網中某一個節點損壞，其他節點的數據必然有一向可到達主機，弧光保護功能不受影響，并且通過內部算法可確定失效節點位置，發出告警信號，通知現場運維人員到場檢修。

圖5　數據包交換

2.3弧光傳感器自檢技術

弧光傳感器的自檢技術是弧光保護系統能夠正常、可靠運行的重要保障手段之一，它的主要作用是實時檢測弧光傳感器是否可靠在線。本文提出的弧光傳感器單元采用了雙光纖的環形結構(Bare fiber)，具有光發送器(emitter)和光接收器(detector)，如圖6所示，采用這種方式能夠檢查多點弧光數據，也可以通過光發送器發出特殊調制的自檢光，檢測光纖的通斷。自檢光在脈寬、波長等參數上區別于弧光，保證其可靠性。

圖6　弧光傳感器的自檢方法

2.4快速跳閘技術

弧光保護用于中低壓母線的首要目的是保護人身財產安全，目前市場上銷售的開關柜基本上是按照GB 3906—1991《3～35 kV交流金屬封閉開關設備》生產的，開關柜可以承受的電弧燃燒時間為100 ms，大于此時間可能造成開關柜、變壓器等設備燒毀，甚至造成人身事故，因此動作時間是弧光保護的最重要指標之一。而中低壓斷路器跳閘時間良莠不齊，一般在35 ms左右，為保證安全、可靠地切除故障，IGBT跳閘技術配合突變量過流技術可以使裝置的整組動作時間接近5 ms。該技術將晶閘管和繼電器并聯，通過軟件實現了晶閘管在動作瞬間觸發，而在正常接通后，繼電器投入，晶閘管退出了工作，故不會產生諧波電流，且只在動作瞬間耗電，由于繼電器的接觸電阻小，發熱可忽略，無需安裝散熱片或風扇，降低運行維護成本，既體現了晶閘管開關速度快的優點，又規避了晶閘管燒毀的可能，將諧波危害降為最低，真正達到了高速、節能、環保的目的。

3結論

綜上所述，分布式弧光保護系統，采用多種接口技術適用于智能變電站，點帶通用式傳感器技術和改進的高可靠性無縫冗余環網組網不依賴于外界時鐘，簡化了設計，提高了系統的整體性能。弧光傳感器的自檢技術和IGBT跳閘技術保證了動作的快速、可靠，降低了維護的難度。南京國電南自電網自動化有限公司已成功研制環網分布式弧光保護裝置，通過專業檢測機構檢測，并成功試運行。

參考文獻：

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[3]田廣青.電弧光保護及其在中低壓開關柜和母線保護中的應用[J].電氣應用，2004(1)：27-30.

[4]丁北平，吳英俊，陳琳燦，等.基于RTDS的中壓母線弧光保護試驗研究[J].浙江電力, 2013(11)：73-76.

[5]牛洪海，嚴偉，王杰.中低壓母線電弧光保護設計與應用[J].江蘇電機工程,2014，33(1)：56-59.

(本文責編：弋洋)

收稿日期:2015-10-19；修回日期:2016-04-10

中圖分類號：TM 774

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)05-0011-04

作者簡介：

張瑋(1980—)，男，湖北武漢人，工程師，工學碩士，從事低壓保護的研究與開發方面的工作(E-mail:gotozw@126.com)。

李玉平(1978—)，男，湖南郴州人，工程師，從事電力系統繼電保護技術方面的工作。

康豐(1978—)，男，湖北漢川人，高級工程師，工學碩士，從事微機母線保護軟件開發方面的工作。