直流系統智能保護裝置及系統組建的論述

變電站的直流電源是全站作為控制、信號、繼電保護的操作電源，也是重要設備的保安電源及事故照明電源。監視和維護直流設備的完好性對變電站以及整個電力系統的安全可靠運行至關重要。直流系統的可靠是保障變電站安全運行的決定性條件之一。當直流系統發生短路故障時，上下級空開有時會產生越級跳閘，擴大停電范圍；當線路發生接地故障時，接地線路判別不準，也會使正常線路受到影響。另外寄生回路或不同支路間爬電故障、高壓斷路器動作異常等故障也是存在的隱患。目前國內變電站普遍存在的這些問題，還沒有較好的解決方法。直流監測與保護需要通過兩種不能互聯的裝置實現：監測采用直流絕緣監察裝置，保護采用直流斷路器。直流斷路器本身不帶通訊模塊和智能設定模塊，無法實現智能化的監控和遠方操作。因此，開發一種帶通訊的直流保護裝置，實現直流斷路器的通訊和遠方控制，對直流系統進行智能化保護：對直流系統實時分級保護、多項參數在線監測、實時預警、故障定位等功能的直流智能保護裝置及其后臺系統組建十分重要。

一、直流智能保護裝置設計原理優越性

目前國內變電站系統普遍采用直流斷路器作為保護裝置，直流斷路器的保護特性是反時限特性：當短路達到反時限區域定值，進入速斷動作區即跳閘。當系統發生短路時往往上下級空開都能夠同時達到反時限動作區，達到各自的速斷動作值，由于每只開關的機械性能不一樣，則可能造成越級跳閘，擴大停電范圍。

1.直流智能保護裝置。克服現有技術缺陷，利用成熟的單片機技術、開關電源技術、霍爾直流檢測技術、通訊技術，整合應用組建功能完善的直流保護系統。解決了直流保護動作值不能智能設定，不能通訊遠傳問題。

2.直流保護技術的發展。從最初的熔斷器、到后來的斷路器，都是不具備通訊功能和定值整定功能的動作設備。也就無法同時實現直流參數的監測。直流智能保護裝置及直流分級控制綜合監測保護系統的組建研發的成功，實現了直流系統保護監測的通訊化、智能化、集成化、網絡化。

二、直流智能保護裝置及系統組建技術方案介紹

目前國內都是開斷直流斷路器對直流進行保護。直流斷路器本身不帶通訊模塊和智能設定模塊，無法實現智能化的監控和遠方操作，采用本裝置和系統可以實現直流斷路器的通訊和遠方控制，對直流系統智能化保護。

1.功能介紹。直流智能保護裝置具備直流級差保護、電壓電流實時監測、接地監測及報警、寄生回路或不同支路間爬電報警、直流空開的遙控切斷、高壓斷路器動作異常報警、通訊功能、事件記錄功能。

2.各項保護功能判據設定。①級差配合：通過對每個饋線的動作電壓以及動作時間進行整定，達到隔離越級跳的可能性。②接地監測報警：當直流系統中存在接地，接地電阻小于20KΩ時，裝置發出報警信號，并自動定位，指出接地故障存在的支路。③寄生回路或不同支路間爬電報警：當變電站繼電保護系統、中央信號系統、通訊遠動系統等不同系統之間或同一系統內部不同支路之間存在寄生回路，或由于絕緣擊穿等原因造成不同支路間發生爬電故障時，本系統均認為存在寄生回路并實現定位和報警功能。④直流空開遙控切斷：具備通訊接口，可通過對直流斷路器的直接控制，實現直流斷路器的遠方分斷功能。特別適合無人值守站和智能變電站。⑤高壓斷路器動作異常報警：當控制回路、繼電保護裝置獲自動裝置向斷路器發出分合閘指令，直流分斷保護裝置可以利用電流突變檢測空能檢測到分合閘脈沖，若在一定時間之內斷路器沒有動作，分合閘脈沖仍然存在，該裝置會發出斷路器動作異常報警，給繼電保護動作系統的動作行為提供分析依據，也可以驅動直流斷路器跳閘以避免燒損高壓斷路器部分的分、合閘線圈，并提醒對斷路器進行檢修。⑥裝置及系統具有“三遙”所需的通信功能。通信協議符合國家標準。遙信：直流斷路器的分、合位置遠方實時監測。遙測：電流、電壓、漏電電流實時顯示。遙控：能夠遠方遙切直流開關。具有標準的通訊協議，采用多種通訊接口：RS232/RS485通訊接口、可與上位機通訊。可以輕松接入變電站綜合自動化系統或者調度系統中。⑦事件記錄。每路饋線保護都與保護裝置內的MCU處理器進行通訊，MCU處理器對每條饋線事件進行綜合分析判斷、記錄，為變電站設備運行提供事件分析依據。

3.直流智能保護裝置結構原理圖。其功能方框圖如圖所示。

圖1. 直流智能分級保護裝置結構圖

①如圖1示，直流智能保護裝置主要包括開關電源、MCU處理器、跳閘機構、互感器、上位機和自動化后臺。MCU處理器與互感器和跳閘機構連接，開關電源與進線連接取電并轉換成低電壓24V、12V、5V為MCU處理器供電，互感器和跳閘機構安裝在進線上，上位機與MCU處理器連接，上位機通過串口線或以太網與設置在遠端的自動化后臺連接。采用熱動脫扣器加新型電子跳閘機構，用電子原件構成電路。進線穿過互感器產生與進線電流成比例的縮放電壓信號，互感器發送電壓信號給MCU處理器將采集的實時信號與預設值進行對比、并驅動跳閘機構斷開出線，同時通過互感器檢測的漏電流信號對直流故障進行判斷；上位機對事件進行記錄，自動化后臺實現遠方對直流系統的分斷、監控以及實時電流電壓采集和故障原因及報警；進線上還安裝有熱動脫扣器做為后備保護。當發生直流故障時，靠設定的動作時限來實現定時限智能保護以防止上一級開關誤動作跳閘。②MCU子系統采用美國MICROCHIP 公司MCU PIC30F6012A 單片機作為軟硬件開發平臺。MCU 的最小系統為整個微機保護裝置的核心。依據一定的算法和邏輯判斷對采集到的數據進行實時分析處理，并根據處理結果完成輸出控制功能。適合實時分析、控制和操作任務，在本裝置中主要實現對直流系統實時電壓、電流等參數的測量，數據超過整定值時，發出動作信號，單片機將此動作信號默認為中斷信號，結合指定的過流或漏電流預設數據進行判據，完成保護功能。③電源模塊。為使硬件結構簡練緊湊，本裝置采用模塊電源，輸入電壓220V（直流），輸出電壓為+24V、+12V、+5V。電源模塊內置設備之中，無需另外增加電源。+5V供MCU處理器工作，24V驅動跳閘機構工作，12V供設備顯示報警等。

4.直流分級控制綜合監測保護系統組網結構示意圖 。直流智能分級保護裝置控制部分與直流系統之間沒有直接的電氣連接，對直流不注入外加信號，各單元相對獨立，對直流系統的每一級和每條線路進行實時檢測，并對電流電壓、直流接地、直流寄生回路等進行在線監測，數據傳輸至后臺數據接收管理機，可根據供電公司需要傳輸至各級管理中心。

三、結語

直流智能保護裝置替代常規直流斷路器，對直流回路具有過電流保護作用，具有電流實時監測、報警及通信功能，可自由設定動作電流和時間。防止上一級開關誤動作現象的發生，解決直流保護不能遠傳通訊的問題。在結構上便于安裝，從根本上解決了變電站直流系統的安全問題。有效的簡化了直流系統接線繁雜、故障檢修困難、功能模塊分散等問題，將直流故障監測模塊，直流CT，電流電壓檢測等集成為一體。而通過其分級組建的直流分級控制綜合監測保護系統，綜合考慮了目前直流系統保護領域中的各種應用情況與需求，結合單片機技術、霍爾直流技術、開關電源技術、通信技術，組建功能強大、操作簡便、安全可靠、高性價比的實時綜合保護系統，將設備運行狀態信息遠程傳送。系統綜合功能集中、節約硬件投資。從而實現對直流系統的綜合保護和高效管理。

（作者單位：陜西省電力公司寶雞供電公司）