變電站直流回路中防交流竄入的直流試驗(yàn)電源設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM721.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2025）13-0015-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.002

Design of DC Test Power Supply for Preventing AC Intrusion in DC Circuitof Substation

ZHANG LiujieWANG Bohan LI Ang ZHANG Wenbo （Super High Voltage Company of State Grid Henan Electric Power Company， Zhengzhou 45Oo00， Chin

Abstract：[Purposes] The DC system of a substation is acrucial part of the power grid operation.It provides energy for secondary equipment and ensures the safe and stable operation of primary equipment. However， the intrusion of AC into the DC system poses a serious safety risk in the operation of substations.This paper elaborates in detail on the development processof a DC test power supplythat can monitor the intrusion of AC into the DC loop.[Methods] In response to the problem of AC intrusion，this study analyzes its hazards and the deficiencies of existing measures，and then proposes a development scheme for the test power supply. By investigating the power supply topology，control and protection circuits，AC intrusion detection，and the switching of DC power supply output，a DC test power supply with innovative features has been designed. It includes detection technologies based on the differential voltage method and the DC-blocking capacitor method，multiple output interfaces and selectable output voltage ranges.[Findings] Test results demonstrate that， the power supply protection response is rapid， the output voltage stability is within ±0.5% ，with the detection accuracy exceeding 99 % . [Conclusions] The proposed power supply is expected to prevent accidents caused by the intrusion of AC，improve the operational safety of the power grid，and provide strong support for the operation and maintenance of substations.

Keywords： DC circuit; AC intrusion; DC test power supply; monitoring and protection

0 引言

變電站二次回路中的直流系統(tǒng)是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要組成部分，可以為各類測(cè)控、繼電保護(hù)及故障錄波等二次設(shè)備穩(wěn)定地提供工作電源，確保這些設(shè)備能夠正常運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備的精確控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[]。直流系統(tǒng)的穩(wěn)定與否，直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全可靠性，其穩(wěn)定運(yùn)行是電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)保障。

當(dāng)交流竄入直流系統(tǒng)時(shí)，會(huì)引發(fā)一系列嚴(yán)重問(wèn)題。首先，接地故障發(fā)生率會(huì)顯著增加，極有可能造成控制回路短路，進(jìn)而使保護(hù)和斷路器出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)情況[2]。這種誤動(dòng)或拒動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障范圍擴(kuò)大，影響電力正常供應(yīng)。其次，交流竄人可能引發(fā)直流控制設(shè)備自啟動(dòng)，不僅會(huì)干擾設(shè)備正常運(yùn)行，而且可能對(duì)設(shè)備造成損壞，縮短設(shè)備使用壽命[3]。更為嚴(yán)重的是，設(shè)備的異常運(yùn)行可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等危險(xiǎn)情況，對(duì)變電站內(nèi)相關(guān)工作人員的生命安全構(gòu)成極大威脅。

盡管目前在電力系統(tǒng)中已采取多種預(yù)防交流竄入直流的措施，如提高直流系統(tǒng)絕緣水平、嚴(yán)格分設(shè)交流和直流電纜4、優(yōu)化中間出口繼電器設(shè)計(jì)及減小二次回路分布電容等[5，但這些措施主要是從源頭進(jìn)行防范，對(duì)于已經(jīng)發(fā)生的交流竄人情況缺乏有效的檢測(cè)手段。在監(jiān)測(cè)方面，雖然已有在直流母線對(duì)地安裝鉗位二極管、設(shè)計(jì)濾波器及安裝保護(hù)裝置等處理方案，但市面上現(xiàn)有的直流電源大多不具備交流竄人檢測(cè)功能，導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行中無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)交流竄入問(wèn)題，難以采取有效措施，避免事故的發(fā)生。因此，研制一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)直流回路交流竄人情況的直流試驗(yàn)電源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1直流測(cè)試電源的設(shè)計(jì)

防交流竄人直流測(cè)試電源的研制涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)原理，包括防交流竄入檢測(cè)電路、交直流信號(hào)實(shí)時(shí)識(shí)別技術(shù)和多種報(bào)警模式技術(shù)。電源設(shè)計(jì)包括電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)及電壓信號(hào)的采集、判斷、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。

1.1交流竄入檢測(cè)原理

1.1.1差分電壓法。差分電壓法的核心原理是通過(guò)在直流母線正極或負(fù)極與大地之間設(shè)置電壓采樣電路，對(duì)直流系統(tǒng)中的電壓信號(hào)進(jìn)行采集。首先，將采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，其自的是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，提高信號(hào)質(zhì)量，便于后續(xù)分析和處理；其次，將調(diào)理后的信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；最后，由微控制單元（MCU）進(jìn)行計(jì)算判斷，MCU會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)算法對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析，判斷其是否存在交流竄入特征。如果檢測(cè)到信號(hào)存在交流成分且超過(guò)設(shè)定閥值，則判定為有交流竄入直流系統(tǒng)的情況發(fā)生。差分電壓法如圖1所示。

圖1差分電壓法

1.1.2隔直電容法。隔直電容法是在直流系統(tǒng)平衡電阻的基礎(chǔ)上，在母線負(fù)極（或正極）與大地間設(shè)置交流信號(hào)提取電路。該電路利用串聯(lián)電阻和電容分壓來(lái)調(diào)節(jié)電壓，通過(guò)合理選擇電阻和電容的值，將交流信號(hào)從直流信號(hào)中有效地分離出來(lái)。采樣電路采集到經(jīng)過(guò)分壓調(diào)節(jié)后的信號(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換和計(jì)算來(lái)判斷交流竄入情況。與差分電壓法類似，采集到的信號(hào)先經(jīng)過(guò)調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換器，再由MCU根據(jù)特定算法進(jìn)行分析判斷。隔直電容法利用電容對(duì)直流的阻隔作用和對(duì)交流的導(dǎo)通特性，能準(zhǔn)確提取交流信號(hào)成分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流竄入的檢測(cè)。隔直電容法如圖2所示。

圖2隔直電容法

在實(shí)際應(yīng)用中，電壓采樣采用雙電壓互感器差分電路和高精度電阻分壓電路，將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓信號(hào)后進(jìn)行采樣。雙電壓互感器差分電路能有效抑制共模干擾，提高采樣準(zhǔn)確性。高精度電阻分壓電路能根據(jù)需要將高電壓按比例轉(zhuǎn)換為適合后續(xù)處理的低電壓信號(hào)。通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，實(shí)現(xiàn)交直流信號(hào)的實(shí)時(shí)識(shí)別和交流竄入情況的自動(dòng)判斷，并在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)切斷直流電源輸出，保護(hù)后端設(shè)備免受損壞。交流檢測(cè)模塊流程如圖3所示。

1.2 電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用交流220V輸人，經(jīng)橋式整流和電容濾波后，獲得 DC280～DC332V 直流電壓，再通過(guò)全橋變換器實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。全橋變換器由4個(gè)主功率器件 Q1～Q4 、反并聯(lián)二極管和寄生電容構(gòu)成橋臂，與變壓器（含漏電感及外掛諧振電感 L） 和整流電路連接。兩個(gè)橋臂的上下開關(guān)管180^° 互補(bǔ)導(dǎo)通，即當(dāng)一個(gè)橋臂的上開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，下開關(guān)管截止，另一個(gè)橋臂則相反。通過(guò)調(diào)節(jié)橋臂間移相角，可控制變壓器初級(jí)繞組上的電壓波形，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。同時(shí)，這種工作方式還能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)功能，即在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程中，使其電壓和電流的重疊時(shí)間盡可能短，從而降低開關(guān)損耗，提高電源效率，確保電源穩(wěn)定可靠工作。電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.3控制保護(hù)電路設(shè)計(jì)

控制芯片選用PPEC-86CA3A移相全橋數(shù)字電源控制芯片，具有采樣、脈沖寬度調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)和硬件保護(hù)等重要功能。其外圍電路包括驅(qū)動(dòng)電路、電壓采樣電路及狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路等硬件電路，具

體如圖5所示。

驅(qū)動(dòng)電路主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)主功率器件的精確控制，確保開關(guān)管能按照預(yù)定時(shí)序正常導(dǎo)通與關(guān)斷。根據(jù)控制芯片發(fā)出的PWM信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為能驅(qū)動(dòng)主功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使主功率器件在合適的時(shí)間導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)全橋變換器正常工作。

電壓采樣電路負(fù)責(zé)采集輸入輸出電壓信號(hào)，將采集到的電壓信號(hào)反饋給控制芯片。控制芯片根據(jù)這些反饋信息，通過(guò)內(nèi)部算法進(jìn)行計(jì)算和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。例如，如果輸出電壓低于設(shè)定值，控制芯片會(huì)調(diào)整PWM信號(hào)占空比，使全橋變換器輸出更高的電壓，反之則降低輸出電壓，從而保持輸出電壓的穩(wěn)定。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源工作狀態(tài)，包括溫度、電流等參數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到電源工作狀態(tài)出現(xiàn)異常，如溫度過(guò)高、過(guò)流等情況時(shí)，會(huì)立即觸發(fā)硬件保護(hù)機(jī)制。硬件保護(hù)機(jī)制則迅速采取措施，如降低輸出功率、切斷電源輸出等，保障系統(tǒng)安全，防正設(shè)備損壞。

1.4直流電源輸出投切設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)直流電源輸出投切功能，設(shè)計(jì)了多種對(duì)外接口。其中，蜂鳴器輸出接口用于監(jiān)測(cè)到電源電壓異常時(shí)發(fā)出報(bào)警聲響，及時(shí)提醒工作人員注意電源狀態(tài)異常。至少兩路繼電器開出接口，可輸出電源電壓正常或異常狀態(tài)信號(hào)，這些信號(hào)可用于與其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，如在電源異常時(shí)觸發(fā)備用電源投人或通知監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警記錄等。

檔位選擇開關(guān)是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)，可根據(jù)廠站

圖3交流檢測(cè)模塊流程

圖4電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

實(shí)際供電需求選擇 110V 或 220V 輸出電源擋位這一設(shè)計(jì)提高了電源的適用性，使其能夠滿足不同設(shè)備對(duì)電源電壓的要求。用戶可根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景輕松切換電源擋位，方便快捷地為不同設(shè)備提供合適的電源。

2 測(cè)試與驗(yàn)證

為驗(yàn)證本研究研制的直流試驗(yàn)電源性能，在進(jìn)行正式投人使用前，需進(jìn)行一系列仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)，

包括電源輸出特性測(cè)試、交流竄人檢測(cè)準(zhǔn)確性測(cè)試及保護(hù)功能測(cè)試等。

2.1 電源輸出特性測(cè)試

在不同負(fù)載條件下，對(duì)電源的輸出電壓和電流進(jìn)行仿真測(cè)量，結(jié)果見表1。仿真結(jié)果表明，電源在空載至滿載范圍內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定度達(dá)到 ±0.5% ，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 交流竄入檢測(cè)準(zhǔn)確性測(cè)試

通過(guò)向直流回路注人不同頻率和幅值的交流

表1不同負(fù)載條件下的仿真測(cè)試結(jié)果

信號(hào)，模擬交流竄人情況，測(cè)試電源的檢測(cè)能力，結(jié)果見表2。仿真結(jié)果顯示，對(duì)于頻率在 50～500Hz 、幅值大于5V的交流竄入信號(hào)，電源檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到 99% 以上。

表2不同交流信號(hào)參數(shù)條件下的仿真測(cè)試結(jié)果

2.3 保護(hù)功能測(cè)試

人為設(shè)置直流電源輸出過(guò)壓、過(guò)流及交流竄入等故障情況，觀察電源保護(hù)動(dòng)作，結(jié)果見表3。仿真結(jié)果表明，在出現(xiàn)過(guò)壓（輸出電壓超過(guò) 120% 額定值）過(guò)流（輸出電流超過(guò) 150% 額定值）或交流竄入故障時(shí)，電源能在 20ms 內(nèi)迅速切斷輸出，并通過(guò)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，有效保護(hù)后端設(shè)備安全。

表3不同故障類型條件的仿真測(cè)試結(jié)果

3結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)一種防交流竄入的直流試驗(yàn)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，詳細(xì)闡述了其設(shè)計(jì)原理、實(shí)現(xiàn)方法及測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程。通過(guò)對(duì)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制保護(hù)電路、交流竄入檢測(cè)手段和直流電源輸出投切的精心設(shè)計(jì)，使該電源具備多種創(chuàng)新性，如基于差分電壓法和隔直電容法的高效交流竄入檢測(cè)技術(shù)、多種實(shí)用的輸出接口及靈活的供電擋位選擇等。經(jīng)過(guò)一系列嚴(yán)格的仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)，包括電源輸出特性測(cè)試、交流竄入檢測(cè)準(zhǔn)確性測(cè)試及保護(hù)功能測(cè)試等，結(jié)果表明該電源各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

在實(shí)際應(yīng)用中，該電源有望避免因交流竄入導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)或大面積停電事故，顯著提升電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平，為變電站的運(yùn)維工作提供強(qiáng)有力的支持。同時(shí)，也為進(jìn)一步優(yōu)化直流電源性能，提高電網(wǎng)安全性提供有益的參考和借鑒，未來(lái)可在此基礎(chǔ)上繼續(xù)開展相關(guān)研究，以適應(yīng)不斷發(fā)展的電力系統(tǒng)需求。

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