过程层网络的推广对直流系统故障的改善研究

张 晟，谢 征，杨 印，黄 博，董晓峰

过程层网络的推广对直流系统故障的改善研究

张 晟，谢 征，杨 印，黄 博，董晓峰

（国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114001）

直流系统故障始终是威胁变电站生产的一大隐患，其隐蔽性、复杂性及事故严重性一直困扰着运维检修人员。通过解析直流故障的原理，结合对数字化变电站过程层的研究，参考王铁变“网采网跳”的实例，阐述第三代综合性变电站向数字化变电站转型的过程中，直流系统完成“以软代硬”、“织纤成网”的重大意义。

直流系统故障；网采网跳；数字化变电站

1 直流系统结构及组件

变电站直流电源是电力系统中断路器操作机构、继电保护装置、信号装置及事故照明装置的可靠电源，其可靠性直接影响到电网的安全运行。

直流系统主要包括直流电源（充电装置、蓄电池组）、直流母线（合闸母线、控制母线）、直流馈线、监控系统（微机监控装置、绝缘监测装置），如图1所示。

图1 直流系统逻辑结构图

直流系统主要靠通信信号和电缆传递完成其各模块的衔接，传输数据的正确性与可靠性尤为重要。而绝缘监测主要是针对直流接地故障的测量报警装置，需要设置绝缘监测装置在直流系统对地绝缘降低后迅速发出报警信号。其设计思路可参考小电流接地系统TV零序电压绕组的应用，虽然不能作为保护切除故障，但起到故障警报的作用。

2 直流接地的危害

在实际工作中，直流系统分布广、回路多、很容易发生故障和异常，其中最常见的是直流接地故障。

直流接地故障指的是系统中出现了与大地绝缘降低的情况。如果只有一点接地，不会对直流系统造成直接危害，但必须及时消除故障，否则，若在直流系统中再有一点接地就可能造成对整个电力系统的严重危害。

当直流系统的正极或负极对地绝缘水平降低到某一整定值时，绝缘监测系统判断直流接地并发出响应信号。例如，对220 V直流系统，‖u＋｜-｜u-‖＜40 V或绝缘降低到25 kΩ以下应视为直流接地。常态下，正负极绝对值的差应为0，如果正负极差大于40 V或小于-40 V，表明正负极有一方对地电压小于原有电压，由此可推理发生了系统接地故障。

发生故障后，如果上述回路内再有一点接地故障，2个接地点会跟大地形成通道从而形成回路，而在接地两点间所“跨过”（短接）的部分，根据2个接地点位置的不同，对直流系统的影响也不同。A，B两点接地是指A、B两点将电流继电器1KA、2KA触点短接，＋wc→A→大地→KC→-wc构成导通回路，QF常开触点也闭合，使LT启动跳闸线圈跳闸进而导致断路器误动，如图2所示。

图2 直流接地故障分析图

当A、C两点接地时也会造成断路器误动，由此可得出结论，当断路器线圈的控制触点或中间继电器的控制触点直接或间接的被两点接地回路短接时，会在一定程度上造成断路器误动。由于该情况下有一个接地点在正极附近，称之为直流系统正极接地，如图3所示。

而当BE、CE、DE位置短接时，2个接地点的回路直接将继电器或开关回路线圈短接，这样，无论故障点前的电流如何流入，都不能经过中间继电器或断路器线圈，此类接地故障相当于将开关的功能“屏蔽”掉。基于该故障有一个接地点在负极，称之为直流系统负极接地，如图4所示。

在220 kV综合型变电站中，为了实现系统的稳定性和保护的可靠性，220 kV线路的保护通常采用2套独立保护，对2套独立保护要求是“非同源非同原理”，直流部分的供应通常采用2组蓄电池，从而形成2组独立的直流系统。直流环网的形成原因通常是2套独立系统出现了电气上的连接。

该故障的现象为“2套绝缘检查装置均发出了直流接地信号”，一组直流系统为正极绝缘降低，另一组直流系统为负极绝缘降低，前文分析绝缘监控在‖u＋｜-｜u-‖＜40 V时判定为有接地故障。分析可知，直流环网故障应该是一个电源的正极与另一个电源的负极相“中和”，导致“中和”部分对地电压降到25 kΩ以下。当排查直流系统将连接点断开时，2个警报也会随即消失。

图3 直流系统正极接地图

图4 直流系统负极接地图

除了直流接地、直流环网之外，还有一种比较严重的故障就是交流串直流。直流系统和交流系统本应为2个相互独立的系统。直流系统为不接地系统，而交流系统为接地系统。交流串直流实质是指2个系统发生了电气连接，交流系统串入直流系统，使直流系统处于接地状态，发生交流串直流会导致断路器直接动作跳闸。若交流从负电源侧串入直流系统，由于交流分量过零，且通过图5中所示的路径流入绝缘监测装置，装置检测出“正、负两极同时接地状态”。另外，交流电流可以通过电缆的对地电容形成回路，引起断路器直接跳闸，即所谓的保护“无故障跳闸”。

图5 交直混流故障分析图

若交流从正电源侧流入直流系统，同样的原理如图5所示，绝缘监测装置检测出“正、负两极同时接地状态”。电缆对地电容的等效值，比从负电源串入的容抗值要大一些。故交流从正电源侧串入比从负电源侧串入“无故障跳闸”的概率要稍低一些。

3 直流系统故障原因分析

通过对直流系统故障的本质探究，直流系统的异常以及故障的直接原因大多是由于控制回路对地的绝缘控制线路馈线，线路之间的绝缘不足或者损坏产生的。针对直流系统故障问题，在不断的生产实践中也取得了一系列的改善措施，如敷设继电保护专用铜地网，增大继电器的动作功率等。但是由于控制电缆的存在无法根本解决，将电缆作为信号传输介质为系统带来的影响主要有以下几点。

a.每个类别的信号都要用一回单独的线路来传递，加上继电保护数据的需要，造成线路冗杂，端子排多密，增大了直流故障的可能性，电缆接线见图6。

图6 电缆接线图

b.根据《鞍山供电公司操作规范》排除直流故障，按照14种回路顺序逐一拉合，可称为“拉路”法，其原理对直流接地的处理在于找接地点。“拉路法”虽然可达到排除系统内直流接地故障的目的，但工作步骤及逻辑的冗杂严重影响绝缘排查的高效性和准确性。

c.电缆的布置和建造过程以及维护过程中自身带有一定影响，下雨天经常会发生直流接地。因为雨水飘入密封不好的户外二次接线盒，使接线桩头和外壳导通接地；二次线与转动部件（如开关柜门）靠在一起经常受到磨损，造成绝缘损坏也会导致直流接地；另外，二次接线松动脱落，抗干扰电容击穿等因素都会导致直流接地。前文提及的交直窜流也是因电缆的对地电容引起的。

除了上述3点，线路还存在电缆耦合问题。由于电磁耦合产生的事故也不胜枚举，各种干扰源通过控制电缆耦合进入二次设备，造成设备的损坏或保护装置的不正确动作时有发生。

综上所述，电缆作为直流系统以及二次回路的衔接者，控制回路的载体已经不能满足当今电网对二次及直流回路稳定性、可靠性和简约性的要求。为此，新的传输媒介及传输网络取代电缆成为直流系统改造的焦点。

4 数字化变电站对过程层的整改

4.1 光缆取代电缆的优势

光缆电缆对比图如图7所示。

图7 光缆电缆对比图

光纤差动保护的产生结束了高频保护在差动保护领域的弊端。通信设备由光发射机、光纤、中继器和光接收机组成，发射机将电信号转变为光信号。通过光纤的传播，再由光接收机把光信号转为电信号，完成电→光→电的传送，数字化变电站在构建的投运过程中借鉴了光纤这种传播介质的优越性，用光纤取代了原有控制电缆的硬连接，有如下几点优势。

a.与电缆传输的信息相比，通道容量更大，且不受信息类别的限制，可以将二次回路接线大大简化，减少接线的数量。该方式不仅减少了材料的使用，更简化了二次系统，可以降低直流系统维护量单点接地故障的可能性。

b.光纤成缆时，其涂覆层及套塑构成的保护套能承受较大的机械冲击，与电缆机械磨损和绝缘层破损相比确有较强的机械性优势。

c.光纤距离传输中的中继距离长，由于传播的是光信号，极大程度上削弱了电磁干扰，同时也不会产生对系统造成影响的耦合电容等。光缆在材料层面上取代了电缆，新传递介质的应用降低了直流系统故障的可能性。

4.2 织纤成网

在综合自动化变电站中，随着微机保护的全面使用，通信设备同时投入到站控层的组织框架里。在交换机的帮助下光纤链接到站控层，使光纤通信在变电站中得到应用，在站控层中，操作指令通过光纤通信将指令传到断路器的控制端。

为进一步简化二次系统逻辑，将过程层的改造列入日程。原有二次系统信息逻辑关系是谁使用谁同步原则（点对点原则），即使改造后的光纤通道容量很大，大量信号通过也同样会造成通信阻塞，进而造成效率性和可靠性的降低，因此，将数据采集出来上传到网上，需要时到网平台上取的想法不断得到落实，也改变了原有设备与设备之间点对点的原始逻辑关系，“网采网跳”逻辑图如图8所示。

图8 “网采网跳”逻辑图

王铁变电站是国内为数不多的网采网跳数字化变电站，除了一次组件全智能外，更主要的是在逻辑架构上保留了过程层演变的过程，综合站与数字化变电站的逻辑结构对比如图9所示。

图9 综合站与数字化变电站的逻辑结构对比图

通过逻辑图的对比，网络将整个直流过程层的组件合并在一起。IEC61850是关于变电站自动化系统通信网络和系统的国际标准。制定IEC61850的主要目的是为了实现变电站内不同厂家智能电子设备间的互操作。该标准对站内智能电子设备的信息描述方法、访问方法和通信网络进行了全面定义，使不同厂家的智能电子设备可以互操作。因此，建立在IEC61850标准之上的数字化变电站更有效地解决了设备互操作问题，数字变电站的整体结构如图10所示。

图10 数字变电站整体结构图

GOOSE（Generic Object Oriented Substation E⁃vent）指面向通用对象的变电站事件，它的存在和引入使IEC61850的流通和设备间的沟通有了一个“平台”。基于GOOSE网络传输代替传统的硬接线实现开关位置、闭锁信号和跳闸命令等实时信息的可靠传输，其在过程层应用的可靠性、实时性、安全性能满足继电保护的要求。进而实现了将原有IDE点对点逻辑关系网络化、MU传入信息平台化、逻辑结构精简化。

随着数字化通信技术的进一步发展，直流接地故障将不再是一个难题，综合自动化变电站的改进方向以及大量数字站的使用将从根本层面上解决困扰电力系统多年的“顽疾”。

5 结束语

目前正处于综合自动化站向智能化数字变电站的转型期，也是第三代变电站向第四代变电站转型的时代，虽然某些技术还有待提升，如同步对接、电子互感器的应用等。但数字站的转型方向毋庸置疑，既有承接性又有改进性，单从过程层改造这一点讲，对原有直流系统故障的防范效果显著。不仅从原理上降低了故障的可能性，也同样降低了接线和运检的成本。

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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

张 晟（1990—），男，学士，主要从事电力系统稳态研究。

2015-04-01）