面向智能变电站的环网分布式弧光保护系统

张玮，李玉平，康丰，陈庆旭，叶品勇

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京　211100)



面向智能变电站的环网分布式弧光保护系统

张玮，李玉平，康丰，陈庆旭，叶品勇

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京211100)

摘要：在新一代智能变电站建设中，为保证中低压母线的可靠性和安全性，充分利用先进的网络通信技术提供的可共享的数据信息，与合并单元和智能单元配合，提出了适用于智能变电站的环网分布式弧光保护系统。通过双重冗余环网将从机互联并共享数据，依托于通信的高可靠性，各从机不进行逻辑判断，采用单主机设计方案。点带通用式传感器及其自检技术有利于系统的扩展和检修，快速跳闸技术可提高智能变电站的整体性能。

关键词：智能变电站；环网分布式；分布式弧光保护；自检技术；快速跳闸

0引言

我国中低压电网多采用中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的运行方式，而单相接地故障是该运行方式下最常见和频率最高的故障形式。我国运行规程规定，出现单相接地故障后机组可继续运行2 h，这是该运行方式的主要优点，但目前中低压电网不断扩大，出线多，线路长，当电力电缆大量使用时，单相接地电容电流大幅增加，通过接地点的电流为全系统非故障相的对地电容电流之和，达到一定程度后，单相接地电弧不能自动熄灭，极易重燃，并出现电弧接地过电压，可导致电网中电感和电容回路产生电磁振荡[1]。此外，非故障的对地电压升高为线电压，当系统中某些设备的绝缘较差时，故障可迅速发展为相间短路，电弧持续燃烧释放的巨大能量会烧毁开关柜，若没有及时切除故障，会造成主变压器绕组损坏，因此，为防止故障进一步扩大，需要装设继电保护装置[2-5]。随着GB/T 14598—2016《弧光保护装置技术要求》和《弧光保护装置选用导则》的陆续制订和发布，有理由相信在未来的智能化电网建设中，弧光保护将占有一席之地。弧光保护系统由电弧光单元、弧光传感器、电流单元及监控后台组成。目前常规变电站中各厂家弧光保护多采用弧光主机加扩展机的方式各自组屏、集中布置，现场走线繁杂且多为电缆硬连线，也有部分厂家使用光缆代替电缆，但组网方式多为串形或星形结构，当其中某一节点损坏，必然导致下级弧光保护数据全部丢失，带来不可靠因素和更多的维护工作量。为简化二次回路，考虑到弧光保护装置与被保护对象距离远近不一，且弧光传感器多为点对点模式，光缆数量众多，由于现场环境、安装等多种因素，以智能变电站分布式母线保护多年成功运行经验和实践探索为基础，提出了在智能变电站中构建以弧光保护主机为“大脑”，以弧光保护从机为“眼睛和耳朵”，以符合IEC 61850系列标准要求的监控系统为“表达方式”，结合智能单元和合并单元应用的层次化弧光保护控制系统，采用光纤双重冗余环网的组网方式和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)快速跳闸技术，实现可靠、快速切除故障，减少了二次设计和施工难度，降低工程造价，保护针对性强，便于维护和检修。

1系统方案

1.1系统组成

在智能变电站应用中，弧光保护系统的特点是充分利用可共享的数据信息和网络通信技术，强调了设备之间的协调配合，进而提升了保护控制系统的总体性能，其系统结构如图1所示。

图1中弧光保护系统由监控主机、弧光保护主机、弧光保护从机、弧光传感器、进线合并单元及变压器高、低压侧合并单元组成。采用1主多从的方式，弧光从机间隔布置，条件允许时可按每3个间隔配置1台从机，每个从机与相应间隔母线室内的弧光传感器通过专用光纤连接，从机之间通过光纤环网组成一个可靠的双备份网络，各从机独立采集弧光数据并将数据发往环网，进线合并单元根据IEC 61850-9-2-2009《特殊通信服务映射》相关规定，采样值(SV)报文将进线电流采样数据通过SV网发往主机，主变压器高、低压侧智能单元通过GOOSE网发送断路器位置信号，主机处理全部信息，逻辑判断后通过GOOSE网发送跳闸信号给各智能单元执行。若断路器拒绝跳闸，主机将通过GOOSE网发送断路器失灵跳闸信号，使上级保护动作。

图1　智能变电站弧光保护系统结构

面向智能变电站的环网分布式弧光保护系统，解决了传统中低压母线保护动作速度慢、装置冗余、接线复杂、调试检修与扩建不便等问题，充分利用了SV数据网和GOOSE网，增加了冗余容错，提高了可靠性，是未来智能变电站中低压母线保护的发展方向。

1.2弧光保护主机

弧光保护主机安装在保护屏上，考虑到装置的可靠性和运行维护的便利，采用222.250 mm封闭式机箱、钣金工艺，背插式设计，如图2所示。从正面看，装置含有液晶、发光二极管(LED)指示灯和键盘。从背面看，装置5个功能模块分别是交流采样模件(AC)、核心处理模件(CPU)、环网通信模件(CC)、跳闸信号模件(TRIP)及电源模件(POWER)。

图2　主机机箱结构

1.3弧光保护从机

从机硬件架构如图3所示，采用66.675 mm挂壁式封闭机箱，盒式设计，弧光数据的模数转换器(AD)采集、LED指示、开入、开出及数据、收发均由1块现场可编程门阵列(FPGA)逻辑芯片控制。所有数据流只在FPGA的内部总线交互，各逻辑功能协同工作。为满足现场需要，机箱不配置液晶显示器，仅设计LED用于实时显示装置状态，2个按键用于设置从机地址，LED功能包括显示本机地址信息、弧光传感器状态自检信息和通信口状态监视信息。从机结构简单，调试、维护方便，只有本机地址这1个参数需要设置，安全性、可靠性极高，可安装在开关柜仪表室内的任何位置。

1.4弧光传感器

弧光传感器是系统的重要组成部分，《弧光保护装置选用导则》将传感器分为点状传感器和裸光纤传感器2种类型。本文提出的点带通用式传感器也是创新技术之一，可简化硬件设计。弧光传感器硬件上由光感应材料、支架托盘、传输光纤、连接器件及光收发单元组成，如图4所示。它的光感应材料可以弯曲，当作为点式安装时，可盘绕成多圈圆环后通过连接器和传输光纤连接，提高安装点的感光面积，感应角180°；当作为裸光纤使用时可缠绕在母线上，感应角360°，最终接入收发单元。对于交界面清楚、可能造成弧光的部位，可选用点状方式，例如开关柜的母线室、断路器室触头或电缆室电缆接头部位；对于结构复杂、空间狭窄、遮挡较多、产生弧光的部位不确定的设备，可采用裸光纤方式，例如抽屉式开关柜、整流柜等。弧光传感器的数量按工程中监视或保护对象的数量配置，一般母线室安装1～2个，断路器室安装1个，对于开放式的无功补偿柜可按每2～3 m配置1个。

2关键技术

环网分布式弧光保护系统具有4大技术特点。特别适用于未来智能变电站发展的需要。

图3　从机机箱结构

图4　弧光传感器组件

2.1面向智能变电站的接口技术

为满足智能变电站的需求，SV按模拟量接入主机的5组互感器通道，也可接入SV IEC 61850-9-2-2009报文，开关量可以通过主机的开入、开出模件接入，也可接入GOOSE网，此外还提供了从机上的开入和开出接口，提供的接口见表1。

表1　环网分布式弧光保护接口

2.2基于高可靠性无缝冗余环网组网的技术

目前，弧光保护传感器扩展的主要形式是使用扩展单元，而扩展单元之间的连接或通信方式直接影响弧光保护系统的总体速度和可靠性。早期技术方案由国外提出，主要是串行通信，成熟产品有ABB公司的REA100系列、VAMP公司的VB40系列。国内市场逐步启动后，生产厂商根据国内市场的需求对技术进行了改进，开始采用星形网络，例如南京弘毅电气自动化有限公司的DPR360系列，其优点是实现简单，价格便宜，可靠性尚可，缺点是随着扩展单元节点的增加，网络传输延时加大，且当其中任何一个扩展单元失效后，下级网络的数据全部中断，必然影响弧光保护系统的速动性和可靠性。高可靠性无缝冗余环网技术的提出，解决了以上所有问题，将其简化后用于弧光保护系统优势明显：速度快，容量大，安全可靠性极高。图5为1主2从节点的网络示例，环网接口为ST型光纤接口百兆光口，由FPGA处理数据收发逻辑，每个节点分别向网口A，B发送相同数据包，接收节点采用先到先用、后到丢弃的策略，可防止类似网络风暴的发生。假设有500个弧光传感器接入，每个数据是16位，那么数据的传送延时为500×16×0.1÷1 000=0.8(ms)，考虑弧光扫描间隔是200 μs，则最大的延时也小于1 ms，说明系统性能优越。此外当环网中某一个节点损坏，其他节点的数据必然有一向可到达主机，弧光保护功能不受影响，并且通过内部算法可确定失效节点位置，发出告警信号，通知现场运维人员到场检修。

图5　数据包交换

2.3弧光传感器自检技术

弧光传感器的自检技术是弧光保护系统能够正常、可靠运行的重要保障手段之一，它的主要作用是实时检测弧光传感器是否可靠在线。本文提出的弧光传感器单元采用了双光纤的环形结构(Bare fiber)，具有光发送器(emitter)和光接收器(detector)，如图6所示，采用这种方式能够检查多点弧光数据，也可以通过光发送器发出特殊调制的自检光，检测光纤的通断。自检光在脉宽、波长等参数上区别于弧光，保证其可靠性。

图6　弧光传感器的自检方法

2.4快速跳闸技术

弧光保护用于中低压母线的首要目的是保护人身财产安全，目前市场上销售的开关柜基本上是按照GB 3906—1991《3～35 kV交流金属封闭开关设备》生产的，开关柜可以承受的电弧燃烧时间为100 ms，大于此时间可能造成开关柜、变压器等设备烧毁，甚至造成人身事故，因此动作时间是弧光保护的最重要指标之一。而中低压断路器跳闸时间良莠不齐，一般在35 ms左右，为保证安全、可靠地切除故障，IGBT跳闸技术配合突变量过流技术可以使装置的整组动作时间接近5 ms。该技术将晶闸管和继电器并联，通过软件实现了晶闸管在动作瞬间触发，而在正常接通后，继电器投入，晶闸管退出了工作，故不会产生谐波电流，且只在动作瞬间耗电，由于继电器的接触电阻小，发热可忽略，无需安装散热片或风扇，降低运行维护成本，既体现了晶闸管开关速度快的优点，又规避了晶闸管烧毁的可能，将谐波危害降为最低，真正达到了高速、节能、环保的目的。

3结论

综上所述，分布式弧光保护系统，采用多种接口技术适用于智能变电站，点带通用式传感器技术和改进的高可靠性无缝冗余环网组网不依赖于外界时钟，简化了设计，提高了系统的整体性能。弧光传感器的自检技术和IGBT跳闸技术保证了动作的快速、可靠，降低了维护的难度。南京国电南自电网自动化有限公司已成功研制环网分布式弧光保护装置，通过专业检测机构检测，并成功试运行。

参考文献：

[1]王德志，张爱萍.电弧光保护在应用实践中的改进[J].电力系统保护与控制，2009,37(24)：230-231.

[2]王增平，姜宪国，张执超，等.智能电网环境下的继电保护[J].电力系统保护与控制，2013,41(2):13-18.

[3]田广青.电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用[J].电气应用，2004(1)：27-30.

[4]丁北平，吴英俊，陈琳灿，等.基于RTDS的中压母线弧光保护试验研究[J].浙江电力, 2013(11)：73-76.

[5]牛洪海，严伟，王杰.中低压母线电弧光保护设计与应用[J].江苏电机工程,2014，33(1)：56-59.

(本文责编：弋洋)

收稿日期:2015-10-19；修回日期:2016-04-10

中图分类号：TM 774

文献标志码：B

文章编号：1674-1951(2016)05-0011-04

作者简介：

张玮(1980—)，男，湖北武汉人，工程师，工学硕士，从事低压保护的研究与开发方面的工作(E-mail:gotozw@126.com)。

李玉平(1978—)，男，湖南郴州人，工程师，从事电力系统继电保护技术方面的工作。

康丰(1978—)，男，湖北汉川人，高级工程师，工学硕士，从事微机母线保护软件开发方面的工作。