变电站测控和保护装置中电源模块优化设计

王 川，崔 勇

（1.国网江西省电力公司吉安供电分公司，江西 吉安343000，2.华北电力大学经济与管理学院，北京昌平 102206）

0 引言

某变电站执行一条220 kV联络线的送电操作任务时，值班人员对该线路断路器同期遥控合闸不成功，通过检查确认联络线两侧电气量同期并列条件满足，且相关一、二次设备运行正常。检查发现线路测控装置电源插件实际上为220 kV线路保护装置电源插件，经追查得知该测控装置在发生电源插件故障时，由于缺少备品备件，检修人员临时采用线路保护装置的电源插件代替，人为加工后将规格不符的电源插件接入测控装置。装设了错误电源插件的测控装置长期运行并未出现异常告警，所以电源插件一直未更换。本次事故造成了变电站与电厂的220 kV联络线延期7 h并列。

1 提出优化设计思路

若采用一种将变电站内同一电压等级一次设备的保护和测控装置电源模块进行通用化设计，则在电源模块更换工作环节即可实现简单化。根据《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》（2012年修订版）[1]中15.5.2规定：微机保护装置的开关电源模件宜在运行6年后予以更换，实践证明许多保护和测控装置的电源插件在不到6年的运行时间内就已出现故障，给安全运行带来巨大威胁。所以将电源模块进行通用性优化设计是完全可行的。

目前国网公司范围内已经推行运行检修工作一体化改革，采用通用的电源模块，对于运行人员来说可以提升检修效率，大大减少误检修的可能性。

2 排查和推断

2.1 事故分析排查

线路测控装置的同期功能是由CPU模块上的一个开入量启动，而向CPU 提供电气量进行同期判别的元件是非智能交流模块，非智能交流模块共有8个输入端子，其中使用了U1、U2、U3、Ux四组电压输入端子，分别代表变电站母线相电压Ua、Ub、Uc以及线路A相相电压Uax，其余四组电流端子未接线。非智能交流模块中的变压器将U1和Ux放大，输入CPU模块中进行A/D转换，获得两侧电压幅值；同时再将电压经方波形成回路整形得到方波，输入CPU 模块并经测频、测相运算后得到U1、Ux的频率和相位差。CPU模块将以上运算结果进行判别比对，就是整个测控装置同期判别过程。

测控装置同期合闸操作的判别定值设有三个条件，即待并列两侧电气量允许合闸角为15°，频差定值为0.5 Hz，电压差定值为10 V（二次值），同时满足三者条件时才可进行同期合闸操作。

测量测控装置同期非智能交流模块电压背板输入端子，显示母线三相电压和线路相电压的采集输入正常，测控装置本身未报出任何报警或装置呼唤信号；检查测控装置整定值，确认与定值单规定的定值一致。更换了错误的电源插件的测控装置在运行期间可以实现遥控分合闸，且信号指示正确。由于没有发出告警和其他异常信号，没有引起人员重视并保持测控装置持续运行。

人机对话界面调阅测控装置的线路A相电压Uax显示为0.1 V，等同于采样数值为零，而正常时Uax应有58 V 左右的采样值。24 V、5 V 的电压供给正常，电压显示灯正常显示。

2.2 输出端子检查推断

进一步检查，把保护装置电源插件拔出后，在输入端子施加直流±220 V电源，然后用万用表测量电源插件±12 V 输出端子之间电压，发现没有±12 V电压输出。据保护装置相关技术资料说明，保护装置电源插件虽然在铭牌上标注有±12 V 输出电源，但在实际使用中并没有±12 V输出[2]。

2.3 结论推断

厂家设计中，测控装置±12 V 输出端用于装置的非智能模拟量采集回路，±12 V 供给非智能交流模件方波形成回路和A/D 转换回路运行。缺少了±12 V电源的测控装置无法进行非智能交流采样和A/D 采样，进而无法同期采样致使同期操作失败。但由于±12 V电源仅为非智能交流采样功能提供电源，测控装置中其余的包括CPU、智能交流采样、跳闸出口、开入开出等功能均不需要±12 V电源供给，所以在不进行同期合闸的运行过程中，电源插件混用并不会造成任何异常。

事故中反映了检修人员没有对被检修设备的原理深入了解，同时厂家没有对电源插件的设计差异化进行重点说明，导致检修人员错误地认为电源插件可以混用并酿成事故。

3 通用电源插件的可行性

根据引起这起事故中检修人员的这种错误方法，考虑将两套装置的电源插件通用化设计，可以节约制造和设计成本，又可以有效提升因电源模块故障引起的故障处理效率。

3.1 两种装置电源插件的原理对比

某厂家生产的数字式综合测控装置电源插件接线原理图如图1 所示，直流220 V 输入后经滤波至内部逆变电源模块，转换成供各处理器系统工作的5 V电源、用于模拟采集系统的±12 V电源、用于驱动信号回路及继电器的24 V(1)电源，以及用于外部开入的24 V(2)电源。

图1 某厂生产的综合测控装置电源插件原理示意图

某厂生产的保护装置电源插件接线原理图如图2 所示[3-5]，电源电压的转换原理和过程与测控装置电源插件大致相同，同样经内部电源模块将±220 V 的高压电转换成5 V 和24 V 电源。与测控装置模拟采集系统所需要的±12 V 电源不同的是，保护装置采用5 V 输出作为各处理器芯片的工作电源，而处理器芯片CPU 模块是整个装置的核心部分，完成模拟量、开关量的处理，实现控制和逻辑功能，然后产生相应的控制出口，发信号及通讯传输等，这一系列过程均由5 V 电源驱动，且上述所有功能的总负荷电流不超过3 A，这样由5 V 电源驱动完全可以满足要求，因此保护装置在运行中不需要±12 V 电源[6-8]。

图2 某厂生产的保护装置电源插件接线

3.2 通用性电源插件设计

测控装置电源插件可以输出5 V、±12 V、24 V（1）、24 V（2）电源，所以通用电源插件可以采用测控装置电源插件的内部电源模块。具有通用性的电源插件可以用于相同规格的测控装置和保护装置，接线图见图3，该电源插件可以输出5 V、±12 V、24 V（1）、24 V（2）电源，当用于不需要±12 V 电源的保护装置时，可以通过AN1、AN3 关闭±12 V 和24 V（1）电源输出，合上AN2保持±24 V电源输出，再将无±12 V电源输出的电源插件装入保护装置。而用于测控装置时，只要确保电源插件中5 V、±12 V、24 V（1）、24 V（2）各路均有输出即可安装运行。

图3 通用电源插件原理接线

制造这种通用电源插件时，只需要在原测控装置电源插件上进行简单改造即可，在内部电源模块中增加一路±24 V 电源输出[9-10]，有选择性输出的回路中增加手动控制分合的开关，以防止因电路电源错接和电压不匹配造成的装置不正常运行。通用电源插件背板接线设计图见图4。

图4 通用电源插件背板接线

要注意的是文献[11]中指出：电源插件输出功率不足将导致输出电压下降，进而影响比较电路基准值的变化、充电电路时间变短等异常现象，最终使保护装置的逻辑配合出现异常甚至逻辑判断失误。由于保护装置和测控装置虽然功能不同，但内部工作原理大致相同，在进行通用电源插件制造时应考虑装置内部负载需求，进而设计能同时满足两套装置负载的电源插件[12-14]。

4 结束语

考虑到保护和测控装置的电源模块易损易老化部件，和重要变电站和重要设备的保护和测控装置在电网中的地位之重，可以采用通用于保护装置和测控装置的电源插件。这种通用电源插件一旦投入实际运行，并作为装置备品备件配齐，可以大幅缩短电源插件的更换效率，有效改善运行检修一体化工作的薄弱环节，从中长期眼光考虑，可以进一步提升电网尤其是超/特高压电网的运行可靠性。

[1]国家电网公司生产技术部.《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》（2012年修订版）[S].北京：国家电网公司，2012.

[2]许继电气股份有限公司.FCK-800微机测控装置说明书[Z]

[3]国电南京自动化股份有限公司.PSL-601 数字式线路保护装置技术说明书[Z].

[4]许继电气股份有限公司.WXH-802/3A 微机线路保护装置说明书[Z].

[5]国电南京自动化股份有限公司.PSR-650 数字式综合测控装置技术说明书[Z].

[6]余华武，史志伟.保护测控装置继电器回路抗干扰分析[J].电网技术，2012,36(5):36-41.

[7]吕仁清，蒋全兴.电磁兼容性结构设计[M].南京：东南大学出版社，1990.

[8]黄益庄.变电站智能电子设备的电磁兼容技术[J].电力系统保护与控制，2008，36（15）：6-9.

[9]董福广.基于模块化设计的微机保护测控装置通用平台的研究[D].山东：山东大学，2008.

[10]南京工学院、西北电讯工程学院合编.电子设备结构设计原理[M].南京：江苏科学技术出版社，1979.

[11]王川.实用电源技术(第二版).[M]，重庆：重庆大学出版社，2005.

[12]邱关源.电路（第四版）.[M]，北京：高等教育出版社，1999.

[13]张斌，周斌，黄国方，等.数字化测控装置关键技术的实现[J].电力自动化设备，2009，29（11）：109-111.

[14]黄国方，徐云燕，奚后玮，等.新型超高压变电站测控装置的研制[J].电力系统自动化，2005 29（6）：98-100.