10kV线路保护测控装置的同期合闸功能实现

徐玉琴 ，聂 暘 ，高 原 ，王 雪 ，康 慧 ，焦彦军

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.西北大学 城市与环境学院，陕西 西安 710127；3.北开电气集团有限公司，浙江 嘉兴 314000）

0 引言

随着能源政策的调整，一些与主电网并网的地方小电源（如小水电厂、自备电厂等）日益增多，10 kV配电网结构日益复杂。电网对10 kV线路保护、测控装置的功能配置要求越来越多，性能要求越来越高［1-4］。其中，实现同期合闸已是10 kV线路保护测控装置的必备功能之一。

文献［5-6］分析了变电站测控装置的硬件结构设计及同期点预报算法，但并未具体介绍同期合闸原理及软件实现流程。文献［7］提出并实现了一种新型微机自动准同期装置，采用频率差和电压差的自适应控制方法，以及单向频率差和单向相角差并列原则，但该方法测量精度较低，并且运行不够稳定，在较大冲击下容易发生并列的情况。

本文说明了同期合闸方式，给出了实现同期合闸的详细条件约束及实现方案，介绍了所研发的以CPU STM32F407为核心的线路保护测控装置硬件系统，包括主CPU处理器系统模块、模数采集与处理模块、开入/开出量模块、人机接口模块、通信模块及电源模块等，它也是实现同期合闸功能的硬件平台。同时，本文说明了同期合闸中所采用的频率测量方法及实现方案，确定了完整的同期合闸软件流程，采用C++开发语言完成了软件开发。通过微机继电保护测试实验和动模实验验证了同期合闸功能的准确性。

1 同期合闸原理

对带有地方电源的10 kV线路，为了满足运行方式的需要，线路保护测控装置中需配备同期合闸功能，实现电网互联［8-9］。进行同期合闸操作时，必须考虑两侧频率、电压之间是否满足同期条件，避免冲击电流给电网带来的振荡和冲击［10］。

理想同期合闸条件为断路器两侧电压幅值相等、频率相同，断路器合闸的瞬间相角差为0°。但实际同期合闸操作并不能完全满足上述条件。本文结合电网运行情况，具体分析同期合闸方式及所需满足条件。

1.1 自动检无压合闸

检无压合闸即断路器两侧均没有电压或其中任意一侧没有电压，需要测量母线侧电压Um和线路侧电压Ux，同时判断是否有电压互感器（TV）断线闭锁信号。自动检无压合闸分为以下2种情况。

a.当线路侧电压Ux与母线侧电压Um都小于无压定值，且电压互感器断线没有发出闭锁信号时，满足同期合闸条件。

b.当线路侧电压Ux与母线侧电压Um有且只有一侧有电压，且电压互感器断线没有发出闭锁信号时，满足同期合闸条件。

在两侧都有电压的情况下，同期合闸程序自动识别是同频并网还是差频并网。由于测量过程中两侧的频率存在误差因此，当时就认为是同频并网，否则就认为是差频并网。

1.2 同频并网

同频并网即断路器两侧是同一系统的两部分，合上断路器后电网在此处增加1个联络点，并网时应同时满足以下3个条件：

a.母线电压、线路电压、母线侧频率和线路侧频率在正常范围内，并且满足

b.母线侧电压和线路侧电压的差值小于最大允许电压差值；

c.母线侧电压相角与线路侧电压相角差小于最大允许相角差。

1.3 差频并网

差频并网是2个无联系的系统并网或发电机组并网，并网时应同时满足以下5个条件。

a.母线电压、线路电压、母线侧频率和线路侧频率均在正常范围内。

b.母线侧频率和线路侧频率的差值满足式（1）：

其中，为最大允许频率差。

c.母线侧电压和线路侧电压的差值小于最大允许电压差值。

d.母线侧电压与线路侧电压的相角差逐渐减小。

e.，其中φ为导前角测量值，φda为导前角，ε为误差精度。导前角计算公式如式（2）所示：

其中，tda为导前时间。

2 同期合闸实现方案

2.1 频率计算方法

频率测量是同期合闸的重要内容之一，本装置采用周期法计算频率。周期法是一种基于硬件电路测频的方法，容易实现，而且电力系统的频率变化具有一定惯性。因此，周期法测频在精度和时间上均满足要求［11-12］。周期法测频原理如图1所示。

图1 周期法测频原理图Fig．1 Schematic diagram of cyclic frequency measuring

时间闸门的开放时间为被测信号的周期T，高频时钟信号每隔tCLK发1次信号，记录时间T内所发高频信号的个数N，则周期T可用式（3）进行计算，测量频率如式（4）所示。

周期法只需1个周期就可以测量频率，高频信号频率越高，测量就越准确。

2.2 同期合闸软件程序流程

本装置中同期合闸程序按照图2编写。

图2 同期合闸程序流程图Fig．2 Flowchart of synchronous closing routine

3 硬件系统设计

3.1 硬件系统构成

同期合闸功能是在线路保护测控装置的统一硬件平台上实现的。硬件电路采用模块化设计，主要由主CPU处理器系统模块、数据釆集与处理模块、开入/开出量模块、人机接口模块、通信模块及电源模块等组成，如图3所示。

图3 硬件系统构成图Fig．3 Composition of hardware system

系统CPU为MCU STM32F407芯片，采用STM32F系列的ARM-cortex4内核，具有浮点运算能力和增强的数字信号处理（DSP）指令，新增信号处理的功能，提高了运行速度。另外，以MCU STM32F407芯片为核心的硬件系统主要负责人机对话的管理以及与内/外部进行通信联络的任务，其主要硬件设计电路包括2路DM9000A以太网接口、3个串行接口和1个对时接口。

线路保护测控装置需要对三相电压、三相电流、不平衡电压、不平衡电流及零序电流等进行12路交流采样，为保证数据采样的速度和精度，采样电路选用了外部模数转换芯片AD7606。

3.2 开关量输入/输出板

开关量输入电路主要完成外部信号状态的输入任务，主要包括断路器与隔离开关的辅助触点及跳合闸的位置、继电器的接点输入等。本装置接收DC 24 V开入信号，共有20路开关量输入。开关量输入信号经过光耦隔离，再通过74HCT245驱动传入CPU。

开关量输出板的输出继电器采用高容量型继电器，节点容量高达AC 220 V、16 A，可保证硬件输出回路的可靠性。继电器驱动采用24 V驱动，并具有完善的防误闭锁功能。

3.3 模拟量输入板

模拟量输入板共有12路交流输入，即：三相电压、三相电流、三相测量电流、1路零序电流、1路不平衡电流、1路不平衡电压。电压互感器输入采用300V/7.07V电压互感器，电流互感器输入采用50A/7.07 V电流变换器将电压和电流分别转化为小电压信号传输至CPU板，供AD7606采样。同期合闸母线电压、线路电压都通过该模块选择、转换。

3.4 通信接口

本装置共有2路以太网接口，其中1路为CPU自带，另外1路通过并行总线扩展。选用DM9000A芯片作为以太网的物理层接口芯片。

3.5 频率测量电路

线路保护测控装置测频原理如图4所示。测频电路将电压正弦波信号经过光耦隔离输入互感器和比较电路，最终输出与正弦波频率相等的方波信号。

图4 测频原理图Fig．4 Schematic diagram of frequency measuring

4 同期合闸实验测试

利用PW30AE型继电保护测试仪对线路保护测控装置进行了测试，为检验同期合闸功能的实现，主要测试内容如下。

a.线路侧检无压元件定值校验。

测试方法：投入同期功能和检无压合闸功能，设置无压检测时间定值为0 s。A、B、C三相电压正常，按照表1数据设置线路侧电压，测试装置动作行为。表中测量值分别取0.975Uset和1.025Uset，Uset为相电压整定值。

表1 线路侧检无压元件定值校验Table1 Setting calibration of line-side no-voltage check element

分析表1测试结果可知，当测量电压小于整定值时，满足检无压合闸条件，发出同期合闸命令；反之，装置不动作，与所编写程序的逻辑相符合。

b.同频检测元件定值校验。

测试方法：两侧电压有效值均在正常范围内，电压差为0，初始相位差为0°，按照表2数据设置电压频率，测试装置动作行为。

表2 同频检测元件定值校验Table 2 Setting calibration of same-frequency check element

由表2测试结果可知，当频率差小于设定频率差0.05 Hz时，能够实现同频并网；大于等于设定频率差时，装置不动作。测试结果与理论分析相符。

c.差频检测元件定值校验。

测试方法：两侧电压有效值均在正常范围内，电压差为0，两侧频率在正常范围内，按表3设置频率值，初始相位差设置为较大数值，测试装置动作行为。

表3 差频检测元件定值校验Table 3 Setting calibration of different-frequency check element

由表3测试结果可知，当频率差大于设定频率差0.05 Hz时，能够实现差频并网；小于等于设定频率差时，装置不动作。测试结果与理论分析相符。

5 动模实验

为了进一步验证线路保护测控装置的同期合闸性能，搭建如图5、图6所示的测试系统进行动模实验。本文装置接在QF1处。设置最大允许频率差为1 Hz。以下波形图中Ux表示线路侧电压，Ua表示A相母线电压。

a.检无压合闸。

采用图 5 所示系统，在 QF2、QF4闭合，QF1、QF3断开的情况下接入同期合闸开入，此时母线侧有电压，线路侧没有电压。利用DF1024录波仪进行录波，试验波形如图7所示。

图5 检无压、差频合闸实验系统Fig．5 Test system of no-voltage check and different-frequency closing

图6 同频合闸实验系统Fig．6 Test system of same-frequency closing

图7 检无压实验波形Fig．7 Experimental waveforms of no-voltage check

由图7可知，母线侧有电压，线路侧没有电压时可以合闸。

b.差频合闸。

采用图 5 所示系统。 令 QF2、QF3、QF4闭合，QF1断开。

调节发电机转速，使发电机侧频率在同频检测门槛值（0.05 Hz）和最大允许频率差之间，接入同期合闸开入，实验波形如图8所示。

图8 差频合闸实验波形（1）Fig．8 Experimental waveforms of different-frequency closing（1）

调节发电机转速，使发电机侧频率大于最大允许频率差，接入同期合闸开入，实验波形如图9所示。

图9 差频合闸实验波形（2）Fig．9 Experimental waveforms of different-frequency closing（2）

由图8、图9可知，频率小于最大允许频率差时可以在合适时刻发出合闸命令，对应合闸时刻的相位差很小；频率大于最大允许频率差值时不会发出合闸命令。

c.同频合闸。

采用图 6 所示系统，QF2、QF3、QF4闭合，QF1断开。设置最大允许相位差为30°，并联线路带较轻负荷，测试线路断路器两侧电压相位差小于最大允许相位差时，接入同期合闸开入，实验波形如图10所示。

图10 同期合闸实验波形（1）Fig．10 Experimental waveforms of synchronous closing（1）

设置最大允许相位差为10°，并联线路带较重负荷，测试线路断路器两侧电压相位差大于最大允许相位差时，接入同期合闸开入，实验波形如图11所示。

由图10、图11可知，并联线路轻载且相位差小于定值时会发出合闸命令，重载时不满足合闸条件，故没有发出合闸命令。

动模实验波形表明本文所提同期合闸方案能够快速准确地识别同期合闸方式，实现预期目标。相较文献［7-8］中所提方法，本文方案细化了同期合闸程序流程，全面考虑了同期合闸的不同方式，降低了装置的误动及拒动概率，保证配电网安全可靠运行。

图11 同期合闸实验波形（2）Fig．11 Experimental waveforms of synchronous closing（2）

6 结论

本文分析了同期合闸方式，细分了同期合闸条件，利用线路保护测控装置硬件平台实现了同期合闸功能。

本装置CPU模块采用MCU STM32F407芯片，可准确完成数据采集和信号处理任务，提高了系统运行速度。利用硬件电路测频，易于实现，频率及频率滑差误差较小。微机继电保护测试和动模实验结果表明，装置能够正确完成同期合闸功能，具有良好的实用价值。

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