基于一次系统故障模拟的二次系统试验技术研究

陈勇　许守东　李胜男　张丽　冯自权

摘要：电气保护装置、开关设备在线路发生故障时，若其出现保护装置、开关拒动现象导致出现故障的故障设备或线路部分不能及时的被切除，使电气设备被进一步破坏，同时也使电网中其余没有故障的部分遭到破坏（主要表现为短路，电流过大引起熔断等），对电网安全和电力系统所产生的影响是很大的，而且其故障只能依靠相关后备保护延时动作切除，若不能及时反应大面积停电将不可避免。同理，保护装置、开关设备的勿动会缩短变电站电气设备的寿命，严重的会引起大面积的停电事故，为人民的生活和工业生产造成不可估量的损失。因此，二次保护装置和一次开关设备的稳定、可靠工作是电力系统安全运行的前提。本文主要分析电力一次系统故障类型，研究二次系统的调试检修方法，并开发能够真实模拟一次系统故障的功率放大器，从而实现变电站一二次系统的整体检测和试验。

关键词：故障；二次系统；功率放大器；试验系统

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）30-0120-04

0引言

近年来，随着我国社会经济的高速发展，我国电力事业取得了明显的进步，社会对电能的需求量也越来越大，电能已经成为人们生活和社会发展不可缺少的能源之一。但是在变电运行过程中还是会遇到各种各样的故障，电力系统运行过程中出现的一系列故障会对电力系统的性能造成影响，最终会影响到电力系统的正常供电。在人民对电力系统供电要求越来越高的背景下加强对电力系统的研究有着重要的意义。

电力结构及分布的调整会建设越来越多的输配电线路，而变电站在电力系统中连接于发电厂和用户起着电压变换、分配电能的作用，目前，变电站的数量在不断增加，设备也在逐年增加，人们对变电站二次系统的的检修和保养工作也越来越关注。目前国内对变电站二次保护系统的检修调试试验研究主要分为两方面，一方面是通过继保测试仪模拟二次值得故障模拟量和数字量，实现对保护设备的全面检修测试。此类此类方法优点是设备体积小，操作检单，测试范围广，缺点是只能对单体装置进行测试，不能对整体设备性能考核，不能模拟实际一次设备故障。另一方面是依靠仿真测试系统，通过模拟仿真系统软件构建全站设备的仿真系统，利用放大器输出各种类型故障实现全站仿真测试。此类方法优点是能对全站设备进行模拟仿真，模拟故障接近真实运行环境，精确度高，缺点是设备昂贵，体积庞大，只能放在实验室使用，不能拿到现场进行检修调试，且不能模拟一次系统故障。

本文主要提出了一种基于一次系统故障模拟的技术，通过开发高精度、大电流（2000A）功率放大模块，利用综合仿真系统来控制多路大电流功率放大器输出大电流，实现变电站互感器、合并单元、智能终端、保护测控设备和断路器等设备的综合仿真测试，模拟现场实际短路故障（三相短路、单相接地、两相短路和两相短路接地等）和断线故障（一相断线和两相断线等）等，测试环境与实际现场一模一样，对传统变电站、智能变电站的综合性测试有很大的帮助和指导。

1一次系统故障分类

在电力系统中，常见的故障种类有短路故障、断线故障和其它各种复杂故障（即在不同地点同时发生短路和断线），而发生频率最高和对电力系统影响最大的市短路故障。依短路故障为基础分析，高压送电线路故障分为单相接地故障、两相短路故障、两相接地故障、三相短路故障、三相接地故障等5种类别，最常见的是单相接地故障，占到故障总数的90%以上。常见的故障类型主要有雷击故障、风偏故障、污闪故障、覆冰故障、外力故障、鸟害故障、其它故障等。

系统如果发生短路故障时，基本特点可以分为四种：

①单相接地短路故障：1）一相电流增大，一相电压降低，出现零序电流、零序电压。2）电流增大、电压降低为同一相别。3）零序电流相位与故障相电流同相，零序电压与故障相电压反相。

②两相短路故障：1）两相電流增大，两相电压降低，设有零序电流、零序电压。2）电流增大、电压降低为相同两个相别。3）两个故障相电流基本反相。

③两相接地短路故障：1）两相电流增大，两相电压降低，出现零序电流、零序电压。2）电流增大、电压降低为相同两个相别。

④三相短路故障：三相电流增大，三相电压降低，没有零序电流、零序电压。

经过分析可知，短路故障会使故障相电流在短时内迅速升高，其数值可能超过该回路额定电流的许多倍，短路点距发电机距离越近，短路电流越大，而短路电流流过导体和用电设备时，所产生的过量的热能可能会损害导体和用电设备。短路故障还会引起系统电网中电压的降低，特别是靠近短路点处的电压下降最多，部分供电用户会受到影响，严重还会引起用电设备的寿命和安全。同时，不对称接地短路所引起的不平衡电流在线路周围产生不平衡磁通，对附件的通信系统会造成一定的干扰，甚至会危及通信设备和人身安全。

2二次系统调试

无论是传统变电站还是智能变电站，目前安全维护的区域主要分为两部分，一部分是变电站建设初期的调试验收试验，另一部分是变电站正常运行时的定期检修维护试验。以智能变电站为例，智能变电站从建设到投运经过设计生产、系统调试、电气安装和现场调试等环节，具体如图1所示。

全站设备的调试主要分以下：

配置文件检查（icd、SCD）；

合并单元单体（精度、报文离散、级联、切换等）；

智能终端单体（开入开出、动作时间、自检告警）；

保护测控单体（功能逻辑、定值、处理方法）；

整组（保护之间配合、压板正确性）；

对时精度；

数据同步性；

交换机性能。

目前由于测试仪设备等条件限制，在变电站的建设调试及后期维护检修中，通常采用模拟二次系统故障方法来实现，具体如图2所示。

采用二次系统故障模拟方法能够对单体装置做详细的测试，但是此方法完成整站调试检修耗时较长，会做很多重复性工作，最重要的是无法实现变电站现场运行工况和故障类型的真实模拟，例如采用单体装置测试时，无法模拟电磁互感器CT饱和现象用。同时，无法实现变电站整体全面测试及不同保护开关设备的配合能力验证，从而对变电站的后期运行留下许多未知的安全隐患。endprint

3一次系统故障模拟方案

针对目前变电站调试中存在的不足，本文主要介绍一种基于一次系统故障模方案来实现二次系统的检测和试验。通过模拟实际一次系统接地、短路等复杂故障，来对一个或多个间隔的二次系统进行整体检测，验证各装置性能、动作正确性以及相关电流、电压、连接回路的正确性。

方案原理：采用控制主机、单相大电流功率放大器和三相电压功率放大器模式构成一次故障模拟系统。控制主机内置控制仿真软件，通过分布式光纤同时控制三相电压放大器与分相电流放大器输出，分相电流放大器输出一次值大电流通过电缆直接连接在电流互感器一次侧，互感器将一次大电流转换为二次额定电流接入到合并单元电流输入端，三相电压功率放大器输出二次额定电压接入到合并单元电压输入端，合并单元将模拟量二次电压电流转换为数字量电压电流信号传输给保护、测控等装置，而断路器刀闸位置通过智能终端GOOSE信号反馈给控制主机，从而实现瞬时故障和永久故障的模拟真实模。一次故障模拟系统整体实现闭环控制，通过控制主机控制仿真软件精确控制电流放大器和电压放大器的电流电压输出值大小和时间从而真实模拟各种短路故障，实现一次加量，保护装置、合并单元、智能终端、互感器、断路器、刀闸开关等一二次设备整体测试的效果。

优点：该系统方案采用分布式设计模式，电流放大器采用单相模式，能保持较高电流输出，技术上容易实现。二次系统低电压能够满足保护设备基本故障需求，变电站调试检修人员人身安全得到极大保证。控制主机直接控制电压电流同步输出，整个模拟系统直接从互感器一次侧直接加量，大电流可以逼真仿真各种类型一次系统故障和CT饱和等现象，真实模拟整个变电站运行环境，操作方便，稳定性好。整套故障模拟系统拆装简单，方便变电站调试检修使用。

缺点：电流放大器分散输出，体积重量会比常规放大器偏大，携带不方便。但是大电流放大器目前技术只能实现单相输出，且通过对电流放大器加装小滑轮，不影响实际现场使用。

4装置功能实现

控制主机：主机装置主要负责数据传输、同步以及解析控制功能。控制主机内部集成数字信号处理DSP（Digital Signal Processing）芯片、FPGA（Field-Programmable Gate Array）芯片以及IEC61850高速通信卡。工作时，主机装置根据控制软件相关指令，产生控制电压电流功率放大器的相关指令，该指令通过高速通讯卡传输传输给相关功率放大器，放大器产生的相关模拟量传输给对应的保护设备，当模拟保护故障时，保护装置跳闸后将智能终端对应的信号通过开关量信号输入到控制主机，实现控制主机的闭环控制和实时控制。DSP芯片内综合了硬件乘法器，其单周期指令执行时间为50ns，35ns，25ns，保证电压电流功率放大器三相能够实现同步传输，完全能够满足数据处理传输的实时性。控制主机最大可同时接入9台分布式终端（即电流电压放大器），能够实现母线、线路故障的模拟，另有3个GOOSE报文收发端口，8对硬开入和8对硬开出。可以实现断路器刀闸位置等开关量信号的灵活输入，从而构成完整的闭环测试系统。

功率放大器：综合功率放大器的线性度、响应速度、精度度、负载能力和兼容性等各个方面的综合因素考虑，电压电流功率放大器均采用线性功率放大器。功率放大器主要由高速差分放大器输入回路、电流功率放大器模块、失真检测及报警电路、保护电路和风冷系统构成，具有噪声低、高精度、大电流、快速响应、线性输出性能优良和过热自动保护等特点。工作时，外部输入相关控制指令，控制信号通过差分放大器模块、波形发生模块、数模转换模块和电压电流功率放大模块输出对应的电压电流信号。当功率过载或内部结构发生故障时，保护电路及时发送相关控制信号，从而切断输出电压电流信号。

电流放大器输出一次大电流，真实模拟一次系统故障，电流输出范围为0～2000A，输出精度为0.5%，输入输出延时20us，电流上升时间小于500us。电压放大器电压输二次额定电压，因为一次高压对工作人员的安全造成严重威胁，且二次额定电压也能达到试验效果。电压输出范围为0～120V，输出精度为0.1%，输入输出延时20us，电流上升时间小于100us。

5结论

实际故障模拟系统基于能够产生一次大电流的功率放大器模块，真实模拟电力系统运行环境，首次实现变电站互感器、合并单元、保护测控设备、智能终端、断路器、智能刀闸和高压开关的整体调试检修，及早发现并解决不同电力装备厂家在配合中出现的各种问题。同时，分布式设计思想还能够实现保护设备的单体调试，携带移动方便，能够适应实验室、变电站现场等不同场合的应用。实际故障模拟系统真正实现了变电站一次系统故障真實模拟，对变电站现场调试检修、电力科学院及高校和科研机构的电力研究有据大的帮助和指导意义。endprint