模拟式相序检测电路在线路保护测控装置电流采集回路中的应用

何银康 严相滨

【摘  要】线路保护测控装置电流采集端子接线错误，从而使监控系统得到错误的线路参数或使保护误动、拒动，将对线路运行造成重大隐患。本文从空天馈线保护测控装置功率显示错误的现象入手，结合PT和CT变比、相序、保护测控装置运行状况、监控系统参数设置等因素，并与同一母线正常回路相比较，着重考虑故障时有功功率和无功功率的计算值与显示值存在3倍关系的这一核心问题，经过计算分析，做出了保护测控装置A相电流输入输出端子接反的结论，并围绕此结论进行了一系列兼具保护测量装置功率计算算法、模拟式相序检测电路设计以及相序检测电路在保护测控装置上的应用等在内的分析研究过程。

【关键词】模拟式相序检测电路;三瓦法;数字移相法;离散采样;电磁隔离电路

引言

线路保护测控装置在电力系统中有着非常重要的地位，它是集线路保护、参数测量、与监控系统通信等功能于一体的自动化装置，相当于运行值班人员散布于现场的眼睛。保护测控装置参数测量的正确与否，直接关系到电力线路的运行安全性。电流回路接线错误将直接导致保护测量装置对功率的计算结果，由此带来的危害性很大，主要表现在两方面：第一，由于非电能结算性质的电能统计是对统计区间内功率的积分得到的，因此电流回路接线错误将造成电能统计错误。第二，不能正确地反映电力系统的功率分布情况和线路运行状态，使运行人员不能正确、及时地掌握系统运行情况。因此，及时发现和预防此类故障，可防止线路严重事故的发生。为了能及时有效的发现保护测控装置电流采集回路接线错误，就要采取技术手段对三相电流相序进行检测，保证其正确性，本文就模拟式相序检测电路在保护测控装置电流采集回路中的应用做了进一步的分析探讨。

1.案例及其分析

1.1案例及其现象

2018年3月20日20时许，监盘人员发现，接于我厂空分空压变电所10kvⅠ段母线并于当日正式送电运行的空天馈线，其回路有功功率P、无功功率Q与同一母线上具有相近电流值的其他馈线存在很大差异，用空分空压变电所10kvⅠ段母线进线处的有功功率P总=3.48MW、无功功率Q總=1.69MVar分别减去该母线上除去空天馈线外的所有馈线的有功功率之和P∑=2.95MW与无功功率之和Q∑=1.4259MVar所得到的空天馈线有功功率P计算=530KW，无功功率Q计算=246.1KVar，P计算与Q计算的数值皆为该馈线测控装置显示值（P显=172.72kw，Q显=86.36kvar）的3倍。从而可以得到空天回路有功功率和无功功率计算值分别是其显示值的3倍这一结论。

1.2案例分析

经运行人员在现场检查确认和计算分析，空天回路保护测控装置上的电流、电压显示值均正确无误，保护测控装置无任何故障指示、后台监控系统参数设置也都正确。一时间，问题似乎没有了答案。

为了弄清显示出现错误的原因，我们不妨先来了解一下空天回路使用的保护测控装置功率计算方法。

保护测控装置的有功功率、无功功率计算采用三瓦法，三瓦法的有功功率计算表达式为：

（1式）

式中，、、分别为A、B、C三相电压瞬时值，、、分别为A、B、C三相电流瞬时值，T为被测交流电量的周期。

现代保护测控装置均采用离散的电流、电压采样值进行功率计算，此时1式对应的表达式就变为：

（2式）

对应离散采样值数字移相算法的无功功率计算表达式为：

（3式）

2式、3式中N为电流、电压一个周波内的采样点数，n为每周波N个采样点中的第n个采样点。

由2式、3式可知保护测控装置对三相正弦交流电路的功率测量是采用分相求和的计算方法，由于正常运行时三相电路处于对称状态，三相功率数值基本相等，假设其中任意一相的功率值出现负值，那么该相的数值会与其他两正常相当中的任一相数值相抵消，此时，三相总功率的值就等于一相功率的值，这一推断与上面所述“空天回路有功功率和无功功率计算值分别是其显示值的3倍”这一结论相吻合。按照这一思路，运行人员对保护测控装置的电流、电压输入回路及电流与电压的相位进行检查时发现，三相电压与对应相的电流夹角为

由此可见，是A相电流反相，造成、的数值为负。进一步检查发现是保护测控装置A相电流输入输出端子接反。当把A相电流输入输出端子调换后，测控装置显示值恢复正常。

相同的案例我厂在2015年10月时也曾发生过一起，可见保护测量装置因为电流回路接线错误造成的功率测量显示错误现象在工业企业发生频率较高，给电能计量、功率分布观测、系统运行监视等工作带来诸多不便，针对此类问题使三相电流相序发生改变的这一特点，如果能在保护测控装置电流二次回路中加装相序检测电路，对输入保护测控装置的三相电流进行相序检测，并在相序发生错误时发出报警，这样就可以有效的防止上述问题的发生。

2.模拟式相序检测电路在保护测控装置上的应用

2.1模拟式相序检测电路原理

模拟式相序检测电路原理如图一所示

图一

为了便于电路分析，我们把灯HL1和HL2的电路拆分成两个相互独立的电路，分别对其进行分析，拆分后的两部分电路和其等效电路如图二和图三所示：

图二及其等效电路

图三及其等效电路

对图二等效电路中A点运用弥尔曼定理求解电势，可得

（4式）

对图三等效电路中点运用弥尔曼定理求解电势，可得

（5式）

为方便描述，令=     令=。

对4式、5式进行分析可知，当输入电压相序为正相序时，在图二中，为超前向量α角度的一个向量，如图四所示，如果调整与的值，使其满足=且，那么，将与/等大反向，=0，灯HL1（可将其标注为相序错误指示灯）不亮。而在5式中，为超前向量α角度的一个向量，如图五所示，如果调整与的值，使其满足=且，那么，与/的夹角将变为，为与/的向量和，灯HL2（可将其标注为相序正确指示灯）将在的作用下发光，指示相序正确。

图四                      图五

当输入电压相序为负相序（假如为A相电压接反）时，在图二中，如果继续保持=且这一关系不变，那么，将与/等大同向，如图六所示，=/，灯HL1（可将其标注为相序错误指示灯）发亮，指示相序错误。而在图三中，如果也继续保持=且这一关系不变，那么，与/的夹角将变为，如图七所示，为与/的向量和，但这一电压较小，只要合理选取灯HL2（可将其标注为相序正确指示灯）则可保证HL2在的作用下不发光。

图六                       图七

2.2保护测控装置二次电流输入回路

保护测控装置二次电流输入回路原理图如图八所示，装置所需电压采自母线PT二次侧，分别从装置209、210、211、212四个端子引入三相电压和PT二次绕组公共线，电压引入后经电磁隔离进入装置内部作进一步的高频开关采样、量化、编码等处理。装置所需电流采自馈线首段的测量CT二次侧，经装置201、202、203、204、205、206、207、208端子引入三相电流和零序电流，引入装置后经电磁隔离进入装置内部作进一步的高频开关采样、量化、编码处理。

图八

2.3模拟式相序检测电路与保护测控装置二次电流回路的结合

2.3.1模拟式相序检测电路的信号采集方式

由模拟式相序检测电路可知，该电路是通过采集三相电压信号来工作的，它不能直接采用电流信号来检测相序的正确与否，因此，必须将保护测控装置所用的CT二次电流转换为与自身同相位的电压信号后，才能供模拟式相序检测电路使用。这里我们采用本装置自身所用的电磁隔离电路来实现电流信号和电压信号的转换，为了提高转换效率，电磁隔离电路二次侧的电阻R要采用高阻值电阻，然后从该电阻两端引出相序检测电路所需电压信号。

2.3.2模拟式相序检测电路的信号采集位置

模拟式相序检测电路的信号采集位置可以有三种，下面就每种的优缺点进行分析，然后决定采用哪种。

首先，可以将电流信号与电压信号转换的位置放在保护测控装置外部的二次电流导线上，这样可以不改动保护测控装置而轻易地实现目的。乍一看是个不错的方案，但细细想来，这一方案缺点很多。第一，为感应出电压信号，在二次电流回路中就必须增加电感线圈作为电磁隔离电路的一次绕组，这样就增大了CT二次回路的电抗，对CT测量精度造成影响，同时增大了CT二次回路断线的可能性。第二，即使模拟式相序检测电路相序检测指示正确，但由于存在着保护测控装置电流引入端子接线错误的可能，因此，它不能从根本上保证所检测相序与保护测量装置所用相序的一致性，该方案被淘汰！

其次，可以将电流信号与电压信号转换的位置放在保护测控装置电流引入的端子处，这样做也可以不改动保护测控装置内部结构而轻易地实现目的，改造工作量也较小。缺点是：第一，在同相电流的输入和输出端子上并接用于感应电压的线圈作为电磁隔离电路的一次绕组，对进入保护装置的电流起到了分流作用，导致测量精度下降。第二，增加了保护测控装置电流采集端子的负荷，可能使端子损坏，导致CT二次回路断线。因此该方案也不可行。

最后，是将电流信号与电压信号转换的位置放在保护测控装置内部电磁隔离电路的二次侧，也就是在电磁隔离电路的二次绕组旁边再增加一组绕组，从一次侧感应电压，然后送往模拟式相序检测电路。这样可以做到所检相序即为保护测控装置所用相序，保证了相序检测电路检测结果的真实可靠性，同时，不会对电流二次回路造成不利影响，对测量精度也无影响。缺点是，要对装置内部进行改动，实施难度较大。但这一问题是可以通过厂家的设计、制造来解决的。所以综合分析下来应采用该方案。

2.3.3模拟式相序检测电路与保护测控装置二次电流回路的结合

模拟式相序检测电路与保护测控装置二次电流回路结合后的原理如图九所示：

图九

、、為经电磁隔离电路转换后电压信号，它与对应相的二次电流同相位，将、、任意引出两相（本文引出、两相）接至模拟式相序检测电路的A、C两相接口，同时，再从电磁隔离电路二次绕组中性点公共线上引出一路，作为模拟式相序检测电路的中点O。、、三相信号任然输入保护测控装置内部，作为电流信号供装置采集。

3.全文总结

电力回路中电流、电压的采集情况关系到功率在监控系统画面上显示的正确与否，从而影响运行值班人员对系统功率分布、线路或设备运行状态的掌握以及非电量结算的电能统计，同时，如果接线错误发生在保护CT回路，那么还有可能可能导致保护误动或拒动现象的发生，给电力系统带不可预估的重大损失。因此，为了有效地预防此类事件的发生，本文从以下几个方面开展研究工作，以形成完备可靠的技术检测措施：

（1）以实际案例为导向，深入分析研究造成故障现象的根本原因，全面掌握自动化保护测量装置功率计算方法。

（2）全面、深入地分析解读模拟式相序检测电路，利用相序不同造成的两个“Y”型负载回路中性点电压不同，使不同回路灯泡发光的原理，对进入保护测控装置内部参与功率计算的电流进行相序检测。

（3）对保护测控装置的电流采集回路进行研究，在考虑电流互感器二次回路断线、装置测量精度、实现方式的难易等因素后，找出模拟式相序检测电路在保护测控装置上的应用方案。

同时，也希望从以下两个方面入手，进一步提高设备安装、接线过程中的正确率。

（1）加强作业现场管理，做好导线头上的标识工作，防止线头接错。

提高作业人员素质、增强施工人员责任意识，培养他们认真细致的工作态度和工作完成后的检查确认习惯。

（作者单位：神华榆林能源化工有限公司）