一种变电站直流电源级差配合实现方法

陆洪建，刘志远，杨晨，黄欣，崔鹏

(国网宁夏电力有限公司检修公司， 宁夏 银川 750011)

0 引 言

变电站、换流站直流电源系统为控制保护装置、信号系统、断路器操作等提供电源，电压等级根据不同情况有所差异。通常，变电站采用多组蓄电池、充电机配合构成可靠直流供电方案，其供电方式多采用树状辐射结构，由充电机和蓄电池为母线供电，再经母线将电源传至站内直流负荷处，因变电站直流负荷众多，故负荷支路、级层较为复杂，每一级支路通过直流空开作为保护元件，存在着不同层级间级差的配合问题。若直流系统发生短路或其他故障时各级空开无法正确执行，将造成越级跳闸甚至引发更严重电网事故[1]，因此，各级直流空开的配置选择是否合理，对电力系统安全可靠运行至关重要。

1 变电站直流电源系统概述

1.1 变电站直流电源系统构成

直流系统一般由蓄电池、充电机、馈电屏、分电屏等设备组成，由分电屏向下接出多级负荷。如图1所示为某换流站110 V I段直流系统，II段直流电源系统结构和I段相似，故只对直流I段系统结构进行分析。I、II段间通过母联开关进行连接，直流电压为110 V。直流电源系统为树状网络。根据图1可知，从上到下分4部分，最终向负荷供电:第一部分是蓄电池和充电机向直流母线充电；第二部分是电源由主馈电屏向各个继电小室直流分电屏供电，主母线上直接连接UPS电源等；第三部分是由直流分电屏至各控制保护装置屏等；第四部分从控制保护装置屏至直流负载，包括测控装置、保护装置、故障录波、交换机、计量表等。

从图1可以看出，要实现直流电源系统上下级间级差正确配合，取决于回路中流过支路的电流和上下级开关的动作时间[2]。类似于继电保护中电流多断式保护，只有当回路中流过的电流小于上级开关动作的瞬时值，但大于下级开关动作的瞬时值，或同时达到了上下级开关的动作瞬时值，但下级开关动作时间更快，可实现低压直流系统级差的正确配合。

图1 某换流站直流供电系统结构

1.2 直流断路器工作原理

低压直流断路器(后文简称空开)种类、型号众多，基本原理及结构基本一致，结构上分为3部分：1)脱扣器，包括失压脱扣器、热脱扣器、电流脱扣器等；2)灭弧系统和触头；3)操作机构。如图2所示为低压空开原理，三相空开目前处于闭合状态，当主电路流过的电流较大，超过定值后，过流脱扣器动作，使衔铁吸合，顶杆向上移动并将锁扣打开，已储能的分断弹簧便将触头断离。欠压动作原理与之类似，若出现电压低于定值的情况，失压脱扣器中的衔铁无法保持吸合，释放衔铁，向上顶开锁扣，触头断开[3]。

图2 低压断路器工作原理

1.3 存在的问题

变电站的低压直流电源系统中，负荷种类繁多，支路复杂，三、四级串接情况普遍，随着智能电网、数字变电站的快速推进，对保护器件正确动作切断负荷提出了更高的要求。此外，低压直流供电负荷不断延伸，负荷数量不断增加，传统级差配合中采用单一空开组网方法已无法完全满足系统需求，主要表现在：

1)在系统设计方面，传统直流级差配置方法仅根据本支路电流负荷情况设计相应等级空开，未能从全站系统层面出发进行总体控制保护，且缺乏各支路电流实时状态监测手段[4]。

2)在跳闸逻辑方面，利用空开作为唯一跳闸执行元件，仅当本级直流电流超过跳闸值后才能发现故障情况并隔离，针对负荷过大、电流突变、三相不一致等轻微故障无法精确进行判断并自动跳闸[5]。

3)在业务管理方面，重要变电站诸如换流站等低压直流供电系统无智能控制、保护、监测系统，某些分合单一空开的操作需远距离驱车前往，耗时费力，该情况在无人值守站尤为突出[6]，严重影响数字化变电站推进实施。

2 集中站域级差实现方法

2.1 总体方案设计

本文引入站域理念对低压直流级差系统进行设计，融合高速采样技术、分励脱扣器技术、电动操作机构技术分别实现现场设备的状态采集、跳闸执行、远程操控，将各级保护定值进行集中统一管理，可实现站内低压直流系统的智能化监测、保护和控制功能，运维人员实时查看系统的各类数据信息，当系统故障时，亦可实现快速故障定位、隔离等，总体设计如图3所示。

图3 变电站级差系统架构设计

系统设计如图4所示，具体包括以下部分：

图4 变电站级差结构整体设计

1)采集监测部分。增加电流互感器，二级装置、三级装置负责采集相应母线的进线电流、各出线电流、空开状态等参数，实现本级的控制保护功能。

2)跳闸执行部分。为各级空开增加分励脱扣器，实现空开跳闸功能。

3)远程控制部分。增加电动操作机构，通过各级装置实现远程分合闸操作。

2.2 采集监测方法设计

针对传统级差实现方法中无精确监测手段问题，提出对极端故障情况下的故障电流特征进行捕捉，本文采用超高速、高精度的电流采样技术，流程如图5所示。

图5 快速高精度采集流程

主要包括以下环节：

高速模数转换。该部分对电流信号高速采样，进行A/D转换，同时为相关保护提供支持，如电流突变量保护等。考虑到对至少2回进线、8回出线电流进行采样，故障时采样点最低采样频率不小于10 MHz。

信号调理电路。通过电流互感器等措施将一次回路电流降低至二次小电流，后经取样电阻等转换回路将电流信号变为电压信号。在电流数据采集过程中，需为MCU提供1个同步信号加在处理器的中断信号端口[7]。

完整的电流采样系统。使用电流互感器等手段将一次强电信号变为二次弱电信号，再经处理变为电压信号，隔离放大电路对信号进行放大，并进行滤波等处理，最终变为标准、可靠的电流信号。数模转换环节将模拟信号转化为计算机内可以处理的数字信号，并通过一定的公式计算出电流瞬时值、有效值，构成完整的电流采样系统。

基于上述技术理论，本设计方法结合开口式电流互感器，将采集电流传入集中站域式保护装置内部，执行监视、分析、动作等操作。

2.3 跳闸执行元件性能要求

针对传统级差实现方法对轻微故障无法精确判断并实现跳闸问题，基于集中式站域控制思路，利用分励脱扣器作为跳闸执行元件。分励脱扣器是1种远距离操纵分闸的附件，本质上是1个分闸线圈加脱扣器，其结构原理[8-9]如图6所示，给分励脱扣线圈加上规定的电压，空开就脱扣而分闸。分励脱扣器只能实现空开的远程分闸，不能合闸，脱扣最大时间不大于10 ms。因此，本设计方法中利用分励脱扣器作为系统的跳闸出口动作元件，保证系统异常时快速动作，隔离故障。

图6 空气开关分励脱扣器原理

根据表1中分励脱扣器性能数据，以典型变电站为例，选择110 V DC电压等级、脱扣时间≤10 ms、接线能力大于4 mm2、最小脱扣电压大于额定电压70%、脱扣功耗较低的S2C-A2脱扣器作为设计元件，并将控制信号引入集中站域式保护装置中，实现快速跳闸。

表1 分励脱扣器性能数据

2.4 远程控制方法设计

针对传统空开无法进行远程分、合控制问题，提出利用电动操作机构[10]作为远程分合闸的辅助执行元件，如图7所示，通过驱动电机，带动空开的连杆机构，实现空开的远程开合闸。相比于分励脱扣器，电动操作机构不仅可以远程分闸，而且也可以合闸，但其分合闸时间相对较长，分闸时间约200 ms，合闸时间约400 ms。

图7 电动操作机构控制原理

由于其遥控分闸时间较长，故不作为跳闸动作出口执行元件，该电动操作机构主要实现特殊情况下的远程快速恢复，尤其针对无人值守变电站，可节约故障处置时间。实际实施过程中，应对各级直流空开加装电动操作机构，并将控制信号引入集中站域式保护装置中，由保护装置统一实现控制功能。

3 仿真分析

针对直流电源系统进行仿真，通过对比方案改进前后的短路电流动作时间和动作电流说明本文所提方法的有效性。

仿真系统结构见图4，直流电源系统为集中辐射方式，带有馈线4回。馈线4中带有三级负荷，通过对电流互感器模拟电流进行仿真，具体数据见表2，其中PS为启动电流，TMS为动作时间。

表2 直流电源保护配置改进前后仿真结果

通过表3可以看出:各支路的启动动作电流相较之前均有所提升，这是因为干线增加电流互感器之后，对短路故障的检测更加灵敏，从而提高了各支路的可靠性;TMS也随之减少，另外三级装置时间配合较好，脱扣时间满足要求，总体上提高了保护的可靠性。

4 结 论

以传统直流级差配合中缺乏智能控制、保护、监测功能等问题为出发点，通过引入站域理念，提出了融合高速采样技术、分励脱扣器技术、电动操作机构技术的直流电源级差配合方法，实现了低压直流系统各支路的精准保护、负荷开关的远程控制、系统数据量的实时上传，并通过系统仿真，验证了保护方案的有效性,为现场设备安全稳定运行提供了保障，为电网公司数字化变电站稳步推进打下坚实基础。