基于智能开入的抗干扰保护装置研究

闫茂华，温才权，黄义华，李 宁，刘英男

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司梧州局，广西 梧州 543002；2.山东大学电气工程学院，山东 济南 250061）

0 引言

继电保护二次回路作为联系一次设备和二次控保装置的纽带，在变电站运行过程中起到极为重要的作用［1-2］。二次回路接线复杂、环节多、涉及面广、缺陷隐蔽性强、危害大，往往会影响到继电保护装置的正确动作，造成设备损坏或电网瓦解等严重事故［3-5］。在二次回路中，开入回路易出现不正确动作问题：一方面，开入回路电缆接线较多，与外部设备配合复杂，环节多易出错；另一方面，开入回路均采用开关量传输，且电缆长度较长，分布电容较大，易受到外部干扰［6-10］。

二次回路接线复杂、环节多、涉及面广、缺陷隐蔽性强、问题危害大，一直是研究的热点之一［7］。截至目前，因变电站二次回路异常导致保护装置误动作、一次设备损坏等事故仍偶尔出现，给变电站运维带来巨大困扰和严重影响。国内相关学者一直在进行相关方向的研究，如针对交流窜入、直流接地等，《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》、《直流电源系统绝缘监测装置技术条件》等规范均提出了相应的要求［8-10］。然而，目前二次回路直流系统仍主要依赖于直流绝缘监测装置，虽然该类装置技术一直在发展，但目前的动作速度和选线速度仍然在百秒级别。相对于继电保护装置数十毫秒级别的动作速度，绝缘监测装置无法完全阻止因二次回路异常导致的保护误动作［11-16］。更多国内学者研究绝缘监测装置原理的改进和性能的提升，鲜有对继电保护装置本体抗干扰性能进行研究。

综上所述，开展基于智能开入的保护装置研究，提出新型的保护装置原理，优化现有的保护硬件、软件逻辑，进一步提高保护装置的抗干扰能力。

1 二次回路常见故障

1.1 直流系统接地及交流窜入

直流单点接地或者交流窜入对继电保护装置威胁极大，容易导致保护不正确的动作，尤其以交流窜入直流危害更大。而变电站中早期配置的直流绝缘监测装置仅能进行直流接地故障检测，并不具备交流窜入检测能力。鉴于交流电源窜入直流系统的极大危害，《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》要求严防交流窜入直流故障出现，并明确要求绝缘监测装置应具备交流窜入直流的测记功能和报警功能。虽然普通的绝缘监测装置具备直流接地检测能力，但仍无法有效解决保护误动作问题。一方面绝缘监测装置一般动作时间较长，达到百秒级别，与常规保护装置几十毫秒级别的动作时间无法匹配，无法有效防止保护的误动作。另一方面，微机保护开入元件的内阻大于100 kΩ，而绝缘监测装置的灵敏度小于100 kΩ，导致开入外部电缆一点接地时无法找出、告警，高阻接地、直流母线电压偏移长期存在，可能会引发保护误动，且误动原因很难分析。

1.2 电缆绝缘下降或电缆接地

电缆的绝缘下降往往是较为缓慢的过程，如接点受潮、锈蚀等，导致开入接点阻抗逐渐降低，当开入电压达到门槛时，就会导致开入误动作。由于开入电缆布线较长，往往因为老化、鼠害等问题导致开入电缆破损，可能出现电缆高阻接地或者金属性接地，最终引发开入误动作等严重后果。

1.3 出口回路异常

出口回路异常是一种较为隐蔽的问题，在系统故障发生前往往难以发现。而当系统发生故障时，继电保护装置正确动作，如果后续出口回路异常，可能会导致断路器拒动等严重故障。另外，现有开关位置监视回路过于复杂，在每相分、合闸控制回路中分别串接同一个远方/就地切换开关的不同接点，断路器的闭锁分、合闸继电器节点、断路器的辅助节点等，因此操作箱、保护内获得的开关位置信号可能并非准确的开关位置，不利于获悉断路器的真实状态。

1.4 电缆干扰次生效应

目前保护装置电源和开入电源共用，而部分开入电缆长度较长，分布电容较大。在该电缆受到干扰时，保护电源易受到开入电缆传到过来的干扰，进而引起保护装置异常。

2 故障识别

现有开入模块由于其硬件成本及功能要求限制，多为开关量检测，一般采用光电隔离原理实现。光电隔离开入的设计原理是基于光电耦合器，该隔离技术是消除“地干扰”（指通过装置接地线连接形成的电磁干扰）途径的抗干扰方法，光电耦合器件实现电→光→电的隔离，能有效地破坏干扰源进入，可靠实现信号隔离。但这类光耦一般线性范围窄、线性度差，无法实现较宽范围内的电压采样［17-20］。

普通光耦无法在较宽范围内正确传变原边输入信号，如图1 所示。针对交流窜入及接地监测等需求，处理器侧必须能够感知到外部输入电压信号真实的变化，才能进行进一步的故障特征提取，因此要求开入插件能够实现宽范围电压采样。开入回路模型如图2所示。

图1 光耦传输

图2 开入回路模型

图2中，以下等式恒成立：

式中：Upn为开入电源正负极电压；Ung为开入电源负极对地电压；Upg为开入电源正极对地电压；Cpg为开入电源正极对地电容，Rpg为电阻；Cng为开入电源负极对地电容，Rng为电阻；Ubix为开入通道X元件电压；Zbix为开入通道X元件阻抗；Zlx为开入通道X电缆阻抗；Cbix为开入通道X电缆对地寄生电容。

2.1 交流窜入直流

交流窜入直流故障模型如图3 所示，直流电压特征如图4所示。

图3 交流窜入直流故障模型

图4 交流窜入直流电压特征

如图4 所示，按照正常电缆分布电容考虑，Ubix在正常开入时上升速率一般较快，而交流窜入时电压变化比较缓慢，可通过变化率进行识别。发生交流窜入时，Ung也会呈现交流波动，而正常开入不存在这一特征，可作为辅助判据。如果在交流窜入期间发生正常开入，则通过分析Ubix采样值，可考虑计算连续5 点采样值标准差，在容限内则认为是正常开入，否则认为是非法开入，报警并触发录波。运行中可对Ung进行傅氏计算，计算交流窜入幅值，超过设定值则报警并触发录波。

2.2 电缆正极侧一点接地

电缆正极侧一点接地故障模型如图5所示。

图5 电缆正极侧一点接地故障模型

针对外部电缆正极侧接地问题，可结合Ubix及Ung进行判断。电源负极对地电压相对于开入电源电压严重不对称，可判断出存在单点接地情况。Ubix上升期间Ung也上升，可作为辅助判据，否则可能导致开入误动作。

2.3 电缆开入元件侧一点接地

电缆开入元件侧一点接地故障模型如图6所示。

图6 电缆开入侧一点接地故障模型

针对外部电缆开入侧接地问题，可结合Ubix及Ung进行判断。Ung相对于Upn严重不对称，可判断出存在单点接地情况。再根据Ubix与Ung最接近的通道应是异常电缆所在。电缆开入侧一点接地电压特征如图7 所示，装置检测到该异常时闭锁该开入，报警并触发录波。当电缆发生金属性接地时，接地电缆对应开入电压与负极对地电压接近。

图7 电缆开入侧一点接地电压特征

2.4 电缆绝缘阻抗降低

电缆绝缘阻抗降低故障模型如图8所示。

图8 电缆绝缘阻抗降低故障模型

电缆绝缘阻抗降低电压特征如图9 所示，针对电缆受潮等因绝缘阻抗降低导致开入误导通问题，可通过分析Ubix变化趋势进行分析，检测到该电压缓慢上升，则闭锁该开入功能，同时发报警。

图9 电缆绝缘阻抗降低电压特征

3 智能开入回路设计

综上所述，如果需要检出上述各种故障，需要新型开入板卡支持各开入通道Ubix、Ung、Upn电压采样，要求能够最大限度地保留上述输入量的故障特征。采用基于数字隔离的模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）采样架构，如图10所示。

图10 基于数字隔离的ADC采样架构

相对于光耦传输方式，上述架构能够实现输入量宽范围采样。此种架构线性度好，电压测量范围宽，能够满足上述各种输入采样需求。

智能开入板的总体架构如图11 所示，主要包括开入回路及开入电源监视回路两部分。

图11 智能开入总体架构

3.1 智能开入回路

智能开入回路逻辑如图12所示。

图12 智能开入回路逻辑

智能开入回路采用对开入电压进行采样的方式，实现开入电压的比较、记录和功能判断。

1）电源回路：装置内部弱电电源经过隔离转换后输出给信号处理电路和ADC转换电路使用。

2）信号回路：开入电压接入外接端子，信号处理电路对开入电压进行取样和变换后，ADC 转换电路将模拟量开入电压信号转换为数字量，经过磁隔离电路输出到CPU。

3）智能开入功能实现：CPU 根据采样到的开入外接端子上的电压信号进行判断，结合各种故障特征及开入门槛电压，判断是否有真实开入输入。

4）开入启动电压范围：可通过在CPU 中预置启动电压定值，实现较精确控制开入的启动电压范围，如实现启动电压范围55%Un～70%Un。

5）智能开入记录：智能开入记录有两方面，一是对开入判断情况的记录，二是对开入电压波形的记录。

6）绝缘电阻简化计算：正极接地时，可假设负极外部电缆无接地，通过正负极母线对地电压和平衡电阻计算出正极接地电阻；负极接地（光耦外部电缆接地）时，可通过光耦两端电压、负极对地电压、光耦的内阻进行计算接地电阻阻值。

3.2 直流电源监视回路

直流电源监视回路的逻辑如图13所示。

图13 直流电源监视回路逻辑

直流电源监视回路通过对正负电源之间的电压、负电源对地的电压进行采样的方式，实现对直流电源的监视、记录和工作状态判断的功能。

CPU 采样到的外接端子上的电压信号，判断输入电压是否在正常范围内。可通过在CPU 对采样电压的计算处理，对电源的质量进行分析和判断。对电源电压波形存储记录。

针对电源消失、电源接地、混入交流等情况，可通过开入电压的实时波形判断。

3.3 硬件配置

硬件配置如图14 所示，实物如图15 所示。以南网500 kV PCS-931N5Y 型常规采样和跳闸线路保护装置为基础试验保护装置，通过增加插件并结合现场二次接线更改，硬件增加一块智能开入板卡NRBI，占据B07槽位。

图14 硬件配置

图15 硬件实物

模拟电缆开入端接地进行测试，测试电路如图16所示，模拟电缆正极端金属性接地，装置应能够检出并触发录波，开入不会误动作。通过空开控制将0电阻短接至开入电源正极。闭合空开，模拟开入正极接地，然后断开空开，自检报告正确，选线正确，得到测试结果如图17 所示。变位报告为空，说明无开入误动情况。查看录波波形，如图18所示。

图16 测试电路

图17 测试报告

图18 录波波形

4 结论

从工程实际出发，针对变电站二次回路常见问题，对各种故障特征进行逐一深入分析，并结合智能开入插件给出了相应的设计方案。相对于外置的绝缘监测装置功能单一、动作速度慢等不足，智能开入插件能够有效识别出常见二次回路故障，集成于继电保护装置中的智能开入，可实现与保护的无缝衔接，实现更快的动作速度，提供更完善的事故分析手段，获取更精准的故障数据，从而降低二次回路干扰对保护装置的影响。