核電廠內(nèi)半數(shù)字化繼電保護對時中斷問題研究

王學奎，張 潔，胡望雄，邱 毓，楊建榮

(1. 廣東機電職業(yè)技術學院，廣州 510515；2. 中廣核工程有限公司調(diào)試中心，廣東深圳 518124)

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核電廠內(nèi)半數(shù)字化繼電保護對時中斷問題研究

王學奎1，張 潔2，胡望雄2，邱 毓2，楊建榮2

(1. 廣東機電職業(yè)技術學院，廣州 510515；2. 中廣核工程有限公司調(diào)試中心，廣東深圳 518124)

針對臺山核電廠采用的數(shù)字化繼電保護運行中發(fā)生對時故障，測試各種對時故障情況下數(shù)字化繼電保護裝置的動作情況，總結(jié)了對時系統(tǒng)對數(shù)字化繼電保護的主要影響；應用對時裝置的修正步長、合并單元的跳變時間及GPS時鐘誤差之間的數(shù)學關系，分析出數(shù)字保護出現(xiàn)采樣失步的各種可能情況；結(jié)合目前該核電廠對時系統(tǒng)的設計現(xiàn)狀以及現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)的保護對時告警情況，提出了解決方案，為故障的解決及后續(xù)設計改進提供了方向。

核電廠； 數(shù)字化； 繼電保護； 對時系統(tǒng)； 共模故障

核電機組功率大，單個廠區(qū)規(guī)劃機組數(shù)量較多，廠區(qū)面積大，尤其是三代堆型技術，考慮到機組的安全性能，提高了設備冗余度，設計上廠區(qū)220 kV輔助開關站布置在距離機組較遠的地點。國內(nèi)EPR核電機組(三代壓水堆核電技術)設計，要求220 kV輔助變壓器能夠同時對機組的四列電氣系統(tǒng)進行供電，一臺輔助變壓器只服務一臺機組，其電源來自同一個220 kV開關站。變壓器低壓側(cè)電流、電壓互感器與220 kV站相距近2 km，為解決遠距離電流、電壓傳輸?shù)膯栴}，臺山核電廠首次采用半數(shù)字化繼電保護設計，它同時具有常規(guī)繼電保護和數(shù)字化繼電保護特點，解決了輔助變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)電流、電壓長距離通信問題，但在運行中出現(xiàn)了對時信號中斷帶來的新問題。

1 半數(shù)字化繼電保護介紹

全數(shù)字化繼電保護采用了光電互感器，其通過光電子技術和光纖傳感技術的有效應用，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)內(nèi)部電壓和電流測量，換言之，數(shù)字化繼電保護從一次設備中直接采集數(shù)字信號的電流和電壓[1]。由于電子式互感器運行的原理及機構(gòu)與常規(guī)的互感器不同，種類較多，同時涉及到有關電子器件、光學部件，通常無法有效控制其運行情況，可靠性較低，數(shù)字化繼電保護誤動、誤報警率較高，實際工程中，全數(shù)字化的繼電保護應用較少，仍在可靠性提升研究階段[2]。

半數(shù)字繼電保護是常規(guī)繼電保護與數(shù)字化繼電保護的折中設計，采用常規(guī)的電壓、電流互感器，在保護裝置內(nèi)通過合并單元將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳輸至保護單元。目前的數(shù)字化繼電保護都按照統(tǒng)一的標準設計，即IEC 61850，該標準中給出了各智能電子設備的同步要求，但沒有給出同步對時的具體方法，數(shù)字繼電保護裝置、合并單元都按照該標準設計[3-4]。在臺山核電廠中，輔助變壓器為實現(xiàn)遠距離傳輸高低壓側(cè)電流、電壓，采用了數(shù)字化繼電保護裝置CSC-316B及合并單元CSN-15B，實現(xiàn)原理見圖1。

圖1 臺山核電廠半數(shù)字化繼電保護配置原理圖

圖1中，保護裝置采集的變壓器高、低壓側(cè)電流量、電壓量，通過220 kV站內(nèi)GPS對時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。在運行過程中，如果同步時鐘出現(xiàn)中斷，對數(shù)字化繼電保護功能影響很大。

2 同步時鐘中斷對保護裝置的影響

2.1 同步時鐘中斷試驗

在上述核電廠中，1號機組的輔助電源系統(tǒng)已正常投入運行，過程中發(fā)現(xiàn)某一階段，數(shù)字化繼電保護出現(xiàn)“采樣失步”告警信息。經(jīng)查，電力時鐘同步裝置同時間段也有異常告警，查看錄波，發(fā)現(xiàn)電力時鐘同步裝置在該年度出現(xiàn)了多次時鐘異常告警，時間從幾分鐘到十幾分鐘不等。當時2號機組的輔助變壓器系統(tǒng)正在調(diào)試，針對該情況，在2號輔助變壓器保護裝置進行模擬各種時鐘告警，測試同步時鐘故障對數(shù)字化繼電保護功能的影響。經(jīng)過實際測試，發(fā)現(xiàn)數(shù)字化繼電保護可靠運行與同步時鐘有十分重要的關系，主要有以下幾種情況：

(1) 合并單元失去對時10 min內(nèi)，保護裝置能夠正常工作，10 min后，閉鎖差動保護，出現(xiàn)“通道異常”告警；10 min內(nèi)，對時恢復，保護不會出現(xiàn)時鐘異常告警；10 min后，對時恢復，保護裝置差動保護可以立即恢復。

(2) 有任何一側(cè)合并單元對時正常時，保護裝置的后備保護在10 min后仍可以正確動作。

(3) 5側(cè)合并單元完全失去對時10 min后，保護裝置采樣及動作均不正確。

2.2 合并單元采樣分析

合并單元主要有通信組件、通信轉(zhuǎn)接組件、電源板等組成。通信組件，接收對時信號，產(chǎn)生采樣脈沖給通信轉(zhuǎn)接組件(A/D)進行數(shù)據(jù)采集，通信轉(zhuǎn)接組件主要完成A/D采集功能，按照采樣脈沖的節(jié)拍對常規(guī)互感器和遙信量進行采集。同步時鐘提供了采樣脈沖，保護裝置在同一時間對高低壓側(cè)的數(shù)據(jù)量進行比對，判讀系統(tǒng)是否正常運行，如果出現(xiàn)故障，做出正確動作。為防止GPS對時出現(xiàn)意外中斷，CSN-15B中，設計了10 min的守時程序，即在外部同步信號消失后，至少在10 min內(nèi)繼續(xù)滿足4 μs的誤差，裝置判斷此時的采樣仍正確可信，10 min后，為防止主保護誤動作，閉鎖差動保護，后備保護(過流等)仍可以正確動作，如各側(cè)都失去對時，采樣數(shù)據(jù)不再準確，保護裝置上讀取的數(shù)據(jù)或動作情況不再可信。

2.3 對時方案研究分析

該核電廠內(nèi)同步時鐘結(jié)構(gòu)見圖2，對變壓器的每一套保護，只采用了同型號冗余的GPS對時裝置。在圖2所示結(jié)構(gòu)下，主時鐘有共模故障，如果外部或裝置內(nèi)部的一種卡件出現(xiàn)問題，則會同時中斷。在本次故障告警后，調(diào)出兩套同步時鐘裝置的故障記錄，發(fā)現(xiàn)兩套裝置均是同時出現(xiàn)中斷信息，發(fā)生了典型的共模故障。

圖2 臺山核電廠GPS對時構(gòu)架圖

主時鐘裝置在失去外部GPS信號時，啟動自身的守時功能，可以自行維持時間同步信號輸出，在守時保持狀態(tài)下的時間準確度優(yōu)于0.92 μs/min(55 μs /h)，當GPS信號恢復正常，時鐘裝置能夠鎖星時，裝置根據(jù)自己的修正步長，對當前精度進行修正。設裝置中斷修正步長為T1，合并單元判斷時間跳變閾值為T2，當前時鐘誤差為Td，存在以下關系：

(1)Td≤T1，且Td≤T2，同步裝置一次將時間修正到準確值，合并單元對時糾正，不出現(xiàn)采樣失步。

(2)Td≤T1，且Td>T2，同步裝置可以一次修正到位，合并單元認為時間跳變過大，出現(xiàn)采樣失步。

(3)Td>T1，同步裝置根據(jù)步長多次修正，如果T2T1，合并單元出現(xiàn)采樣失步。

圖3為GPS中斷與對時裝置守時及修正的關系。

圖3 GPS信號與對時裝置的修正關系

在該裝置配置中，CSC-196主時鐘裝置，失去GPS信號后，進入守時并輸出B碼信號，該信號的最大誤差為Td=55 μs/h，裝置的修正步長為以T1=150 μs，合并單元判斷時間跳變的閾值T2=200 ns，假如時鐘丟失2 min，恢復時，誤差小于裝置的修正步長，一次補償?shù)綐藴蕰r間，并授時給合并單元，合并單元判斷其大于跳變時間，出現(xiàn)采樣失步，同時閉鎖差動保護，時間同步后，重新開放差動保護，裝置功能恢復正常。

2.4 應對措施

(1) 應對方案一。為避免出現(xiàn)共模故障，考慮GPS+北斗的對時方式。目前對時裝置均可以支持GPS+北斗雙對時，修改對時裝置中的修正步長T1，使其小于合并單元的跳變時間T2，其配置見圖4。

圖4 GPS+北斗對時配置原理圖

優(yōu)點：解決了共模故障，GPS和北斗同時失步的可能性很小，即便發(fā)生同時失步，由于修正步長小于合并單元的跳變時間，仍然不會出現(xiàn)“現(xiàn)采樣失步”，不會閉鎖差動保護，提高了對時系統(tǒng)的可靠性，目前該方案在電力系統(tǒng)中有應用，效果較好。

缺點：需增加北斗對時模塊及北斗對時天線。

(2) 應對方案二。單獨設立一保護主對時裝置，采用恒溫晶振擴展時鐘自守時授時方式，不與GPS通訊，單獨給變壓各分支的合并單元發(fā)送脈沖，實現(xiàn)內(nèi)部獨立的對時系統(tǒng)。這樣可以避開外部對時的影響，同時又確保了變壓器高低壓側(cè)的采集信息在相同的時鐘脈沖下進行。

優(yōu)點：完全避免外界衛(wèi)星對時系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)運行可靠。

缺點：需要對保護裝置進行單獨設計并升版，與IEC 61850要求不一致，無法做到通用。

(3) 應對方案三。借鑒線路光纖縱差保護數(shù)據(jù)通道的同步方法，各側(cè)電氣量在時間軸上同步由數(shù)據(jù)通道的時延來實現(xiàn)，利用乒乓原理測定通道時延，根據(jù)測定的通道時延調(diào)整同步端的采樣頻率，使得各側(cè)裝置的采樣同步；或者根據(jù)測定的通道時延補償各側(cè)電氣量的相位差，使得各側(cè)電氣量在時間軸上一致。這類方法實現(xiàn)同步的前提是假定雙向通道的時延相等[5]。變壓器差動保護高低壓側(cè)距離較遠，高壓側(cè)采用站內(nèi)時鐘，低壓側(cè)采用另一套時鐘，可認為低壓側(cè)合并單元之間數(shù)據(jù)同步，測出高低壓側(cè)的通道時延，在保護裝置內(nèi)進行補償，求得同步。

優(yōu)點：設置雙側(cè)時鐘源，有成熟的線路光纖縱差保護經(jīng)驗，能夠很好地避免對時中斷帶來的問題。

缺點：需要增加時鐘源，需要對變壓器差動保護進行升級，增加時延補償?shù)墓δ埽淖兞爽F(xiàn)有變壓器數(shù)字差動保護的結(jié)構(gòu)，難以推廣。

(4) 應對方案四。增加接入全廠區(qū)其他位置的對時源。GPS對時中斷，往往由于區(qū)域或接收器出現(xiàn)問題，如果在廠區(qū)的另一側(cè)有時鐘源(DCS時鐘源等)，兩套主時鐘分別取自不同地方，可以在一定程度上減小中斷事故的發(fā)生。

優(yōu)點：成本較小，有已經(jīng)安裝的時鐘源，可以直接通過光纖接入。

缺點：無法完全避免GPS對時出現(xiàn)共模故障，未能根本上解決問題。

3 結(jié)語

筆者對臺山核電廠中采用的半數(shù)字化繼電保護，發(fā)生對時中斷的故障進行分析，并通過實際試驗得出對時對數(shù)字化繼電保護裝置功能的影響，研究了核電廠內(nèi)目前設計的對時方案。分析出該方案存在的問題，出現(xiàn)采樣失步并閉鎖差動保護的各種情況。最后給出四種改進方案，對每一種方案的優(yōu)缺點進行了分析，建議采用GPS+北斗的對時方案，該方案可以很好地解決當前出現(xiàn)的對時問題，在后續(xù)核電廠內(nèi)半數(shù)字化繼電保護或數(shù)字化繼電保護的設計及實施中有很好的應用前景。

[1] 李友軍,張成彬. 數(shù)字化變電站對時方案分析[J]. 電氣自動化,2016,38(1): 68-70,74.

[2] 彭衍. 數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)的可靠性研究[J]. 通訊世界,2016(3): 204-205.

[3] 華煌圣,游大海,余宏偉. 數(shù)字化變電站對時方法的研究[J]. 廣東電力,2008,21(5): 52-55.

[4] 李志堅,姜利華,陳麗紅,等. 數(shù)字化保護裝置時鐘同步的實現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39(7): 105-109.

[5] 國家能源局. DL/T 364—2010 光纖通道傳輸保護信息通用技術條件[S]. 北京: 中國電力出版社,2010.

Research on Timer Interruption in Semi-digital Relay Protection of Nuclear Power Plants

Wang Xuekui1,Zhang Jie2,Hu Wangxiong2,Qiu Yu2,Yang Jianrong2

(1. Guangdong Mechanical & Electrical Polytechnic,Guangzhou 510515,China; 2. Commissioning Center,China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen 518124, Guangdong Province,China)

To solve the timer interruption problem occurring in the operation of a semi-digital relay protection system of Taishan Nuclear Power Plant,following items were performed,such as testing the action status of the relay protection system during timer interruption periods,analyzing the effects of timer interruption on the digital relay protection,finding out the possible cases of out of step sampling based on analysis of the mathematical relations among the modified step size of timing device,the jumping time of merging unit and the error of GPS device,after which several solutions were given,considering the current design of the timer and the frequent alarms of the relay protection system,which may serve as a reference for final settling of the fault and for further improvement of the design.

nuclear power plant; digitalization; relay protection; timing system; common-mode fault

2016-09-08；

2016-10-31

王學奎(1982—)，男，工程師，從事電站自動化工作。

E-mail: wangxk9999@163.com

TM588

A

1671-086X(2017)04-0263-04