基于一次系統故障模擬的二次系統試驗技術研究

陳勇　許守東　李勝男　張麗　馮自權

摘要：電氣保護裝置、開關設備在線路發生故障時，若其出現保護裝置、開關拒動現象導致出現故障的故障設備或線路部分不能及時的被切除，使電氣設備被進一步破壞，同時也使電網中其余沒有故障的部分遭到破壞（主要表現為短路，電流過大引起熔斷等），對電網安全和電力系統所產生的影響是很大的，而且其故障只能依靠相關后備保護延時動作切除，若不能及時反應大面積停電將不可避免。同理，保護裝置、開關設備的勿動會縮短變電站電氣設備的壽命，嚴重的會引起大面積的停電事故，為人民的生活和工業生產造成不可估量的損失。因此，二次保護裝置和一次開關設備的穩定、可靠工作是電力系統安全運行的前提。本文主要分析電力一次系統故障類型，研究二次系統的調試檢修方法，并開發能夠真實模擬一次系統故障的功率放大器，從而實現變電站一二次系統的整體檢測和試驗。

關鍵詞：故障；二次系統；功率放大器；試驗系統

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）30-0120-04

0引言

近年來，隨著我國社會經濟的高速發展，我國電力事業取得了明顯的進步，社會對電能的需求量也越來越大，電能已經成為人們生活和社會發展不可缺少的能源之一。但是在變電運行過程中還是會遇到各種各樣的故障，電力系統運行過程中出現的一系列故障會對電力系統的性能造成影響，最終會影響到電力系統的正常供電。在人民對電力系統供電要求越來越高的背景下加強對電力系統的研究有著重要的意義。

電力結構及分布的調整會建設越來越多的輸配電線路，而變電站在電力系統中連接于發電廠和用戶起著電壓變換、分配電能的作用，目前，變電站的數量在不斷增加，設備也在逐年增加，人們對變電站二次系統的的檢修和保養工作也越來越關注。目前國內對變電站二次保護系統的檢修調試試驗研究主要分為兩方面，一方面是通過繼保測試儀模擬二次值得故障模擬量和數字量，實現對保護設備的全面檢修測試。此類此類方法優點是設備體積小，操作檢單，測試范圍廣，缺點是只能對單體裝置進行測試，不能對整體設備性能考核，不能模擬實際一次設備故障。另一方面是依靠仿真測試系統，通過模擬仿真系統軟件構建全站設備的仿真系統，利用放大器輸出各種類型故障實現全站仿真測試。此類方法優點是能對全站設備進行模擬仿真，模擬故障接近真實運行環境，精確度高，缺點是設備昂貴，體積龐大，只能放在實驗室使用，不能拿到現場進行檢修調試，且不能模擬一次系統故障。

本文主要提出了一種基于一次系統故障模擬的技術，通過開發高精度、大電流（2000A）功率放大模塊，利用綜合仿真系統來控制多路大電流功率放大器輸出大電流，實現變電站互感器、合并單元、智能終端、保護測控設備和斷路器等設備的綜合仿真測試，模擬現場實際短路故障（三相短路、單相接地、兩相短路和兩相短路接地等）和斷線故障（一相斷線和兩相斷線等）等，測試環境與實際現場一模一樣，對傳統變電站、智能變電站的綜合性測試有很大的幫助和指導。

1一次系統故障分類

在電力系統中，常見的故障種類有短路故障、斷線故障和其它各種復雜故障（即在不同地點同時發生短路和斷線），而發生頻率最高和對電力系統影響最大的市短路故障。依短路故障為基礎分析，高壓送電線路故障分為單相接地故障、兩相短路故障、兩相接地故障、三相短路故障、三相接地故障等5種類別，最常見的是單相接地故障，占到故障總數的90%以上。常見的故障類型主要有雷擊故障、風偏故障、污閃故障、覆冰故障、外力故障、鳥害故障、其它故障等。

系統如果發生短路故障時，基本特點可以分為四種：

①單相接地短路故障：1）一相電流增大，一相電壓降低，出現零序電流、零序電壓。2）電流增大、電壓降低為同一相別。3）零序電流相位與故障相電流同相，零序電壓與故障相電壓反相。

②兩相短路故障：1）兩相電流增大，兩相電壓降低，設有零序電流、零序電壓。2）電流增大、電壓降低為相同兩個相別。3）兩個故障相電流基本反相。

③兩相接地短路故障：1）兩相電流增大，兩相電壓降低，出現零序電流、零序電壓。2）電流增大、電壓降低為相同兩個相別。

④三相短路故障：三相電流增大，三相電壓降低，沒有零序電流、零序電壓。

經過分析可知，短路故障會使故障相電流在短時內迅速升高，其數值可能超過該回路額定電流的許多倍，短路點距發電機距離越近，短路電流越大，而短路電流流過導體和用電設備時，所產生的過量的熱能可能會損害導體和用電設備。短路故障還會引起系統電網中電壓的降低，特別是靠近短路點處的電壓下降最多，部分供電用戶會受到影響，嚴重還會引起用電設備的壽命和安全。同時，不對稱接地短路所引起的不平衡電流在線路周圍產生不平衡磁通，對附件的通信系統會造成一定的干擾，甚至會危及通信設備和人身安全。

2二次系統調試

無論是傳統變電站還是智能變電站，目前安全維護的區域主要分為兩部分，一部分是變電站建設初期的調試驗收試驗，另一部分是變電站正常運行時的定期檢修維護試驗。以智能變電站為例，智能變電站從建設到投運經過設計生產、系統調試、電氣安裝和現場調試等環節，具體如圖1所示。

全站設備的調試主要分以下：

配置文件檢查（icd、SCD）；

合并單元單體（精度、報文離散、級聯、切換等）；

智能終端單體（開入開出、動作時間、自檢告警）；

保護測控單體（功能邏輯、定值、處理方法）；

整組（保護之間配合、壓板正確性）；

對時精度；

數據同步性；

交換機性能。

目前由于測試儀設備等條件限制，在變電站的建設調試及后期維護檢修中，通常采用模擬二次系統故障方法來實現，具體如圖2所示。

采用二次系統故障模擬方法能夠對單體裝置做詳細的測試，但是此方法完成整站調試檢修耗時較長，會做很多重復性工作，最重要的是無法實現變電站現場運行工況和故障類型的真實模擬，例如采用單體裝置測試時，無法模擬電磁互感器CT飽和現象用。同時，無法實現變電站整體全面測試及不同保護開關設備的配合能力驗證，從而對變電站的后期運行留下許多未知的安全隱患。endprint

3一次系統故障模擬方案

針對目前變電站調試中存在的不足，本文主要介紹一種基于一次系統故障模方案來實現二次系統的檢測和試驗。通過模擬實際一次系統接地、短路等復雜故障，來對一個或多個間隔的二次系統進行整體檢測，驗證各裝置性能、動作正確性以及相關電流、電壓、連接回路的正確性。

方案原理：采用控制主機、單相大電流功率放大器和三相電壓功率放大器模式構成一次故障模擬系統。控制主機內置控制仿真軟件，通過分布式光纖同時控制三相電壓放大器與分相電流放大器輸出，分相電流放大器輸出一次值大電流通過電纜直接連接在電流互感器一次側，互感器將一次大電流轉換為二次額定電流接入到合并單元電流輸入端，三相電壓功率放大器輸出二次額定電壓接入到合并單元電壓輸入端，合并單元將模擬量二次電壓電流轉換為數字量電壓電流信號傳輸給保護、測控等裝置，而斷路器刀閘位置通過智能終端GOOSE信號反饋給控制主機，從而實現瞬時故障和永久故障的模擬真實模。一次故障模擬系統整體實現閉環控制，通過控制主機控制仿真軟件精確控制電流放大器和電壓放大器的電流電壓輸出值大小和時間從而真實模擬各種短路故障，實現一次加量，保護裝置、合并單元、智能終端、互感器、斷路器、刀閘開關等一二次設備整體測試的效果。

優點：該系統方案采用分布式設計模式，電流放大器采用單相模式，能保持較高電流輸出，技術上容易實現。二次系統低電壓能夠滿足保護設備基本故障需求，變電站調試檢修人員人身安全得到極大保證。控制主機直接控制電壓電流同步輸出，整個模擬系統直接從互感器一次側直接加量，大電流可以逼真仿真各種類型一次系統故障和CT飽和等現象，真實模擬整個變電站運行環境，操作方便，穩定性好。整套故障模擬系統拆裝簡單，方便變電站調試檢修使用。

缺點：電流放大器分散輸出，體積重量會比常規放大器偏大，攜帶不方便。但是大電流放大器目前技術只能實現單相輸出，且通過對電流放大器加裝小滑輪，不影響實際現場使用。

4裝置功能實現

控制主機：主機裝置主要負責數據傳輸、同步以及解析控制功能。控制主機內部集成數字信號處理DSP（Digital Signal Processing）芯片、FPGA（Field-Programmable Gate Array）芯片以及IEC61850高速通信卡。工作時，主機裝置根據控制軟件相關指令，產生控制電壓電流功率放大器的相關指令，該指令通過高速通訊卡傳輸傳輸給相關功率放大器，放大器產生的相關模擬量傳輸給對應的保護設備，當模擬保護故障時，保護裝置跳閘后將智能終端對應的信號通過開關量信號輸入到控制主機，實現控制主機的閉環控制和實時控制。DSP芯片內綜合了硬件乘法器，其單周期指令執行時間為50ns，35ns，25ns，保證電壓電流功率放大器三相能夠實現同步傳輸，完全能夠滿足數據處理傳輸的實時性。控制主機最大可同時接入9臺分布式終端（即電流電壓放大器），能夠實現母線、線路故障的模擬，另有3個GOOSE報文收發端口，8對硬開入和8對硬開出。可以實現斷路器刀閘位置等開關量信號的靈活輸入，從而構成完整的閉環測試系統。

功率放大器：綜合功率放大器的線性度、響應速度、精度度、負載能力和兼容性等各個方面的綜合因素考慮，電壓電流功率放大器均采用線性功率放大器。功率放大器主要由高速差分放大器輸入回路、電流功率放大器模塊、失真檢測及報警電路、保護電路和風冷系統構成，具有噪聲低、高精度、大電流、快速響應、線性輸出性能優良和過熱自動保護等特點。工作時，外部輸入相關控制指令，控制信號通過差分放大器模塊、波形發生模塊、數模轉換模塊和電壓電流功率放大模塊輸出對應的電壓電流信號。當功率過載或內部結構發生故障時，保護電路及時發送相關控制信號，從而切斷輸出電壓電流信號。

電流放大器輸出一次大電流，真實模擬一次系統故障，電流輸出范圍為0～2000A，輸出精度為0.5%，輸入輸出延時20us，電流上升時間小于500us。電壓放大器電壓輸二次額定電壓，因為一次高壓對工作人員的安全造成嚴重威脅，且二次額定電壓也能達到試驗效果。電壓輸出范圍為0～120V，輸出精度為0.1%，輸入輸出延時20us，電流上升時間小于100us。

5結論

實際故障模擬系統基于能夠產生一次大電流的功率放大器模塊，真實模擬電力系統運行環境，首次實現變電站互感器、合并單元、保護測控設備、智能終端、斷路器、智能刀閘和高壓開關的整體調試檢修，及早發現并解決不同電力裝備廠家在配合中出現的各種問題。同時，分布式設計思想還能夠實現保護設備的單體調試，攜帶移動方便，能夠適應實驗室、變電站現場等不同場合的應用。實際故障模擬系統真正實現了變電站一次系統故障真實模擬，對變電站現場調試檢修、電力科學院及高校和科研機構的電力研究有據大的幫助和指導意義。endprint