模擬式相序檢測電路在線路保護測控裝置電流采集回路中的應用

何銀康 嚴相濱

【摘? 要】線路保護測控裝置電流采集端子接線錯誤，從而使監控系統得到錯誤的線路參數或使保護誤動、拒動，將對線路運行造成重大隱患。本文從空天饋線保護測控裝置功率顯示錯誤的現象入手，結合PT和CT變比、相序、保護測控裝置運行狀況、監控系統參數設置等因素，并與同一母線正常回路相比較，著重考慮故障時有功功率和無功功率的計算值與顯示值存在3倍關系的這一核心問題，經過計算分析，做出了保護測控裝置A相電流輸入輸出端子接反的結論，并圍繞此結論進行了一系列兼具保護測量裝置功率計算算法、模擬式相序檢測電路設計以及相序檢測電路在保護測控裝置上的應用等在內的分析研究過程。

【關鍵詞】模擬式相序檢測電路;三瓦法;數字移相法;離散采樣;電磁隔離電路

引言

線路保護測控裝置在電力系統中有著非常重要的地位，它是集線路保護、參數測量、與監控系統通信等功能于一體的自動化裝置，相當于運行值班人員散布于現場的眼睛。保護測控裝置參數測量的正確與否，直接關系到電力線路的運行安全性。電流回路接線錯誤將直接導致保護測量裝置對功率的計算結果，由此帶來的危害性很大，主要表現在兩方面：第一，由于非電能結算性質的電能統計是對統計區間內功率的積分得到的，因此電流回路接線錯誤將造成電能統計錯誤。第二，不能正確地反映電力系統的功率分布情況和線路運行狀態，使運行人員不能正確、及時地掌握系統運行情況。因此，及時發現和預防此類故障，可防止線路嚴重事故的發生。為了能及時有效的發現保護測控裝置電流采集回路接線錯誤，就要采取技術手段對三相電流相序進行檢測，保證其正確性，本文就模擬式相序檢測電路在保護測控裝置電流采集回路中的應用做了進一步的分析探討。

1.案例及其分析

1.1案例及其現象

2018年3月20日20時許，監盤人員發現，接于我廠空分空壓變電所10kvⅠ段母線并于當日正式送電運行的空天饋線，其回路有功功率P、無功功率Q與同一母線上具有相近電流值的其他饋線存在很大差異，用空分空壓變電所10kvⅠ段母線進線處的有功功率P總=3.48MW、無功功率Q總=1.69MVar分別減去該母線上除去空天饋線外的所有饋線的有功功率之和P∑=2.95MW與無功功率之和Q∑=1.4259MVar所得到的空天饋線有功功率P計算=530KW，無功功率Q計算=246.1KVar，P計算與Q計算的數值皆為該饋線測控裝置顯示值（P顯=172.72kw，Q顯=86.36kvar）的3倍。從而可以得到空天回路有功功率和無功功率計算值分別是其顯示值的3倍這一結論。

1.2案例分析

經運行人員在現場檢查確認和計算分析，空天回路保護測控裝置上的電流、電壓顯示值均正確無誤，保護測控裝置無任何故障指示、后臺監控系統參數設置也都正確。一時間，問題似乎沒有了答案。

為了弄清顯示出現錯誤的原因，我們不妨先來了解一下空天回路使用的保護測控裝置功率計算方法。

保護測控裝置的有功功率、無功功率計算采用三瓦法，三瓦法的有功功率計算表達式為：

（1式）

式中，、、分別為A、B、C三相電壓瞬時值，、、分別為A、B、C三相電流瞬時值，T為被測交流電量的周期。

現代保護測控裝置均采用離散的電流、電壓采樣值進行功率計算，此時1式對應的表達式就變為：

（2式）

對應離散采樣值數字移相算法的無功功率計算表達式為：

（3式）

2式、3式中N為電流、電壓一個周波內的采樣點數，n為每周波N個采樣點中的第n個采樣點。

由2式、3式可知保護測控裝置對三相正弦交流電路的功率測量是采用分相求和的計算方法，由于正常運行時三相電路處于對稱狀態，三相功率數值基本相等，假設其中任意一相的功率值出現負值，那么該相的數值會與其他兩正常相當中的任一相數值相抵消，此時，三相總功率的值就等于一相功率的值，這一推斷與上面所述“空天回路有功功率和無功功率計算值分別是其顯示值的3倍”這一結論相吻合。按照這一思路，運行人員對保護測控裝置的電流、電壓輸入回路及電流與電壓的相位進行檢查時發現，三相電壓與對應相的電流夾角為

由此可見，是A相電流反相，造成、的數值為負。進一步檢查發現是保護測控裝置A相電流輸入輸出端子接反。當把A相電流輸入輸出端子調換后，測控裝置顯示值恢復正常。

相同的案例我廠在2015年10月時也曾發生過一起，可見保護測量裝置因為電流回路接線錯誤造成的功率測量顯示錯誤現象在工業企業發生頻率較高，給電能計量、功率分布觀測、系統運行監視等工作帶來諸多不便，針對此類問題使三相電流相序發生改變的這一特點，如果能在保護測控裝置電流二次回路中加裝相序檢測電路，對輸入保護測控裝置的三相電流進行相序檢測，并在相序發生錯誤時發出報警，這樣就可以有效的防止上述問題的發生。

2.模擬式相序檢測電路在保護測控裝置上的應用

2.1模擬式相序檢測電路原理

模擬式相序檢測電路原理如圖一所示

圖一

為了便于電路分析，我們把燈HL1和HL2的電路拆分成兩個相互獨立的電路，分別對其進行分析，拆分后的兩部分電路和其等效電路如圖二和圖三所示：

圖二及其等效電路

圖三及其等效電路

對圖二等效電路中A點運用彌爾曼定理求解電勢，可得

（4式）

對圖三等效電路中點運用彌爾曼定理求解電勢，可得

（5式）

為方便描述，令=? ? ?令=。

對4式、5式進行分析可知，當輸入電壓相序為正相序時，在圖二中，為超前向量α角度的一個向量，如圖四所示，如果調整與的值，使其滿足=且，那么，將與/等大反向，=0，燈HL1（可將其標注為相序錯誤指示燈）不亮。而在5式中，為超前向量α角度的一個向量，如圖五所示，如果調整與的值，使其滿足=且，那么，與/的夾角將變為，為與/的向量和，燈HL2（可將其標注為相序正確指示燈）將在的作用下發光，指示相序正確。

圖四? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖五

當輸入電壓相序為負相序（假如為A相電壓接反）時，在圖二中，如果繼續保持=且這一關系不變，那么，將與/等大同向，如圖六所示，=/，燈HL1（可將其標注為相序錯誤指示燈）發亮，指示相序錯誤。而在圖三中，如果也繼續保持=且這一關系不變，那么，與/的夾角將變為，如圖七所示，為與/的向量和，但這一電壓較小，只要合理選取燈HL2（可將其標注為相序正確指示燈）則可保證HL2在的作用下不發光。

圖六? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖七

2.2保護測控裝置二次電流輸入回路

保護測控裝置二次電流輸入回路原理圖如圖八所示，裝置所需電壓采自母線PT二次側，分別從裝置209、210、211、212四個端子引入三相電壓和PT二次繞組公共線，電壓引入后經電磁隔離進入裝置內部作進一步的高頻開關采樣、量化、編碼等處理。裝置所需電流采自饋線首段的測量CT二次側，經裝置201、202、203、204、205、206、207、208端子引入三相電流和零序電流，引入裝置后經電磁隔離進入裝置內部作進一步的高頻開關采樣、量化、編碼處理。

圖八

2.3模擬式相序檢測電路與保護測控裝置二次電流回路的結合

2.3.1模擬式相序檢測電路的信號采集方式

由模擬式相序檢測電路可知，該電路是通過采集三相電壓信號來工作的，它不能直接采用電流信號來檢測相序的正確與否，因此，必須將保護測控裝置所用的CT二次電流轉換為與自身同相位的電壓信號后，才能供模擬式相序檢測電路使用。這里我們采用本裝置自身所用的電磁隔離電路來實現電流信號和電壓信號的轉換，為了提高轉換效率，電磁隔離電路二次側的電阻R要采用高阻值電阻，然后從該電阻兩端引出相序檢測電路所需電壓信號。

2.3.2模擬式相序檢測電路的信號采集位置

模擬式相序檢測電路的信號采集位置可以有三種，下面就每種的優缺點進行分析，然后決定采用哪種。

首先，可以將電流信號與電壓信號轉換的位置放在保護測控裝置外部的二次電流導線上，這樣可以不改動保護測控裝置而輕易地實現目的。乍一看是個不錯的方案，但細細想來，這一方案缺點很多。第一，為感應出電壓信號，在二次電流回路中就必須增加電感線圈作為電磁隔離電路的一次繞組，這樣就增大了CT二次回路的電抗，對CT測量精度造成影響，同時增大了CT二次回路斷線的可能性。第二，即使模擬式相序檢測電路相序檢測指示正確，但由于存在著保護測控裝置電流引入端子接線錯誤的可能，因此，它不能從根本上保證所檢測相序與保護測量裝置所用相序的一致性，該方案被淘汰！

其次，可以將電流信號與電壓信號轉換的位置放在保護測控裝置電流引入的端子處，這樣做也可以不改動保護測控裝置內部結構而輕易地實現目的，改造工作量也較小。缺點是：第一，在同相電流的輸入和輸出端子上并接用于感應電壓的線圈作為電磁隔離電路的一次繞組，對進入保護裝置的電流起到了分流作用，導致測量精度下降。第二，增加了保護測控裝置電流采集端子的負荷，可能使端子損壞，導致CT二次回路斷線。因此該方案也不可行。

最后，是將電流信號與電壓信號轉換的位置放在保護測控裝置內部電磁隔離電路的二次側，也就是在電磁隔離電路的二次繞組旁邊再增加一組繞組，從一次側感應電壓，然后送往模擬式相序檢測電路。這樣可以做到所檢相序即為保護測控裝置所用相序，保證了相序檢測電路檢測結果的真實可靠性，同時，不會對電流二次回路造成不利影響，對測量精度也無影響。缺點是，要對裝置內部進行改動，實施難度較大。但這一問題是可以通過廠家的設計、制造來解決的。所以綜合分析下來應采用該方案。

2.3.3模擬式相序檢測電路與保護測控裝置二次電流回路的結合

模擬式相序檢測電路與保護測控裝置二次電流回路結合后的原理如圖九所示：

圖九

、、為經電磁隔離電路轉換后電壓信號，它與對應相的二次電流同相位，將、、任意引出兩相（本文引出、兩相）接至模擬式相序檢測電路的A、C兩相接口，同時，再從電磁隔離電路二次繞組中性點公共線上引出一路，作為模擬式相序檢測電路的中點O。、、三相信號任然輸入保護測控裝置內部，作為電流信號供裝置采集。

3.全文總結

電力回路中電流、電壓的采集情況關系到功率在監控系統畫面上顯示的正確與否，從而影響運行值班人員對系統功率分布、線路或設備運行狀態的掌握以及非電量結算的電能統計，同時，如果接線錯誤發生在保護CT回路，那么還有可能可能導致保護誤動或拒動現象的發生，給電力系統帶不可預估的重大損失。因此，為了有效地預防此類事件的發生，本文從以下幾個方面開展研究工作，以形成完備可靠的技術檢測措施：

（1）以實際案例為導向，深入分析研究造成故障現象的根本原因，全面掌握自動化保護測量裝置功率計算方法。

（2）全面、深入地分析解讀模擬式相序檢測電路，利用相序不同造成的兩個“Y”型負載回路中性點電壓不同，使不同回路燈泡發光的原理，對進入保護測控裝置內部參與功率計算的電流進行相序檢測。

（3）對保護測控裝置的電流采集回路進行研究，在考慮電流互感器二次回路斷線、裝置測量精度、實現方式的難易等因素后，找出模擬式相序檢測電路在保護測控裝置上的應用方案。

同時，也希望從以下兩個方面入手，進一步提高設備安裝、接線過程中的正確率。

（1）加強作業現場管理，做好導線頭上的標識工作，防止線頭接錯。

提高作業人員素質、增強施工人員責任意識，培養他們認真細致的工作態度和工作完成后的檢查確認習慣。

（作者單位：神華榆林能源化工有限公司）