針對變電站電源系統(tǒng)的電力電子集中式開關(guān)保護(hù)方案

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0 引言

交流不間斷電源(UPS)和直流電源系統(tǒng)是變電站站用電源系統(tǒng)中非常重要的組成部分。其中，交流不間斷電源(UPS)主要用于站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)、故障信息子站、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)和在線監(jiān)測等設(shè)備中要求提供連續(xù)性交流電源的設(shè)備供電，它為電力監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)等重要設(shè)備提供電源；直流電源主要為操作電源、繼電保護(hù)、信號裝置、UPS及斷路器操作提供電源，它可在外部交流電中斷的情況下，由蓄電池繼續(xù)提供電源。因此，針對UPS和直流電源的保護(hù)是站內(nèi)保護(hù)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，在目前智能變電站不斷增多的背景下，保證變電站事故后的不斷電運(yùn)行至關(guān)重要。目前針對變電站內(nèi)電源系統(tǒng)的保護(hù)方案研究不足，在級差配合中的問題仍有待解決。

目前，針對變電站直流電源系統(tǒng)以及UPS的設(shè)計(jì)較多，文獻(xiàn)[1]對變電站直流電源回路故障進(jìn)行了分析，說明了直流電源回路故障的影響；文獻(xiàn)[2]針對變電站直流電源系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[3]研究了應(yīng)對直流電源丟失問題的中壓變電站二次系統(tǒng)性能提升方案及遠(yuǎn)方冗余保護(hù)新判據(jù)；文獻(xiàn)[4]分析了變電站繼電保護(hù)交直流電源串?dāng)_成因；文獻(xiàn)[5]分析了智能一體化電源系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用；文獻(xiàn)[6]分析了電力用直流和交流一體化不間斷電源。但是針對變電站直流系統(tǒng)和UPS的保護(hù)研究還不足。

本文針對變電站電源系統(tǒng)電力電子集中式開關(guān)保護(hù)提供了相應(yīng)解決方案。首先分析了直流電源和不間斷電源系統(tǒng)構(gòu)成和運(yùn)行方式。然后分析了現(xiàn)有變電站電源系統(tǒng)中存在的問題，根據(jù)不間斷電源系統(tǒng)的保護(hù)原理，重點(diǎn)論述了輸出短路保護(hù)以及橋臂直通保護(hù)的過程。說明了半導(dǎo)體功率器件與下級空氣開關(guān)配合問題、上下級空氣開關(guān)級差配合問題導(dǎo)致的故障范圍擴(kuò)大現(xiàn)象。接著針對基于全域感知狀態(tài)的集中式開關(guān)電源系統(tǒng)保護(hù)方案進(jìn)行了說明，分別針對不間斷電源系統(tǒng)以及直流電源保護(hù)進(jìn)行了方案改進(jìn)。最后針對本文設(shè)計(jì)的保護(hù)方案進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的保護(hù)方案的可靠性。

1 直流電源系統(tǒng)和UPS概述

1.1 直流電源系統(tǒng)

直流電源系統(tǒng)一般由蓄電池、充電裝置和饋線設(shè)備組成。直流母線電壓通常為110 V或220 V。蓄電池一般采用閥控式密封鉛酸蓄電池，單體電壓為2 V。220 kV及以上電壓等級配置2組蓄電池，110 kV及以下變電站宜安裝1組蓄電池。

典型的直流系統(tǒng)接線如圖1所示。由圖1可知,正常工作時(shí)，2路交流輸入經(jīng)交流配電單元互投后，選擇其中1路交流輸入提供給充電模塊，充電模塊輸出穩(wěn)定的直流電源(略高于蓄電池電壓)，一方面給蓄電池組充電，另一方面提供合閘/控制輸出。當(dāng)交流電源或者充電模塊故障時(shí)，由蓄電池進(jìn)行放電，給2條母線提供電源。

圖1 直流電源系統(tǒng)示意

1.2 交流不間斷電源系統(tǒng)

交流不間斷電源UPS(AC 220 V)系統(tǒng)是由整流器、逆變器等組成的一種交流不間斷電源裝置，其為電力監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)等重要設(shè)備提供不間斷電源。

不間斷電源系統(tǒng)采用單母線接線，因變電站內(nèi)需要不間斷電源供電的設(shè)備多為單相負(fù)載，所以UPS為單相輸出，輸出的配電柜饋線應(yīng)采用輻射狀供電方式。UPS由1路交流主電源、1路交流旁路電源和1路直流電源供電，交流處電源與旁路電源共用1路電源。UPS正常運(yùn)行時(shí)由站用交流電源供電，當(dāng)輸入電源或整流器發(fā)生故障時(shí)，變電站直流系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電源供電。當(dāng)UPS故障或設(shè)備檢修時(shí)，由旁路供電。

UPS系統(tǒng)具有4種不同的運(yùn)行模式：正常交流逆變模式、直流模式、靜態(tài)旁路模式和維護(hù)旁路模式。如圖2所示。

圖2 UPS示意

UPS的工作流程如下：正常工作時(shí)，經(jīng)整流的交流輸入和直流輸入同時(shí)異常或逆變器異常時(shí)，經(jīng)過靜態(tài)切換開關(guān)自動(dòng)切換到旁路后與直流輸入并聯(lián)，此時(shí)整流后的電壓略大于直流輸入電壓，所以此時(shí)采用交流輸入作為電源，經(jīng)整流后通過靜態(tài)開關(guān)對外輸出。當(dāng)交流輸入異常時(shí)，自動(dòng)切換到直流輸入經(jīng)逆變后通過靜態(tài)開關(guān)對外輸出。

2 現(xiàn)有直流電源中的問題

2.1 UPS保護(hù)原理

UPS系統(tǒng)一般都配置了具有輸入輸出過欠壓保護(hù)、輸入浪涌保護(hù)、相序保護(hù)、輸出過載短路保護(hù)和溫度過高保護(hù)等保護(hù)功能。本文對以下保護(hù)機(jī)制進(jìn)行重點(diǎn)論述。

2.1.1 輸出短路保護(hù)

UPS 需要能重復(fù)多次承受短路沖擊電流，由于IGBT不能超過額定輸出電流的4倍，否則會(huì)瞬間擊穿，所以此類保護(hù)采用硬件保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)。UPS在逆變器輸出端通過電流傳感器來檢測輸出電流，當(dāng)發(fā)生輸出短路時(shí)，感性電流迅速增大，此電流達(dá)到一定范圍時(shí)(大于正常工作電流，小于重復(fù)峰值電流ICRM)，輸出驅(qū)動(dòng)封鎖，此時(shí)感性電流開始下降，直到一定程度，撤銷驅(qū)動(dòng)封鎖信號。若此過程中輸出一直短路，待下一個(gè)驅(qū)動(dòng)到來時(shí)，感性電流又開始上升，到短路保護(hù)點(diǎn)時(shí)，繼續(xù)封鎖IGBT 的驅(qū)動(dòng)，如此反復(fù)0.2 s 后，軟件邏輯可判斷此時(shí)發(fā)生了輸出短路，閉鎖逆變器。

2.1.2 橋臂直通保護(hù)

UPS整流后母線被直接短路，導(dǎo)致此電流一般在10×10-6s之內(nèi)即能上升到IGBT 額定電流的數(shù)倍，發(fā)生橋臂直通后，需要快速檢測出此故障，并將IGBT 驅(qū)動(dòng)封鎖并死鎖，直到系統(tǒng)指令復(fù)位才允許再次開啟驅(qū)動(dòng)信號。在總壽命周期內(nèi)，一般IGBT 承受此類直通電流不能超過100 次。這類直通保護(hù)需要在10×10-6s內(nèi)，在IGBT 的電流未達(dá)到短路電流ISC以前關(guān)閉驅(qū)動(dòng)，并同時(shí)關(guān)閉逆變器。此類保護(hù)也采用硬件保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)。

2.2 功率半導(dǎo)體器件與下級空氣開關(guān)配合問題導(dǎo)致的故障范圍擴(kuò)大

交流不間斷電源(UPS)和直流電源系統(tǒng)中，均采用了大量的晶閘管、雙極型功率晶體管、MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管IGBT等器件。這些電力電子器件對輸出端的過載電流和短路電流相當(dāng)敏感，瞬間的大電流即可導(dǎo)致元器件因功率損耗而燒毀。因此，在電力電子功率源系統(tǒng)中均設(shè)計(jì)有相應(yīng)的過流保護(hù)和短路保護(hù)電路，通過檢測輸出電流與飽和壓降并配合驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)元器件保護(hù)。直饋式UPS故障范圍分析如圖3所示，直流電源故障范圍分析如圖4所示。

以IGBT為例，根據(jù)電力系統(tǒng)UPS技術(shù)規(guī)范，UPS須滿足在0.2 s內(nèi)重復(fù)多次承受短路沖擊的技術(shù)要求，而UPS內(nèi)的IGBT元件不能承受超過4倍的額定電流，否則會(huì)瞬時(shí)擊穿。因此在本文設(shè)計(jì)中增加了專門的硬件保護(hù)電路，在逆變器輸出端通過電流傳感器來檢測輸出電流，并實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)。

圖3 直饋式UPS故障范圍分析

圖4 直流電源故障范圍分析

當(dāng)發(fā)生輸出短路故障時(shí)，負(fù)荷電流IL迅速上升，當(dāng)檢測到此電流達(dá)到一定范圍時(shí)，如大于正常工作電流，小于重復(fù)峰值電流ICRM(一般為額定輸出電流的2倍)，輸出驅(qū)動(dòng)封鎖，此時(shí)IL開始下降，當(dāng)電流下降到一定程度，撤銷驅(qū)動(dòng)閉鎖信號。假如此過程中輸出一直短路，待下一個(gè)驅(qū)動(dòng)到來時(shí)，IL又開始上升，到短路保護(hù)點(diǎn)時(shí)，再一次閉鎖驅(qū)動(dòng)，如此反復(fù)0.2 s 后，軟件邏輯判斷此時(shí)發(fā)生了永久性輸出短路，將逆變器關(guān)閉。

根據(jù)以上分析，UPS電力電子器件的保護(hù)元件在發(fā)生輸出電流大于2倍小于4倍額定電流的短路故障時(shí)，UPS在0.2 s內(nèi)閉鎖輸出電流；當(dāng)故障電流大于4倍額定電流時(shí)，UPS在10×10-6s內(nèi)即閉鎖輸出電流。而根據(jù)饋線斷路器(空氣開關(guān))的電磁脫扣特性技術(shù)要求，2倍額定電流下，脫扣時(shí)間在15～300 s；4倍額定電流下，脫扣時(shí)間為1.5～25 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UPS的電流輸出關(guān)閉時(shí)間。因此，在某一回饋線發(fā)生故障時(shí)，在該回饋線的空開尚未脫扣的時(shí)間內(nèi)，UPS已故障閉鎖輸出電流，導(dǎo)致整條母線失壓，引起故障范圍擴(kuò)大。

與UPS系統(tǒng)類似，蓄電池改造后的直流電源系統(tǒng)，同樣存在饋線故障導(dǎo)致輸出電流短路保護(hù)，從而母線失壓引起故障范圍擴(kuò)大的問題。

2.3 上下級空氣開關(guān)級差配合問題導(dǎo)致的故障范圍擴(kuò)大

根據(jù)變電站內(nèi)直流負(fù)荷的配置需要，直流電源系統(tǒng)大多為分級運(yùn)行，最大可分4級運(yùn)行。為保證各級空氣開關(guān)的級差保護(hù)合理性，需要在選型時(shí)合理配置各級空開的型號與規(guī)格，使得最末一級的動(dòng)作電流最小、動(dòng)作時(shí)間最短，最高級的動(dòng)作電流最大、動(dòng)作時(shí)間最長，其他級空開按一定的階梯進(jìn)行選型和配置。

但是實(shí)際運(yùn)行中，空氣開關(guān)脫扣采用磁效應(yīng)與熱效應(yīng)相結(jié)合的方式，安秒特性曲線不一致的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；有的廠家的產(chǎn)品只能實(shí)現(xiàn)直流正極或負(fù)極單側(cè)保護(hù)，部分空氣開關(guān)在短路電流達(dá)到某一閾值時(shí)，二者動(dòng)作電流近似而發(fā)生越級跳閘；即使同一批次生產(chǎn)的直流斷路器，安秒特性也不一致，并且電流、時(shí)間級差很小；空開的固有分閘時(shí)間也存在差別，無法保證上級空開固有分閘時(shí)間不小于下級固有分閘時(shí)間。因此，當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于上下級空開能夠同時(shí)越過反時(shí)限動(dòng)作區(qū)，達(dá)到各自的速斷動(dòng)作值，跳閘時(shí)間存在不確定性，不能保證有選擇地切除故障，往往導(dǎo)致越級跳閘，造成直流停電面積擴(kuò)大，致使更多的繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置和控制回路失去工作電源，從而影響到電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)。分級故障范圍如圖5所示。

圖5 分級UPS故障范圍分析

3 基于集中式開關(guān)的電源系統(tǒng)全域保護(hù)方案

3.1 全域狀態(tài)感知

由于使用交直流電源系統(tǒng)供電的站內(nèi)設(shè)備類型非常多、數(shù)量龐大，各設(shè)備均配置了不同類型的元器件，如斷路器、隔離開關(guān)、空氣開關(guān)、熔斷器、刀閘和漏電保護(hù)器等保護(hù)器件，這些元器件的電氣特性不盡相同，并且在不同的條件下具有不同的運(yùn)行方式，因此需要結(jié)合實(shí)際情況配置多級多臺(tái)保護(hù)裝置。裝置需提供靈活的配置方案和運(yùn)行策略，運(yùn)用多種控制方法與繼電保護(hù)原理，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的合理配置和全域狀態(tài)的故障感知與判別，滿足不同工程現(xiàn)場的具體要求。

在全域狀態(tài)感知下，通過先進(jìn)的傳感和高速測量技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)電源系統(tǒng)的功率源和各饋線輸出狀態(tài)的全景化信息采集，結(jié)合功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性和保護(hù)特性，運(yùn)用站域保護(hù)原理，實(shí)現(xiàn)對站內(nèi)電源系統(tǒng)的智能化檢測、保護(hù)和控制，在某饋線發(fā)生故障時(shí)，能夠精確定位故障，上下級高速聯(lián)動(dòng)，快速切除故障，避免越級跳閘和功率源閉鎖引起大面積停電事故的發(fā)生，并能錄入事故過程，指導(dǎo)運(yùn)維人員快速排除故障，恢復(fù)供電，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)交直流電源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 態(tài)勢感知框架

3.2 UPS保護(hù)改進(jìn)方案

為解決前文所述單回饋線故障造成功率半導(dǎo)體器件閉鎖，導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大，從而影響其他饋線正常運(yùn)行的問題，本文采取如圖7所示的改進(jìn)方案。

a.增加CT，采集進(jìn)線和各饋線支路的電流信息。

b.將空氣開關(guān)變更為電動(dòng)操作空開或者自保持磁開關(guān)。

c.用一級裝置采集Ⅰ級母線處的進(jìn)線電流、各支路電流和各操作開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)該級母線保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，可靠切除對應(yīng)的開關(guān)。

d.用二級裝置采集Ⅱ級母線處相關(guān)的進(jìn)線電流、各支路電流和各操作開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)該級母線范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，可靠切除對應(yīng)的開關(guān)。

e.在Ⅱ級范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，通過Ⅰ級裝置和Ⅱ級裝置之間的保護(hù)跳閘閉鎖信號，閉鎖上級裝置，避免跳開上級開關(guān)，引起越級跳閘。

f.根據(jù)工程現(xiàn)場的需要，裝置之間的級聯(lián)可以為多級配置，實(shí)現(xiàn)全域內(nèi)的保護(hù)級差配合。

通過一級裝置和二級裝置的全域狀態(tài)感知，能夠針對不同的母線進(jìn)行分組控制，快速切除故障。

圖7 UPS保護(hù)改進(jìn)方案

3.3 直流電源保護(hù)改進(jìn)方案

實(shí)際運(yùn)行中，蓄電池組是較多發(fā)生故障的部分。主要表現(xiàn)為：蓄電池長期不用或長期處于浮充狀態(tài)，電池極板的活性物質(zhì)易硫化，電池放電能力降低，直至放不出電；蓄電池多采用串接方式，而電池之間存在離散性，單體電池之間的實(shí)際電壓不盡相同，電池標(biāo)稱的浮充電壓是一種均值，不能滿足每一節(jié)電池的要求，造成一部分電池滿充，一部分電池?zé)o法充滿，放電能力變差；單節(jié)電池故障可能造成整個(gè)回路故障。

直流蓄電池的保護(hù)方案主要是將單組蓄電池組合并接，通過DC/DC裝置與母線鏈接，如圖8所示。

圖8 直流電源保護(hù)改進(jìn)方案

由圖8可知：左側(cè)線框中的電池是改造后的蓄電池組；可利用串接方式，通過全域狀態(tài)感知控制裝置判斷饋線是否出線故障，并及時(shí)排除故障。

4 仿真分析

4.1 系統(tǒng)說明

本文分別針對UPS和直流電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真，說明所提保護(hù)方案的有效性。UPS采用如圖7所示的保護(hù)方案，直流電源采用如圖8所示的方案。通過對比方案改進(jìn)前后的短路電流動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電流說明本文所提方法的有效性。考慮UPS有3根饋線的情況，Ⅱ級母線帶2回出線。直流電源系統(tǒng)為集中輻射方式，帶有饋線3回。

保護(hù)未改進(jìn)前的配置結(jié)果分別如表1和表2所示，其中IPS為啟動(dòng)電流(標(biāo)幺值)，tMS為動(dòng)作時(shí)間。

表1 UPS保護(hù)配置結(jié)果

表2 直流電源保護(hù)配置結(jié)果

4.2 改進(jìn)后保護(hù)配合結(jié)果

利用本文所提的方法，計(jì)算得到改進(jìn)UPS保護(hù)配合結(jié)果如表3所示。

表3 UPS改進(jìn)保護(hù)配置結(jié)果

直流電源改進(jìn)保護(hù)配置結(jié)果如表4所示。

表4 直流電源改進(jìn)保護(hù)配置結(jié)果

通過表3和表4可以看出，UPS電源干線增加了1組CT，各支路的啟動(dòng)動(dòng)作電流相較之前表1和表2均有所提升，這是因?yàn)楦删€增加電流互感器之后，對短路故障的檢測更加靈敏，從而提高了線路的可靠性，動(dòng)作時(shí)間也隨之減少，總體上提高了保護(hù)的可靠性。

5 結(jié)束語

本文針對變電站電源系統(tǒng)電力電子集中式開關(guān)保護(hù)提供了相應(yīng)解決方案。首先分析了直流電源和不間斷電源系統(tǒng)構(gòu)成和運(yùn)行方式。然后分析了現(xiàn)有直流電源中存在的問題，根據(jù)不間斷電源系統(tǒng)的保護(hù)原理，重點(diǎn)論述了輸出短路保護(hù)以及橋臂直通保護(hù)的過程。說明了半導(dǎo)體功率器件與下級空氣開關(guān)配合問題、上下級空氣開關(guān)級差配合問題導(dǎo)致的故障范圍擴(kuò)大現(xiàn)象。接著針對基于痊愈感知狀態(tài)的集中式開關(guān)電源系統(tǒng)保護(hù)方案進(jìn)行了說明，分別針對不間斷電源系統(tǒng)以及直流電源保護(hù)進(jìn)行了方案改進(jìn)。最后針對本文設(shè)計(jì)的保護(hù)方案進(jìn)行了仿真分析，說明了本文保護(hù)方案在整定結(jié)果中的有效性。