特高壓串補保護控制裝置的研制

姚東曉，馬和科，倪傳坤，鄧茂軍，呂利娟，汪花永，原 琳

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特高壓串補保護控制裝置的研制

姚東曉，馬和科，倪傳坤，鄧茂軍，呂利娟，汪花永，原 琳

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

特高壓串補一次系統(tǒng)設(shè)備昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障類型多，其保護控制裝置與傳統(tǒng)的繼電保護裝置在硬件及軟件需求上存在很大差異。為反映MOV及間隙放電等瞬變電流，串補保護控制系統(tǒng)對實時性要求非常高。在分析串補系統(tǒng)基本故障類型及對保護控制裝置需求的基礎(chǔ)上，提出了串補保護控制系統(tǒng)硬件及軟件方案。硬件采用模塊化設(shè)計，模擬量輸入與處理、保護邏輯運算、通信及人機接口等硬件模塊根據(jù)功能及性能需求獨立設(shè)計，以達到最高效率及最好穩(wěn)定性。軟件分層分模塊設(shè)計，底層軟件由專業(yè)團隊設(shè)計，復(fù)雜的應(yīng)用層軟件采用可視化編程環(huán)境實現(xiàn)，將各保護功能及算法模塊化、可視化，降低了編程出錯幾率，提高了軟件運行的穩(wěn)定性。通過型式實驗及數(shù)模仿真實驗驗證，所研制串補保護控制裝置動作行為及性能符合相關(guān)行業(yè)標準要求。

特高壓串補系統(tǒng)；串補保護控制裝置；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計；保護配置；高實時性

0 引言

提高電能遠距離輸送容量的方式有兩種，一種是建設(shè)新的線路，一種是提高原有線路的輸送容量。對于建設(shè)新的線路，由于需要占用大量土地資源及建設(shè)大量中間變電站或開關(guān)站，成本非常高。若在滿足新增輸送容量的情況下，通過在線路上安裝串補電容器以提高原有線路的輸送容量[1-3]，將是經(jīng)濟的選擇。

目前我國已有多條在運行的特高壓串補線路[4-6]，對串補系統(tǒng)相關(guān)理論及技術(shù)的研究也有很多[7-11]，但是串補保護控制設(shè)備還主要通過進口國外產(chǎn)品來滿足市場需求。我國采用的串補保護控制設(shè)備主要來自ABB、西門子、諾基亞、通用電氣等國外公司，國內(nèi)只有中電普瑞公司有在運行產(chǎn)品。

為打破串補保護控制裝置主要依靠進口的格局，我們對串補保護控制裝置的研制及實驗進行了專門的立項研究。本文首先分析了串補系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及故障類型，然后對串補保護控制裝置的硬、軟件研制及保護配置進行了系統(tǒng)的闡述，最后通過型式試驗及數(shù)模實驗驗證了所研制裝置動作行為的正確性，各項性能指標滿足相關(guān)行業(yè)標準要求。

1 串補一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及故障類型

串補一次系統(tǒng)由串補電容器組、金屬氧化鋅限壓器(MOV)、阻尼回路、火花間隙、旁路斷路器、旁路刀閘、隔離刀閘、接地刀閘、串補平臺組成，如圖1所示。

圖1串補系統(tǒng)一次結(jié)構(gòu)圖

串補系統(tǒng)的電氣量保護主要保護電容器組、MOV、火花間隙、旁路斷路器及串補平臺。電容器組是串補系統(tǒng)的基本功能元件，由多臺電容器通過串并聯(lián)方式組成，其故障類型主要包含電容器過負荷、電容器損壞(熔絲熔斷或電容器擊穿)；MOV作為電容器組的主保護元件，用于限制電容器組過電壓，其故障類型主要包括MOV過電流、過能量、過溫度，雙分支不平衡；火花間隙用于嚴重過電壓時快速旁路串補系統(tǒng)，降低金屬氧化物避雷器吸收的能量，主要故障類型包括間隙自觸發(fā)、長時觸發(fā)、拒觸發(fā)、延遲觸發(fā)；旁路斷路器用于投入和退出串補系統(tǒng)，主要故障類型為合閘失靈、分閘失靈、壓力過低等；串補平臺用于放置串補系統(tǒng)設(shè)備元件，主要故障類型為主設(shè)備對平臺閃絡(luò)放電。

2 串補保護控制裝置硬件系統(tǒng)研制

2.1 硬件系統(tǒng)需求分析

串補保護控制裝置硬件研制難點在于其高實時性要求，既要滿足高采樣速率要求，又要滿足高處理速度要求。串補保護控制裝置需要具備很高的數(shù)據(jù)采樣速率，來完整反映電容器經(jīng)間隙放電及MOV過電壓放電電流，一般繼電保護每工頻周波只需24個采樣點(采樣速率每秒1 200點)，本文研制的串補保護控制裝置達到每工頻周波200個采樣點(采樣速率每秒10 000點)。另外發(fā)生嚴重故障時為瞬時觸發(fā)間隙以快速旁路串補系統(tǒng)，MOV高電流等快速保護要具備極高的實時性。

串補保護控制裝置模擬量采用光數(shù)字采集模式，采樣數(shù)據(jù)由安裝在串補平臺上的采集器通過光纖以FT3點對點方式傳輸?shù)胶喜卧喜卧賹⒏鞑杉鲾?shù)據(jù)匯總打包傳輸給保護裝置；開關(guān)量輸入輸出采用硬接線直接接到保護裝置；人機交互具備按鍵操作及液晶顯示功能，支持就地修改定值、投退壓板、查看報告及運行數(shù)據(jù)等功能；具備采用快速以太網(wǎng)與遠方監(jiān)控系統(tǒng)通信功能，支持無人化運行管理。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

該串補保護控制系統(tǒng)硬件由電源模塊、模擬量輸入及處理模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、保護CPU模塊、通信CPU模塊、人機接口模塊組成，如圖2所示。

圖2裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

模擬量輸入及處理模塊用于模擬量采集及處理，模擬量數(shù)據(jù)由合并單元通過光以太網(wǎng)通信方式輸入。該模塊采用高性能powerPC處理器(PPC)作為中央處理單元，主頻可達777 MHz，內(nèi)含浮點處理單元以及快速以太網(wǎng)通信接口，浮點運算速度快，內(nèi)部以太網(wǎng)接口方便與保護CPU模塊間的實時通信；高性能大規(guī)?？删幊涕T陣列(FPGA)部署有以太網(wǎng)控制器IP核，用于接收外部數(shù)據(jù)采集報文，并實現(xiàn)報文診斷及過濾，將采樣值取出并打包，通過PCI express總線發(fā)給中央處理器；PCI express總線數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5 Gbit/s，內(nèi)部快速以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mbit/s，而采樣值傳輸所需傳輸帶寬僅為10 M左右(純采樣數(shù)據(jù)所占帶寬為7.68 M)，因此完全滿足采樣實時性要求。

保護CPU模塊的主要功能是進行保護邏輯的運算處理。CPU采用與模擬量輸入模塊相同的PPC處理器；采用兩個片上以太網(wǎng)控制器分別與模擬量輸入及處理模塊和通信CPU模塊通信；FPGA用于擴展局部總線、與間隙控制系統(tǒng)通信及處理B碼對時。擴展局部總線用于開入開出數(shù)據(jù)交換；與間隙控制系統(tǒng)通信采用串口曼切斯特編碼的方式，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊通過光纖通信完成觸發(fā)火花間隙及接收間隙控制系統(tǒng)運行狀態(tài)信息。

通信CPU模塊的主要功能是與監(jiān)控系統(tǒng)通信及實現(xiàn)人機接口處理。處理器同保護CPU模塊。對外通信通過交換控制器擴展4路以太網(wǎng)實現(xiàn)與外部監(jiān)控系統(tǒng)通信。FPGA用于對時信號處理、按鍵讀取、信號燈驅(qū)動、液晶驅(qū)動器片選信號譯碼，液晶數(shù)據(jù)及主控制信號由CPU片上液晶控制器控制交換。

人機接口模塊包括液晶顯示器(240*320)、10個按鍵、12個指示燈，用于實現(xiàn)人機交互，由通信CPU模塊具體控制。

開入開出模塊包含開入插件和開出插件。開入插件用于采集外部的開關(guān)量狀態(tài)，主要包含旁路刀閘、隔離刀閘、旁路斷路器位置、線路聯(lián)跳串補開入等。開出插件用于驅(qū)動保護動作及告警信號，主要包括旁路斷路器出口、重投出口、觸發(fā)間隙出口以及相關(guān)的信號出口。

電源模塊輸出+5 V和+24 V電源，分別用于數(shù)字系統(tǒng)電源和繼電器電源。

3 串補保護控制裝置軟件系統(tǒng)研制

串補保護控制系統(tǒng)軟件分為底層支持軟件和應(yīng)用層功能軟件，如圖3所示。

圖3裝置軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

底層支持軟件包括引導(dǎo)程序(Bootloader)、驅(qū)動程序、FPGA配置文件、嵌入式操作系統(tǒng)程序。引導(dǎo)程序用于將其他程序下載到CPU板flash存儲器中；驅(qū)動程序用于完成文件操作、以太網(wǎng)、flash、FPGA等的驅(qū)動；FPGA配置文件用于具體配置FPGA的功能；嵌入式操作系統(tǒng)程序負責(zé)任務(wù)調(diào)度與資源管理。應(yīng)用軟件用于實現(xiàn)具體的保護控制邏輯判別、通信控制及人機接口控制，是裝置功能的具體體現(xiàn)部分。

3.1保護控制應(yīng)用軟件設(shè)計

底層支持軟件由專門的嵌入式軟件開發(fā)部門根據(jù)項目需求設(shè)計，本文不做詳細介紹。

保護控制應(yīng)用軟件采用可視化編程環(huán)境設(shè)計。該環(huán)境采用模塊化設(shè)計理念，將每種功能作為一個功能模塊，將每個算法或功能單元作為一個具有輸入輸出引腳的元件，任何復(fù)雜的保護功能均可通過這些元件的有機組合來實現(xiàn)。可視化保護功能程序僅是一些邏輯圖及算法單元的組合，通過可視化編譯系統(tǒng)編譯生成C語言及匯編語言源程序文件，然后再調(diào)用PPC編譯器及連接器，編譯、連接成最終下載到裝置中的目標程序。

應(yīng)用程序首先按不同功能劃分為不同的功能模塊，功能模塊可以嵌套使用。如圖4所示，串補保護控制程序包括線路監(jiān)測、電容器保護、MOV保護、平臺閃絡(luò)保護、線路聯(lián)跳串補、次同步諧振保護等初級保護功能模塊。然后再對每個保護功能模塊進行邏輯圖編程實現(xiàn)。對于復(fù)雜的保護功能模塊，里面也可以建立二級功能模塊。如圖5為電容器保護模塊中的電容器不平衡低值保護程序。

圖4串補保護相關(guān)邏輯功能模塊

該可視化編程環(huán)境同時支持實時仿真調(diào)試，可與裝置進行實時通信，調(diào)取程序中所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時數(shù)值或狀態(tài)。

采用這種可視化編程環(huán)境的優(yōu)點是數(shù)據(jù)管理方便，邏輯清晰，開發(fā)人員可將主要精力用于保護功能實現(xiàn)，不易出錯，便于查錯，同時也便于多人合作開發(fā)。

3.2串補系統(tǒng)保護配置

本串補保護控制裝置集成了串補系統(tǒng)的全部保護功能，具體保護配置及動作輸出如下。

圖5電容器不平衡低值保護程序

電容器保護：包含電容器不平衡低值保護、電容器不平衡高值保護、電容器過負荷保護。電容器不平衡保護用于反映電容器是否有斷線或擊穿，該保護動作后直接旁路串補系統(tǒng)并閉鎖重投；電容器過負荷保護用于反映電容器是否過電流，過流會導(dǎo)致電容器過熱，可加速老化甚至損壞。電容器過負荷保護動作首先旁路串補，經(jīng)過負荷閉鎖重投延時后進行重投，重投成功則進入正常運行狀態(tài)，若多次重投不成功，超過允許重投次數(shù)，則永久旁路串補系統(tǒng)。

MOV保護：包含MOV不平衡保護、MOV高電流保護、MOV短時能量保護、MOV高溫保護。MOV不平衡保護反映MOV是否有損壞，該保護動作后觸發(fā)間隙、旁路串補，并永久閉鎖重投；MOV高電流保護、MOV短時能量保護、MOV高溫保護主要反映MOV吸收能量，MOV吸收能量大于釋放能量會導(dǎo)致溫度上升，溫度過高可導(dǎo)致MOV加速老化甚至爆炸。MOV高電流、MOV短時能量保護動作后觸發(fā)間隙、旁路串補，在經(jīng)重投閉鎖延時后若重投條件滿足則重投串補；MOV高溫保護動作后觸發(fā)間隙、旁路串補，暫時閉鎖重投，待MOV溫度降低到閉鎖重投定值以下時，解除高溫閉鎖重投條件，但其本身不重投串補。

間隙保護：包括間隙自觸發(fā)保護、間隙長時觸發(fā)保護、間隙拒觸發(fā)保護、間隙延遲觸發(fā)保護。間隙自觸發(fā)保護動作后旁路串補，暫時閉鎖重投，經(jīng)暫時閉鎖延時后，若無其他重投閉鎖條件，則重投串補，重投成功則進入正常運行狀態(tài)，若在整定次數(shù)內(nèi)重投不成功，則永久閉鎖串補重投；間隙長時觸發(fā)保護動作后旁路串補，永久閉鎖重投，并遠跳線路斷路器；間隙延遲觸發(fā)和拒觸發(fā)保護動作后旁路串補，永久閉鎖重投。

平臺閃絡(luò)保護：串補平臺與串補系統(tǒng)低壓端母線相連，平臺閃絡(luò)保護用于監(jiān)視平臺上安裝的功能設(shè)備(電容器組、MOV組等)是否對平臺閃絡(luò)放電。平臺閃絡(luò)保護包括平臺閃絡(luò)高值保護、平臺閃絡(luò)低值保護，保護動作后旁路串補，永久閉鎖重投。

旁路開關(guān)保護：包括旁路開關(guān)合閘失靈保護、分閘失靈保護、開關(guān)三相不一致保護、開關(guān)壓力低保護。旁路開關(guān)合閘失靈保護動作后旁路串補，永久閉鎖重投，并遠跳線路斷路器；分閘失靈保護、開關(guān)三相不一致保護、開關(guān)壓力低保護動作后旁路串補，永久閉鎖重投。

次同步諧振保護(SSR)監(jiān)視線路SSR電流，若SSR電流大于動作門檻值，則次同步諧振保護動作。SSR保護動作后旁路串補，保護與線路相連發(fā)電機安全，經(jīng)SSR閉鎖重投延時后進行重投，重投成功則進入正常運行狀態(tài)，若在整定次數(shù)內(nèi)重投不成功，則永久旁路串補系統(tǒng)。

線路聯(lián)切串補保護用于線路跳閘時旁路串補，降低潛供電流影響，提高重合閘成功率。保護動作后旁路串補，觸發(fā)間隙，暫時閉鎖重投，經(jīng)閉鎖重投延時后重投串補。

4 實驗驗證

為驗證串補保護控制裝置保護功能及性能是否滿足設(shè)計要求，進行了詳細的實驗驗證，包括型式實驗驗證及數(shù)模實驗驗證。

4.1型式實驗驗證

型式實驗包含電氣性能檢驗及安全檢驗、電磁兼容檢驗。研制裝置通過了國家繼電保護及自動化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心開普試驗室全面的型式檢驗驗證，報告編號為JW150215，檢驗結(jié)果證明各項功能及性能指標完全滿足國標和企標要求。

4.2數(shù)模實驗驗證

采用實時數(shù)字仿真儀(RTDS)搭建了數(shù)模仿真系統(tǒng)模型，模型采用雙回線，一次系統(tǒng)接線圖如圖6所示。

模型中串補系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。表1中參數(shù)并不是相互獨立的，由電容器電容量可求得電容器額定阻抗：；電容器額定電壓為電容器額定阻抗與串補額定電流之乘積：；三相電容額定容量為3倍額定電壓與額定電流之乘積：；MOV額定電壓取1.29倍電容器額定電壓峰值，MOV伏安曲線數(shù)據(jù)根據(jù)保護控制裝置的MOV模型設(shè)置；阻尼電抗與電阻用于限制電容器放電電流，防止瞬間放電電流超過間隙及旁路開關(guān)的允許范圍。

圖6仿真系統(tǒng)電氣主接線圖

表1 串補模型參數(shù)

線路模型采用分布參數(shù)模型(具體選擇頻基模型)，線路參數(shù)如表2所示。

表2 線路參數(shù)

在實驗過程中，考核了串補系統(tǒng)所有電氣量保護功能，但由于除了MOV短時能量及MOV高溫保護外，其余保護均可在靜模實驗中得到精確考核，考核結(jié)果均包含在型式試驗報告中，不再羅列詳細的實驗數(shù)據(jù)。這里僅列出MOV短時能量保護及MOV高溫保護的實驗定值及實驗結(jié)果。MOV短時能量及高溫保護定值如表3所示。

從表3定值可知，MOV分為兩組，現(xiàn)場應(yīng)用中兩組MOV分別安裝獨立的CT，用于檢測兩組MOV流過的電流是否一致，主要用于MOV不平衡保護；MOV模塊并聯(lián)數(shù)乘以MOV模塊串聯(lián)數(shù)可計算出總的MOV模塊數(shù)，結(jié)合MOV模塊比熱和質(zhì)量，可以得出MOV總比熱，用于計算MOV吸收能量后的溫升；I500 A時MOV模塊電壓用于確定MOV伏安曲線，由于每個MOV模塊特性參數(shù)并不完全相同，該定值反應(yīng)了最終定型后MOV模塊流過500 A電流時的平均電壓值，現(xiàn)場一般需要根據(jù)實驗獲??；MOV短時能量保護定值確定了當(dāng)MOV吸收能量超過該定值且仍在增加時，MOV短時能量保護動作，故障相發(fā)出觸發(fā)間隙及合旁路開關(guān)命令。MOV高溫保護定值確定了當(dāng)MOV溫度超過該定值且仍在上升狀態(tài)時，MOV高溫保護動作，三相同時發(fā)出觸發(fā)間隙及合旁路開關(guān)命令。

表3 MOV保護定值

串補線路近端區(qū)內(nèi)三相故障時MOV短時能量保護的動作波形如圖7所示。

圖7中故障發(fā)生后，電容器出現(xiàn)過電壓，MOV導(dǎo)通以限制電壓繼續(xù)上升，MOV最大電流峰值達到6.9 A。MOV導(dǎo)通后開始吸收能量，故障37 ms后，B相MOV吸收能量達到43.2 MJ，超過短時能量定值43 MJ，B相MOV短時能量保護首先動作，觸發(fā)B相間隙并發(fā)B相旁路命令，B相間隙擊穿，間隙電流峰值達到22.3 A，串補系統(tǒng)B相被旁路。隨后A、C相MOV短時能量保護動作，并發(fā)出觸發(fā)間隙命令及旁路命令；從波形看，A、C相同時動作，原因為任兩相保護動作后均觸發(fā)三相旁路動作，因此即便有一相短時能量不滿足，在兩相動作的情況下三相均旁路。

由于觸發(fā)間隙命令為光信號，且間隙的動作時間極短，為微秒級，故間隙基本瞬時被擊穿。而旁路命令經(jīng)保護裝置繼電器節(jié)點輸出，同時旁路開關(guān)合閘時間為30 ms左右，因此旁路命令晚于觸發(fā)間隙命令4 ms左右(保護繼電器動作時間)，同時旁路開關(guān)合閘成功時刻晚于間隙動作34 ms左右。旁路開關(guān)合閘后，間隙被旁路，間隙電流減為0，電弧熄滅。

圖7串補線路近端區(qū)內(nèi)三相故障時MOV短時能量保護動作波形

圖8為串補線路近端區(qū)內(nèi)三相故障時MOV高溫保護的動作波形。MOV高溫保護動作時間與故障前MOV溫度有關(guān)，由于MOV高溫保護定值為125 ℃是固定的，若故障前MOV溫度低，則MOV溫度定值與故障前溫度之差就大，MOV允許吸收的能量就多，MOV高溫保護動作時間就長；反之，MOV允許吸收的能量就少，MOV高溫保護動作時間就短。

圖8中故障發(fā)生前MOV溫度為25 ℃。故障發(fā)生后，MOV過壓導(dǎo)通，吸收能量，溫度升高，故障45.5 ms后，B相MOV溫度達到125.3 ℃，超過MOV高溫保護定值125 ℃，高溫保護動作，三相同時觸發(fā)間隙并發(fā)旁路命令，旁路串補系統(tǒng)。

圖8串補線路近端區(qū)內(nèi)三相故障時MOV高溫保護動作波形

5 結(jié)語

本文綜述了串補保護控制裝置的硬、軟件研制、保護配置及實驗驗證情況。硬件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，各模塊根據(jù)功能及性能需求獨立設(shè)計，充分發(fā)揮CPU等主功能芯片的潛力，保證較大性能裕量。軟件采用分層設(shè)計，底層軟件由專業(yè)團隊設(shè)計，應(yīng)用層軟件采用可視化編程環(huán)境分模塊實現(xiàn)，保證了軟件的高效性和可靠性。保護配置包含了串補系統(tǒng)所有的電氣量保護功能。經(jīng)國家繼電保護及自動化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心型式實驗及公司RTDS仿真實驗驗證，動作行為及性能指標滿足相關(guān)行業(yè)標準要求[12-13]。

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[12] Q/GDW 655-2011 串聯(lián)電容器補償裝置通用技術(shù)要求[S].

Q/GDW 655-2011 general requirements for series capacitor installation[S].

[13] Q/GDW 663-2011 串聯(lián)電容器補償裝置控制保護設(shè)備的基本技術(shù)條件[S].

Q/GDW 663-2011 basic specifications for control and protection equipment of series capacitor installation[S].

(編輯 葛艷娜)

Development for the UHV series compensation system protection and control device

YAO Dongxiao, MA Heke, NI Chuankun, DENG Maojun, Lü Lijuan, WANG Huayong, YUAN Lin

(XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

UHV series compensation system primary equipments are expensive, complex, and with a variety of fault types, so its protection and control devices are very different with conventional protection devices both in hardware and software requirements. To reflect the fast-changing currents such as MOV current and gap discharge current, the real-time requirement for the series compensation protection and control system is very high. Based on the analysis of the series compensation system protection and control devices’ function configuration and performance requirements, it proposes the hardware and software design solutions for the series compensation system protection and control device. From using modular design for the hardware, every module is independently designed based on its performance needs, such as analog input and processing, protection logic operations, communications and human-machine interface modules, it can achieve maximum efficiency and better stability. From using hierarchical modular design for the software, underlying software design and debugging by the professional design department, complicated application-layer software using visual programming environment, making the various protection functions and algorithms modular, visualization, it reduces the probability of programming mistakes and improves the operating stability of the device. Through the static and real-time digital simulation instrument (RTDS) simulation testing, the action behavior and performance of the series compensation protection and control device developed meets the design requirements and relevant industry standards.

UHV series compensation system; series compensation protection and control devices; hardware design; software design; protection configuration; high real-time

10.7667/PSPC151126

2015-07-02；

2015-08-12

姚東曉(1982-)，男，通信作者，碩士，工程師，主要研究方向為繼電保護；E-mail: yaodongxiao1@163.com

馬和科(1981-)，男，工程師，主要研究方向為繼電保護；

倪傳坤(1980-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為繼電保護。