變電站自動化系統(tǒng)中安全自動裝置技術(shù)的探討

1、變電站自動化系統(tǒng)中安全自動裝置關(guān)鍵技術(shù)的探討摘  要    本文對變電站自動化系統(tǒng)中安全自動裝置的四個方面的問題進(jìn)行了探討，列舉了作者的一些研究心得和思考，以供大家參考。 1 同期合閘1.1概要說明同期合閘是變電站中經(jīng)常遇到的操作，對減小沖擊，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要作用。同期的條件有三點：頻差、壓差、角差合格1。同期要求為安全、準(zhǔn)確、快速。三個條件中安全最重要，同期裝置必須有完善的閉鎖功能，寧拒動不誤動。對差頻同期，在系統(tǒng)角差為0時合閘，對系統(tǒng)的沖擊最??；電廠中作為發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)，快速性也很重要，捕捉第一次0角度合閘可以節(jié)省大量能源。1.2 環(huán)網(wǎng)

2、并列與差頻同期差頻同期是指兩個沒有電氣聯(lián)系的兩個系統(tǒng)的并列，包括發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)及兩個無聯(lián)系電網(wǎng)的并列；兩側(cè)的頻率不同，有可能捕捉到0角度合閘時機(jī)。環(huán)網(wǎng)并列是指兩個本已有電氣聯(lián)接的系統(tǒng)，再在該點增加一個聯(lián)絡(luò)開關(guān)；兩側(cè)頻率相同，相角差即為系統(tǒng)在這兩點之間的功角，該角度在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼柏?fù)荷沒有大變動時基本保持不變。國有的稱之為檢同期與捕捉同期，有的稱之檢同期與準(zhǔn)同期，有的叫同頻同期與差頻同期。兩個系統(tǒng)若頻率相差在測量誤差圍，是同頻，但卻不能按同網(wǎng)來同期，為了物理概念上的清晰，本文定義這兩種方式為環(huán)網(wǎng)并列與差頻同期。差頻同期的目標(biāo)是捕捉第一次的零相角差時機(jī)合閘，即自動準(zhǔn)同期；環(huán)網(wǎng)并列相角差為兩端的功角，僅是

3、一個壓差和功角的閉鎖功能。1.3 同期遙控方式及自適應(yīng)識別環(huán)網(wǎng)并列和差頻同期的要求不同。裝置雖然可以自適應(yīng)地判斷出是同頻還是差頻，但對頻差很小的系統(tǒng)，這樣作意味著犧牲一些時間來判斷，會對合閘的時機(jī)帶來延誤。而調(diào)度員是了解系統(tǒng)的運行結(jié)構(gòu)的，知道欲合閘的斷路器是處于同頻還是差頻同期的位置，在發(fā)命令的時候即區(qū)分開同頻同期、差頻同期、遙控合閘命令會更好。裝置的自動識別功能，是指在合閘命令下發(fā)后，自動判斷是差頻、同頻還是無壓狀態(tài)，并由不同的約束條件進(jìn)行操作。1.4 合閘導(dǎo)前時間的計算裝置出口到斷路器合上閘的動作時間。它的準(zhǔn)確獲得直接關(guān)系到同期點角差的準(zhǔn)確性。常規(guī)方法是通過開入量的方式，即通過接入斷路器的

4、輔助接點，來計算發(fā)出合閘令到該信號變位的時間。該方法思路直接，容易實現(xiàn)；但問題是當(dāng)斷路器合上電流的時刻與輔助接點變位不一致的時差會引入誤差，另外要接點抖動也影響精度。本文提出一種模擬量檢測導(dǎo)前時間的方法，即用電流的從無到有的檢測。若采樣裝置采樣速率能達(dá)到64點/周波（DF1700模塊采樣速率），則時間分辨率約為0.3毫秒，可以滿足要求。這種方法要求引入電流的檢測，分布式的同期系統(tǒng)一般是將同期功能融合在斷路器的測控單元中，能滿足這種要求。該方法物理概念更為清晰：從無流變?yōu)橛辛鳎ǘ皇禽o助接點變位）時，才算真正合閘成功。 1.5同期算法同期是一項可靠性要求極高的操作。誤動時的大角度合閘會給發(fā)電機(jī)及

5、系統(tǒng)帶來很大的沖擊，降低發(fā)電機(jī)的使用壽命，或是帶來系統(tǒng)的振蕩及解列。而延誤第一次最佳同期時期也是要盡量防止的。因此必須考慮高可靠性、高精度、多級閉鎖、快速的控制算法與措施。從裝置可靠性上考慮，有的廠家采用雙微機(jī)控制的方式，是一種好的思路。也可用硬件上的其它方法。算法上多重化計算及閉鎖也很重要。計算方法大體有兩種，一是硬件整形脈沖比相的方法，一是通過采樣點比較幅值和相位的方法。兩種方法各有利弊，互相配合能產(chǎn)生完善而穩(wěn)定的效果。常規(guī)采用的通過實時采樣點作幅值矢量差來推算相角差的方法有如下3個原理性缺陷：1、兩路輸出幅值不同時，直接計算誤差大；2、因為兩路電壓的頻率不同，同步采樣點的差并不是實際幅值

6、的差，原理上有誤差；3、分析一下下面公式，上式第一項是兩個電壓波形直接疊減后的波形包絡(luò)線，常規(guī)算法就是對該項的預(yù)測。由上式可清楚看出其是按正弦波形變化的，不是線性預(yù)測。大頻差時預(yù)測算法會帶來誤差。采用直接計算相角差的方法可以叫做直接法，頻差固定時，相角差的變化是線性的，預(yù)測容易的多，也更加準(zhǔn)確。預(yù)測算法采用最小二乘法抗干擾性能會大大提高。測點間距、擬和數(shù)據(jù)窗的推移等都需要根據(jù)實際情況確定。另外對與調(diào)幅、調(diào)頻同時進(jìn)行的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)同期，其預(yù)測算法就是一個二階甚至更高階的問題，要采用微分、積分等算法。 2 電壓無功綜合自動控制2.1 VQC控制特性及控制模式的思考相對于同期合閘，VQC則是

7、一個時刻運行的、以整個變電站為對象的、相對慢速的一個控制系統(tǒng)。其控制策略復(fù)雜，對出口的實時性要求不高，但對閉鎖的響應(yīng)要求快速、完備。現(xiàn)有站VQC實現(xiàn)方式基本有3種：后臺軟件VQC、主控單元網(wǎng)絡(luò)VQC、獨立硬件的VQC2。后臺軟件VQC：將控制策略全部放在后臺監(jiān)控主機(jī)中，通過間隔層的測控單元獲取數(shù)據(jù)，微機(jī)中VQC軟件根據(jù)實時數(shù)據(jù)判斷并發(fā)控制命令，由相應(yīng)測控單元執(zhí)行。優(yōu)點是人機(jī)界面友好，方便調(diào)試和維護(hù)。主控單元網(wǎng)絡(luò)VQC系統(tǒng)：將控制核心下放到間隔層，由單獨的CPU完成，但其IO的輸入輸出仍由間隔層IO測控模塊完成。優(yōu)點網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的得到更直接了一層，閉鎖的速度較第一種方式快了一些。但界面一般較差，維護(hù)

8、和設(shè)置不會太輕松。獨立硬件VQC系統(tǒng)：不依賴其他裝置，本身溶輸入輸出與策略判斷為一體。好處是閉鎖的速度最快，從閉鎖的角度講可靠性最高。但問題是需要重復(fù)鋪設(shè)大量的電纜，信號重復(fù)采集。現(xiàn)在的問題是：用戶選擇時，既覺得獨立硬件的VQC系統(tǒng)造價高、多拉電纜，又擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)型VQC產(chǎn)品的可靠性：VQC對對閉鎖的速度要求高。網(wǎng)絡(luò)型VQC的問題是，當(dāng)發(fā)出控制出口命令后，這時發(fā)生可主變保護(hù)或電容器保護(hù)動作等需閉鎖的情況，無法彌補(bǔ)這個時間差。換一個思路思考：把控制策略放在PC機(jī)中，而把閉鎖策略放在相應(yīng)的測控單元中。即后臺控制+閉鎖，間隔層閉鎖。通過軟PLC功能將需要的閉鎖條件輸入IO裝置中，對后臺發(fā)來的控制命令不是

9、即刻執(zhí)行，而是通過自身的閉鎖邏輯檢查，出口條件滿足才能出口，這樣既保證了實時的閉鎖速度，又保證了后臺策略的豐富。2.2 運行方式的自動識別變電站運行方式會隨著負(fù)荷和設(shè)備狀況調(diào)整，這樣就要求VQC要自適應(yīng)跟隨運行方式的改變，作出不同的控制策略。對不同的變壓器組數(shù)、不同的一次接線方式，由母聯(lián)、分段、橋開關(guān)、變壓器的組合可以有多種接線方式，不同方式控制策略是不同的，這里面有一個模式識別的問題。本文提出的識別方法不僅應(yīng)包括母聯(lián)、分段等的輔助接點的開入量；還包括母聯(lián)、分段上的電流、相角等交流量。2.3 全網(wǎng)無功電壓控制無功調(diào)控從本質(zhì)上說是個全網(wǎng)的問題，而不是變電站的問題。建立在破壞網(wǎng)中其他部分無功基礎(chǔ)上

10、的本站平衡并不正確。無功電壓控制追求的應(yīng)該是全網(wǎng)的最優(yōu)解，而不是某個站的最優(yōu)解。各自為政的VQC調(diào)節(jié)，會造成多次調(diào)節(jié)或同時調(diào)節(jié)。在通信可靠保證的前提下，應(yīng)該配合將全網(wǎng)VQC作在地、縣調(diào)度自動系統(tǒng)中，即節(jié)省投資，又符合電網(wǎng)實際情況。 3 備用電源自動投入3.1 可編程PLC功能的應(yīng)用由于備自投方式較多，不可能每種情況作一種裝置，這就要采用相同硬件基礎(chǔ)上的軟件PLC功能：通過裝置嵌的PLC解釋軟件解釋由外部對自投邏輯的重新編排，現(xiàn)場可設(shè)置。3.2 備自投與同期功能的融合這點在備自投裝置中考慮較少。文獻(xiàn)3“列西變110kV系統(tǒng)備用電源自投方案研究”一文中研究的系統(tǒng)備投110Kv的母聯(lián)分段，

11、在其旁母上掛接的幾條線路與遠(yuǎn)端的水電廠相聯(lián)。這樣當(dāng)某段母線上失電時，分段的備自投并不能直接將備用電源投入，因為備自投裝置無檢同期功能；而設(shè)置在與水電廠相聯(lián)出線的斷路器的測控裝置具有檢同期合閘功能。該文采用了如下方式：即先斷開與水電廠連接的線路，再啟動備自投，然后再逐個通過檢同期合上各條與水電廠連接線路。如果將同期功能集成在BZT裝置中的話，問題就變得簡單了，只需要在備自投的過程檢同期合閘就行了，簡化操作。3.3 廠用電快速備自投在火電廠中具有大量大容量的廠用機(jī)械電動機(jī)的廠用電切換過程中，備投就是一個快速備自投的問題。在工作電源消失后，大容量的旋轉(zhuǎn)機(jī)械使得母線上電壓的衰減是個逐漸下降的過程，并不

12、是立即消失。由于電動機(jī)群在惰性作用，殘壓的幅值和頻率是變化的，備用電源投入中，也存在一個最佳合閘時機(jī)的問題。一般最佳投入時間為失電后第一次的30角差圍，對裝置來說快速的處理器DSP及快速出口繼電器的選擇就很重要了。在失去第一次快速備自投入的機(jī)會后，等待下一次合閘時機(jī)就又是同期的問題了。 4 小電流接地系統(tǒng)的接地選線100%的準(zhǔn)確選線是個困擾多年的難題。常規(guī)的集中式的選線裝置的問題是：1、多拉電纜；2、可能要改造CT；3、只引入零序電流，分析要素少，準(zhǔn)確度低；4、不符合變電站自動化分布式的設(shè)計思想。將其做成分布式的應(yīng)該會更好。中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，零序電流與零序電壓的夾角方向沒有明

13、確的反向關(guān)系，較難檢測；5次諧波方法又存在信號小、信噪比低，準(zhǔn)確度差的問題。文獻(xiàn)4中提供了一種西門子公司的高靈敏接地保護(hù)的檢測原理，可以借鑒。它的判斷依據(jù)是零序有功和零序無功的方向及大小。其長處是充分利用了零序電壓、零序電流的方向和幅值，利用不同形式的點積來分析問題。西門子在信號的處理、TA誤差角的補(bǔ)償?shù)确矫孀髁撕芏喙ぷ鳎瑏韽浹a(bǔ)一次系統(tǒng)信號弱的問題。SIEMENS的思路仍是從二次側(cè)考慮問題，換一個思路，二次不足一次補(bǔ)，能夠更好地解決這個問題。例如很多站中已裝設(shè)自動調(diào)諧線圈，將自動消諧與接地選線作在一起可以更好：在調(diào)諧的過程中，只有接地線路的零序電流改變，而非接地線路中流過的仍是容性電流，采用簡單的差分技術(shù)就可準(zhǔn)確分辨出故障線路。沒有加裝可調(diào)諧