變電站自動化系統(tǒng)中安全自動裝置技術的探討

1、變電站自動化系統(tǒng)中安全自動裝置關鍵技術的探討摘  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)電機的并網，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

2、并列與差頻同期差頻同期是指兩個沒有電氣聯系的兩個系統(tǒng)的并列，包括發(fā)電機的并網及兩個無聯系電網的并列；兩側的頻率不同，有可能捕捉到0角度合閘時機。環(huán)網并列是指兩個本已有電氣聯接的系統(tǒng)，再在該點增加一個聯絡開關；兩側頻率相同，相角差即為系統(tǒng)在這兩點之間的功角，該角度在網絡拓撲及負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)網并列與差頻同期。差頻同期的目標是捕捉第一次的零相角差時機合閘，即自動準同期；環(huán)網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識別環(huán)網并列和差頻同期的要求不同。裝置雖然可以自適應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，會對合閘的時機帶來延誤。而調度員是了解系統(tǒng)的運行結構的，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行操作。1.4 合閘導前時間的計算裝置出口到斷路器合上閘的動作時間。它的準確獲得直接關系到同期點角差的準確性。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；但問題是當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)電機及

5、系統(tǒng)帶來很大的沖擊，降低發(fā)電機的使用壽命，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線，常規(guī)算法就是對該項的預測。由上式可清楚看出其是按正弦波形變化的，不是線性預測。大頻差時預測算法會帶來誤差。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，預測容易的多，也更加準確。預測算法采用最小二乘法抗干擾性能會大大提高。測點間距、擬和數據窗的推移等都需要根據實際情況確定。另外對與調幅、調頻同時進行的發(fā)電機并網同期，其預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)。其控制策略復雜，對出口的實時性要求不高，但對閉鎖的響應要求快速、完備。現有站VQC實現方式基本有3種：后臺軟件VQC、主控單元網絡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)控主機中，通過間隔層的測控單元獲取數據，微機中VQC軟件根據實時數據判斷并發(fā)控制命令，由相應測控單元執(zhí)行。優(yōu)點是人機界面友好，方便調試和維護。主控單元網絡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)點網絡數據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

8、和設置不會太輕松。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。但問題是需要重復鋪設大量的電纜，信號重復采集?，F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，又擔心網絡型VQC產品的可靠性：VQC對對閉鎖的速度要求高。網絡型VQC的問題是，當發(fā)出控制出口命令后，這時發(fā)生可主變保護或電容器保護動作等需閉鎖的情況，無法彌補這個時間差。換一個思路思考：把控制策略放在PC機中，而把閉鎖策略放在相應的測控單元中。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荷和設備狀況調整，這樣就要求VQC要自適應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、不同的一次接線方式，由母聯、分段、橋開關、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包括母聯、分段等的輔助接點的開入量；還包括母聯、分段上的電流、相角等交流量。2.3 全網無功電壓控制無功調控從本質上說是個全網的問題，而不是變電站的問題。建立在破壞網中其他部分無功基礎上

10、的本站平衡并不正確。無功電壓控制追求的應該是全網的最優(yōu)解，而不是某個站的最優(yōu)解。各自為政的VQC調節(jié)，會造成多次調節(jié)或同時調節(jié)。在通信可靠保證的前提下，應該配合將全網VQC作在地、縣調度自動系統(tǒng)中，即節(jié)省投資，又符合電網實際情況。 3 備用電源自動投入3.1 可編程PLC功能的應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，現場可設置。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的母聯分段，

11、在其旁母上掛接的幾條線路與遠端的水電廠相聯。這樣當某段母線上失電時，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；而設置在與水電廠相聯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械電動機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，大容量的旋轉機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會后，等待下一次合閘時機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，準確度低；4、不符合變電站自動化分布式的設計思想。將其做成分布式的應該會更好。中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)，零序電流與零序電壓的夾角方向沒有明

13、確的反向關系，較難檢測；5次諧波方法又存在信號小、信噪比低，準確度差的問題。文獻4中提供了一種西門子公司的高靈敏接地保護的檢測原理，可以借鑒。它的判斷依據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誤差角的補償等方面作了很多工作，來彌補一次系統(tǒng)信號弱的問題。SIEMENS的思路仍是從二次側考慮問題，換一個思路，二次不足一次補，能夠更好地解決這個問題。例如很多站中已裝設自動調諧線圈，將自動消諧與接地選線作在一起可以更好：在調諧的過程中，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就可準確分辨出故障線路。沒有加裝可調諧