备自投定检辅助装置设计

备自投定检辅助装置设计

杨国威

深圳供电局有限公司，广东 深圳 518003

摘要：定期检修是变电站安全运行的必要手段，针对变电站备自投装置现有检修方案的不足，提出了一种定检辅助装置，通过对备自投装置的输入输出信号进行采集，并自动模拟外部断路器的分合，可实现备自投装置的现场自动化检修，提高检修效率和操作成功率，减少备自投装置检修所需人手，为备自投装置的正确运行提供保障。

关键词：备自投、定检辅助、现场整定、定期检修

0.引言

安自系统是电力系统的重要组成部分，对保证电力系统的安全经济运行、防止事故发生和扩大起到关键作用。变电站安自系统设备检修通常都是采用定期检修方式,依据《继电保护及电网安全自动装置检验条例》的要求，对继电保护及相关的安全自动装置及二次回路进行定期检验,确保装置完好,功能正常,确保回路接线及定值正确。[1~2]

本文提出的备自投定检辅助装置，主要用于安自系统的定期检修，可实现现场编程的输入、输出逻辑，避免人工操作不及时和耗费工时的缺点，能够方便快捷的定检备自投装置。

1.现有定检方案分析

目前变电站备自投装置的定检工作是不停电开展，在全站其他设备正常运行时，将备用电源自投屏的跳合闸出口压板退出，同时做好相关断路器出口回路的安全措施。备自投装置的动作涉及到开关量的开入开出，由于是不停电检修，装置动作后不能实际去跳合断路器，因此输入的开关量需要人工模拟。装置一次成功测试需要三个人配合：一人在出口压板处测量装置出口情况，一人在屏后将电压空开打下使得装置失去电压采样，一人在合适的时机给装置模拟断路器对应位置。备自投的动作在毫秒级，极短的时间内涉及到多个开关量的输入输出，要精确模拟断路器位置，使得人工配合的成功率不到10%。具体操作如下：第一步，人工模拟出无压无流，装置动作并成功跟跳主供电源，测量压板出口情况，第二步，先模拟无压无流，装置动作并跟跳主供电源后，在0.3s内人工取消主供电源的开关合位开入，装置检测到跟跳成功后，合上备用电源，人工测量合闸压板脉冲情况。

上述测试方案中，备自投装置的定检工作需班组派出三人组成工作组完成，一单备自投装置的定检任务所需人力成本是一条110kV线路保护装置定检任务的1.5倍，在班组人力资源本就有限的情况下，备自投定检作业的人工成本太高。三人需在毫秒级时间内配合完成一次装置的成功动作，配合成功率低，影响工作效率。装置动作成功后，在几百毫秒内涉及到最多8个开关量的变化，人工无法在这么短的时间内模拟8路开关量，从而使得装置的定检无法在一次动作中完整做出，分阶段模拟开入一方面效率低下，另一方面定检报告不完整，报告中每次都有“备自投失败”的报文，影响定检结果判断。截至目前为止，所有的备自投装置定检都没有一次完整的备自投成功动作的实验。[3]

2.总体设计

本文针对备自投装置定检测试场合设计了一套定检辅助装置，通过现场设置编程的方式，根据备自投工作模式设置装置工作方式，实现开入开出的精确顺序控制，方便现场定检，减少人员数量和工时要求。[4]

备自投定检辅助装置采用现场可编程逻辑阵列FPGA作为主控制器，实现开关量及配置信息的采集和数码管指示器及输出继电器的控制，输入、输出均采用电气隔离。辅助装置采用锂电池供电，方便现场使用。备自投定检辅助装置的功能界面如图1所示：

图1 装置功能界面

3.原理简介

3.1.备自投运行方式

目前深圳供电局使用的110kV备自投装置主要采用的是南瑞继保的PCS-9654D-GD备用电源自投装置。主要适用于 220kV 及以下电压等级电网中的备用电源自动投入，既可实现单个变电站内双母、 单母、单母分段、双母带旁路或单母分段带旁路等主接线形式的多进线或母联自投功能，也可实现双端供电电源、单回或双回链式串供变电站的远方备自投功能。装置最大规模可接入2段母线电压， 4路进线和1路旁路间隔各自的三相电流和单相切换后电压，以及4路进线的线路电压（单相）。深圳供电局110kV采用的电气主接线如图3所示。

图3 主接线示意图

单个变电站内的就地备自投功能：实现4 路进线以及母联（分段）断路器的备用电源自投功能。PCS-9654D-GD备用电源自投装置的方式定值如表1所示。

表1 线路备自投方式

3.2.定检辅助装置原理

装置按照110kV变电站最常见的接线方式设计，主要有9路继电器输出用于模拟开入备自投装置的4条线路和一台母联开关的状态量，5路触发继电器用于检测装置发出的5台开关的跳合闸脉冲。

图3 装置原理示意图

如图3所示，定检辅助装置的公共端接入备自投屏的强电开出正电公共端，9路模拟状态量分别与备自投装置屏的开关量输入端子连接，用以模拟实际开关位置。其中9路状态量可以根据备投方式自由设定常开常闭的事前初始状态。备自投跳合闸出口在压板可靠退出的情况下，辅助装置的开出检测端子分别与对应的出口压板下端（正电端）连接，由于备自投装置的控制电源不一定与线路开关控制电源取自同一段直流母线，因此，辅助装置的“5路跳合闸开出检测”的公共端应接地，避免接入备自投负电公共端后存在两端直流母线并列的风险。正常情况下，直流母线的对地电压为+55V，-55V，因此装置公共端接地后是有足够的电压驱动跳合闸开出检测模块的。

[5]

3.3.定检步骤

在辅助装置设定好充电方式后，图1中对应的继电器便置为初始状态，从而实际模拟出一次设备的状态情况。在做好必要的安全措施之后，将备自投的无流定值修改至大于线路的最大电流采样值，断开两条母线电压空开及主供电源的线路电压空开，备自投启动进入逻辑判断，在Tq延时之后动作跟跳主供电源开关，开关操作箱的正电经过跳闸压板下端来到辅助装置跳合闸开出检测模块，使得相应的继电器励磁，辅助装置开始计时，在Tr时间内将主供电源的模拟位置反，备自投检测到所有主供电源开关跳开之后，合上备投开关，备投开关操作箱的正电经过合闸压板下端来到辅助装置跳合闸开出检测模块，辅助装置立即将备投开关的合位与合后位置反，模拟一次设备合闸，同时语音提示工作人员在Th时间内给上两段母线空开，备自投成功。

由此仅需一人分合空开即可完成各种充电方式的备自投定检。定检工作流程图如图4所示：

图4定检备自投流程图

3.4.技术特点

采用本文所述备自投定检辅助装置与传统方法相比，优势在于：

1、本方法极大的降低了人工成本，将原本3人配合完成的工作缩减至1人即可完成；

2、通过辅助装置的开入量模拟功能，直接取消了人工配合环节，极大的提高了试验成功率和定检效率；

3、通过直接测量出口压板脉冲，取消了人工采用万用表测量装置出口的环节，大幅提高测量准确率，同时还能测得装置出口时间与持续时间；

4、本方法使得备自投完整定检，得到完整报告成为可能。

4.硬件设计

4.1.主控制器

备自投定检辅助装置采用现场可编程逻辑阵列FPGA作为主控制器，FPGA采用上海安路信息科技股份有限公司的EF2L45LG144B器件。ELF2器件系列建立在一个优化的低功耗工艺基础之上，并通过最低的成本实现较高的功能性。针对工业用户以及通信等行业中的低成本的小型应用， ELF2 器件无疑是最理想的选择。

4.2.语音提示模块

为方便现场检修，定检辅助装置采用语音提示的方式提醒现场检修人员进行对应操作，避免出错。语音提示模块采用DY-SV17F智能语音模块，该模块可直接驱动4Ω，3~5W 喇叭；支持 MP3、WAV 解码格式，板载 32Mbit（4MByte）flash存储。

4.3.微电流电压采集

为避免将备自投控制电源正负端均接入到定检辅助装置，辅助装置对备自投出口信号的检测采用的是压板和屏蔽地间的电压检测，压板对地虽有正负55V/110V的电压，但此电压能提供的电流极小，因此定检辅助装置采用微电流比较的模式来测量此电压，其测量电路如图5所示。

图5 微电流电压采集电路图

如图5所示，首先通过DB1整流桥对输入电压进行整流，避免交流或接错正负极性对信号采集的影响，然后通过VW1稳压管对采集到的信号进行限压处理，避免过高电压烧坏器件。外部电压信号经此处理后转换为不超过5V的模拟信号，然后利用LM393电压比较器将此信号与基准信号进行比较，输出信号在经过光耦隔离后送入FPGA进行判断。

5.软件设计

5.1.编程语言

本装置的所有软件均运行于FPGA，采用Verilog语言编程实现。Verilog HDL是一种硬件描述语言，以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。

5.2.编程工具

系统采用安路公司的TangDynasty开发工具进行软件编程和仿真验证，TD软件是安路科技自主开发的FPGA集成开发环境，支持工业界标准的设计输入，包含完整的电路优化流程以及丰富的分析与调试工具，并提供良好的第三方设计验证工具接口，为所有基于安路科技FPGA产品的应用设计提供有力支持。 [6]

6.小结

本文所述装置的普及使用，将提高继保专业的保护及安自装置定检工作完成效率，缩短整体工作时间，降低电网停电时间及缺陷留存时间，人力投入也将减少一半左右。定检辅助装置可大量配置于继电保护班组及二次领域的施工队伍等需要经常进行保护、安自装置定检、调试的单位，亦可推广至发电厂、配电、二次厂家等需要开展二次相关工作的单位。

参考文献

[1]胡金华.电力系统继电保护的运行维护分析[J].电子世界,2021(10):176-177.

[2]陈文娟.110kV标准化进线备自投装置不停电带开关传动试验方案[J].电工技术,2013(08):60-61.

[3]傅兴强,李印阳,简学军.备自投动作逻辑测试辅助装置的设计与实施探讨[J].通讯世界,2018(02):238-239.

[4]郑颂丽,李加伟.备自投试验开关模拟装置的研制[J].农村电气化,2005(12):51-52.

[5]李永丽,李瑞鹏,卢扬,陈晓龙,张斯淇,卜立之,王子曦.断路器操作回路的智能化监测系统设计[J].电力自动化设备,2017,37(10):211-217.

[6]沈佐峰,梁文婷.多片国产FPGA加载方式的探讨[J].通信技术,2020,53(01):245-250.