變電站的直流電源是全站作為控制、信號、繼電保護的操作電源，也是重要設備的保安電源及事故照明電源。監(jiān)視和維護直流設備的完好性對變電站以及整個電力系統(tǒng)的安全可靠運行至關重要。直流系統(tǒng)的可靠是保障變電站安全運行的決定性條件之一。當直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，上下級空開有時會產(chǎn)生越級跳閘，擴大停電范圍；當線路發(fā)生接地故障時，接地線路判別不準，也會使正常線路受到影響。另外寄生回路或不同支路間爬電故障、高壓斷路器動作異常等故障也是存在的隱患。目前國內變電站普遍存在的這些問題，還沒有較好的解決方法。直流監(jiān)測與保護需要通過兩種不能互聯(lián)的裝置實現(xiàn)：監(jiān)測采用直流絕緣監(jiān)察裝置，保護采用直流斷路器。直流斷路器本身不帶通訊模塊和智能設定模塊，無法實現(xiàn)智能化的監(jiān)控和遠方操作。因此，開發(fā)一種帶通訊的直流保護裝置，實現(xiàn)直流斷路器的通訊和遠方控制，對直流系統(tǒng)進行智能化保護：對直流系統(tǒng)實時分級保護、多項參數(shù)在線監(jiān)測、實時預警、故障定位等功能的直流智能保護裝置及其后臺系統(tǒng)組建十分重要。

一、直流智能保護裝置設計原理優(yōu)越性

目前國內變電站系統(tǒng)普遍采用直流斷路器作為保護裝置，直流斷路器的保護特性是反時限特性：當短路達到反時限區(qū)域定值，進入速斷動作區(qū)即跳閘。當系統(tǒng)發(fā)生短路時往往上下級空開都能夠同時達到反時限動作區(qū)，達到各自的速斷動作值，由于每只開關的機械性能不一樣，則可能造成越級跳閘，擴大停電范圍。

1.直流智能保護裝置。克服現(xiàn)有技術缺陷，利用成熟的單片機技術、開關電源技術、霍爾直流檢測技術、通訊技術，整合應用組建功能完善的直流保護系統(tǒng)。解決了直流保護動作值不能智能設定，不能通訊遠傳問題。

2.直流保護技術的發(fā)展。從最初的熔斷器、到后來的斷路器，都是不具備通訊功能和定值整定功能的動作設備。也就無法同時實現(xiàn)直流參數(shù)的監(jiān)測。直流智能保護裝置及直流分級控制綜合監(jiān)測保護系統(tǒng)的組建研發(fā)的成功，實現(xiàn)了直流系統(tǒng)保護監(jiān)測的通訊化、智能化、集成化、網(wǎng)絡化。

二、直流智能保護裝置及系統(tǒng)組建技術方案介紹

目前國內都是開斷直流斷路器對直流進行保護。直流斷路器本身不帶通訊模塊和智能設定模塊，無法實現(xiàn)智能化的監(jiān)控和遠方操作，采用本裝置和系統(tǒng)可以實現(xiàn)直流斷路器的通訊和遠方控制，對直流系統(tǒng)智能化保護。

1.功能介紹。直流智能保護裝置具備直流級差保護、電壓電流實時監(jiān)測、接地監(jiān)測及報警、寄生回路或不同支路間爬電報警、直流空開的遙控切斷、高壓斷路器動作異常報警、通訊功能、事件記錄功能。

2.各項保護功能判據(jù)設定。①級差配合：通過對每個饋線的動作電壓以及動作時間進行整定，達到隔離越級跳的可能性。②接地監(jiān)測報警：當直流系統(tǒng)中存在接地，接地電阻小于20KΩ時，裝置發(fā)出報警信號，并自動定位，指出接地故障存在的支路。③寄生回路或不同支路間爬電報警：當變電站繼電保護系統(tǒng)、中央信號系統(tǒng)、通訊遠動系統(tǒng)等不同系統(tǒng)之間或同一系統(tǒng)內部不同支路之間存在寄生回路，或由于絕緣擊穿等原因造成不同支路間發(fā)生爬電故障時，本系統(tǒng)均認為存在寄生回路并實現(xiàn)定位和報警功能。④直流空開遙控切斷：具備通訊接口，可通過對直流斷路器的直接控制，實現(xiàn)直流斷路器的遠方分斷功能。特別適合無人值守站和智能變電站。⑤高壓斷路器動作異常報警：當控制回路、繼電保護裝置獲自動裝置向斷路器發(fā)出分合閘指令，直流分斷保護裝置可以利用電流突變檢測空能檢測到分合閘脈沖，若在一定時間之內斷路器沒有動作，分合閘脈沖仍然存在，該裝置會發(fā)出斷路器動作異常報警，給繼電保護動作系統(tǒng)的動作行為提供分析依據(jù)，也可以驅動直流斷路器跳閘以避免燒損高壓斷路器部分的分、合閘線圈，并提醒對斷路器進行檢修。⑥裝置及系統(tǒng)具有“三遙”所需的通信功能。通信協(xié)議符合國家標準。遙信：直流斷路器的分、合位置遠方實時監(jiān)測。遙測：電流、電壓、漏電電流實時顯示。遙控：能夠遠方遙切直流開關。具有標準的通訊協(xié)議，采用多種通訊接口：RS232/RS485通訊接口、可與上位機通訊?？梢暂p松接入變電站綜合自動化系統(tǒng)或者調度系統(tǒng)中。⑦事件記錄。每路饋線保護都與保護裝置內的MCU處理器進行通訊，MCU處理器對每條饋線事件進行綜合分析判斷、記錄，為變電站設備運行提供事件分析依據(jù)。

3.直流智能保護裝置結構原理圖。其功能方框圖如圖所示。

圖1. 直流智能分級保護裝置結構圖

①如圖1示，直流智能保護裝置主要包括開關電源、MCU處理器、跳閘機構、互感器、上位機和自動化后臺。MCU處理器與互感器和跳閘機構連接，開關電源與進線連接取電并轉換成低電壓24V、12V、5V為MCU處理器供電，互感器和跳閘機構安裝在進線上，上位機與MCU處理器連接，上位機通過串口線或以太網(wǎng)與設置在遠端的自動化后臺連接。采用熱動脫扣器加新型電子跳閘機構，用電子原件構成電路。進線穿過互感器產(chǎn)生與進線電流成比例的縮放電壓信號，互感器發(fā)送電壓信號給MCU處理器將采集的實時信號與預設值進行對比、并驅動跳閘機構斷開出線，同時通過互感器檢測的漏電流信號對直流故障進行判斷；上位機對事件進行記錄，自動化后臺實現(xiàn)遠方對直流系統(tǒng)的分斷、監(jiān)控以及實時電流電壓采集和故障原因及報警；進線上還安裝有熱動脫扣器做為后備保護。當發(fā)生直流故障時，靠設定的動作時限來實現(xiàn)定時限智能保護以防止上一級開關誤動作跳閘。②MCU子系統(tǒng)采用美國MICROCHIP 公司MCU PIC30F6012A 單片機作為軟硬件開發(fā)平臺。MCU 的最小系統(tǒng)為整個微機保護裝置的核心。依據(jù)一定的算法和邏輯判斷對采集到的數(shù)據(jù)進行實時分析處理，并根據(jù)處理結果完成輸出控制功能。適合實時分析、控制和操作任務，在本裝置中主要實現(xiàn)對直流系統(tǒng)實時電壓、電流等參數(shù)的測量，數(shù)據(jù)超過整定值時，發(fā)出動作信號，單片機將此動作信號默認為中斷信號，結合指定的過流或漏電流預設數(shù)據(jù)進行判據(jù)，完成保護功能。③電源模塊。為使硬件結構簡練緊湊，本裝置采用模塊電源，輸入電壓220V（直流），輸出電壓為+24V、+12V、+5V。電源模塊內置設備之中，無需另外增加電源。+5V供MCU處理器工作，24V驅動跳閘機構工作，12V供設備顯示報警等。

4.直流分級控制綜合監(jiān)測保護系統(tǒng)組網(wǎng)結構示意圖 。直流智能分級保護裝置控制部分與直流系統(tǒng)之間沒有直接的電氣連接，對直流不注入外加信號，各單元相對獨立，對直流系統(tǒng)的每一級和每條線路進行實時檢測，并對電流電壓、直流接地、直流寄生回路等進行在線監(jiān)測，數(shù)據(jù)傳輸至后臺數(shù)據(jù)接收管理機，可根據(jù)供電公司需要傳輸至各級管理中心。

三、結語

直流智能保護裝置替代常規(guī)直流斷路器，對直流回路具有過電流保護作用，具有電流實時監(jiān)測、報警及通信功能，可自由設定動作電流和時間。防止上一級開關誤動作現(xiàn)象的發(fā)生，解決直流保護不能遠傳通訊的問題。在結構上便于安裝，從根本上解決了變電站直流系統(tǒng)的安全問題。有效的簡化了直流系統(tǒng)接線繁雜、故障檢修困難、功能模塊分散等問題，將直流故障監(jiān)測模塊，直流CT，電流電壓檢測等集成為一體。而通過其分級組建的直流分級控制綜合監(jiān)測保護系統(tǒng)，綜合考慮了目前直流系統(tǒng)保護領域中的各種應用情況與需求，結合單片機技術、霍爾直流技術、開關電源技術、通信技術，組建功能強大、操作簡便、安全可靠、高性價比的實時綜合保護系統(tǒng)，將設備運行狀態(tài)信息遠程傳送。系統(tǒng)綜合功能集中、節(jié)約硬件投資。從而實現(xiàn)對直流系統(tǒng)的綜合保護和高效管理。

（作者單位：陜西省電力公司寶雞供電公司）