改进直流法范文

2024-07-26

改进直流法范文（精选7篇）

改进直流法第1篇

关键词：衰减直流分量,离散傅里叶算法,微机保护,电力系统

0 引言

在电力系统发生故障时,暂态信号中除了含有基波分量以外,还含有谐波分量和具有不确定幅值和衰减时间常数的衰减直流分量[1,2]。通常所用的全波傅里叶算法有很强的滤波能力,且算法简单、稳定性好,因而在电力系统计算机继电保护中得到广泛的应用;但它不宜直接用来处理含有衰减的非周期直流分量的暂态信号,否则计算出的基波、各次谐波的幅值和相角有较大的误差。国内外许多继电保护工作者围绕这个问题作了大量的研究工作,提出了一些相应的算法[3,4,5,6,7,8,9,10,11]。但是这些算法有些实现起来比较复杂,有些需配以数字滤波器一起工作,有些精度不高,或者需要较高的采样频率来获得高精度,有些算法数据窗要求较长。

本文分析了离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)算法中衰减直流分量造成的误差,结合指数函数和等比数列的运算性质,推导出了精确的误差计算公式,据此对传统傅氏算法基波和谐波计算结果进行修正,提出了改进的傅里叶递推算法,并分析了两个衰减直流分量造成的误差以及等效的处理办法。算法递推计算基波和谐波参数,不需计算出衰减直流分量的幅值和衰减时间常数,数据窗仅为一个周期再加两个采样点,计算量小,计算机处理速度快。仿真结果验证了所提算法的可行性和有效性。

1 算法原理

以电流为例,设故障输入信号为:

式中:A0为衰减直流分量的初始值;τ为衰减时间常数;Ak和ϕk分别为k次谐波的幅值和初相角;ω为基频分量的角频率。

现对输入信号进行采样,采样间隔∆t,采样频率满足采样定理,生成的有限长离散信号序列为:

1.1 误差分析

利用全波DFT计算故障后第m次采样的k次谐波分量为:

其中,Ik(m)=Akejφk。

以求解基波分量(k=1)的计算为例:

其中,I1(m)=A1ejφ1。

显然信号经过DFT计算后包含一个I1dc的误差。

其中,E=e-∆t/τ。

1.2 改进DFT算法原理

从前面推导的公式可以看出,必须消除I1dc(m),才能得到精确的I1(m)。

第m+1次采样的DFT有:

其中:

由式(4)和式(6)得到:

由于可得DFT的递推公式,使后一次的计算可以利用前一次的结果:

又由式(5)和式(7)可以得出衰减直流分量误差的递推关系:

第m+2次采样的DFT结果为:

其中:I1(m+2)=A1ejφ1为基波分量,

为误差分量。

根据式(4)和式(11)可以得到:

由误差公式(12)减去式(5)推导出∆I1dc:

显然结果是个复数,它的实部与虚部的比值M为:

于是有

由式(10)可以推导出:

此时根据式(4)得出第m采样点精确的基波相量:

1.3 多个衰减直流分量的误差分析

实际上电力系统中送至继电保护的电压、电流信号的情况在不同程度上还要复杂一些。由于铁磁元件的非线性特性,电压互感器、电流互感器二次侧的暂态特性等因素的影响,使得电压、电流信号中除了故障信号中本身固有的衰减直流分量以外,还可能包括互感器产生的衰减直流分量[2]。

设故障信号中含2个衰减直流分量,其离散采样序列为:

对采样值进行全波DFT计算后包含两个衰减直流分量误差I1Bdc和I1Cdc:

其中:EB=e-∆t/τB;EC=e-∆t/τC。

对式(2)进行DFT的计算结果为:

其中,E=e-∆t/τ。

令

也就是

对上式两边分别取实部和虚部,有:

其中:Re、Im分别为式(19)右端的实部、虚部,且

由式(19)、(20)有

则

由式(21)可进一步求出0A:

显然,E和A0均为由N、B0、EB、C0、EC确定的常数。这说明,可以找到这样一个衰减直流分量A0e-n∆t/τ,其DFT误差与两个衰减直流分量B0e-n∆t/τB和C0e-n∆t/τC的DFT误差和相等。

若有多个衰减直流分量,可同理类推,其在DFT后产生的误差可等效为一个衰减直流分量的DFT误差。于是,1.2小节的改进DFT算法适合于含多个衰减直流分量的情况。

2 计算步骤

求基波参数的算法实现步骤如下:

(1)首先利用DFT式(3)计算I1DFT(m);

(2)根据递推式(8)和式(9)计算I1DFT(m+1)和I1DFT(m+2);

(3)计算∆I1dc=I1DFT(m+2)-I1DFT(m);

(4)利用式(13)和(14)计算E=e-∆τ/t;

(5)通过式(15)计算衰减直流分量的误差Idc1(m);

(6)通过式(16)I1(m)=I1DFT(m)-I1dc(m)得到精确的基波相量;

(7)当m递增(m=m+1)时,根据递推公式(9)计算新的I1DFT(m+2),新的I1DFT(m)、I1DFT(m+1)可以分别利用上次计算结果I1DFT(m+1)、I1DFT(m+2),不需重复计算,重复步骤(3)~(6)。

当需要求k次谐波参数时,只要将上述步骤的公式中所有的即可求出。

3 仿真分析

为了验证算法的精度和可行性,作如下两种模型的仿真计算。

方案一:设输入信号为

其中:ω=100π;τ=25 ms。

设置采样频率fs=1 600 Hz,分别利用传统DFT算法、文献[3]改进算法(所需数据窗与本算法一致)和本文算法提取i1(t)中的基波及各次谐波的幅值和相角,结果见表1。

从表1中可以看出,传统DFT算法的误差很大,文献[3]算法能比较好地解决衰减直流分量的影响,精度有了一定的提高,但本文算法精度更高,理论上误差为零。原因在于文献[3]算法的推导过程是建立在连续的时间域,而本文算法完全建立在离散采样值的基础上。

方案二:当电力系统的故障信号含有两个衰减直流分量时进行仿真(表2)。

假设输入信号为:

其中:ω=100π;τ=25 ms;τ'=0.1 s。

采样频率仍为1 600 Hz,仿真结果见表2。

从表2中可以看出,当故障信号中含有多个衰减直流分量时,本算法依然能够得到基波和谐波的高精度计算结果。

4 结论

本文分析了衰减直流分量对全波傅氏算法的影响,基于严格的数学推导,提出了一种故障电流的高精度改进DFT递推算法。算法具有以下特点:

1)算法通过增加两个采样点,利用三次相邻的DFT求出衰减直流分量带来的误差,并将其剔除,得出精确的故障电流基波及各次谐波相量。

2)算法仅需对采样数据进行一次DFT运算,随着采样点增加应用递推公式即可得到DFT的结果,大大减小了全波傅氏算法的计算量,加快了计算机处理速度。

3)算法适用于电力系统故障电流含有两个或多个衰减直流分量的情况,通过理论推导和计算机仿真证明,算法能够消除两个或多个衰减直流分量的影响。

综上所述,该算法计算简单,稳定性好,数据窗短,能满足微机保护实时性的要求。仿真结果表明,改进算法具有较高的精度,具有较高的理论研究价值和工程实用价值。

参考文献

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改进直流法第2篇

天广 (天生桥至广州) 直流输电系统2001年6月建成投运, 2007年4月极Ⅰ直流线路电压开始出现波动现象, 广州换流站极Ⅰ直流线路电压波动范围约20 k V, 较正常值偏低, 天生桥换流站极Ⅰ直流线路电压波动范围约15 k V, 较正常值偏高。持续的电压波动造成系统运行不稳定, 并可能会引起相关保护或控制功能的误动[1]。近年来高肇直流输电系统极Ⅱ直流线路电压也出现了类似的电压波动现象[2]。天广直流输电系统和高肇直流输电系统使用的直流电压互感器均为进口产品, 参考文献[1]和参考文献[2]的研究表明直流电压互感器传感模块故障是引起直流线路电压波动的主要原因, 参考文献中同时提出了更换传感模块解决直流线路电压波动的措施。本文以天广直流输电系统极线直流电压互感器为例进行分析, 天广极线直流电压互感器配置了11个传感模块, 11个传感模块同时并接于直流分压器低压分压板的同一信号输出端, 当一个传感模块发生故障导致其输入阻抗变小时, 会引起其它传感模块的输出信号均产生异常, 使直流电压互感器的测量信号出现整体波动的异常现象。本文设计了一种二次阻容分压电路, 使多个传感模块的输入信号相对独立, 一个传感模块故障不会引起其它传感模块测量信号的波动, 较好地解决了天广直流电压互感器存在的多个传感模块采样信号相互影响的问题, 提高了直流电压互感器的稳定性。

1直流电压互感器的原理

天广直流输电系统使用的直流电压互感器为进口产品, 其原理如图1所示。直流电压互感器由直流分压器、二次分压板及传感模块等部件构成, 直流分压器将被测一次高电压V1变换为中压信号V2 (V2额定值为50 V) , 二次分压将中压信号V2变换为低压信号V3 (V3额定值为5 V) , 传感模块就地采集二次分压板的输出信号并将其转换为数字信号通过光纤输出给控制室的直流控保装置使用, 直流电压互感器根据直流控保装置的配置需求需要配置多个传感模块, 多个传感模块并接于二次分压板的同一个信号输出端。传感模块的工作电源由直流控保装置内的激光器提供, 激光器发送的激光通过光纤送至传感模块, 传感模块内的光电转换器将激光能量转换为电能给传感模块提供工作电源。

2缺陷分析

由图1可见, 多个传感模块并接于二次分压板的同一个信号输出端, 当一个传感模块故障引起其输入阻抗发生变化时, 必然会使二次分压板的输出信号V3发生变化, 从而使其它各传感模块的输出信号均发生波动, 使接至此直流电压互感器的所有直流控保装置得到的直流电压信号均出现异常波动, 这样不仅易引起直流保护或控制误动, 而且不利于快速定位故障原因。

下面以天广极线直流电压互感器为例进行具体分析, 如图2所示为天广极线直流电压互感器原理图, 极线直流电压互感器配置了11个传感模块, 其中5个模块的输出信号分别接至极Ⅰ直流控制和直流保护的5个装置, 还有5个模块的输出信号分别接至极Ⅱ直流控制和直流保护的5个装置, 传感模块的输入电阻为500 kΩ, 输入电容为2.5 n F。根据图2的器件参数, 假设直流分压器一次电压保持500 k V不变, 有1个传感模块发生故障, 其输入电阻在0~500 kΩ之间变化, 二次分压板的输出信号会随着故障模块输入电阻的变化而变化, 其变化关系如图3所示, 图中横坐标为故障传感模块的输入电阻, 纵坐标为二次分压板输出信号。由图3可见, 二次分压板的输出信号会随着故障传感模块输入电阻的降低而降低, 当故障模块输入电阻变至140 kΩ时, 各模块输出的直流电压测量值约475 k V (95%UN) , 当故障模块输入电阻变至75 kΩ时, 各模块输出的直流电压测量值约450 k V (90%UN) , 当故障模块输入电阻变至40 kΩ时, 各模块输出的直流电压测量值约为400 k V (80%UN) , 严重时, 当故障模块输入端短路, 则所有模块均无输出信号, 会导致直流控制保护误动。单一传感模块故障将导致所有传感模块输出值一同波动, 很难定位故障模块, 必须停电更换所有传感模块以解决单一模块损坏导致的电压波动问题。

3改进措施及分析

针对天广直流电压互感器的设计缺陷, 南京南瑞继保电气有限公司与南方电网超高压输电公司广州局联合对天广直流输电系统的直流电压互感器进行了改进。

为了解决单一传感模块故障导致各传感模块的测量值均出现异常波动的问题, 本文对直流电压互感器的二次分压板进行了改进设计, 将二次分压板设计为11个独立的阻容分压单元, 每个阻容分压单元的输出端只接一个传感模块, 如图4所示, 这样可使各传感模块的输入信号相对独立, 从而解决单一传感模块故障引起其它传感模块测量值均出现异常波动的问题。

阻容分压单元器件参数的选择一方面要保证传感模块的输入信号不变, 另一方面要保证二次分压板的等效输入电阻和等效输入电容不变, 同时阻容分压单元的高压臂和低压臂应具有相同的时间常数, 这样才能使改造后直流电压互感器的分压比及频率特性保持不变。

图5给出了改造后直流电压互感器单一传感模块输入电阻变化对故障传感模块输入信号及正常传感模块输入信号的影响, 图中横坐标为故障传感模块的输入电阻, 纵坐标为传感模块输入信号电压, 曲线1反映了故障传感模块输入电阻变化对其输入信号的影响, 曲线2反映了故障传感模块输入电阻变化对正常传感模块输入信号的影响。

由图5可见, 当故障传感模块的输入电阻在0~2 000 kΩ范围变化时, 故障传感模块的输入信号会随其输入电阻的变化而出现较大的波动, 相应的故障传感模块输出的测量值亦会出现较大的波动, 但正常传感模块的输入信号受故障传感模块的影响很小, 即使故障模块输入端短路, 其它正常模块的输出信号也不会出现明显变化, 不会导致直流控制保护误动。

改造后的直流电压互感器能够保证各传感模块相对独立, 避免了单一传感模块故障导致各模块输出的测量值均出现异常波动的问题, 同时可以快速定位故障。实际运行表明改进措施有效地解决了直流电压互感器的设计缺陷, 解决了系统直流电压异常波动的问题。

4结语

天广直流输电系统极线电压波动的异常现象暴露出进口直流电压互感器的设计缺陷, 本文对直流电压互感器的设计缺陷进行了分析, 并提出了改进措施。2010年4月, 南京南瑞继保电气有限公司对天广直流输电系统的直流电压互感器进行了全面改造, 改造后的直流电压互感器运行3年多来, 未再出现因单个传感模块故障导致系统电压异常波动的问题, 系统运行稳定性得到明显提高。天广直流电压互感器的缺陷及其造成的后果表明, 今后在直流电压互感器的设计及选型时应注意二次分压板的设计, 避免因单一传感模块故障引起其它正常传感模块测量值整体波动, 从而导致产生系统运行不稳定的异常现象。

参考文献

[1]张海凤, 朱韬析.天广直流输电系统极Ⅰ电压异常波动原因及其影响分析[J].电力系统自动化, 2007, 31 (24) :102-104.

直流力矩机组低速稳定性改进研究第3篇

直流力矩机组具有输出转速可调和能堵转运行特点, 广泛应用于自动化控制场合。北京勇光高特微电机有限公司是直流力矩电机的资深厂家, 随着力矩机在节能领域日益扩展, 其配套控制系统品质急需提升。由于直流力矩机组多是用于转台等高精度运行控制, 所以对低速调速反应和外干扰稳定性都有要求。调速反应表征为电机达到给定新转速的反应时间;外干扰稳定性则是负载改变时转速恢复到允许范围内的速度。显然以上品质与系统处理速度相关, 故把原有控制芯片从8位提升到16位, 并进行相应改造构成新的控制系统。

2、系统硬件构成

控制系统主要由整流电路模块、驱动模块、电流反馈模块、速度反馈模块、控制芯片及外围电路模块等部分构成。

电源整流后输出控制芯片用5V和驱动用15V电压, 控制芯片调制波形, 经放大后驱动电机, 永磁式测速发电机检测速度信号, 经过AD转换成数字信号, 由串口反馈给控制芯片, 实现速度闭环。

目标与实际速度值显示于LED屏幕, 由采样电阻和放大电路组成的电流采样, 信号通过模拟量输入接口反馈给芯片实现电流闭环, 构成如图1所示系统。如图2所示用M OSFET场效应管搭建H桥驱动电路, 以IR公司芯片IR2110为驱动级。

栅极信号以自举电路获得浮动电源, 控制芯片发出的PWM信号经放大后输入场效应管栅极来控制通断, 推动电机转动。

在低转速反馈控制中, 对角频率采样精度有比较高的要求, 如用角编码器就需选用分辨率很高而价格比较昂贵的器件。

充分利用直流测速发电机组低速输出稳定特点, 替代高精度数字编码器, 在保证速度采样精度前提下, 可明显降低硬件成本。

AD转换要与处理速度相适应, 用TI公司TLC3574为独立14位AD转换器, 其含四个转换通道, 模拟电压输入范围为±10V。

3、系统软件实现

如图3所示采用速度和电流双路闭环控制系统, 内环为电流反馈, 外环为速度反馈, 依靠软件限流, 母线电流超过极限值时电机停转。

系统软件功能为:初始化控制参数;根据按键状态生成正反转信号;处理电流环和速度环的反馈信号, 生成PWM控制信号;显示设定和实际速度。

按功能将软件系统分为以下模块:系统初始化模块、模拟量采集模块、电流保护模块、PID算法模块、PWM控制信号生成模块、数据显示模块、SCI通信模块等, 程序流程如图4所示。SCI通信模块等, 程序流程如图4所示。

启动程序后系统进行初始化, 设置寄存器和参数, 打开计时器开始等待中断, 进入查询操作的循环过程。

主程序不断检查是否有电流反馈, 有则进行电流环调节;若干次后检查一次是否有速度反馈, 并进行速度环调节, 将结果输出, 每个功能模块由相应的中断子程序完成初始化过程。

PWM信号通过控制功率器件的导通和截止来改变加在电机绕组上平均电流, 从而实现对电机转速的控制。

对该模块使用寄存器进行初始化设置, 设置PWM输出频率、PWM类型、初始占空比和死区时间后使能PWM, 即输出占空比可调PWM波形。

PID算法模块计算给出占空比值, 并可实时更新。PID参数由电位器调节, 电位器信号经主控芯片自带的10位ADC转换后赋值给Kp和Ki, 计算结果作为新的占空比值, 赋值给PDC寄存器。

所用的dsPIC30F系列电机控制芯片支持C和汇编语言混合编程, 并通过专用编译器MPLABC30实现优化编译, 既能够发挥C语言模块化编程便于移植和升级的优势, 又能够保证程序段的精确与精简。

4、驱动品质评价

新开发系统驱动品质是在北京勇光高特微电机有限公司电机试验台上进行评价, 对照原有驱动系统, 以同样电机和载荷进行试验。

图5所示为50%额定载荷从0～90/s转角速度响应曲线, 纵坐标为电机输出角速度, 横坐标为时间。

试验台数据库记录参数显示, 新开发系统零启动响应速度比原来提高了31.5%, 超调量降低了24%, 跟踪峰值频率提高了31%。

图6所示为运行中变载冲击响应曲线, 由试验台磁粉离合器加载, 由此测试系统变载速度恢复响应特性。

变载速度恢复响应特性关系到个驱动系统的刚性, 由于新系统反应速度快, 明显缩短响应时间并降低超调量幅值。

有些场合需要严格控制超调量, 新系统专门设计恒转角速度和角速度差值时间分配, 用户可根据整体系统转动惯量, 将变速超调值设置到可以接受的水平。

设计实验验证新系统闭环控制的控制品质, 对比新系统和原系统的速度响应曲线和在负载变化时电机转速重新稳定的用时。

5、结语

理论分析与实验结果表明, dsPIC30F2010作为一款精简的电机控制芯片, 非常适用于低速直流力矩电机的控制, 外部硬件电路结构简单, 程序编写便捷, 控制性能稳定。强大的运算能力能够大幅提高以往8位单片机系统的控制精度, 很好地平衡了控制器的尺寸、成本和性能。新系统在实际应用中达到了提高低速电机运行中的速度响应和稳定性的目的。

参考文献

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[3]dsPIC30F2010 Data Sheet[M].MicrochipTechnology Inc., 2004.

改进直流法第4篇

高压直流测量装置作为直流输电工程关键元件, 用于换流站控制及保护设备[1,2], 在发生故障后, 分析处理复杂, 设计及运维方面不足易导致直流极闭锁[3]。文章结合国内直流输电工程实际运行情况, 对直流测量装置典型故障及采取措施进行总结, 供现场运行维护人员参考。同时探讨设备改进措施, 希望进一步提高直流输电工程运行可靠性。

1 直流测量装置故障简介

1.1 装置分布

换流站典型直流测量装置布置, 如图1所示。主要包含以下位置: (1) 直流出线电流IDL; (2) 直流极母线电流IDP; (3) 直流极中性母线电流IDNC; (4) 中性母线至接地极电流IDNE; (5) 中性母线连旁路母线电流IDME; (6) 接地极母线电流IDEL; (7) 站接地极电流IGND; (8) 极母线出线电压UDL; (9) 直流场中性线电压 (UDN) 。

1.2 故障分类

1.2.1 光电式直流电流互感器

主要分有源及无源式直流光电流互感器[4], 简称直流光CT, 结合其系统框图, 故障为以下几类: (1) 一次电流传感器故障; (2) 远端模块故障; (3) 光传输系统异常; (4) 光接口板/合并单元故障。

1.2.2 电子式零磁通型直流电流互感器

结合电子式零磁通型直流电流互感器原理[5]。故障分为以下几类: (1) 电子测量模块故障; (2) 二次回路绝缘降低; (3) 暂态过电压保护二极管损坏接地。

1.2.3 直流电压测量装置

结合高压直流分压器原理[5]。故障分为以下几类: (1) 本体绝缘介质泄漏; (2) 本体污秽闪络; (3) 本体内部放电; (4) 电子分压板损坏 (接口单元装置故障) ; (5) 二次回路绝缘降低; (6) 光电转换模块故障。

2 故障特征分析及对策

2.1 光电式直流电流互感器

远端模块与一次电流传感器连接故障:某站极Ⅰ光CT双系统电流突降, 导致保护动作, 其主系统IDL测量异常, 差动电流由225A上升至698A, 延时300ms保护动作, 极Ⅰ闭锁[6]。极闭锁后, 故障系统IDL测量值仍保持60A左右。其故障录波图如图2所示。经分析, 极Ⅰ直流保护误动作, 为远端模块至信号分布板间电缆连接异常。对连接电缆整批更换后, 故障消除。特征: (1) 双系统测量值出现明显差异; (2) 同一通流回路电流无明显变化; (3) 极闭锁后, 异常测量电流依旧存在。

2.2 电子式零磁通型直流电流互感器

2.2.1 二次回路暂态过电压保护二极管击穿

2012年, 某站极控制保护主机P1PCPB和P2PCPB系统均检测到严重故障退出运行。BFTB柜DCCT电子装置红灯报警。检查相应电子装置与现场直流CT本体之间二次回路, 发现部分线圈回路接地, 打开线圈回路过电压保护专用端子, 发现个别击穿现象, 阻值测量为0Ω, (正常为100MΩ) 。同时检查发现其激磁波形峰值在1.6V左右, 较正常值偏低。措施: (1) 更换过电压保护专用端子。 (2) 将电子模块激磁波形峰值调整为2.0V。

2.2.2 电子测量模块磁饱和故障

某站极Ⅰ直流保护发“P1PPRB直流过流跳闸”, 极Ⅰ闭锁。极控制保护主机P1PCPB和P1PPRB系统发出“极1中性线直流T3-1 (IDNE) 饱和告警故障”报警。检查发现电子模块故障自检信号在保护动作后5ms出现, 自检速度过慢。自检信号通过RS852板卡接入控制保护系统, 该板卡本身具有3ms的内置防抖延时, 且信号传输采用CAN总线, 传输速度较TDM总线慢, 大大降低自检报警速度。分析:该类型故障一般为一次设备遇到直流换相失败或短时过负荷, 电子测量单元内部发出磁饱和[7]报警, 但报警输出时间延迟, 在直流保护动作后, 才发出闭锁该保护信号, 导致直流保护误动作。可通过修改告警传输为TDM总线, 提高传输速率, 在磁饱和后, 及时闭锁相关保护。

2.3 直流分压器

2.3.1 直流分压器电压波动

高肇直流工程投运以来, 极Ⅱ多次出现电压波动的情况。经过多次波动及研究分析, 最终确定为直流线路电压光电传感器故障导致电压波动[8]。由于该模块电阻值在夏天高温、高湿环境下发生突变, 影响了整个线路电压测量系统稳定性, 进而影响直流系统调制功能, 严重时甚至导致系统闭锁。措施: (1) 更换直流分压器光电转换模块及公共电路[9]; (2) 加强运维监视, 发现光电模块阻值异常及时更换。

2.3.2 直流分压器电压测量值异常波动

2010年, 某站DCCT#1屏中间转换模块故障, 使光供电数据模块输出直流电压值突变为0, 导致PPR A直流低电压保护动作, 直流闭锁。分析: (1) 接口装置工作异常, 输出电压波动; (2) 屏柜间电缆受到干扰; (3) 光传输远端模块运行不稳定。措施: (1) 将接口装置至控保系统信号电缆改为双屏蔽电缆; (2) 更换直流分压器光传输远端模块; (3) 对直流分压器户外激光电源增加衰耗器。

3 故障改进建议及对策

3.1 直流光CT

隐患:目前换流站PCPA系统单个远端模块中某个故障, PCPA系统会退出运行, 威胁直流输电系统运行, 如图3所示。

建议:采取在主机内部冗余方式, 通过软件把MC1主机和MC2主机直流测量信号进行交叉连接。如图4所示, 任意一路远端模块故障, 不直接影响极控制保护双系统正常工作。

最后, 搭建交直流光CT板卡测试平台, 校验运行参数异常的板卡, 并检验事故备品可用性。对光接口板、远端模块等进行定期检测, 保障设备完好可用。

3.2 零磁通CT

定期对站内运行零磁通CT电子测量装置进行功能校验[10], 一方面可发现运行设备潜在问题, 提高设备稳定性;另一方面, 能确保事故备品为完好备件, 保障直流输电工程可靠运行。双极区域设备故障, 均会影响两个极PCP系统, 必须尽量缩短故障处理时间, 可以优化完善零磁通CT以及直流测量装置故障处理标准程序, 达到安全、快速、准确和高效, 保证跨区电网稳定。建议零磁通CT厂家增加监视功能, 在冗余系统模拟量测量异常时, 提前发出告警信号, 退出相应保护, 防止直流保护误动。同时在设计制造零磁通CT时, 若系统检测到低电压报警和饱和报警, 尽量减少信号传输延时。

3.3 直流分压器

隐患:龙政、江城等直流输电工程采用电缆传输方式将二次测量信号接入接口柜。电缆从电压分压器送出, 仅通过一根长电缆接到单系统测量接口柜, 然后通过并联方式将电压量送到冗余系统测量接口柜。当该电缆故障 (开路、短路、绝缘降低等) 时, 可能会导致直流电压保护误动作。

建议: (1) 在直流分压器下部增加耦合板卡, 采用多电缆传输方式将信号同时送冗余测量接口柜, 保证多套直流保护测量回路完全独立。 (2) 在不易增加耦合板卡时, 考虑增加一根传输电缆, 将两根电缆并接, 实现传输电缆冗余。

4 结束语

通过分析直流测量装置典型故障及处理情况, 探讨设备改进措施, 对设备厂家及运维人员具有一定借鉴意义。期望对新建直流工程提供参考, 避免同类故障发生, 进一步提高直流测量装置可靠性, 保障电网安全。

参考文献

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改进直流法第5篇

关键词：电力直流控制电源,充电方式,充电模块数字化,自动旁路,性能预警

发电厂和变电站中,直流控制电源由蓄电池组、充电装置及直流屏等设备构成。直流控制电源广泛应用于各种类型的发电厂和变电站中,是一种在正常和各种事故情况下都要保证可靠供电的电源系统,是保证在电力事故状态下各种保护和自动化装置可靠工作和动作的“最后一道保安电源”[1]。

1 目前电力直流控制电源存在的缺陷

目前广泛使用的直流控制电源都以GZDW型直流控制电源为原型,只是近两年有少量产品增加了蓄电池端电压巡检装置。该机型为我国提高电网直流电源系统的自动化做出了重大贡献[2],但在15年的使用实践中,业内也逐渐发现了它的不足,下面对照原理图来分析它的缺陷。电力直流控制电源原理图如图1所示(图中,*表示系统不设置硅降压装置时,动力母线和控制母线合并;图2同)。

a.充电方式不合理,蓄电池组内各单体蓄电池充电不均衡,造成蓄电池过早失效。从图1中可以看到,整流模块是对整组蓄电池以浮充方式串联充电的。串联充电时,流过每只单体蓄电池的电流都是相同的,而蓄电池由于制造工艺、检验手段和装卸运输诸多因素的影响,整批电池离散性是普遍存在的,每块电池的端电压、内阻及自放电电流均存在一定的差异,每只单体蓄电池的原始容量不可能做到完全相同,即便是同一批出厂的蓄电池其容量偏差也较大,因此,在运行中将其作为一个整体用统一的电流长期浮充,势必造成原始容量较小的蓄电池长期过充电,原始容量较大的蓄电池长期欠充电。当阀控式密封铅酸蓄电池过充时,电池的隔板、极板等由于电解氧化而遭到破坏,造成电池板栅腐蚀加速,活性物质松动,而使容量失效。长期过充还会导致热失控,其直接后果是蓄电池的外壳鼓包、漏气,最后失效。当阀控式密封铅酸蓄电池欠充时,负极上的化学反应和正极上的化学反应都不充分,由于活性物质的硫酸化,使得蓄电池内阻增加,容量下降、寿命缩短。不合理的充电方式造成蓄电池过早失效。

b.将适用于开口铅酸蓄电池的均衡充电概念照搬到阀控式密封铅酸蓄电池,加速了部分阀控密封铅酸蓄电池失水老化。我国电力直流控制电源使用的蓄电池经历了从老式开口式铅酸蓄电池到半开口防酸式铅酸蓄电池到阀控式密封铅酸蓄电池。1995年设计GZDW型直流控制电源时,阀控式密封铅酸蓄电池刚开始应用,对新电池的了解不够深入,采用了开口式铅酸蓄电池的充电程序。同样原因,当时将适用于开口铅酸蓄电池的均衡充电概念也照搬到阀控式密封铅酸蓄电池。当时的术语是:浮充电是在正常运行时,充电装置承担经常负荷,同时向蓄电池组补充充电,以补充蓄电池的自放电,使蓄电池以满容量的状态处于备用[3]。均衡充电是为补偿蓄电池在使用过程中产生的电压不均匀现象,使其恢复到规定的范围内而进行的充电,以及大容量放电后的补充充电,统称为均衡充电[4]。但自2004年电力直流控制电源已广泛采用阀控式密封铅酸蓄电池[5]后,已经有人发现问题了,2009年出版的文献[1]明确指出:阀控式密封铅酸蓄电池的水分损耗虽然较小,但水分损失后却不可能和防酸电池一样再加液,因此,阀控式铅酸蓄电池的浮充电运行寿命有可能极大短于普通防酸式铅酸蓄电池。2010年出版的文献[6]也指出:阀控式密封铅酸蓄电池在使用过程中,只需数月或1年,其容量就低于额定值的80%,或整组蓄电池虽然普遍较好,但其中个别蓄电池的性能急剧变差。文献[1,6]指出了寿命短的现象,没有分析水分损失的原因。本文认为水分损失的原因是目前的电力直流控制电源错误地引用了均衡充电概念;频繁地使用了均充。例如某产品说明书原文:“在长期浮充状态下,为保养蓄电池,系统每隔一定时间自动进行一次均衡充电(时间由用户设定,默认为720 h),以保持电池容量。另外当用户认为必要时亦可通过按键操作随时进行手动均衡充电”。这是个严重错误,原因如下:对浮充运行的蓄电池组进行均充,其实质是过充,这种方式对早期的开口式铅酸蓄电池和后来的半开口式防酸铅酸蓄电池是有效的,确实能改善各单体电池的端电压差异,因为开口式及半开口式铅酸蓄电池都可以加液,不怕过充。2004年后电力直流控制电源已广泛采用阀控式密封铅酸蓄电池,而阀控式密封铅酸蓄电池是由单向阀密封的,对充电电压非常敏感,不能过充,过充就意味着失水、容量减小、热失控、早期报废。试验显示:第1组10只新阀控铅酸蓄电池用2.35 V电压浮充(保持环境温度25℃),120 d有蓄电池出现热失控;第2组10只新阀控铅酸蓄电池用2.30 V电压浮充(25℃),约190 d有蓄电池出现热失控;第3组10只新阀控铅酸蓄电池用2.28 V电压浮充(25℃),约390 d有蓄电池出现容量严重下降,可见过充对阀控式密封铅酸蓄电池是致命的。此外,整流模块对阀控铅酸蓄电池组的均充参数:理论上每只单体电池的均充电压为2.35 V,这个电压对阀控蓄电池已经是破坏电压了,由于串联充电的不均匀性,实测得到的单体最大电压在2.38 V左右,这个电压对阀控蓄电池是严重过充,且将使该只阀控蓄电池失水。整流模块每隔720 h进行一次均充,相当于整流模块每隔720 h就对蓄电池组中的某些单体蓄电池进行一次破坏,加速了部分阀控密封铅酸蓄电池失水老化。

c.蓄电池组没有保护回路,最重要的部分最薄弱。蓄电池组是电源系统的重要组成部分,是系统的心脏,是保证在电力事故状态下电站的各种保护和自动化装置可靠工作和动作的“最后一道防线”,因为一旦蓄电池出现问题,带来的必然是事故停电。从图1中可见,整流模块N+1冗余备分,而蓄电池组却是孤立无援的,是单回路的,蓄电池组的容量完全由容量最小的那只决定,即使108只电池中有107只都是200 A·h,只要有一只的容量是10 A·h,那么整组的电池容量也只能是10 A·h,如果有一只电池极板开路或内阻异常增大,那么整组蓄电池的容量就是零或接近于零,只能是形同虚设了。这也是200 A·h蓄电池组只能工作几分钟这种怪现象出现的原因。

d.整流模块监控过度,蓄电池组监控缺失。目前所有电力直流控制电源的后台监控系统都可获得整流模块的各种运行参数,实施各种控制和操作,实现对整流模块的“四遥”功能。图1是目前较先进的电力直流控制电源的原理图,它的“电池巡检”也只是具备单体蓄电池的端电压巡检功能,而目前95%以上正在使用的电力直流控制电源无该功能。实际上,这唯一的蓄电池监控功能(意义不大)也是因为蓄电池浮充时的端电压与蓄电池的容量、内阻、自放电等参数无任何相关;甚至相反,比如阀控蓄电池失水后容量是下降的,但失水后电解液比重增加,它的端电压反而是上升的,即一只容量严重下降,内阻异常增大的蓄电池的浮充端电压却可能是完全正常的。仅关注蓄电池端电压是不够的,因为一组端电压完全正常的蓄电池组可能仅放电几分钟就没电了,合格的监控系统应该在蓄电池容量严重下降,蓄电池内阻异常增加,蓄电池内部自放电超标时能及时发出警告。

e.蓄电池的维护无法操作。对目前的电力直流控制电源,一些负责任的技术人员严格按照规定,每年对蓄电池组深度放电进行容量检测,通常大多数蓄电池是好的,少数几只蓄电池容量落后,对这些容量落后的蓄电池,虽然想尽办法,使用各种仪器进行容量恢复,但是,多数蓄电池的容量根本无法恢复。尝试更换少数新电池,又会引起组内其他电池更快的恶化,只好对仅投运了3年甚至1年的一百多只蓄电池整组更换。

f.缺少对蓄电池恶性事故的预防能力,系统可靠性令人担忧。国家电网公司生产部2002年至2004年曾对14个省、市直流电源系统故障进行过一次调查抽样统计,虽有一定的片面性和局限性,但反映出的问题却是触目惊心的:调查期间蓄电池故障5次,占35.7%;充电装置故障9次,占64.3%。在蓄电池5次故障中,蓄电池爆炸起火2次。另据了解,许多地方在统计时间区段外也曾发生过蓄电池爆炸事故,且多为阀控蓄电池。说明该类故障不但后果严重,而且在蓄电池事故中占较大比例[7]。除了蓄电池自身安全阀质量问题外,充电装置的安全可靠性也要求考虑,如果不是充电装置对蓄电池进行了过充电,蓄电池的内部压力就不会达到爆炸的程度,如果充电装置具有自放电电流和单体蓄电池温度监测功能,蓄电池的热就失控不会发展到起火的程度。

2 电力直流控制电源的改进

改进后的电力直流控制电源原理见图2。

本文提出对电力直流控制电源进行以下改进。

a.彻底抛弃传统的串联充电方式,改为每只蓄电池独立充电。阀控铅酸蓄电池对浮充电压要求非常严格,在偏离了正确使用条件下运行将造成严重后果,而目前的充电方式根本无法满足单体蓄电池严格的浮充电压要求,原因在于串联充电方式是总电压固定,每只单体蓄电池的充电电压动态分配,每只单体蓄电池的浮充电压完全不可控。图2所示的单体蓄电池独立充电方式使每只单体蓄电池拥有自己独立的蓄电池数字化管理模块,每只单体蓄电池的浮充电压可以精确到0.001 V,充电曲线可以严格地按照厂家要求设定,从根本上避免了蓄电池的过充和欠充,可以确保蓄电池的使用寿命。

b.允许随时更换单只蓄电池,方便维护。传统的电力直流控制电源由于充电方式决定,要求一组蓄电池必须容量匹配,不允许新旧蓄电池混用,也不允许更换单只蓄电池,必须整组更换,维护成本惊人。本文提出的独立充电方式使每只单体蓄电池拥有自己独立的数字化充电管理模块,各单体蓄电池之间不会相互影响,不必内阻匹配,不必容量匹配,允许新旧蓄电池混用,允许随时更换单只或多只蓄电池,简化了维护程序,降低了维护成本。

c.为每只蓄电池设置备用通路,故障蓄电池应自动旁路。传统的电力直流控制电源要求100多只蓄电池必须每只完好,任何一只都不能出一点问题,否则就是严重事故,因为它的蓄电池组是单回路串联的,没有备用通路,任何一只蓄电池的问题就是整组蓄电池的问题。本文提出的蓄电池管理模块为每只蓄电池设置了备用通路,故障蓄电池可以被自动旁路,问题蓄电池自动退出而不影响整组蓄电池的工作。所提出的电力直流控制电源在某变电站试验显示:停掉交流电源,蓄电池组放电几小时后,开始有容量较小的蓄电池因内阻增大,端电压严重下降而被自动旁路,当陆续有8只蓄电池被自动旁路后,变电站的电磁合闸等所有操作仍能正常进行。可见所提出的电力直流控制电源提高了蓄电池组的可靠性。

d.加强蓄电池监控,及时发现蓄电池问题。传统的电力直流控制电源加装蓄电池巡检装置后只能监测到蓄电池的单体电压,受充电方式的限制,监测蓄电池的其他参数非常困难。本文提出的直流控制电源依托数字化蓄电池管理模块中先进单片机的强大运算及检测能力,除了可以监测蓄电池的端电压,还可以监测每只蓄电池的容量、内阻、自放电和温度等参数,可以及时发现蓄电池的各种问题,做到对每只蓄电池的性能和预计寿命心中有数,根据问题的轻重缓急制定维护计划,对系统进行维护。

e.增加蓄电池活化功能,保持蓄电池最佳性能。过充对阀控铅酸蓄电池的损害是严重的,而轻微欠充则容易恢复,定期进行一下活化即可,有经验的用户通常会坚持宁愿稍微欠充也不过充的原则,略微调低蓄电池的浮充电压。管理模块具有蓄电池活化功能,可由用户设定是人工活化还是定期自动活化,保持蓄电池最佳性能。

f.减少蓄电池接线数量,消除潜在故障点。传统的电力直流控制电源在加装蓄电池巡检装置时,要在每只蓄电池上加装2根检测导线,100多只蓄电池就要加装200多根导线,不但施工麻烦,而且每加一根导线就增加了一个潜在故障点。本文提出的电力直流控制电源增加了蓄电池的备用通路,增加了蓄电池的监测参数,却没有增加蓄电池的接线,因为蓄电池管理模块是充电导线和检测导线共用的,蓄电池的每只端头上只需接一根导线。

g.增加GPRS手机报警功能,使维护更及时。现在的变电站多数都是无人值守站,对于监测到的严重问题,本文采用GPRS报警模块自动向维护人员的手机发送短信及时提醒,使维护更及时。

h.每只数字化充电管理模块都带有通信接口,可实现直流操作电源的集散化管理。本文提出的独立充电方式使每只单体蓄电池拥有独立的带有通信功能的数字化充电管理模块,符合今后直流控制电源向集散化管理发展的技术方向以及数字化变电站的设计要求[8,9,10]。

3 改进带来的新疑问探讨

a.模块数量增加了,是否会加大直流操作电源的体积?传统的直流控制电源只要3~6只整流模块即可,本文提出的直流控制电源却需要有108只蓄电池管理模块,可能会有体积增大的疑问。实际上原来的模块是高电压(255 V),大电流输出的大功率模块,每只功率在1.5~5.5 kW,大功率模块的开关频率很难超过20 kHz,相对体积较大。所提出的是低电压(2.25 V)的小功率模块,每只功率约0.1 kW,低电压小功率模块的开关频率可达800 kHz以上,体积可以很小,本文样机使用的输出电流60 A的蓄电池管理模块体积只有100 mm×51 mm×15 mm,将蓄电池管理模块串联成条状,安装在蓄电池柜的剩余空间内(每层蓄电池对应一条管理模块),不但没有增加体积,还节省出了原来整流模块的空间[11,12,13]。

b.蓄电池管理模块的输出电压只有2.2 V,是否转换效率很低?对于开关电源,在次级必然要有一个整流输出环节。作为整流电路的主要元件,通常用的是整流二极管,其导通压降较高,快恢复二极管或超快恢复二极管可达1.0~1.2 V,即使采用低压降的肖特基二极管,也会产生大约0.6 V的压降。这个压降完全是损耗,本文采用同步整流技术和通态电阻极低的专用功率MOSFET解决压降问题。在提出的应用中,采用了通态电阻仅为0.003Ω的功率MOSFET,在为200 A·h蓄电池充电时的峰值电流为20 A,则其压降损耗仅为20×0.003=0.06(V),损耗比例为0.06/(0.06+2.25)=2.59%。

c.蓄电池管理模块是否也需要N+1冗余备分?传统电力直流控制电源的整流模块为什么要N+1冗余备分?因为它的整流模块需要提供较高的充电电压和较大的输出容量的大功率开关电源,它对器件和技术以及工艺要求都很高,目前大功率IGBT的开关频率是很难超过20 k Hz的,而高耐压MOSFET如果用于大电流回路中结压降大,发热量大,散热困难,所以限于器件及工艺原因单体高频(>20 kHz)开关电源目前输出容量超过6 kW是很困难的,可靠性不能保证,所以大多采用小模块并联均流的运行方式,但模块数量和复杂程度的增加也带来了可靠性的降低,为此提出了N+1冗余备分的概念,这实际上是陷入了一个技术上恶性循环的结果。本文提出的蓄电池管理模块是低电压小功率开关电源,它对器件和技术的要求低,可以选用功率和频率裕度都较大的器件,而且发热量很小,连冷却风扇都不需要,整体可靠性可以高出传统整流模块的10倍,从理论上,蓄电池管理模块完全不需要N+1冗余备分。但为了进一步提高可靠性,蓄电池管理模块内部仍然采取3个20 A电路并联均流的设计,也就是模块内部已经是N+1冗余了,不再需要多模块的外部N+1冗余。另外,所有充电模块及电池采用热插拔可抽出式结构,对模块及蓄电池的更换和检修将不会影响系统的运行。备用通路的存在允许蓄电池组中的个别蓄电池及模块出现故障时,即使不及时维修也不影响系统正常运行(只是系统的总电压会略微降低一些,在允许范围内),更换检修模块和电池时也不会影响系统的正常运行,因此本文提出的系统不需要额外的冗余备分。

d.蓄电池管理模块的热量是否会影响蓄电池寿命?开口式铅酸电池在充电时,除了活性物质再生外,还有硫酸电解质中的水逐步电解生成氢气和氧气。当气体从电池盖出气孔通向大气时,每18 g水分解产生48 988 J的热。而对于阀控式铅酸电池而言,充电时内部产生的氧气流向负极,氧气在负极板处使活性物质海绵状铅氧化,并有效地补充了电解而失去的水。由于氧循环抑制了氢气的析出,而且氧气参与反应又生成水。这样虽然消除了爆炸性的气体混合物的排出问题,但是这种密封式使热扩散减少了一种重要途径,而只能通过电池壳壁的热传导作为放热的唯一途径。因此,阀控铅酸蓄电池对热源是敏感的,电池安装时良好的通风和较低的室温是很重要的条件,过高的环境温度会影响阀控铅酸蓄电池的寿命。本文提出将蓄电池管理模块安装在蓄电池柜内,如果不采取措施的话,会使柜内的温度升高,其采用的办法是用隔热板将蓄电池柜隔离成2个空间,模块散热器和蓄电池分别在各自的空间内,消除了模块发热对蓄电池的影响。

e.蓄电池管理模块的抗故障性能如何?安全性是否有保障?当蓄电池管理模块的外部连接出现直接短路时,管理模块不应该严重发热,更不能烧毁,否则会引起安全事故。提出在蓄电池管理模块外部长时间短路的情况下,短路时的模块温度不能高于正常工作温度;当短路故障排除后,管理模块自动恢复正常工作,不需要人工重启。

f.蓄电池管理模块的旁路功能可靠吗?过电流能力如何?蓄电池管理模块为蓄电池准备了备用通路,当某只蓄电池出现问题失去容量时,管理模块自动将该蓄电池旁路,保障其他蓄电池的正常工作。备用通路的过流能力很强,20 A管理模块允许通过160 A的旁路电流,40 A模块允许通过320 A的旁路电流,满足电磁操作机构可能需要的短时大电流。

4 样机的实测数据

电力工业电力系统自动化设备质量检验测试中心对本文提出的样机(配备200 A·h蓄电池108只)进行了测试,各项数据全部合格(1)。现简单列举如下:稳流精度为0.324%,稳压精度为0.496%,纹波系数为0.495%,防护等级为IP20,噪声为50 dB,模块并联均流不平衡度为0.5%,模块效率为90.1%,模块功率因数为0.946,2~19次谐波最大值为29.1%;限流限压性能、连续供电性能、监控功能都正常;模块输出短路试验在短路20 min无异常发热,短路排除后,各项功能正常;模块旁路电流检测在旁路电流80 A持续1 h,模块无异常发热,功能正常;旁路电流160 A持续1 min,模块无异常发热,功能正常;四遥功能试验正常;不同容量新旧蓄电池混用试验功能正常,更换蓄电池时不必容量匹配;蓄电池容量检测功能在蓄电池容量减小至设定值以下时,管理模块能将其检出;蓄电池定期活化功能正常;绝缘性能、介质强度都合格。

5 结论

改进直流法第6篇

目前, 广泛使用的直流控制电源都以GZDW型直流控制电源为原型, 但是, 在最近几年, 增加了蓄电池端电压巡检装置, 这为我国电网直流电源系统的自动化技术的发展做出较大贡献。然而, 在应用过程中, 暴露出很多的问题, 以下是对电力直流控制电源存在的诸多缺陷进行分析。

1.1 充电方式不够合理

蓄电池普遍使用的是浮充方式串联充电。在充电过程中, 流经单体蓄电池的电流大小一致, 但是, 因蓄电池受制造工艺、检测手段、装卸运输等的影响, 使得蓄电池普遍存在离散性问题, 而每一个蓄电池的端电压、内阻、放电电流等都出现一定差异, 并可能使单体蓄电池的容量做到相同, 尽管是同一批生产的蓄电池, 容量也会存在一定偏差, 所以, 在运行中如果作为一整体长时间浮充, 会造成容量较小的蓄电池过充电, 容量较大的出现欠充电。通过大量实践表明, 不科学的充电方式会导致蓄电池快速失效。

1.2 照搬概念

把适于开口铅酸蓄电池的均衡充电概念照搬到阀控式密封铅酸蓄电池中, 这样一来, 会使阀控密封铅酸蓄电池因失水而老化。在GZDW直流控制电源设计阶段, 开始使用了阀控式铅酸蓄电池, 由于对这种新电池了解不深, 又选用了开口式铅酸蓄电池充电方式。除此之外, 整流模块阀控电池组理论充电电压是2.35 V, 可以说, 此电压对阀控蓄电池称为破坏电压, 因串联充电具有不均匀特性, 实际测得的单体蓄电池电压为2.38 V, 此电压对阀控蓄电池是严重的过充, 并且会使此阀控蓄电池失去水分。对于整流模块充电间隔是2 160 h, 这样一来, 就等同于整流模块间隔2 610 h就会对蓄电池的单体破坏一次, 这样一来, 就加快了铅酸蓄电池失水老化。

1.3 整流模块监控过度, 蓄电池组监控缺失

事实上, 蓄电池的这种监控功能并没有太大的意义, 特别是蓄电池在浮充时, 其端电压和电池内阻与自防参数等没有任何关联。例如阀控蓄电池在失水后容量会大大下降, 然而, 电解液的容量却大大增加, 端电压上升。只关注蓄电池的电压是远远不够的, 这主要是因为端电压正常的蓄电池也只能放电几分钟。对于一个完善的监控系统来说, 在蓄电池的容量下降时, 内阻的异常增加, 在自放电超标时可以发出报警信号。

1.4 蓄电池的维护无法操作

针对直流控制电源来说, 比较负责任的技术人员会按照相关规定要求, 定期对蓄电池放电容量加以检测, 大部分蓄电池状态良好, 而少数蓄电池容量过于落后, 针对落后的电池, 尽管想尽所有的办法, 通过多种仪器恢复其蓄电池的原有容量, 能够恢复的电池却少之又少。如果更换新的蓄电池组, 又会加速电池组其他单体电池的恶化。

1.5 蓄电池组没有保护回路

电源系统中最不可缺少的一部分内容就是蓄电池组, 它不仅是电源系统的心脏, 又是电力系统出现故障时各个保护装置继续运行的保障。这主要是因为在蓄电池出现问题后, 势必会出现停电, 要想使保护装置立即切除故障源, 那么就必须借助蓄电池完成其操作。

1.6 不具备对蓄电池恶性事故处理与预防的能力

在最近几年, 国家电网总局对直流电源系统进行了一次抽样调查, 尽管此次调查存在一定的局限性, 但是, 所反映的问题却是最普遍的。蓄电池出现故障达35%, 而充电装置出现故障达65%。在蓄电池故障中, 还出现了爆炸导致火灾的现象。另外, 在统计时间区域以外, 有些地区也出现了蓄电池发生爆炸的事故, 究其原因, 大多数都是因阀控蓄电池引起的。由此看来, 此故障造成的后果极为严重, 并且事故发生率占有很大比例。因此, 在考虑阀控质量问题时, 还必须充分考虑充电装置的安全性, 如果不是对蓄电池进行了过充电, 电池内部压力也不会有爆炸的可能。

2改进的方法

2.1 改变蓄电池的充电方式

将串联充电改为独立充电方式。可以说, 阀控铅酸蓄电池对浮充电压的要求较为严格, 如果不满足使用条件, 会带来非常严重的后果。独立充电会使单体蓄电池拥有相对独立的蓄电池数字化管理模块, 对于单体蓄电池浮充电压能够精确到0.001 V, 而对于充电曲线则可以结合厂家的具体要求来设置, 这样一来, 减少了对蓄电池过充与欠充现象的出现, 从而延长蓄电池使用时间。

2.2 每一蓄电池都要有备用通路

对于传统电力直流控制电源来说, 必须使100多个蓄电池都完好, 每一个蓄电池都不能出现问题, 不然会带来很严重的事故。这主要是因为传统蓄电池组由于是单回路串联的形式, 并没有设置备用通路, 如果一个单体蓄电池出现问题, 那么整组蓄电池都不能正常工作。如果设置备用通路, 那么一旦出现故障, 就会立即自动切换到旁路, 对于出现问题的蓄电池组会立即退出, 从而不会影响整个蓄电池的正常使用。

2.3 可以随时更换蓄电池

对于传统电力直流控制电源来说, 因受充电方式的影响, 应该使每一组蓄电池的容量要相互匹配, 禁止新、旧蓄电池的混合使用, 同时也不能只更换单个蓄电池, 如果需要更换蓄电池, 那么必须要整组更换, 这样一来, 其维护成本大大增加。而对于独立充电方式来说, 不仅有单独的数字化管理模块, 而且蓄电池相互间不会受到任何影响, 不需要内阻与容量相互匹配, 可以使新、旧蓄电池混合使用, 从而大大降低了维护成本。

3改进后的问题探讨及建议

3.1 是否会影响转换效率

针对开关电源来说, 在次级上要有一个整流输出环节。对于整流电路元件来说, 主要使用的是二极管, 它的导通压降偏高, 而超快恢复二极管电压可达到1.0～1.2 V, 尽管使用肖特基二极管, 其压降电压也在0.6 V左右。此压降都是损耗, 如果使用通态阻值极低的功率MOSFET就可以有效解决压降问题, 可以大大降低其电压损耗, 这种情况是非常可靠的。

3.2 模块的抗故障性能是否会降低

蓄电池管理模块在和外部电源连接时一旦造成短路, 管理模块即会出现发热或者烧毁的现象, 引起严重的事故。在蓄电池管理模块外部长时间短路的情况下, 短路时的模块温度不能高于正常的工作温度;当短路故障排除后, 管理模块自动恢复正常工作, 不需要人工进行重启。

3.3 旁路功能是否可靠

蓄电池管理模块为蓄电池准备了备用通路, 当某只蓄电池出现问题失去容量时, 管理模块自动将该蓄电池旁路, 保障其他蓄电池的正常工作。备用通路的过流能力很强, 20 A管理模块允许通过160 A的旁路电流, 40 A模块允许通过320 A的旁路电流, 满足电磁操作机构可能需要的短时大电流。

4实践分析

通过上述改进, 对电力系统自动化设备进行了测试, 所有数据都是合格的。降低了噪声, 提高了模块效率, 限流限压性能与供电性、监控功能都运行正常。另外, 蓄电池的活性与绝缘性都符合标准要求。

5结语

总体来说, 笔者对传统直流控制电源所提出的改进意见, 经过实践测得数据都是合格的, 并且拥有多种保护功能, 能够达到最初预期目标。有效地解决了存在的诸多缺陷问题, 延长了直流控制电源的使用寿命。

参考文献

[1]张建领, 马红霞, 李绍强.电力直流控制电源的缺陷及改进[J].科技传播, 2011 (24) :119-120.

[2]张富刚, 张洪涛, 刘海东, 等.电力直流控制电源的缺陷分析及改进实践[J].电力自动化设备, 2011 (3) :142-146.

[3]刘晓明, 慈文斌, 刘玉田.直流控制方式对受端电网电压稳定性影响[J].电力自动化设备, 2011 (4) :69-73.

[4]耿贝贝, 黄维.天广直流控制保护改造前后极控系统冗余与切换原理对比[J].广东科技, 2010 (24) :149-151.

[5]陈修宇, 韩民晓, 刘崇茹.直流控制方式对多馈入交直流系统电压相互作用的影响[J].电力系统自动化, 2012 (2) :58-63.

改进直流法第7篇

低负荷无功优化功能 (Low Load Reactive Power Opti-mization, 以下简称LLRPO功能) , 是直流输电系统在低负荷运行时, 优化换流站与系统交换无功的一种控制策略[1,2]。贵广II回直流投入LLRPO功能后, 有效减少了直流向交流系统注入的过剩无功功率, 改善了系统电压水平, 丰富了电压调控手段。但是, 通过实际运行发现, 贵广II回直流LLRPO功能还存在影响直流系统稳定的若干问题。本文对这些问题进行研究, 并分析产生这些问题的原因。

1 LLRPO功能概述

1.1 LLRPO功能动作流程

如图1所示, 贵广II回直流的LLRPO功能基于设定的Udc=f (Pdc) 曲线, 根据运行中的直流功率Pdc, 输出相应的直流电压参考值Udc[3]; 此外, 也可直接设定直流电压参考值Uref11。Udc和Uref11两者取大后的电压值, 与正常电压参考值Uref12相比后取小, 输出最终的电压参考值Uref。

1.2 LLRPO功能限制因素

LLRPO功能的限制因素有:直流系统控制级别为系统级;无功控制为自动控制模式;换流变分接头为自动控制模式;流变分接头为角度控制模式;换流变分接头无故障;换流变分接头无失步;站间通信正常。当这些条件不满足时, LLRPO功能会自动退出[4]。

2 LLRPO功能与直流电压控制逻辑配合的问题

2.1 直流电压参考值及斜率产生

根据系统不同功能的需要, 贵广II回直流设计了快速调整 (Fast Uref-Ramp) 和慢速调整 (Slow Uref-Ramp) 两种不同的电压调整模式[5]。

直流电压调整速率由2个斜率发生器 (Ramp Function Generator) 产生。如图2所示, Uref为输入的电压参考值, T为从当前值调整到Uref所需要的时间。直流输电系统降压运行和LLRPO功能投入的参考值, 通过Slow Uref-Ramp产生, 而直流解闭锁的直流电压参考值控制则由Fast Uref-Ramp完成。最终Fast Uref-Ramp和SlowUref-Ramp产生的直流电压参考值取最小值输出。在直流开路试验 (OLT) 下, 时间常数T调整为25kV/min, 最终取SlowUref-Ramp产生的较小的直流电压参考值输出。

Slow Uref-Ramp的置位因素有:极控发直流线路故障信号、直流系统运行在OLT方式、极控检测到2 个系统的直流电压参考值存在偏差。当直流系统闭锁时, 会将Fast Uref-Ramp置位为2%。

2.2 直流系统解锁后直流电压上升缓慢的问题

投入LLRPO功能后, 贵广II回直流在直流系统解锁过程中多次出现直流电压上升缓慢的现象。

在双极闭锁的情况下对双极进行同时解锁, 解锁后直流电压为338kV (设定的LLRPO电压最低值) 。在一极闭锁和另外一极运行的情况下, 当直流功率满足LLPRO功能触发条件 (单极直流功率小于450MW) 时, 对闭锁极进行解锁, 解锁极直流电压从338kV缓慢上升至LLPRO功能直流电压参考值;当直流功率不满足LLPRO功能触发条件 (单极直流功率不小于450MW) 时, 对闭锁极进行解锁, 解锁后发LLPRO功能激活信号, 直流电压缓慢上升, 经过大约10min解锁极电压才能上升至正常的直流电压参考值。

2.3 原因分析

直流系统闭锁时, 极控系统通过将Fast Uref-Ramp置位, 产生闭锁时的直流电压参考值。同时, 由于闭锁时的系统条件不满足于任意一种LLRPO功能限制因素, 因此Slow Uref-Ramp一直输出LLRPO功能的直流电压参考值, 即设定的最小值338kV。由于Fast Uref-Ramp的参考值很小, 因此Uref-Ramp在闭锁期间一直输出Fast Uref-Ramp产生的直流电压参考值。解锁后, Fast Uref-Ramp的置位信号消失, Fast Uref-Ramp的参考值恢复至500kV, 此时的直流电压参考值由Slow Uref-Ramp产生。直流电压由338kV上升至当前功率对应的LLRPO功能的参考值。由于Slow Uref-Ramp设置的变化率较小, 仅为25kV/min, 使得直流系统解锁后直流电压上升缓慢。

3 LLRPO功能误发/频发激活信号的问题

3.1 LLRPO功能激活信号逻辑

图3 为LLRPO功能激活信号的逻辑。通过一个LVM2F功能块判断LLRPO功能是否激活, M为实际直流电压, X为直流电压参考值。无功优化激活应同时满足:极在解锁状态;LLRPO功能投入 (enable) 且没有配置为OLT运行方式;低负荷无功优化电压参考值的斜率发生器产生的电压参考值相比运行人员或线路故障重启设定的电压值 (100%、80%、70%) 小0.5%。此外, 当站间通信故障时, LLRPO功能激活信号会自动退出[6]。

3.2 LLRPO功能激活信号误发的问题

通过运行分析发现, 贵广II回直流投入LLRPO功能后, 在将直流系统从降压运行模式切换至全压运行模式过程中, 即使直流功率控制不满足LLRPO功能的激活条件, 控制系统也会误发LLRPO功能激活的信号。当工作站发出降压运行 (以400kV为例) 操作至500kV全压运行后, 图3中的M输入为500kV, X从400kV开始以一定的斜率缓慢上升至500kV, 在此期间第三个条件得到满足, 因此发LLRPO功能激活的信号。

3.3 LLRPO功能激活信号频发的问题

在双极直流功率为890MW时, 工作站会频发LLRPO功能激活和复归信号。通过LLRPO功能Udc=f (Pdc) 曲线图, 计算得到99.5%实际直流电压 (497.5kV) 对应的单极直流功率为445~446MW, 相当于双极运行的直流功率890MW。由于直流系统正常运行时直流功率会有 ± (1~2) MW的小幅变化, 因此直流电压参考值一直在99.5%的实际直流电压附近波动。如图4所示, LVM2F模块HY输入为0, LLRPO功能激活的信号产生和复归是同一点, 因此工作站此时会频发LLRPO功能激活的信号。

4 LLRPO功能误动导致交流滤波器不可用直流限电流

4.1 问题的引出

某日, 贵广II回直流发生了一起因LLRPO功能与交流滤波器投切策略配合问题导致的直流限电流事件。宝安站和兴仁站直流线路保护动作后, 直流线路故障重启不成功, 极1闭锁。随后, 宝安站极2的3套直流保护中的接地极不平衡保护I段动作, 极2 降压至-400kV重启成功。但在恢复全压运行时, 兴仁换流站LLRPO功能激活, 引起直流功率受限, 极2直流功率由840MW自动回降至560MW[7]。

4.2 原因分析

将极2操作至-500kV全压运行状态后, 直流电压由-400kV向-500kV变化, 根据LLRPO功能激活信号误发的情况可知, 极2LLRPO功能投入, 导致LLRPO功能将被激活。目前的站控程序中, LLRPO功能激活后, 将按照表1所示的全压方式无功投切策略配置交流滤波器。

当前直流电流水平下所需交流滤波器配置为1A+1B, 因此兴仁站直流站控依次切除3组交流滤波器, 从而导致兴仁站极2极控2次发 “交流滤波器不满足限制直流电流”。

由于极2的LLRPO功能退出, 因此随后站控重新投入1组交流滤波器, 此时兴仁站交流滤波器总数为2A+1B。根据表2 可知, 极2 直流电流被限制在35% (1 350A) , 直流功率由840MW降至560MW。

5 存在的问题及改进措施

5.1 存在的问题

(1) 直流功率是LLRPO功能真正动作的原因。贵广II回直流没有将直流功率作为LLRPO功能激活信号产生的判据, 而采用直流电压参考值与慢速直流电压斜率发生器产生值比较的方法, 且该比较逻辑未设置一个动作和返回区间, 导致在一定的特殊工况下会误发和频发激活信号。

(2) LLRPO功能的慢速直流电压斜率发生器输出不受LLRPO功能激活的信号影响, 导致极在闭锁时, 虽然LLRPO功能没有激活, 但是Slow Uref-Ramp一直输出LLRPO功能的直流电压参考值, 使得极解锁后直流电压未能快速上升至参考值。

(3) LLRPO功能与交流滤波器无功投切策略表配合存在问题, LLRPO功能非正常激活时可能引起交流滤波器不可用直流限电流。

5.2 改进措施

(1) 完善兴安直流LLRPO功能的使能逻辑, 将直流功率作为LLRPO功能的使能因素之一, 在直流功率不满足LLRPO功能激活条件时, 排除LLRPO功能对Slow Uref-Ramp的持续影响。

(2) LVM2F模块增加一个动作范围的区间, 使得直流功率在临界值时不会导致LLRPO功能频发。