继电保护装置开入回路直流电压识别研究

刘 黎，肖远清，胡 炯，王世伟，楚孔纪

（1.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085；2.北京四方继保工程技术有限公司，北京 100085）

0 引 言

继电保护装置是电力系统安全可靠运行必不可少的重要设施，它需要区分电力系统或被保护设备的各种故障及不正常运行状态，包含实时采集系统电压、电流等模拟量值，也需要采集一些开关量状态作为保护的重要判断条件，如启动重合闸的硬开入、上下级线路之间的断路器触点等。基于此，开入量输入状态的准确判别尤为重要[1]。

由于上述开关量都处在高压回路中，对微机装置有很强的电磁干扰。目前我国继电保护装置及许多自动化装置的开关量输入回路大部分采用光耦实现光电隔离，对于这种类型的开入量回路，电力系统用户一般需要开入量在额定直流电源电压的55%～70%范围以内时光耦可靠动作[2,3]。实际应用中，变电站内开入量直流工作电压等级要求不同，为达到一种板卡硬件适应不同的直流电压等级的需求，现有开入量采集技术是将光耦模拟量输出信号接到微控制单元（Microcontrol Unit，MCU）的数据应用中心（Application Data Center，ADC）输入端，通过MCU进行模拟量采样，并与预先设定的动作门槛值进行比较得到其真实状态。

根据多年现场调试经验，存在现场整定的直流额定电压等级与实际站用直流电压等级不一致的情况，但限于目前开入量采集技术只能依靠软件来获取其动作门槛值，在电力系统正常运行时开入量回路电压输入为0，无法第一时间发现整定错误，从而造成系统故障后开入量误动或者拒动，给继电保护装置的正确运行带来很大的安全隐患。为及时识别整定错误，闭环由于误整定带来的风险，本文提出专门增加一路开入回路接入站用直流电源，用于校验额定电压等级。

1 开入量工作原理

为进一步说明以上问题，简单介绍保护装置内部开入量回路原理、开入量变位原理。

1.1 开入量回路原理

如图1所示，开入量回路两端接直流电压，通过限流电阻接入光电隔离回路。当外接电压增大到一定值，光耦内部发光二极管导通，MCU即可采集到光耦输出的信号U0，并根据信号值大小，判断开入量状态为0或1[4]。其中，C1、C2、C3为滤波电容。

图1 开入回路工作原理

以光耦输出电压U0为研究对象，计算公式为

式中：IF为光耦副边驱动电流；R5为接地电阻，厂内实际应用电阻值为510 Ω[5]。

式中：R1、R2、R3、R4为限流电阻，厂内实际应用电阻值均27 kΩ；UF为光耦发光二极管正向导通电压；Ui为输入开入量回路直流电压值；RCTR为光耦电流传输比。在不同输入电流时，传输比不同，可查所使用的光耦手册。

由式（1）、式（2）可得

以16位AD采样精度为例，满量程电压为3.3 V，则

由式（3）、式（4）可得

由式（3）可知，在光耦电流传输比和光耦发光二极管均为已知的情况下，光耦输出电压只取决于输入电压大小。当输入电压达到一定值后，MCU即可采集到电压信号。

由式（4）可知，MCU采集电压后仅进行了AD转换，所输出AD码值取决于MCU的采样精度和光耦输出电压值。以下所测数据均以本厂保护装置16位AD采样精度为例计算所得。

1.2 开入量变位原理

规范要求55%～70%电压范围内开入量能变位，根据开入量回路工作原理，综合判断理论值及经验值，取变位范围中间值62.5%电压值为动作门槛值，即

式中：Un为直流系统额定电压值。

以110 V额定电压为例，光耦原边电流ID计算公式为

以厂内使用TLP385-G-TB光耦为例，110 V额定电压下，施加62.5%Un外部电压，查光耦使用手册可知25 ℃下的UF=0.3 V，可忽略。原边电流ID小于1 mA时，光耦电流传输比RCTR约为60%。

将光耦电流传输比RCTR、输入直流电压代入式（3）、式（5）可得光耦输出电压U0与Uadc的采样值，理论值如表1所示。

表1 光耦输出电压信号理论值

表1中Uadc值即为软件控制的不同额定电压下的开入量动作门槛值，MCU将不同电压等级的ADC码值存储在EEPROM的不同区域。装置到现场后，整定对应变电站直流额定电压值，以此自动识别对应存储区域中的开入量动作门槛值。

电力系统正常运行时，开入量回路断路器断开，输入电压为0，模拟量采样值为0，即开入量状态为0。电力系统发生故障后，继电器闭合，开入量回路输入电压增大，MCU对光耦输出信号进行采样。并将当前电压采样值与读取到的EEPROM中动作门槛值进行比较，得到开关量的真实状态1或0，并参与保护逻辑判断。

通过以上梳理不难看出，现有继电保护装置中开入量的状态值很大程度上取决于EEPROM中的动作门槛值，整定值一旦下发错误，将会造成开入量状态的误判断。

2 开入量判断防误措施

为避免上述问题带来的隐患，硬件上增加一路开入量回路（以下简称电压校验开入），如图2所示。此回路区别于保护用的开入回路，它不经过断路器，而是直接接入站用直流系统，以保证电力系统正常运行时MCU也能采集到电压输出信号，用来进行定期电压等级自检。

图2 电压校验开入量回路接线

电力系统正常运行时，电压校验开入量回路输入电压为站用额定直流电压值，MCU对光耦输出信号进行模拟量采样。如果采样值大于220 V动作门槛值，则认定外部直流电源为220 V；如果采样值大于110 V动作门槛值，则认定外部直流电源为110 V。

将电压校验开入回路判定结果与当前继电保护装置下发的额定电压等级进行比较，如果不一致，主动告警。

软件详细判断流程如图3所示。

图3 电压校验流程

受光耦温度特性影响，ADC采样偏差较大，需要软件自动补偿。经厂内测试，不同额定电压等级的开入动作门槛值如表2所示。

表2 光耦输出电压信号实测门槛值

厂内测试，接入开入量回路不同电压时，采样值如表3所示。

表3 光耦输出电压信号实测采样值

（1）以110 V为例，当实际接入电压校验回路的电压值为110 V时，采样值为10 495。由图3可知，满足110 V分支判断条件，即不大于220 V门槛值11 625，且大于110 V门槛值4 004。此时认为外部额定直流电压为110 V。解析整定的额定电压等级，二者判断结果一致，保护装置可正常运行，否则主动告警。

（2）当无外部电源接入时，MCU采样值为0。根据流程图可知，不进入110分支、220 V分支判断条件，即认为此时电压校验开入未接入电源，不做直流电压校验，保护装置仍可正常运行。

3 结 论

以上新增加一路开入用于直流额定电压校验，造价低廉，功能易实现。对于保护装置来说，能及时识别外部开入电源电压等级，避免了由于电压等级误整定带来的开入拒动、误动等潜在的风险因素，使装置可靠性大大提高。改进后的开入插件及软件功能已经应用在南网、国网及国际化市场，尤其是为国内外变电站工程现场调试提供了很大帮助。