倪苗升 陈晓彬
广东电网有限责任公司揭阳供电局
摘要：电力系统中，发电厂变电站都采用直流系统为站内继电保护装置等直流设备提供工作和动力电源，厂站内配置的两套直流系统之间容易存在环网异常，可能导致全站失去直流电源。本文从厂站论述直流系统的配置和运维要求、环网异常和后果、无法检测环网异常等现状，并创新性提出根据系统运行特征实现的在线检测方法。
关键词：直流系统；环网异常；运行特征；最优判断策略；在线检测。
一、厂站直流系统的配置和运维要求
电力系统中，发电厂变电站都采用直流系统为站内继电保护装置等直流设备提供工作和动力电源。相关规程明文要求每个变电站（发电厂）必须配置两套直流系统（#1直流系统和#2直流系统），主要由充电机、蓄电池组、直流母线、监控器、切换（联络）把手及馈线单元等部分组成。
充电机用于正常运行时实时为母线提供能量，同时对蓄电池组进行浮充，保持蓄电池组时刻储满能量备用，并在必要时对蓄电池组进行均充[1]。
正常运行时，#1充电机和#1蓄电池都与#1母线连通，#2充电机和#2蓄电池都与#2母线联通，母联把手5ZK处于断开状态，两套直流系统分列运行。
特殊情况下，当其中一组蓄电池或充电机需要退出运行时（比如检修或核容），投入联络把手5ZK，此时两套系统并列运行，并将该电池组输出把手断开，电池组隔离系统，退出运行。
二、环网异常和潜在隐患
站内两套直流系统之间禁止存在环网。即当两组蓄电池组和充电机都投入的情况下，每组蓄电池与相应的充电机、直流母线以及负荷必须独立运行，两套系统之间不能有任何联通[2]。其目的是防止其中某一套直流系统发生接地或短路时，如果两套系统存在环网，则另一套系统受牵连也瞬间接地或短路，如此将导致全站两套直流系统同时失压，导致保护误动或拒动等重大问题。
三、现有技术无法及时检测
由于直流系统负荷出线众多，遍布全站，两套直流系统之间容易发生串通而形成环网。且为保证供电，重要直流负荷都是两套系统双重配线，利用直流空开的投退来选择采用某套直流系统供电，另一套备用。一旦空开误投就形成环网。直流环网非常隐蔽，正常运行时没有任何迹象，往往都是在发生事故事件后才被发现。比如一套直流系统接地或失压导致两套同时接地或失压，或者停电检查发现寄生回路时才能发现存在环网。
目前运行中的直流系统无法实现在线检测是否存在环网。完全依赖人工操作和经验，存在效率低，速度慢，出错几率高等缺陷，缺乏有效的技术手段。假如两套系统一直处于环网运行状态，一旦某套系统故障，必将导致两套系统同时故障，严重威胁电力系统安全。迫切需要研制直流环网在线检测装置，快速有效地判断是否存在直流环网。
四、根据运行方式特征研发的在线检测方法
本文提出一种直流系统环网在线检测方法，通过采集两套直流系统的充电机输出电流：Ic1和Ic2、蓄电池组电流Ix1和Ix2、直流母线电压U1和U2，以及母联电流Im和母联把手的位置辅助接点Fm，利用“电压”、“电流”和“位置”三个特征量综合判断，可实现随时、在线对两套直流系统之间是否存在环网进行安全可靠的检测，并输出检测报告和报警信号。启动检测的方式有两种：1、母联分位时转均充、2、浮充时母联变位。
原理详述如下：
4.1母联分位时转均充（包括自动和强制转均充）
一般情况下，站内直流是两套系统分列运行，蓄电池处于浮充状态。每隔一段时间，充电机（以下以#1充电机转均充为例说明，#2均充时同理）对蓄电池自动由浮充转均充。此时，#1充电机输出电流增大，同时提高输出电压,#1母线电压随之抬升，对#1蓄电池组产生压差，形成大电流对电池组进行充电：假如#1和#2直流系统之间没有环网运行（即各自独立运行），则：（1）#1系统的转均充对#2系统无影响，即#2系统的U2、Ic2及Ix2不变；（2）#1系统的充电机电流增大量基本等于蓄电池组充电电流增大量，即ΔIc1=ΔIx1。假如#1和#2直流系统之间存在一处及以上的联通点（即环网运行），则：（1）#2母线电压瞬间抬升至与#1母线电压一致，即U1=U2.考虑环网处及负荷出线微量电阻分压，可设置门槛值Uz用于判断，即ΔU1-ΔU2<Uz，其中，Uz是电压门槛值，可整定；（2）#1系统的充电机电流增大量接近一半的量通过环网处向#2母线反送电，抬升#2母线电压的同时向#2蓄电池组均充，相当于#1充电机同时对两组蓄电池组进行均充。即#2蓄电池组电流增大，同时#2充电机输出电流减少，根据基尔霍夫电流定律，此时ΔIc1-ΔIx1=ΔIx2-ΔIc2（其中ΔIc2为负值）。考虑母线电压少量提升对负荷电流影响不大，可设置门槛值Iz用于判断，即（ΔIc1-ΔIx1）-（ΔIx2-ΔIc2）<Iz1，其中，Iz1为增量门槛值，可整定。
综上，母联分位时转均充，存在电压和电流两个条件可用于检测两套系统之间是否存在环网。任何一个条件满足均可判断存在环网。为防止直流系统中电压互感器或电流互感器故障导致无法正确采集而导致装置误判而误报环网或拒报环网，本方案结合电压和电流这两个条件的同时，再结合条件满足的持续时间，再次综合判断。即当电流和电压两个条件同时满足时，经较短持续时间T1即可出口报警，当电流和电压仅有一个条件满足时，必须经过较长的持续时间T2才出口报警。实现最优策略。
4.2浮充时母联变位
当站内其中一组蓄电池组或充电机（以下以#2蓄电池组和#2充电机为例说明，#1同理）检修或调试需要退出运行时，先投入母联把手5ZK，两套直流系统由分列运行转为并列运行，然后断开#2充电机输出把手和#2蓄电池组把手。相当于#1充电机和#1蓄电池组同时对#1和#2直流母线供电。当检修或调试工作完毕，#2充电机输出把手和#2蓄电池组投入运行后，两套系统需要恢复至分列运行时，再断开母联把手5ZK。假如#1和#2直流系统之间没有环网运行，则母联由分到合之后，母联应无流，即Im<Iz2；母联由合到分之后，负荷电流应不发生突变，即Δ（Ic1-Ix1）<Iz2,其中，Iz2为负荷电流突变门槛，可整定。假如#1和#2直流系统之间存在一处及以上的联通点，则由于母联把手相对于馈线环网的阻抗很低，当：①母联由分到合时，分列运行时联通处的环流量大部分被刚合上的母联分流，此时负荷电流将产生突变，即Im>Iz3，其中，Iz3为母联电流突变门槛，可整定；②母联由合到分时，两套系统的不平衡电流全部由联通处承担，此时负荷电流产生突变，即Δ（Ic1-Ix1）>Iz4，其中，Iz4为负荷电流突变门槛，可整定。综上，浮充时母联变位，存在负荷电流突变量可用于判断系统是否存在环网。
四、总结
本文利用直流系统运行时可自动或强制投入均充，以及运行方式变更时需投退母联把手等直流系统现有的运行特征和运维要求，开发出利用转均充瞬间和母联把手变位瞬间来判断直流系统是否存在环网的检测方式和检测装置。将现有运行方式、电压、电流以及异常持续时间四个要素有机结合，综合判断，形成最优的判断策略；准确可靠，且不需要任何人工或停电措施，实现在线检测，并发出检测正常报告或异常告警；提醒操作人员及时纠正误操作和消除环网联通处，避免全站直流失压导致继电保护越级跳闸等重大事故事件。将直流环网可能导致的两套系统同时失压的事故事件消灭于萌芽状态，有利于电力系统安全运行。
参考文献：
[1]候运红，郭亚昌，苗梅.变电站直流系统配置方案的探讨[J].山西电力，2009(06).
[2]刘新敏，郭蓥，邬奇林.一种站用直流系统异常并列检测的方法[J].机电信息，2020(23).