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[摘要] 针对变电站直流系统中电源装置的不安全因素进行分析，提出智能化数字化改造的必要性。基于IEC 61850的信息定义方法，建立特定逻辑节点的模型规范。
[关键词] 数字化变电站；直流电源；信息模型
变电站内二次系统中的各类微机保护装置、自动化装置使用的直流电源通常由站内的直流电源系统提供。直流系统是一种不接地系统，目的是确保直流系统发生一点接地时不会引发瞬时短路。直流系统只发生单点接地时，一般不会对保护装置产生直接影响，但是同时出现两个接地点后，可能形成寄生回路并对设备正常运行带来无法预计的影响，严重时可能发生继电保护误动、拒动或者直流电源的短路。
一 影响直流供电安全的两类因素
1. 直流绝缘监测装置的原理性缺陷
某变电站直流系统发出回路接地告警（负接地，告警电阻2.7K）。为了查找出具体接地点，工程人员采用便携式直流接地检测仪检查。当按照说明书接线图所示进行接入时，发生了主变重瓦斯继电器出口继电器K47瞬间误动，从而引起主变开关跳闸。
接地检测仪对外共有3个联系点；“+”端接直流系统的正极，“-” 端接直流系统的负极，还有一端是接地端。“+” “-”端既是直流系统向仪器内部提供的工作电源，又可同时向直流系统注入低频交流信号。当直流系统中有回路发生单点接地时，低频交流将通过接地点流回检测仪内部，这样接地支路中将有接地电流流过，此时用交流钳表去卡接地支路时，将感应到接地电流，微弱的接地电流通过电流钳型头采样后送到信号检测电路进行放大处理，得出接地电阻大小并告警。
由于当时直流系统是在出口继电器K47处直接接地，接地点在直流负极，负对地电压升高为地电位，所以此时正对地电压很高，约104V左右，当将仪器接入的时候在仪器内部的正电源和地之间直接加上了104V电压，在接入瞬间仪器内部短时突变充电电流经过原本用来发射低频交流信号的内部耦合电容器以及工作接地点直接加到发生接地的出口继电器上，造成继电器动作。仪器内部的限流电阻也没有起到限流的作用，使得接入绝缘检测仪器时产生如下放电通路，如图1所示：
由此可见，现有采用低频交流注入方式查找直流接地故障，耦合电容器的接入方式和限制电容器的充电电流非常重要，如果限流值无法确保极端条件下可能使目前最小功率的出口继电器动作，那么发生继电器误动的可能性是存在的。
2.UPS不间断电源装置的原理性缺陷
为防备站用电故障和全站设备停电，需要能够提供连续可靠电源供应的不间断电源装置──UPS。当站用电提供的交流不正常或发生中断故障时，它仍能向负载提供符合正常工作要求的交流电源。之所以将UPS划为同直流系统有关的，可能引发失电故障的设备，因为它有一种工作模式是直流供电，从其他工作模式切换到直流供电模式的过程中，UPS装置的物理特性可能造成短暂失电。由于电力专用UPS是专供变电站内自动化设备的电源，变电站内各种信息量都要通过自动化系统与调度中心互连，失电事故必然严重危害自动化信息系统的可靠运行，造成重要信息中断的后果。
先简要介绍一下UPS的工作模式和结构，UPS具有四种工作模式：
（1） 交流工作模式：在交流输入正常时，输出的交流由输入交流电源直接提供，逆变器处于跟踪待机状态，消耗极小的功率使逆变器处于随时可切入工作状态。
（2） 直流供电模式：当交流输入异常时，系统自动的切换到逆变器输出的交流供电工作模式，蓄电池直流电源通过逆变器输出交流电向负载供电。
（3） 旁路工作模式：旁路工作方式是在本设备发生故障时自动切换静态电子开关将负载通过电子旁路切换到旁路交流，旁路交流电源继续对负载供电，保证负载不失电。
（4） 维修工作模式：在UPS逆变部件故障需退出UPS模块进行检修或维护时，可以通过合上手动维护旁路开关，将负载转向维修旁路交流直接供电，从而可以停电退出UPS模块对其进行检修或维护而又不中断对负荷的连续供电。
如图2所示，电力专用UPS工作模式切换时可能失电的过程分析如下：
正常工作时主、从机均有交流输入和直流电源输入，逆变器处于工作状态。主机的交流输入（AC1）经QF2开关、EMI电源滤波、隔离变压器、整流器后变成直流，其直流电压（160V）要远远高出直流系统输入的直流电压（110V）。因为直流输入经EMI滤波后由一个单向二极管进行隔离，使得UPS内部整流直流电压无法倒灌到直流系统。交流电源经过整流器后變为直流输出，再经逆变器变为交流后输出到隔离变、电子开关、EMI、QF5，最终输出到设备的电源馈线开关。
当AC1交流掉电时160V直流消失，直流系统的110V蓄电池电源继续供电，保证逆变器继续输入直流而不失电，所以UPS1能够输出连续的交流正弦波。当然，在交流失电时逆变器工作的直流电压有一个下跌（160V下降到110V），但逆变器工作的直流输入电压范围很宽对交流输出电压没有一点影响，也就是通常所说的0mS切换时间。
为了实现交流失电后到直流供电的0ms切换时间，装置采用如图3所示的结构。根据前面所述，在线式UPS通过二极管进行单向隔离，确保UPS内部直流电源不会串入直流电源系统。
图3中的D1就是起到隔离作用的二极管， 因为UPS内部电压高出直流电源电压，所以此二极管正常情况下处于反偏截止状态（不导通），逆变SPWM部件的工作电源来自输入的交流。只有在交流断电的情况下直流电源系统才可经D1对逆变供电，电源切换的时间几乎瞬时。这个结构虽然看似简易可靠，但是如果隔离二极管损坏的话，逆变内部的直流电源将倒入直流系统，影响直流系统的安全运行。此外无缝切换时间的实现全部依靠D1隔离二极管，如果出现损坏将无法提供逆变器工作所需要的直流电源。
UPS逆变部件（SPWM）内部还不能发生接地故障，UPS内部尤其是内桥的接地会导致对直流电源系统的干扰。图3中虚线左面是直流系统等效电路；R+、R-、C+ C-分别是直流系统对地电阻和对地电容，RL为直流系统除UPS负载外的所有直流负载的等效电阻。虚线右边是电力UPS的SPWM功率逆变部件，T1～T4 为大功率开关器件（IGBT），正常工作期间T1、T4、T2、T3轮流导通，变压器B的初级产生工频交流后经次级隔离变换输出，图中R为交流负载等效电阻。C’和R’为开关阻容吸收电路。D2、C组成SPWM直流工作电源的整流滤波电路。 假设220V直流系统中，UPS内部正极接地会在直流电源母线的正极产生一个瞬间的干扰毛刺，原因是UPS内部300V直流电压的正极对地接地瞬间，C+电容上储存的电能通过隔离二极管、接地点构成回路进行放电，二极管瞬间导通，从而使得300V高电压串入220V直流系统造成对直流系统电源的干扰。
如果UPS内桥A或B端接地发生时，由于UPS工作时T1（T3）和T2（T4）交替导通造成A点（或B点）端交替正接地和负接地。由于对地电容的存在，以A端接地为例，当T1导通时有如下暂态过程：电容C+通过D1与A端接地点构成放电回路，二极管导通后将300V电压串入直流系统。同时电容C-接入300V电源正极，300V电压对C-进行充电。当T2导通时有如下暂态过程：C-正极通过A端接地点经T2与C-负极形成放电回路， C+负极通过A端接地点、T2与220V负极相连，220V电压对C+进行充电。
根据以上分析可见，一旦UPS内部直流接地或者逆变器内桥发生接地，直流系统中的分布电容足以通过接地点对隔离二极管放电，使得UPS内部的直流高电压叠加到电压相对低的直流系统中，形成持续的干扰电压。
二 基于IEC 61850协议的改造方案
IEC 61850标准建立了三类信息服务模型：MMS（制造报文规范）、GOOSE（通用面向变电站事件对象）、SV（采样值）。直流系统中实时的母线电压、直流负载电流、正负对地电压电阻、充电机输出纹波系数等采样数据，可采用网络化的数据传输，将绝缘检测范围辐射到所有采用直流电源的装置附近，量测模拟量在合并单元处就地转化为数字量，经过SV通信机制传送采样值报文给站控层或者间隔层的IED装置。站控层监控主机可采用MMS通信机制远程发送工作模式切换的命令，具备UPS装置功能的间隔层IED接收到MMS报文后自动切换输入电源从而取代原有的人工操作，间隔层装置可将UPS当前工作模式、异常告警等信息通过MMS报文返回到站控层。由于IEC 61850信息定义的标准化，UPS以及其他直流电源装置的数据上传不需要通讯规约的转化，可直接上传给站控层或者在间隔层内设备间对等传送。对于UPS装置交直流电源切换回路的原理性缺陷，可以采用GOOSE通信机制发送电源失电后后备电源快速投入的开关量报文，模式切换的驱动逻辑不再由电气回路实现而是改为装置内的程序判断，从而克服装置内部接地或者隔离二极管故障后的不利影响。
如表1所示，可根据实际工况设计代表绝缘检测功能的逻辑节点类，包含的数据类中保存变电站内各个装置正负直流电压、电流或者阻值的采样数据。采用直流电源的装置按用途大致可分为保护、自动化、通信、站用电四类，可以分别映射到该逻辑节点类的四个不同实例中。
三.总结
IEC 61850标准是智能化变电站所采用的关键技术，采用该协议的数字化装置已经取得了广泛的應用。直流电源系统中各类装置也应当完成必要的数字化改造，并通过数字通信网络传送控制命令、采样数据等信息。借助于合理的设计和技术的革新，完全可以克服传统装置的原理性缺陷，消除设备运行中的不稳定因素。
参考文献
[1] 丁希亮，李建祥，孟祥军，巩方彬. IEC 61850在数字化变电站直流电源系统中的应用 [J]. 电力系统保护与控制， 2010，38（23）： 147-151.
[2] 黄益庄编著. 智能变电站自动化系统原理与应用技术 [M]. 北京：中国电力出版社，2012.3
作者简介：张喆1983年1月 男 安徽 现于上海交通大学电子与通信工程专业学习 硕士研究生学历 研究方向 电子通信
收期刊地址： 上海市松江区伴亭路888弄22号501室。 张喆 13482836786 邮编 201615
[关键词] 数字化变电站；直流电源；信息模型
变电站内二次系统中的各类微机保护装置、自动化装置使用的直流电源通常由站内的直流电源系统提供。直流系统是一种不接地系统，目的是确保直流系统发生一点接地时不会引发瞬时短路。直流系统只发生单点接地时，一般不会对保护装置产生直接影响，但是同时出现两个接地点后，可能形成寄生回路并对设备正常运行带来无法预计的影响，严重时可能发生继电保护误动、拒动或者直流电源的短路。
一 影响直流供电安全的两类因素
1. 直流绝缘监测装置的原理性缺陷
某变电站直流系统发出回路接地告警（负接地，告警电阻2.7K）。为了查找出具体接地点，工程人员采用便携式直流接地检测仪检查。当按照说明书接线图所示进行接入时，发生了主变重瓦斯继电器出口继电器K47瞬间误动，从而引起主变开关跳闸。
接地检测仪对外共有3个联系点；“+”端接直流系统的正极，“-” 端接直流系统的负极，还有一端是接地端。“+” “-”端既是直流系统向仪器内部提供的工作电源，又可同时向直流系统注入低频交流信号。当直流系统中有回路发生单点接地时，低频交流将通过接地点流回检测仪内部，这样接地支路中将有接地电流流过，此时用交流钳表去卡接地支路时，将感应到接地电流，微弱的接地电流通过电流钳型头采样后送到信号检测电路进行放大处理，得出接地电阻大小并告警。
由于当时直流系统是在出口继电器K47处直接接地，接地点在直流负极，负对地电压升高为地电位，所以此时正对地电压很高，约104V左右，当将仪器接入的时候在仪器内部的正电源和地之间直接加上了104V电压，在接入瞬间仪器内部短时突变充电电流经过原本用来发射低频交流信号的内部耦合电容器以及工作接地点直接加到发生接地的出口继电器上，造成继电器动作。仪器内部的限流电阻也没有起到限流的作用，使得接入绝缘检测仪器时产生如下放电通路，如图1所示：
由此可见，现有采用低频交流注入方式查找直流接地故障，耦合电容器的接入方式和限制电容器的充电电流非常重要，如果限流值无法确保极端条件下可能使目前最小功率的出口继电器动作，那么发生继电器误动的可能性是存在的。
2.UPS不间断电源装置的原理性缺陷
为防备站用电故障和全站设备停电，需要能够提供连续可靠电源供应的不间断电源装置──UPS。当站用电提供的交流不正常或发生中断故障时，它仍能向负载提供符合正常工作要求的交流电源。之所以将UPS划为同直流系统有关的，可能引发失电故障的设备，因为它有一种工作模式是直流供电，从其他工作模式切换到直流供电模式的过程中，UPS装置的物理特性可能造成短暂失电。由于电力专用UPS是专供变电站内自动化设备的电源，变电站内各种信息量都要通过自动化系统与调度中心互连，失电事故必然严重危害自动化信息系统的可靠运行，造成重要信息中断的后果。
先简要介绍一下UPS的工作模式和结构，UPS具有四种工作模式：
（1） 交流工作模式：在交流输入正常时，输出的交流由输入交流电源直接提供，逆变器处于跟踪待机状态，消耗极小的功率使逆变器处于随时可切入工作状态。
（2） 直流供电模式：当交流输入异常时，系统自动的切换到逆变器输出的交流供电工作模式，蓄电池直流电源通过逆变器输出交流电向负载供电。
（3） 旁路工作模式：旁路工作方式是在本设备发生故障时自动切换静态电子开关将负载通过电子旁路切换到旁路交流，旁路交流电源继续对负载供电，保证负载不失电。
（4） 维修工作模式：在UPS逆变部件故障需退出UPS模块进行检修或维护时，可以通过合上手动维护旁路开关，将负载转向维修旁路交流直接供电，从而可以停电退出UPS模块对其进行检修或维护而又不中断对负荷的连续供电。
如图2所示，电力专用UPS工作模式切换时可能失电的过程分析如下：
正常工作时主、从机均有交流输入和直流电源输入，逆变器处于工作状态。主机的交流输入（AC1）经QF2开关、EMI电源滤波、隔离变压器、整流器后变成直流，其直流电压（160V）要远远高出直流系统输入的直流电压（110V）。因为直流输入经EMI滤波后由一个单向二极管进行隔离，使得UPS内部整流直流电压无法倒灌到直流系统。交流电源经过整流器后變为直流输出，再经逆变器变为交流后输出到隔离变、电子开关、EMI、QF5，最终输出到设备的电源馈线开关。
当AC1交流掉电时160V直流消失，直流系统的110V蓄电池电源继续供电，保证逆变器继续输入直流而不失电，所以UPS1能够输出连续的交流正弦波。当然，在交流失电时逆变器工作的直流电压有一个下跌（160V下降到110V），但逆变器工作的直流输入电压范围很宽对交流输出电压没有一点影响，也就是通常所说的0mS切换时间。
为了实现交流失电后到直流供电的0ms切换时间，装置采用如图3所示的结构。根据前面所述，在线式UPS通过二极管进行单向隔离，确保UPS内部直流电源不会串入直流电源系统。
图3中的D1就是起到隔离作用的二极管， 因为UPS内部电压高出直流电源电压，所以此二极管正常情况下处于反偏截止状态（不导通），逆变SPWM部件的工作电源来自输入的交流。只有在交流断电的情况下直流电源系统才可经D1对逆变供电，电源切换的时间几乎瞬时。这个结构虽然看似简易可靠，但是如果隔离二极管损坏的话，逆变内部的直流电源将倒入直流系统，影响直流系统的安全运行。此外无缝切换时间的实现全部依靠D1隔离二极管，如果出现损坏将无法提供逆变器工作所需要的直流电源。
UPS逆变部件（SPWM）内部还不能发生接地故障，UPS内部尤其是内桥的接地会导致对直流电源系统的干扰。图3中虚线左面是直流系统等效电路；R+、R-、C+ C-分别是直流系统对地电阻和对地电容，RL为直流系统除UPS负载外的所有直流负载的等效电阻。虚线右边是电力UPS的SPWM功率逆变部件，T1～T4 为大功率开关器件（IGBT），正常工作期间T1、T4、T2、T3轮流导通，变压器B的初级产生工频交流后经次级隔离变换输出，图中R为交流负载等效电阻。C’和R’为开关阻容吸收电路。D2、C组成SPWM直流工作电源的整流滤波电路。 假设220V直流系统中，UPS内部正极接地会在直流电源母线的正极产生一个瞬间的干扰毛刺，原因是UPS内部300V直流电压的正极对地接地瞬间，C+电容上储存的电能通过隔离二极管、接地点构成回路进行放电，二极管瞬间导通，从而使得300V高电压串入220V直流系统造成对直流系统电源的干扰。
如果UPS内桥A或B端接地发生时，由于UPS工作时T1（T3）和T2（T4）交替导通造成A点（或B点）端交替正接地和负接地。由于对地电容的存在，以A端接地为例，当T1导通时有如下暂态过程：电容C+通过D1与A端接地点构成放电回路，二极管导通后将300V电压串入直流系统。同时电容C-接入300V电源正极，300V电压对C-进行充电。当T2导通时有如下暂态过程：C-正极通过A端接地点经T2与C-负极形成放电回路， C+负极通过A端接地点、T2与220V负极相连，220V电压对C+进行充电。
根据以上分析可见，一旦UPS内部直流接地或者逆变器内桥发生接地，直流系统中的分布电容足以通过接地点对隔离二极管放电，使得UPS内部的直流高电压叠加到电压相对低的直流系统中，形成持续的干扰电压。
二 基于IEC 61850协议的改造方案
IEC 61850标准建立了三类信息服务模型：MMS（制造报文规范）、GOOSE（通用面向变电站事件对象）、SV（采样值）。直流系统中实时的母线电压、直流负载电流、正负对地电压电阻、充电机输出纹波系数等采样数据，可采用网络化的数据传输，将绝缘检测范围辐射到所有采用直流电源的装置附近，量测模拟量在合并单元处就地转化为数字量，经过SV通信机制传送采样值报文给站控层或者间隔层的IED装置。站控层监控主机可采用MMS通信机制远程发送工作模式切换的命令，具备UPS装置功能的间隔层IED接收到MMS报文后自动切换输入电源从而取代原有的人工操作，间隔层装置可将UPS当前工作模式、异常告警等信息通过MMS报文返回到站控层。由于IEC 61850信息定义的标准化，UPS以及其他直流电源装置的数据上传不需要通讯规约的转化，可直接上传给站控层或者在间隔层内设备间对等传送。对于UPS装置交直流电源切换回路的原理性缺陷，可以采用GOOSE通信机制发送电源失电后后备电源快速投入的开关量报文，模式切换的驱动逻辑不再由电气回路实现而是改为装置内的程序判断，从而克服装置内部接地或者隔离二极管故障后的不利影响。
如表1所示，可根据实际工况设计代表绝缘检测功能的逻辑节点类，包含的数据类中保存变电站内各个装置正负直流电压、电流或者阻值的采样数据。采用直流电源的装置按用途大致可分为保护、自动化、通信、站用电四类，可以分别映射到该逻辑节点类的四个不同实例中。
三.总结
IEC 61850标准是智能化变电站所采用的关键技术，采用该协议的数字化装置已经取得了广泛的應用。直流电源系统中各类装置也应当完成必要的数字化改造，并通过数字通信网络传送控制命令、采样数据等信息。借助于合理的设计和技术的革新，完全可以克服传统装置的原理性缺陷，消除设备运行中的不稳定因素。
参考文献
[1] 丁希亮，李建祥，孟祥军，巩方彬. IEC 61850在数字化变电站直流电源系统中的应用 [J]. 电力系统保护与控制， 2010，38（23）： 147-151.
[2] 黄益庄编著. 智能变电站自动化系统原理与应用技术 [M]. 北京：中国电力出版社，2012.3
作者简介：张喆1983年1月 男 安徽 现于上海交通大学电子与通信工程专业学习 硕士研究生学历 研究方向 电子通信
收期刊地址： 上海市松江区伴亭路888弄22号501室。 张喆 13482836786 邮编 201615