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变电站的直流电源是全站作为控制、信号、继电保护的操作电源，也是重要设备的保安电源及事故照明电源。监视和维护直流设备的完好性对变电站以及整个电力系统的安全可靠运行至关重要。直流系统的可靠是保障变电站安全运行的决定性条件之一。当直流系统发生短路故障时，上下级空开有时会产生越级跳闸，扩大停电范围；当线路发生接地故障时，接地线路判别不准，也会使正常线路受到影响。另外寄生回路或不同支路间爬电故障、高压断路器动作异常等故障也是存在的隐患。目前国内变电站普遍存在的这些问题，还没有较好的解决方法。直流监测与保护需要通过两种不能互联的装置实现：监测采用直流绝缘监察装置，保护采用直流断路器。直流断路器本身不带通讯模块和智能设定模块，无法实现智能化的监控和远方操作。因此，开发一种带通讯的直流保护装置，实现直流断路器的通讯和远方控制，对直流系统进行智能化保护：对直流系统实时分级保护、多项参数在线监测、实时预警、故障定位等功能的直流智能保护装置及其后台系统组建十分重要。
一、直流智能保护装置设计原理优越性
目前国内变电站系统普遍采用直流断路器作为保护装置，直流断路器的保护特性是反时限特性：当短路达到反时限区域定值，进入速断动作区即跳闸。当系统发生短路时往往上下级空开都能够同时达到反时限动作区，达到各自的速断动作值，由于每只开关的机械性能不一样，则可能造成越级跳闸，扩大停电范围。
1.直流智能保护装置。克服现有技术缺陷，利用成熟的单片机技术、开关电源技术、霍尔直流检测技术、通讯技术，整合应用组建功能完善的直流保护系统。解决了直流保护动作值不能智能设定，不能通讯远传问题。
2.直流保护技术的发展。从最初的熔断器、到后来的断路器，都是不具备通讯功能和定值整定功能的动作设备。也就无法同时实现直流参数的监测。直流智能保护装置及直流分级控制综合监测保护系统的组建研发的成功，实现了直流系统保护监测的通讯化、智能化、集成化、网络化。
二、直流智能保护装置及系统组建技术方案介绍
目前国内都是开断直流断路器对直流进行保护。直流断路器本身不带通讯模块和智能设定模块，无法实现智能化的监控和远方操作，采用本装置和系统可以实现直流断路器的通讯和远方控制，对直流系统智能化保护。
1.功能介绍。直流智能保护装置具备直流级差保护、电压电流实时监测、接地监测及报警、寄生回路或不同支路间爬电报警、直流空开的遥控切断、高压断路器动作异常报警、通讯功能、事件记录功能。
2.各项保护功能判据设定。①级差配合：通过对每个馈线的动作电压以及动作时间进行整定，达到隔离越级跳的可能性。②接地监测报警：当直流系统中存在接地，接地电阻小于20KΩ时，装置发出报警信号，并自动定位，指出接地故障存在的支路。③寄生回路或不同支路间爬电报警：当变电站继电保护系统、中央信号系统、通讯远动系统等不同系统之间或同一系统内部不同支路之间存在寄生回路，或由于绝缘击穿等原因造成不同支路间发生爬电故障时，本系统均认为存在寄生回路并实现定位和报警功能。④直流空开遥控切断：具备通讯接口，可通过对直流断路器的直接控制，实现直流断路器的远方分断功能。特别适合无人值守站和智能变电站。⑤高压断路器动作异常报警：当控制回路、继电保护装置获自动装置向断路器发出分合闸指令，直流分断保护装置可以利用电流突变检测空能检测到分合闸脉冲，若在一定时间之内断路器没有动作，分合闸脉冲仍然存在，该装置会发出断路器动作异常报警，给继电保护动作系统的动作行为提供分析依据，也可以驱动直流断路器跳闸以避免烧损高压断路器部分的分、合闸线圈，并提醒对断路器进行检修。⑥装置及系统具有“三遥”所需的通信功能。通信协议符合国家标准。遥信：直流断路器的分、合位置远方实时监测。遥测：电流、电压、漏电电流实时显示。遥控：能够远方遥切直流开关。具有标准的通讯协议，采用多种通讯接口：RS232/RS485通讯接口、可与上位机通讯。可以轻松接入变电站综合自动化系统或者调度系统中。⑦事件记录。每路馈线保护都与保护装置内的MCU处理器进行通讯，MCU处理器对每条馈线事件进行综合分析判断、记录，为变电站设备运行提供事件分析依据。
3.直流智能保护装置结构原理图。其功能方框图如图所示。
图1. 直流智能分级保护装置结构图
①如图1示，直流智能保护装置主要包括开关电源、MCU处理器、跳闸机构、互感器、上位机和自动化后台。MCU处理器与互感器和跳闸机构连接，开关电源与进线连接取电并转换成低电压24V、12V、5V为MCU处理器供电，互感器和跳闸机构安装在进线上，上位机与MCU处理器连接，上位机通过串口线或以太网与设置在远端的自动化后台连接。采用热动脱扣器加新型电子跳闸机构，用电子原件构成电路。进线穿过互感器产生与进线电流成比例的缩放电压信号，互感器发送电压信号给MCU处理器将采集的实时信号与预设值进行对比、并驱动跳闸机构断开出线，同时通过互感器检测的漏电流信号对直流故障进行判断；上位机对事件进行记录，自动化后台实现远方对直流系统的分断、监控以及实时电流电压采集和故障原因及报警；进线上还安装有热动脱扣器做为后备保护。当发生直流故障时，靠设定的动作时限来实现定时限智能保护以防止上一级开关误动作跳闸。②MCU子系统采用美国MICROCHIP 公司MCU PIC30F6012A 单片机作为软硬件开发平台。MCU 的最小系统为整个微机保护装置的核心。依据一定的算法和逻辑判断对采集到的数据进行实时分析处理，并根据处理结果完成输出控制功能。适合实时分析、控制和操作任务，在本装置中主要实现对直流系统实时电压、电流等参数的测量，数据超过整定值时，发出动作信号，单片机将此动作信号默认为中断信号，结合指定的过流或漏电流预设数据进行判据，完成保护功能。③电源模块。为使硬件结构简练紧凑，本装置采用模块电源，输入电压220V（直流），输出电压为 24V、 12V、 5V。电源模块内置设备之中，无需另外增加电源。 5V供MCU处理器工作，24V驱动跳闸机构工作，12V供设备显示报警等。
4.直流分级控制综合监测保护系统组网结构示意图 。直流智能分级保护装置控制部分与直流系统之间没有直接的电气连接，对直流不注入外加信号，各单元相对独立，对直流系统的每一级和每条线路进行实时检测，并对电流电压、直流接地、直流寄生回路等进行在线监测，数据传输至后台数据接收管理机，可根据供电公司需要传输至各级管理中心。
三、结语
直流智能保护装置替代常规直流断路器，对直流回路具有过电流保护作用，具有电流实时监测、报警及通信功能，可自由设定动作电流和时间。防止上一级开关误动作现象的发生，解决直流保护不能远传通讯的问题。在结构上便于安装，从根本上解决了变电站直流系统的安全问题。有效的简化了直流系统接线繁杂、故障检修困难、功能模块分散等问题，将直流故障监测模块，直流CT，电流电压检测等集成为一体。而通过其分级组建的直流分级控制综合监测保护系统，综合考虑了目前直流系统保护领域中的各种应用情况与需求，结合单片机技术、霍尔直流技术、开关电源技术、通信技术，组建功能强大、操作简便、安全可靠、高性价比的实时综合保护系统，将设备运行状态信息远程传送。系统综合功能集中、节约硬件投资。从而实现对直流系统的综合保护和高效管理。
（作者单位：陕西省电力公司宝鸡供电公司）
一、直流智能保护装置设计原理优越性
目前国内变电站系统普遍采用直流断路器作为保护装置，直流断路器的保护特性是反时限特性：当短路达到反时限区域定值，进入速断动作区即跳闸。当系统发生短路时往往上下级空开都能够同时达到反时限动作区，达到各自的速断动作值，由于每只开关的机械性能不一样，则可能造成越级跳闸，扩大停电范围。
1.直流智能保护装置。克服现有技术缺陷，利用成熟的单片机技术、开关电源技术、霍尔直流检测技术、通讯技术，整合应用组建功能完善的直流保护系统。解决了直流保护动作值不能智能设定，不能通讯远传问题。
2.直流保护技术的发展。从最初的熔断器、到后来的断路器，都是不具备通讯功能和定值整定功能的动作设备。也就无法同时实现直流参数的监测。直流智能保护装置及直流分级控制综合监测保护系统的组建研发的成功，实现了直流系统保护监测的通讯化、智能化、集成化、网络化。
二、直流智能保护装置及系统组建技术方案介绍
目前国内都是开断直流断路器对直流进行保护。直流断路器本身不带通讯模块和智能设定模块，无法实现智能化的监控和远方操作，采用本装置和系统可以实现直流断路器的通讯和远方控制，对直流系统智能化保护。
1.功能介绍。直流智能保护装置具备直流级差保护、电压电流实时监测、接地监测及报警、寄生回路或不同支路间爬电报警、直流空开的遥控切断、高压断路器动作异常报警、通讯功能、事件记录功能。
2.各项保护功能判据设定。①级差配合：通过对每个馈线的动作电压以及动作时间进行整定，达到隔离越级跳的可能性。②接地监测报警：当直流系统中存在接地，接地电阻小于20KΩ时，装置发出报警信号，并自动定位，指出接地故障存在的支路。③寄生回路或不同支路间爬电报警：当变电站继电保护系统、中央信号系统、通讯远动系统等不同系统之间或同一系统内部不同支路之间存在寄生回路，或由于绝缘击穿等原因造成不同支路间发生爬电故障时，本系统均认为存在寄生回路并实现定位和报警功能。④直流空开遥控切断：具备通讯接口，可通过对直流断路器的直接控制，实现直流断路器的远方分断功能。特别适合无人值守站和智能变电站。⑤高压断路器动作异常报警：当控制回路、继电保护装置获自动装置向断路器发出分合闸指令，直流分断保护装置可以利用电流突变检测空能检测到分合闸脉冲，若在一定时间之内断路器没有动作，分合闸脉冲仍然存在，该装置会发出断路器动作异常报警，给继电保护动作系统的动作行为提供分析依据，也可以驱动直流断路器跳闸以避免烧损高压断路器部分的分、合闸线圈，并提醒对断路器进行检修。⑥装置及系统具有“三遥”所需的通信功能。通信协议符合国家标准。遥信：直流断路器的分、合位置远方实时监测。遥测：电流、电压、漏电电流实时显示。遥控：能够远方遥切直流开关。具有标准的通讯协议，采用多种通讯接口：RS232/RS485通讯接口、可与上位机通讯。可以轻松接入变电站综合自动化系统或者调度系统中。⑦事件记录。每路馈线保护都与保护装置内的MCU处理器进行通讯，MCU处理器对每条馈线事件进行综合分析判断、记录，为变电站设备运行提供事件分析依据。
3.直流智能保护装置结构原理图。其功能方框图如图所示。
图1. 直流智能分级保护装置结构图
①如图1示，直流智能保护装置主要包括开关电源、MCU处理器、跳闸机构、互感器、上位机和自动化后台。MCU处理器与互感器和跳闸机构连接，开关电源与进线连接取电并转换成低电压24V、12V、5V为MCU处理器供电，互感器和跳闸机构安装在进线上，上位机与MCU处理器连接，上位机通过串口线或以太网与设置在远端的自动化后台连接。采用热动脱扣器加新型电子跳闸机构，用电子原件构成电路。进线穿过互感器产生与进线电流成比例的缩放电压信号，互感器发送电压信号给MCU处理器将采集的实时信号与预设值进行对比、并驱动跳闸机构断开出线，同时通过互感器检测的漏电流信号对直流故障进行判断；上位机对事件进行记录，自动化后台实现远方对直流系统的分断、监控以及实时电流电压采集和故障原因及报警；进线上还安装有热动脱扣器做为后备保护。当发生直流故障时，靠设定的动作时限来实现定时限智能保护以防止上一级开关误动作跳闸。②MCU子系统采用美国MICROCHIP 公司MCU PIC30F6012A 单片机作为软硬件开发平台。MCU 的最小系统为整个微机保护装置的核心。依据一定的算法和逻辑判断对采集到的数据进行实时分析处理，并根据处理结果完成输出控制功能。适合实时分析、控制和操作任务，在本装置中主要实现对直流系统实时电压、电流等参数的测量，数据超过整定值时，发出动作信号，单片机将此动作信号默认为中断信号，结合指定的过流或漏电流预设数据进行判据，完成保护功能。③电源模块。为使硬件结构简练紧凑，本装置采用模块电源，输入电压220V（直流），输出电压为 24V、 12V、 5V。电源模块内置设备之中，无需另外增加电源。 5V供MCU处理器工作，24V驱动跳闸机构工作，12V供设备显示报警等。
4.直流分级控制综合监测保护系统组网结构示意图 。直流智能分级保护装置控制部分与直流系统之间没有直接的电气连接，对直流不注入外加信号，各单元相对独立，对直流系统的每一级和每条线路进行实时检测，并对电流电压、直流接地、直流寄生回路等进行在线监测，数据传输至后台数据接收管理机，可根据供电公司需要传输至各级管理中心。
三、结语
直流智能保护装置替代常规直流断路器，对直流回路具有过电流保护作用，具有电流实时监测、报警及通信功能，可自由设定动作电流和时间。防止上一级开关误动作现象的发生，解决直流保护不能远传通讯的问题。在结构上便于安装，从根本上解决了变电站直流系统的安全问题。有效的简化了直流系统接线繁杂、故障检修困难、功能模块分散等问题，将直流故障监测模块，直流CT，电流电压检测等集成为一体。而通过其分级组建的直流分级控制综合监测保护系统，综合考虑了目前直流系统保护领域中的各种应用情况与需求，结合单片机技术、霍尔直流技术、开关电源技术、通信技术，组建功能强大、操作简便、安全可靠、高性价比的实时综合保护系统，将设备运行状态信息远程传送。系统综合功能集中、节约硬件投资。从而实现对直流系统的综合保护和高效管理。
（作者单位：陕西省电力公司宝鸡供电公司）