PhotoMOS对于智能变电站继电保护动作时间的优化研

摘要：智能变电站较常规变电站在继电保护动作时间上却处于劣势。智能站的继电保护整组动作中，智能终端需要将GOOSE报文包含的跳闸命令转换后驱动实际的继电器动作，这是造成智能站保护动作延长的因素之一。在智能终端的硬件设计中，使用PhotoMOS代替电控制继电器可以缩短智能站保护整组动作时间。关键词：PhotoMOS；智能变电站；继电保护；动作时间引言智能变电站是智能电网的重要节点之一，智能站具有信息数字化、功能互动化、结构紧凑化、状态可视化等特征[1，2]。但是与常规站相比，智能站继电保护增加了一些信息处理环节，导致继电保护“速动性”这一关键指标有所降低，这对电网的稳定运行带来较大风险。1继电保护动作时间分析常规站与智能站继电保护动作时间T如图1所示。常规站继电保护整组动作由保护装置自身完成，主要包括电压电流采样，逻辑判断和动作出口三个环节。在智能站中，保护整组动作由合并单元、智能保护装置、智能终端三个独立装置完成，增加了报文接收、处理、输出等环节，带来了一定的延时。下面以线路保护为例，定量分析各个环节带来的延时差异：采样：常规站中，采样由保护装置自己完成，采样将电压、电流互感器的模拟量转换为处理器所需数字量，上述转换一般需时小于0.5ms。智能保护装置需要两个合并单元级联时限，其“采样时間”约为2ms，智能站比传统站该环节增加约1.5ms。逻辑判断：差异主要是在于智能站对数据的“加工”比常规站复杂。智能站保护装置在处理合并单元数据时，增加了数字滤波及同步处理环节，带来一定延时。出口：常规站线路保护出口时间仅有出口继电器的动作时间，约5ms。而智能站的保护装置发出的跳闸命令是GOOSE报文，还需要智能终端解析GOOSE报文的跳闸命令而驱动继电器动作，这个环节需时约7ms。可见智能站比常规站在动作出口环节多耗时约2ms。2整组动作时间规范要求以220kV线路保护为例，文献[2]要求，一般情况下，应设置两套全线速动保护，在旁路断路器带线路运行时，至少应保留一套全线速动保护。具有全线速动保护的线路，其主保护的整组动作时间为：对近端故障≤20ms，对远端故障≤30ms。国内科研机构对常规站和智能站整组动作时间进行试验，结论是：远端故障，常规站保护整组动作时间一般不超过25ms，均能≤30ms要求，且有约5ms的裕度。而智能站整组动作时间接近甚至超过标准要求的30ms上限；近端故障，常规站整组动作时间均能满足≤20ms，而智能站，目前所有厂家的整组动作时间均不能满足≤20ms的要求。可见，当前智能站与常规站相比，在“速动性”这一指标上逊色不少。目前对这一问题的严重性认识尚不够。改善和优化智能站的保护动作时间，对于保证电网的稳定运行，有着重要意义。3PhotoMOS的特点分析PhotoMOS是MOSFET输出光电耦合器。PhotoMOS与传统的机械型继电器最大的区别在于：PhotoMOS是一种光电耦合器件，触点不进行机械性的开闭。[3]（1）可控制微小信号和模拟信号。（2）可控制最大6A的负载电流。（3）信号传输为光控制，完全绝缘。（4）输入采用LED，不会发生反向电压。（5）输出采用MOSFET，无弹跳，开闭时不会发生电弧和干扰现象。（6）动作时间迅速。上述特点中的前五项，使得PhotoMOS完全满足了智能站设备对硬件元件的要求。下面具体分析上述特点中的第六项，说明PhotoMOS在动作时间上的优势。在PhotoMOS输入端子中流过规定的LED电流后，直至输出为ON，测试从输入到输出之间的延时，即动作时间T结果见表1：4PhotoMOS对智能站保护动作时间的优化国内科研机构相关试验表明，各厂家智能站保护设备整组动作时间较常规站整组动作时间普遍有所延长，延长时间主要分布在5至7个ms之间，个别超出10ms。需要说明的是，上述试验中，智能站所选合并单元、保护装置、智能终端是采用同一厂商，而在实际智能站工程应用中，存在合并单元、保护装置、智能终端不属同一厂商的情况，这类工程中的延长时间还会比上述试验的结果有所增加。智能变电站中，智能终端处于动作出口环节，智能终端需要将GOOSE报文包含的跳闸命令转换后驱动实际的继电器动作。这一处理过程，是造成了智能站保护动作时间劣势的因素之一，而PhotoMOS恰好弥补智能站这一短板。当前智能终端硬件设计中，启动继电器一般采用电控制继电器，其典型的动作时间为3ms，而PhotoMOS的典型动作时间为0.03ms，仅为前者的1/10，且PhotoMOS的最大动作时间仅有0.5ms。由此可见，使用PhotoMOS代替电控制继电器，智能终端可以减少延时2.5ms以上，也即可以缩短智能站保护整组动作时间2.5ms以上。5结束语智能变电站的继电保护整组动作时间事关电网的稳定运行。智能站与常规站在“速动性”上存在一定差距，这是由于智能站在信息处理方式上与常规站存在较大差异。采用PhotoMOS可以优化智能站保护整组动作时间，缩小上述差距。优化智能站保护的整组动作时间，需要“毫秒必争”，可以通过合并单元、保护装置、智能终端一体化技术、优化保护装置的软硬件平台、创新保护原理等方法实现，这些都有待进一步的研究和实践[1，4]。参考文献[1]宋璇坤，刘开俊，沈江.新一代智能变电站研究与设计[M].中国电力出版社.[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T14285继电保护和安全自动装置技术规程[S].2006.[3]松下电器（中国）有限公司.PhotoMOSMOSFET输出光电耦合器技术手册[Z].[4]刘益青，高厚磊，魏欣，等.智能变电站中过程层和间隔层功能一体化IED的设计[J].电力系统及其自动化，2011（21）.