摘要：作为核电厂重要主设备的发电机变压器组保护，其数字化发展是当务之急。论文首先从分析核电厂发变组保护现状入手，提出了核电厂发变组保护数字化的必要性和意义。然后，论文依次讨论了核电厂发变组保护在数字化过程中的保护配置方案和装置总体设计方案，并重点提出了光电互感器的应用、一次设备智能化、工业网络交换机的性能、合并器的同步和通道容量、对时等需要关注的问题。最后，论文指出核电厂发变组保护的数字化是必然的发展趋势。
关键词：核电厂；发变组保护；数字化
1核电厂发变组保护分析
发变组保护装置经历了电磁型、晶体管型、集成电路型及微机型，一路发展到现在。微机型保护具有实现简单、信息丰富、动作逻辑透明等其它保护无法比拟的优势，已得到广泛而成熟地应用，它是核电厂安全自动装置的重要组成部分，然而这种成熟局限于传统的二次系统结构体系和控制体系，固有的技术问题难以从根本上加以解决。
（1）传统电磁式互感器。电流互感器在大电流或非周期分量作用下，铁芯会饱和，暂态特性不易保持一致，二次回路严禁开路。电压互感器会产生铁磁谐振，二次回路严禁短路。同时互感器二次负载、断线、剩磁、测量范围和线性度给继电保护设计带来困难。
（2）二次系统接线复杂，需要大量的模拟传输电缆，信号衰耗量大。众多的二次电缆相互耦合造成电磁干扰，各种干扰源通过电缆串入二次设备，造成设备损坏或保护误动。保护装置以模拟信号接入，控制信息以开关量输入/输出，接线端子众多，需要大量的隔离变换器和开入/开出转接继电器支持，装置结构庞大、绝缘复杂，抗干扰能力减弱。加大了安装调试和维护检修的工作量，增加了缺陷查找难度。
（3）电气一次设备无智能化接口。设备的状态信息和控制信息需要通过控制电缆的硬接线方式传递，精度和可靠性较差。直流接地或交流串入直流系统易造成保护误动。虽然通过增大继电器动作功率等措施有所改善，但由于控制电缆存在，均无法从根本解决问题。
（4）护装置信息接口不规范，通讯标准不统一。从最初的RS-485，到后来的各种现场总线（CAN、LonWorks、ProfiBus等）以及现在的以太网技术，各种接口并存。所用的协议五花八门，虽然保护厂家都在向103规约靠拢，但由于103规约的局限，厂家对103协议内自定义部分用法不同，使设备间不具有“互操作性”，网络系统构建困难复杂，难以实现信息共享。
以上几个方面是保护生产厂家和用户希望从根本上加以解决的技术问题，单方面从保护装置入手是无法得到目的的，应从核电厂电气设备的整体出发，利用新技术的进步，构建全新的核电厂数字化测控体系。
2核电厂发变组保护的数字化方案设计
2.1保护配置方案
核电厂发变组保护的数字化配置，应抓住“一次设备智能化，二次设备网络化，系统模型标准化”的三个特征，使保护设备能与其它设备共享统一的信息平台，创建标准有效的通讯模型。核电机组多为百万千瓦级，发电机出口装设有断路器，可以按图1分别以发电机和变压器为单元实现主后一体的双重化保护配置[3,4]。作为间隔层的发变组保护IED（智能电子设备），须与两个网络层交换信息：
（1）通过过程层网络，从合并单元接收一次设备实时电气数据，进行分析，完成保护功能，再从过程层网络，通过智能操作箱实现对一次设备的闭环控制。
（2）通过厂站监控层网络，向厂级监控系统传递保护状态、跳闸、信号和录波等信息，并接收监控系统的操控，实现开放式信息交互。
2.2保护装置总体研制方案
硬件设计上，取消了模拟变换器插件、开入/开出插件、保护硬压板等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因受光电互感器对小信号和特殊测量的限制，需增加发电机定子、转子接地、轴电流、直流励磁回路过负荷、三次谐波等具有特殊通道保护的测量插件，增加具有网络光纤接口的智能IO插件及主CPU和监控CPU插件上的网络光纤接口，以总线板实现各智能插件间的数据线接口和电源连接，直接以光纤连接方式与过程层设备和厂级监控层通信，装置上除了电源和少量的附件端子外，也就剩下网络接口了，结构紧凑、简洁。
核电厂中发变组保护有50多种功能模块，同时又要支持IEC61850标准，因此主CPU插件需要较多的硬件资源和更高的CPU处理速度。根据当前的开发经验，可考虑采用双核CPU，主频300MHz以上，内存RAM64MB，EPROM（FLASH）8MB以上，支持100Mbps光纤以太网接口，负责接收合并器数据，实现与智能IO和监控板的通讯，并完成特殊通道的数据采集等。
智能IO插件，可采用单独CPU实现，对内接收并协调两块主CPU插件的保护功能输出，对外与智能一次设备交互GOOSE报文信息等，实现适时跳闸控制。
监控插件，采用独立CPU实现，一方面支持人机交互的大液晶显示和现场操作，另一方面实现与厂级监控层通信，对保护装置进行监视管理，并处理GOOSE报文等。
特殊通道保护的测量插件(附件板)，由交直流变换器和有源滤波回路组成，实现信号的隔离变换。
软件上，采用面向对象模块化设计技术，以嵌入式操作系统为基础，研制人机交互友好的可视化界面，创建可组态的保护功能模块，开发基于IEC61850标准建模的网络化软件结构，最终实现组态能力强、可移植性好的新型发变组保护软件系统。
2.3需关注的问题
（1）光电互感器问题
目前，光电互感器主要用于110KV及以上电压等级，成套化和系列化不全，核电厂中还没有得到广泛推广。应用于核电厂时还存在抗振动要求高、安装结构复杂、电压等级多、测量范围宽，交直流信号量特殊等方面问题需要关注。
（2）一次设备智能化问题
目前，一次设备智能化还没有完全到位，但智能操作箱已在变电站中逐渐推广使用。适用于核电厂的智能操作箱也已经在开发过程中。
（3）工业网络交换机问题
发变组保护在运行上的可靠、安全、快速、灵敏是永远的主题。核电厂中信息共享是优势，也是关键所在。从配置方案中可以看出，工业网络交换机是核电厂内电气设备信息共享和交互的枢纽，因此，网络设备的安全和可靠十分重要，需从稳定、准确、同步和实时等方面要求来构建信息交互平台。
网络交换机的数据传输的带宽、延时、误码率、网络风暴等重要指标，必须保证。
（4）合并器的同步和通道容量问题
同步是相对时钟，是两个信息采样之间的间隔时间。合并器的采样值同步可不依赖于GPS对时，由专门的、且冗余配置的同步源进行同步。
发变组保护对系统数据的实时性和同步性要求很高，同步最大间隔时间不得超过±50us(±10)。同步质量的好坏直接影响一些方向要求严格的保护性能，如差动保护、阻抗保护、方向保护、序量保护等。
（5）对时问题
对时和同步是两个不同概念。对时是绝对时钟，格式为年月日时分秒。保证SOE(SequenceOfEvent)的时间精度。精度要求不高的设备，可采用SNTP（简单网络对时），方式。间隔层和过程层设备要求保证SOE时间精确到1ms以内时，对时可采用光纤IREG-B码对时，保证对时精度，提高数据信息的交互能力。
3结论
目前的发变组保护配置是无法满足数字化要求的，新一代发变组保护的数字化在核电厂的实践和研究中必将得到进一步的深化和发展。
参考文献:
[1]杨新民,高海东,陈丰.数字化电厂概念的解析和探讨[J].热力发电,2015,44(5):98-101.
论文作者:刘浏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：核电厂论文; 设备论文; 信息论文; 插件论文; 网络论文; 互感器论文; 变换器论文; 《电力设备》2018年第24期论文;