王学奎，张 洁，胡望雄，邱 毓，杨建荣

(1. 广东机电职业技术学院，广州 510515；2. 中广核工程有限公司调试中心，广东深圳 518124)



核电厂内半数字化继电保护对时中断问题研究

王学奎1，张 洁2，胡望雄2，邱 毓2，杨建荣2

(1. 广东机电职业技术学院，广州 510515；2. 中广核工程有限公司调试中心，广东深圳 518124)

针对台山核电厂采用的数字化继电保护运行中发生对时故障，测试各种对时故障情况下数字化继电保护装置的动作情况，总结了对时系统对数字化继电保护的主要影响；应用对时装置的修正步长、合并单元的跳变时间及GPS时钟误差之间的数学关系，分析出数字保护出现采样失步的各种可能情况；结合目前该核电厂对时系统的设计现状以及现场经常出现的保护对时告警情况，提出了解决方案，为故障的解决及后续设计改进提供了方向。

核电厂； 数字化； 继电保护； 对时系统； 共模故障

核电机组功率大，单个厂区规划机组数量较多，厂区面积大，尤其是三代堆型技术，考虑到机组的安全性能，提高了设备冗余度，设计上厂区220 kV辅助开关站布置在距离机组较远的地点。国内EPR核电机组(三代压水堆核电技术)设计，要求220 kV辅助变压器能够同时对机组的四列电气系统进行供电，一台辅助变压器只服务一台机组，其电源来自同一个220 kV开关站。变压器低压侧电流、电压互感器与220 kV站相距近2 km，为解决远距离电流、电压传输的问题，台山核电厂首次采用半数字化继电保护设计，它同时具有常规继电保护和数字化继电保护特点，解决了辅助变压器高压侧与低压侧电流、电压长距离通信问题，但在运行中出现了对时信号中断带来的新问题。

1 半数字化继电保护介绍

全数字化继电保护采用了光电互感器，其通过光电子技术和光纤传感技术的有效应用，实现对电力系统内部电压和电流测量，换言之，数字化继电保护从一次设备中直接采集数字信号的电流和电压[1]。由于电子式互感器运行的原理及机构与常规的互感器不同，种类较多，同时涉及到有关电子器件、光学部件，通常无法有效控制其运行情况，可靠性较低，数字化继电保护误动、误报警率较高，实际工程中，全数字化的继电保护应用较少，仍在可靠性提升研究阶段[2]。

半数字继电保护是常规继电保护与数字化继电保护的折中设计，采用常规的电压、电流互感器，在保护装置内通过合并单元将模拟量转换为数字量，传输至保护单元。目前的数字化继电保护都按照统一的标准设计，即IEC 61850，该标准中给出了各智能电子设备的同步要求，但没有给出同步对时的具体方法，数字继电保护装置、合并单元都按照该标准设计[3-4]。在台山核电厂中，辅助变压器为实现远距离传输高低压侧电流、电压，采用了数字化继电保护装置CSC-316B及合并单元CSN-15B，实现原理见图1。

图1 台山核电厂半数字化继电保护配置原理图

图1中，保护装置采集的变压器高、低压侧电流量、电压量，通过220 kV站内GPS对时，实现数据同步。在运行过程中，如果同步时钟出现中断，对数字化继电保护功能影响很大。

2 同步时钟中断对保护装置的影响

2.1 同步时钟中断试验

在上述核电厂中，1号机组的辅助电源系统已正常投入运行，过程中发现某一阶段，数字化继电保护出现“采样失步”告警信息。经查，电力时钟同步装置同时间段也有异常告警，查看录波，发现电力时钟同步装置在该年度出现了多次时钟异常告警，时间从几分钟到十几分钟不等。当时2号机组的辅助变压器系统正在调试，针对该情况，在2号辅助变压器保护装置进行模拟各种时钟告警，测试同步时钟故障对数字化继电保护功能的影响。经过实际测试，发现数字化继电保护可靠运行与同步时钟有十分重要的关系，主要有以下几种情况：

(1) 合并单元失去对时10 min内，保护装置能够正常工作，10 min后，闭锁差动保护，出现“通道异常”告警；10 min内，对时恢复，保护不会出现时钟异常告警；10 min后，对时恢复，保护装置差动保护可以立即恢复。

(2) 有任何一侧合并单元对时正常时，保护装置的后备保护在10 min后仍可以正确动作。

(3) 5侧合并单元完全失去对时10 min后，保护装置采样及动作均不正确。

2.2 合并单元采样分析

合并单元主要有通信组件、通信转接组件、电源板等组成。通信组件，接收对时信号，产生采样脉冲给通信转接组件(A/D)进行数据采集，通信转接组件主要完成A/D采集功能，按照采样脉冲的节拍对常规互感器和遥信量进行采集。同步时钟提供了采样脉冲，保护装置在同一时间对高低压侧的数据量进行比对，判读系统是否正常运行，如果出现故障，做出正确动作。为防止GPS对时出现意外中断，CSN-15B中，设计了10 min的守时程序，即在外部同步信号消失后，至少在10 min内继续满足4 μs的误差，装置判断此时的采样仍正确可信，10 min后，为防止主保护误动作，闭锁差动保护，后备保护(过流等)仍可以正确动作，如各侧都失去对时，采样数据不再准确，保护装置上读取的数据或动作情况不再可信。

2.3 对时方案研究分析

该核电厂内同步时钟结构见图2，对变压器的每一套保护，只采用了同型号冗余的GPS对时装置。在图2所示结构下，主时钟有共模故障，如果外部或装置内部的一种卡件出现问题，则会同时中断。在本次故障告警后，调出两套同步时钟装置的故障记录，发现两套装置均是同时出现中断信息，发生了典型的共模故障。

图2 台山核电厂GPS对时构架图

主时钟装置在失去外部GPS信号时，启动自身的守时功能，可以自行维持时间同步信号输出，在守时保持状态下的时间准确度优于0.92 μs/min(55 μs /h)，当GPS信号恢复正常，时钟装置能够锁星时，装置根据自己的修正步长，对当前精度进行修正。设装置中断修正步长为T1，合并单元判断时间跳变阈值为T2，当前时钟误差为Td，存在以下关系：

(1)Td≤T1，且Td≤T2，同步装置一次将时间修正到准确值，合并单元对时纠正，不出现采样失步。

(2)Td≤T1，且Td>T2，同步装置可以一次修正到位，合并单元认为时间跳变过大，出现采样失步。

(3)Td>T1，同步装置根据步长多次修正，如果T2T1，合并单元出现采样失步。

图3为GPS中断与对时装置守时及修正的关系。

图3 GPS信号与对时装置的修正关系

在该装置配置中，CSC-196主时钟装置，失去GPS信号后，进入守时并输出B码信号，该信号的最大误差为Td=55 μs/h，装置的修正步长为以T1=150 μs，合并单元判断时间跳变的阈值T2=200 ns，假如时钟丢失2 min，恢复时，误差小于装置的修正步长，一次补偿到标准时间，并授时给合并单元，合并单元判断其大于跳变时间，出现采样失步，同时闭锁差动保护，时间同步后，重新开放差动保护，装置功能恢复正常。

2.4 应对措施

(1) 应对方案一。为避免出现共模故障，考虑GPS+北斗的对时方式。目前对时装置均可以支持GPS+北斗双对时，修改对时装置中的修正步长T1，使其小于合并单元的跳变时间T2，其配置见图4。

图4 GPS+北斗对时配置原理图

优点：解决了共模故障，GPS和北斗同时失步的可能性很小，即便发生同时失步，由于修正步长小于合并单元的跳变时间，仍然不会出现“现采样失步”，不会闭锁差动保护，提高了对时系统的可靠性，目前该方案在电力系统中有应用，效果较好。

缺点：需增加北斗对时模块及北斗对时天线。

(2) 应对方案二。单独设立一保护主对时装置，采用恒温晶振扩展时钟自守时授时方式，不与GPS通讯，单独给变压各分支的合并单元发送脉冲，实现内部独立的对时系统。这样可以避开外部对时的影响，同时又确保了变压器高低压侧的采集信息在相同的时钟脉冲下进行。

优点：完全避免外界卫星对时系统的影响，系统运行可靠。

缺点：需要对保护装置进行单独设计并升版，与IEC 61850要求不一致，无法做到通用。

(3) 应对方案三。借鉴线路光纤纵差保护数据通道的同步方法，各侧电气量在时间轴上同步由数据通道的时延来实现，利用乒乓原理测定通道时延，根据测定的通道时延调整同步端的采样频率，使得各侧装置的采样同步；或者根据测定的通道时延补偿各侧电气量的相位差，使得各侧电气量在时间轴上一致。这类方法实现同步的前提是假定双向通道的时延相等[5]。变压器差动保护高低压侧距离较远，高压侧采用站内时钟，低压侧采用另一套时钟，可认为低压侧合并单元之间数据同步，测出高低压侧的通道时延，在保护装置内进行补偿，求得同步。

优点：设置双侧时钟源，有成熟的线路光纤纵差保护经验，能够很好地避免对时中断带来的问题。

缺点：需要增加时钟源，需要对变压器差动保护进行升级，增加时延补偿的功能，改变了现有变压器数字差动保护的结构，难以推广。

(4) 应对方案四。增加接入全厂区其他位置的对时源。GPS对时中断，往往由于区域或接收器出现问题，如果在厂区的另一侧有时钟源(DCS时钟源等)，两套主时钟分别取自不同地方，可以在一定程度上减小中断事故的发生。

优点：成本较小，有已经安装的时钟源，可以直接通过光纤接入。

缺点：无法完全避免GPS对时出现共模故障，未能根本上解决问题。

3 结语

笔者对台山核电厂中采用的半数字化继电保护，发生对时中断的故障进行分析，并通过实际试验得出对时对数字化继电保护装置功能的影响，研究了核电厂内目前设计的对时方案。分析出该方案存在的问题，出现采样失步并闭锁差动保护的各种情况。最后给出四种改进方案，对每一种方案的优缺点进行了分析，建议采用GPS+北斗的对时方案，该方案可以很好地解决当前出现的对时问题，在后续核电厂内半数字化继电保护或数字化继电保护的设计及实施中有很好的应用前景。

[1] 李友军,张成彬. 数字化变电站对时方案分析[J]. 电气自动化,2016,38(1): 68-70,74.

[2] 彭衍. 数字化变电站继电保护系统的可靠性研究[J]. 通讯世界,2016(3): 204-205.

[3] 华煌圣,游大海,余宏伟. 数字化变电站对时方法的研究[J]. 广东电力,2008,21(5): 52-55.

[4] 李志坚,姜利华,陈丽红,等. 数字化保护装置时钟同步的实现[J]. 电力系统保护与控制,2011,39(7): 105-109.

[5] 国家能源局. DL/T 364—2010 光纤通道传输保护信息通用技术条件[S]. 北京: 中国电力出版社,2010.

Research on Timer Interruption in Semi-digital Relay Protection of Nuclear Power Plants

Wang Xuekui1,Zhang Jie2,Hu Wangxiong2,Qiu Yu2,Yang Jianrong2

(1. Guangdong Mechanical & Electrical Polytechnic,Guangzhou 510515,China; 2. Commissioning Center,China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen 518124, Guangdong Province,China)

To solve the timer interruption problem occurring in the operation of a semi-digital relay protection system of Taishan Nuclear Power Plant,following items were performed,such as testing the action status of the relay protection system during timer interruption periods,analyzing the effects of timer interruption on the digital relay protection,finding out the possible cases of out of step sampling based on analysis of the mathematical relations among the modified step size of timing device,the jumping time of merging unit and the error of GPS device,after which several solutions were given,considering the current design of the timer and the frequent alarms of the relay protection system,which may serve as a reference for final settling of the fault and for further improvement of the design.

nuclear power plant; digitalization; relay protection; timing system; common-mode fault

2016-09-08；

2016-10-31

王学奎(1982—)，男，工程师，从事电站自动化工作。

E-mail: wangxk9999@163.com

TM588

A

1671-086X(2017)04-0263-04