基于超（特）高壓變電站實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能電網(wǎng)的若干問題探討

王潤華

[摘要]變電站光數(shù)字保護(hù)裝置現(xiàn)場調(diào)試技術(shù)、電能計(jì)量問題、一致性測試平臺(tái)研究是超(特)高壓變電站實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能電網(wǎng)的關(guān)鍵。隨著光電技術(shù)在傳感器應(yīng)用領(lǐng)域研究的突破、IEG61 850標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施、太網(wǎng)通信技術(shù)的應(yīng)用以及智能斷路器的發(fā)展，數(shù)字化已成為未來變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的主流。由于數(shù)字化變電站中網(wǎng)絡(luò)通信非常復(fù)雜，因此有必要對其產(chǎn)品和系統(tǒng)的通信行為進(jìn)行一致性測試。測試保證了裝置三種不同的互操作。指出面向通信服務(wù)的互操作是獲得面向功能互操作的基礎(chǔ)，而面向功能測試與工程實(shí)際應(yīng)用關(guān)系更為密切。針對未來數(shù)字化變電站中光電式互感器的電能計(jì)量與傳統(tǒng)電能計(jì)量的區(qū)別和二次回路的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并對數(shù)字式保護(hù)的調(diào)試方案、整組及網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間的測試方法及存在的一些共性問題提出了一些觀點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字化變電站智能電網(wǎng)互操作一致性測試平臺(tái)IEG61850電能計(jì)量光電式互感器

1概述

2009年5月21日，在UHV2009會(huì)議上國家電網(wǎng)首先提出加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、自動(dòng)化、數(shù)字化和互動(dòng)化為特征的統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。

數(shù)字化變電站是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，其主要標(biāo)志是采用數(shù)字化電氣測量系統(tǒng)(如光電式或電子式互感器)來采集電流、電壓等電氣量，實(shí)現(xiàn)了一、二次系統(tǒng)在電氣上的有效隔離，增大了電氣量的動(dòng)態(tài)測量范圍并提高了測量精度，以及信息集成化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)變電站轉(zhuǎn)為數(shù)字化。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提供了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)功能建模、數(shù)據(jù)建模、通信協(xié)議、通信系統(tǒng)的項(xiàng)目管理和一致性檢測等一系列標(biāo)準(zhǔn)。按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)變電站的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，符合其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的推出是建設(shè)數(shù)字化變電站的有效途徑，提供了技術(shù)支撐。數(shù)字化變電站大大減少了二次回路的電纜數(shù)量，既減少了建設(shè)成本，又有利于設(shè)備的維修，是未來變電站發(fā)展的主流。

微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使變電站各種智能電子設(shè)備(IED)具備了數(shù)字化和低功耗的特點(diǎn)。這些IED在物理上可安裝在三個(gè)不同的功能層，即變電站層、間隔層和過程層。目前集中式或分布式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的信息采集來源于傳統(tǒng)電磁式電壓互感器(PT)／電流互感器(cT)的模擬輸出，因此，變電站IED必須通過電磁變換回路將傳統(tǒng)PT／CT的二次輸出信號(hào)變換為適合于微電子電路的低電平信號(hào)，通過對應(yīng)于每臺(tái)設(shè)備的電纜將這些測量值傳到繼電保護(hù)、測控、計(jì)量、測量及自動(dòng)化系統(tǒng)。

常規(guī)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的二次系統(tǒng)采用單元間隔的布置形式，裝置之間相對獨(dú)立，缺乏整體的協(xié)調(diào)和功能優(yōu)化，主要問題是信息難以共享、設(shè)備之間不具備互操作性、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性差及系統(tǒng)可靠性受二次電纜影響。

新型光電式互感器的應(yīng)用、IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展(尤其以太網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的普及)、一次設(shè)備操作智能化技術(shù)的發(fā)展等，為變電站自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展注入了新的推動(dòng)力。電能計(jì)量也因此發(fā)生了新的變化，呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)。

數(shù)字化變電站的推廣應(yīng)用為我們帶來便利的同時(shí)，也為調(diào)試工作帶來了一定的難度。保護(hù)裝置的整組動(dòng)作時(shí)間特性是保護(hù)裝置性能的關(guān)鍵因素，對于傳統(tǒng)的保護(hù)裝置，保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間都是通過向保護(hù)裝置加入故障量，并測量保護(hù)裝置的開出接點(diǎn)來測量的。而對于光數(shù)字保護(hù)來說，由于保護(hù)的開出是光信號(hào)，因此傳統(tǒng)的測量方法將不再適用。此外，信號(hào)在通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸受端節(jié)點(diǎn)CPU利用率、端節(jié)點(diǎn)處的通信流量及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響，其傳輸時(shí)延具有不確定性。

為測試數(shù)字保護(hù)裝置整組動(dòng)作時(shí)間，以及采用“點(diǎn)對點(diǎn)光纖網(wǎng)絡(luò)”、“goose光纖網(wǎng)絡(luò)”等出口方式下網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸時(shí)間，提出了適用于光數(shù)字保護(hù)的整組時(shí)間測試方案。

數(shù)字化變電站逐漸成為熱點(diǎn)，引起了廣大用戶和制造商的廣泛關(guān)注。在數(shù)字化變電站中，需要將來自不同廠家的智能設(shè)備以通信方式集成為一個(gè)系統(tǒng)。為了獲得互操作性，各方需要遵循統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)(能夠滿足數(shù)字化變電站的通信需求)，這就是IEC61850。

IEC6l 850與傳統(tǒng)技術(shù)相比，有很多新的技術(shù)特性：如采用了面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)、定義了基于XML的工程工具數(shù)據(jù)交換格式SCL，提出了變電站層、間隔層、過程層三層變電站通信架構(gòu)等。但其中最主要的優(yōu)點(diǎn)是具有互操作性，能夠使來自不同廠家的IED相互交換信息，完成各自的功能。

但在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，有些裝置通過了IEC61850的測試，單個(gè)通信服務(wù)是正確的，但仍無法被系統(tǒng)集成。這是因?yàn)镮EC61850目前有很大的局限性，因是面向服務(wù)的測試，而不是面向功能和系統(tǒng)的測試。因此，IEC61850目前還不能滿足現(xiàn)在數(shù)字化變電站通信一致性的測試要求。

2一致性測試平臺(tái)

2.1數(shù)字化變電站一致性測試的三個(gè)層次

(1)面向系統(tǒng)性能的測試；

(2)面向應(yīng)用功能的測試；

(3)面向通信服務(wù)的測試。

面向通信服務(wù)的互操作是獲得面向功能互操作的基礎(chǔ)，而面向功能測試與工程實(shí)際應(yīng)用關(guān)系更加密切。面向系統(tǒng)性能的測試可以確認(rèn)整個(gè)系統(tǒng)在應(yīng)用中的性能問題。這三個(gè)層次的測試難度是不同的，面向通信服務(wù)相對最簡單，而面向系統(tǒng)性能測試則相對最困難?，F(xiàn)階段各檢測機(jī)構(gòu)所作的一致性測試都是根據(jù)IEC61 850進(jìn)行面向通信服務(wù)的測試?？紤]到實(shí)現(xiàn)的難度，可分階段實(shí)施。

2.2 IEC61850的局限性

(1)測試范圍的局限性，目前只定義了IEC61850服務(wù)器的測試案例，沒有定客戶端的測試案例和方法。因此，只能用于測試間隔層的保護(hù)、測控設(shè)備的一致性，對于變電站層的監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)、工程師站等設(shè)備無法進(jìn)行測試。

(2)是面向通信服務(wù)和模型的測試而不是面向功能測試。

IED通過IEC61850測試只是表明其基本通信服務(wù)是與IEC61850一致的。但無法保證IED的功能的一致性。從工程角度看，有必要對IED進(jìn)行全面測試(包含功能測試)，才能保證通過測試的IED在工程實(shí)際系統(tǒng)表現(xiàn)正常。真正實(shí)現(xiàn)互操作。

2.3面向功能一致性測試的必要性

實(shí)際上變電站自動(dòng)化系統(tǒng)都是面向功能的：例如監(jiān)控系統(tǒng)對間隔層IED遙測、遙信信息的收集、通信中斷的判斷和告警等。在IEC61850應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)通過IEC61850測試的IED在變電站工程現(xiàn)場，有時(shí)還無法實(shí)現(xiàn)功能上的互操作。因此，有必要對IED進(jìn)行面向功能一致性測試。

2.4面向功能測試平臺(tái)的構(gòu)建

2.4.1系統(tǒng)建立遵循的原則

(1)構(gòu)成系統(tǒng)的設(shè)備具有良好的一致性；選擇通過IEC61850一致性測試的設(shè)備作為間隔層標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器，用于測試變電站層的客戶端設(shè)備。

(2)測試的通信過程能夠被記錄和分析；使用IEC61850通信協(xié)議工具對測試的通信過程進(jìn)行全面的記錄，便于分析問題。

(3)與IEC61 850測試案例相結(jié)合。針對功能測試所暴露出的ACSI通信服務(wù)問題，利用IEC61850測試案例，使用面向通信服務(wù)的測試平臺(tái)。

2.4.2測試系統(tǒng)的組成

(1)變電站層：采用實(shí)際的監(jiān)控系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)IEC61850客戶端對待檢間隔層設(shè)備進(jìn)行測試。

(2)間隔層：采用通過測試的保護(hù)設(shè)備和測控設(shè)備作為標(biāo)準(zhǔn)IEC61850服務(wù)器端，對待檢變電站層設(shè)備進(jìn)行測試。

(3)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：用于組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、通信過程記錄的IEC61850協(xié)議分析記錄設(shè)備。

(4)測試儀器：繼電保護(hù)測試儀等。

2.4.3測試內(nèi)容

(1)變電站層IED測試

①系統(tǒng)配置工具，變電站層IED通用測試內(nèi)容：系統(tǒng)配置工具能夠處理標(biāo)準(zhǔn)IED的ICD文件。能夠?qū)OOSE進(jìn)行配置。生成的SCD或CID文件符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。

②監(jiān)控系統(tǒng)與IED進(jìn)行了通信，實(shí)現(xiàn)四遙功能。四遙信息能夠在畫面上正常顯示。對于事件能夠產(chǎn)生告警信息?？梢赃M(jìn)行遙控。對于保護(hù)裝置，可以正常接收保護(hù)事件和錄波信息，并使兩者正確關(guān)聯(lián)。能夠正確召喚、編輯、更新、切換保護(hù)定值。能夠判斷通信中斷、進(jìn)行雙網(wǎng)切換。

③遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)能夠與標(biāo)準(zhǔn)IED進(jìn)行正常通信。正確收集四遙信息。能夠判斷通信中斷、進(jìn)行雙網(wǎng)切換。能夠完成站內(nèi)數(shù)據(jù)(IEC61850)與遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)的正確轉(zhuǎn)化。

④故障信息子站能夠與標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)IED進(jìn)行通信。正確收集標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)IED的錄波文件。能夠?qū)Χㄖ颠M(jìn)行召喚、編輯、更新和切換。

(2)間隔層IED測試包括保護(hù)；測控；錄波器。

①公共文件的檢查(人工)，看服務(wù)器或模型是否有明顯不滿足的地方。

②ICD文件的合法性靜態(tài)檢(軟件工具)測，將不符合項(xiàng)進(jìn)行定位和顯示，并輸出測試結(jié)果。

③IED數(shù)據(jù)模型內(nèi)外描述的一致性(軟件工具)。

④網(wǎng)絡(luò)中斷檢測，檢查IED是否能夠自動(dòng)判斷出通信中斷，并釋放相關(guān)資源。

⑤雙網(wǎng)絡(luò)切換，軟件工具應(yīng)能夠以差異明顯的色彩表示A、B兩網(wǎng)的運(yùn)行工況，包括：運(yùn)行、備用。需要判斷IED是否能夠順利的進(jìn)行雙網(wǎng)切換。

(3)保護(hù)裝置

①完成間隔層IED公共測試項(xiàng)內(nèi)容。

②遙測對遙測量進(jìn)行顯示，判斷是否正確。

③遙信對遙信量進(jìn)行顯示。判斷是否正確。

④遙控以SBOes及直控方式對保護(hù)裝置進(jìn)行控制，例如切換軟壓板，裝置復(fù)歸。

⑤定值召喚、編輯、更新、切換召喚保護(hù)定值，編輯并更新定值，切換定值組。

⑥保護(hù)事件和錄波文件，以報(bào)告方式上送，文件格式及文件命名方式與《IEC61850I程實(shí)施規(guī)范》是否一致。

(4)測控裝置

①完成間隔層IED公共測試項(xiàng)內(nèi)容。

②遙測保護(hù)接測試儀，輸入模擬量，軟件工具對遙測量進(jìn)行顯示。判斷是否正確。

③遙信保護(hù)接測試儀，輸入開關(guān)量，并發(fā)生變位，軟件工具對遙信進(jìn)行顯示。判斷是否正確。遙控以SBOes以及直控方式對保護(hù)裝置進(jìn)行控制，例如切換軟壓板，裝置復(fù)歸等。

④GOOSE測試被測試IED與測試平臺(tái)上標(biāo)準(zhǔn)的測控裝置進(jìn)行邏輯互鎖。雙方按照事先定義的測試案例進(jìn)行邏輯閉鎖測試。

(5)錄波裝置

①要完成間隔層IED公共測試項(xiàng)內(nèi)容。

②接保護(hù)測試儀，做保護(hù)實(shí)驗(yàn)，使保護(hù)動(dòng)作，使錄波裝置錄波。

③產(chǎn)生了錄波文件。軟件工具讀錄波文件。判斷錄波文件格式及文件命名方式與《IEC61850工程實(shí)施規(guī)范》是否一致。

2.5面向功能測試系統(tǒng)的應(yīng)用

發(fā)現(xiàn)幾乎所有被測設(shè)備或多或少都存在各種問題，例如ICD文件格式不對，ICD所描述的模型與IED實(shí)際運(yùn)行的模型不一致，召喚保護(hù)定值等功能實(shí)現(xiàn)不正確等。針對ACSI通信服務(wù)問題，使用面向服務(wù)的測試工具，利用IEC61850所定義的有關(guān)測試案例進(jìn)行進(jìn)一步測試，找出問題根源。測試證明了面向功能測試平臺(tái)的有效性和實(shí)用性。

3電能計(jì)量

3.1數(shù)字化變電站中電能計(jì)量與傳統(tǒng)電能計(jì)量方式的區(qū)別

(1)輸入信號(hào)類型不同

光電式互感器的出現(xiàn)是數(shù)字化變電站技術(shù)應(yīng)用的主要標(biāo)志之一。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，光電式互感器具有模擬輸出或者數(shù)字輸出或者兩者兼有的信號(hào)輸出方式，其中模擬輸出不再是傳統(tǒng)電磁式互感器的100V／5A，而是低壓小信號(hào)，更重要是具有數(shù)字輸出方式，這是傳統(tǒng)變電站計(jì)量中所沒有的。

(2)計(jì)量系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間的信息集成化

常規(guī)變電站二次系統(tǒng)采用單元間隔方式分布，電能計(jì)量設(shè)備與其他諸如監(jiān)控、保護(hù)、故障錄波等裝置之間相對獨(dú)立，功能單一。而在數(shù)字化變電站中，間隔層一般按斷路器間隔劃分，電能計(jì)量設(shè)備與其他測控或繼電保護(hù)裝置通過局域網(wǎng)或串行總線與變電站聯(lián)系，且往往監(jiān)控、保護(hù)與計(jì)量等功能集成在統(tǒng)一的多功能數(shù)字裝置內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息交換與共享。

(3)數(shù)據(jù)通信方式不同傳統(tǒng)電能計(jì)量系統(tǒng)利用金屬電纜的模擬量通信模式，這種模式接線復(fù)雜，抗干擾能力差，二次回路負(fù)荷變化將直接影響傳統(tǒng)互感器的輸出，從而影響電能計(jì)量的準(zhǔn)確性。而在數(shù)字化變電站中，利用現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站過程層的通信已經(jīng)得到應(yīng)用，數(shù)據(jù)的采集和傳送不再是模擬量的點(diǎn)對點(diǎn)方式，而采用集中采集和處理，以網(wǎng)絡(luò)通信的方式傳送。

3.2光電式互感器的應(yīng)用對電能計(jì)量的影響

根據(jù)傳感頭設(shè)計(jì)原理的不同可以分為有源型和無源型兩種光電互感器。前者在高壓端采用新型傳感頭得到性能優(yōu)越的電信號(hào)，利用光電轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)降蛪憾?；后者主要是利用電光效?yīng)(電壓傳感器)和磁光效應(yīng)(電流傳感器)調(diào)制光信號(hào)，傳感過程中不涉及電信號(hào)。雖然兩者的傳感原理差別很大，但傳感特性和輸出接口卻存在很多共性，影響著數(shù)字化變電站中的電能計(jì)量，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)頻率響應(yīng)范圍寬，諧波測量能力強(qiáng)

電能表按不同的使用場合分為直接接通式和經(jīng)互感器接通式兩種。光電式互感器電能表由于主要用在高壓或中壓，需要用互感器將一次系統(tǒng)的高電壓或大電流降為電能表可以接受的電壓、電流信號(hào)，從而準(zhǔn)確安全地進(jìn)行計(jì)量。在這種情況下，當(dāng)電壓或電流發(fā)生畸變時(shí)，互感器對電能計(jì)量的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是互感器能否把一次側(cè)的諧波信號(hào)正確地傳送到電能測量儀表的端子，二是互感器本身是否會(huì)產(chǎn)生諧波電量影響電能表等各種測量儀表。光電式互感器的頻率范圍主要取決于相關(guān)的電子線路部分，頻率響應(yīng)范圍寬，一般可設(shè)計(jì)到0.1Hz到1MHz，特殊的可設(shè)計(jì)到200MHz的帶寬。

因此，光電式互感器可以測量高壓電力線路上的諧波，將諧波信號(hào)傳送給電能測量儀器儀表，使得諧波電能的準(zhǔn)確計(jì)量成為可能。而這點(diǎn)對于傳統(tǒng)的電磁式互感器來說是難以做到的。

(2)不含鐵心，消除了磁飽和及鐵磁諧振等問題

傳統(tǒng)PT／CT不可避免地存在磁飽和及鐵磁諧振等問題，對電能計(jì)量造成負(fù)誤差。光電式互感器不用鐵心做磁耦合，因此消除了磁飽和及鐵磁諧振現(xiàn)象，從而使互感器暫態(tài)響應(yīng)好、穩(wěn)定性好，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性，減小了電能計(jì)量誤差。

(3)動(dòng)態(tài)范圍大，測量精度高，傳統(tǒng)CT由于存在磁飽和問題，難以實(shí)現(xiàn)大范圍測量，同一互感器很難同時(shí)滿足測量和保護(hù)需要。光電式互感器則有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，可同時(shí)滿足兩者的需要。

(4)數(shù)字接口，通信能力強(qiáng)，系統(tǒng)整體精度高，數(shù)字化變電站采用分層分布式結(jié)構(gòu)。光電式互感器較傳統(tǒng)互感器的最大區(qū)別在于直接提供數(shù)字信號(hào)。正是這個(gè)區(qū)別對電能計(jì)量產(chǎn)生很大影響。

(5)電磁式互感器的誤差隨二次回路的負(fù)荷變化而變化，產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差不可預(yù)計(jì)。而光電式互感器傳送的是數(shù)字信號(hào)，因而完全不受負(fù)載的影響，系統(tǒng)誤差僅存在于傳感頭自身。當(dāng)作為測量應(yīng)用時(shí)，由于光電式互感器下傳的是光數(shù)字信號(hào)，與通信網(wǎng)絡(luò)容易接口，光線傳輸過程中沒有附加測量誤差。在測量中的A／D轉(zhuǎn)換也沒有附加誤差，即使是相同等級精度上，數(shù)字式測量系統(tǒng)的整體精度也要比一般常規(guī)系統(tǒng)高得多。

3.3光電式互感器與電能計(jì)量設(shè)備的數(shù)據(jù)接口

光電式電壓／電流互感器的國際標(biāo)準(zhǔn)，有兩種輸出方式：①模擬信號(hào)輸出：額定值為4V(測量)及200mV(保護(hù))；②數(shù)字信號(hào)輸出：額定值為2D41H(測量)及01CFH(保護(hù))。

實(shí)現(xiàn)光電式互感器與二次設(shè)備的接口主要有兩種方式：一種將光電式互感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為低壓模擬量，此時(shí)二次設(shè)備無需改動(dòng)，其A／D轉(zhuǎn)換器依舊保留；另一種將數(shù)字化輸出的光電式互感器直接與數(shù)字式二次設(shè)備連接，此時(shí)二次設(shè)備上的隔離變壓器和A／D轉(zhuǎn)換器均可省略。

模擬接口是為了利用變電站已有模擬接口二次設(shè)備的一種過渡措施，數(shù)字接口是變電站通信對光電式互感器的最終要求，無論從系統(tǒng)可靠性還是技術(shù)發(fā)展角度考慮，第二種方式都更具有優(yōu)勢和革新意義。

光電式互感器二次側(cè)采用數(shù)字輸出，把電壓和電流采樣信號(hào)用數(shù)據(jù)包的方式發(fā)送給二次電能計(jì)量表計(jì)，這種數(shù)據(jù)傳輸方式不是實(shí)時(shí)的，暫不符合目前實(shí)時(shí)電能計(jì)量方式，需要進(jìn)行一些基礎(chǔ)研究工作才能使用。例如，需要解決使用數(shù)據(jù)包計(jì)算電能，研制數(shù)字電能表，編寫數(shù)字電能表國家標(biāo)準(zhǔn)問題。

3.4數(shù)字化變電站電能計(jì)量研究方向的展望

盡管目前已有針對數(shù)字化變電站中電能計(jì)量的產(chǎn)品，但是在電能計(jì)量方面仍然有許多問題需要企業(yè)和科研單位展開相關(guān)研究。

(1)關(guān)于電能計(jì)量基本技術(shù)要求的研究

數(shù)字化變電站中電能計(jì)量對互感器、輸入信號(hào)及電能表計(jì)會(huì)有新的技術(shù)要求，體現(xiàn)在電壓、頻率、諧波、輸入數(shù)字信號(hào)等各個(gè)方面。

(2)數(shù)字化電能表國家標(biāo)準(zhǔn)的制定

國家標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定將對新型光電式互感器的電能表研究、生產(chǎn)和應(yīng)用起到規(guī)范的指導(dǎo)作用。

(3)數(shù)字電能表校驗(yàn)方法的研究

光電式互感器的應(yīng)用，其數(shù)字輸出方式對變站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響，然而現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量機(jī)構(gòu)對電能表進(jìn)行精度校驗(yàn)仍局限在模擬輸入方式。

(4)電能計(jì)量系統(tǒng)誤差的研究

在電能計(jì)量中，由于光電式互感器的應(yīng)用而使得誤差環(huán)節(jié)得以減少或消除。未來可以將光電式互感器、數(shù)據(jù)傳輸和電能計(jì)量終端等設(shè)備作為一個(gè)整體來分析，通過改變數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件和軟硬件環(huán)境，研究得到各個(gè)環(huán)節(jié)對于電能計(jì)量誤差的影響。

(5)功率或電能等數(shù)據(jù)在合并單元中的處理

在IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的合并單元數(shù)據(jù)幀中可以考慮加入功率或電能計(jì)量的結(jié)果，這樣可以簡化二次計(jì)量設(shè)備的功能，但是需要在數(shù)據(jù)打包前對采集到的電壓電流在合并單元中先進(jìn)行處理。

(6)虛擬電能計(jì)量在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用

隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，可以采用虛擬儀器平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站中的電能計(jì)量。

4實(shí)例概況

一次設(shè)備采用傳統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備，因此需要在開關(guān)場加裝智能單元，將數(shù)字式保護(hù)開出的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的遠(yuǎn)方操作。

二次設(shè)備均采用南京新寧公司生產(chǎn)的數(shù)字化設(shè)備。

變壓器分3個(gè)電壓等級，110kV側(cè)為內(nèi)橋接線；35kV、10kV側(cè)為單母線分段的接線方式。

變壓器差動(dòng)及后備保護(hù)采用新寧公司的X7210-F-A型保護(hù)，高壓側(cè)、中壓側(cè)的電流、電壓信號(hào)經(jīng)過合并器OEMU702合并后分別經(jīng)過一根光纖引入保護(hù)裝置。低壓側(cè)的電流、電壓信號(hào)經(jīng)過10kV就地智能單元XA702采集后經(jīng)一根光纖引入保護(hù)裝置。保護(hù)的開出信號(hào)通過光纖分別引入3個(gè)室內(nèi)智能單元。室內(nèi)智能單元XA701N與高、中壓側(cè)的室外智能單元XA701W及低壓側(cè)的智能單元XA702通過光纖以太網(wǎng)進(jìn)行通信。室外智能單元將室內(nèi)智能單元的跳閘信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量接入至傳統(tǒng)的開關(guān)跳閘回路，并負(fù)責(zé)將就地的信息(包括開關(guān)位置信息、刀閘位置信息、閉鎖信息、告警信息等)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳輸至室內(nèi)智能單元。變壓器的非電量保護(hù)裝設(shè)在變壓器本體附近，采集由XA703智完成。

4.1保護(hù)裝置調(diào)試項(xiàng)目

數(shù)字化變電站的保護(hù)調(diào)試方法與傳統(tǒng)保護(hù)的調(diào)試方法基本上是相同的，但也存在差別。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)按通信體系及設(shè)備功能將變電站自動(dòng)化系統(tǒng)分為三層：變電站層、間隔層、過程層。光數(shù)字保護(hù)裝置屬于間隔層設(shè)備的一部分，此外還有控制及監(jiān)視單元不能將它們分裂開來。

變壓器保護(hù)的調(diào)試項(xiàng)目有：

①采樣精度及相序檢查；②保護(hù)功能測試(包括變壓器差動(dòng)保護(hù)，三段式復(fù)壓過流保護(hù)，過負(fù)荷起動(dòng)風(fēng)冷，過負(fù)荷閉鎖調(diào)壓等)；③測控裝置聯(lián)調(diào)；④帶開關(guān)跳閘測試。

變壓器保護(hù)的調(diào)試時(shí)間及信號(hào)在光纖網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)間，由于博電公司生產(chǎn)的PWF光數(shù)字保護(hù)測試儀與新寧公司的變壓器保護(hù)采用的通信規(guī)約不一致，需指出的是，在試驗(yàn)過程中，通過此種方法向保護(hù)裝置加入的電流量并不是很準(zhǔn)確，誤差一般在2％～3％之間。到目前為止，國內(nèi)還沒有通用的光數(shù)字保護(hù)測試儀器。此外，變壓器保護(hù)裝置作為間隔層的一部分，需要把變壓器保護(hù)與測控裝置緊密聯(lián)系起來。光數(shù)字保護(hù)的每一個(gè)動(dòng)作或報(bào)警號(hào)都應(yīng)該在后臺(tái)顯示，并且時(shí)間上應(yīng)牢牢對應(yīng)。

4.2測試整組時(shí)間及網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間(以變壓器差動(dòng)保護(hù)跳110kV側(cè)開關(guān)為例)

試驗(yàn)過程中，將錄波器放置在保護(hù)裝置附近，并鋪兩根長距離電纜至110kV開關(guān)本體及智能單元，引入開關(guān)本體的跳閘接點(diǎn)及室外智能單元的操作箱跳閘輸入接點(diǎn)。先合上110kV側(cè)開關(guān)，啟動(dòng)錄波器后，向保護(hù)裝

置注入故障電流使差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，開關(guān)跳開后，停止錄波。變壓器保護(hù)室內(nèi)智能單元A／D轉(zhuǎn)換110kV側(cè)開關(guān)，光纖硬接線注入故障電流錄波器，采集故障電流操作箱的跳閘輸入接點(diǎn)開關(guān)跳閘回路接通1 10kV分段母線模數(shù)轉(zhuǎn)換器光纖操作箱室外智能單元硬接線。

變壓器保護(hù)的報(bào)文顯示及錄波圖中可以看出：差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為18ms，從保護(hù)通入故障電流至室外智能單元操作箱跳閘輸入接點(diǎn)閉合的時(shí)間為43ms，從保護(hù)通入故障電流至開關(guān)跳閘接點(diǎn)閉合的時(shí)間為53ms。保護(hù)的啟動(dòng)時(shí)間需要4ms，開關(guān)室外智能單元的繼電器動(dòng)作時(shí)間需要7ms，保護(hù)信號(hào)在光纖回路中的傳輸時(shí)間為14.3ms。重復(fù)相同的步驟，對變壓器保護(hù)跳中壓側(cè)、低壓側(cè)開關(guān)的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間進(jìn)行測試，結(jié)果與高壓側(cè)近似相等。因此可以得出結(jié)論，變壓器保護(hù)跳閘信號(hào)在光纖網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)間是穩(wěn)定的，并且符合要求。

5結(jié)論及建議

(1)數(shù)字化變電站的一致性測試，面向通信服務(wù)的互操作，有很大的局限性，不能滿足工程的需要，本文提出面向功能測試平臺(tái)方案，完成了測試平臺(tái)的建設(shè)、投入應(yīng)用并取得了良好的實(shí)際效果。

(2)光電式互感器的應(yīng)用對電能計(jì)量產(chǎn)生了很大影響，目前的數(shù)字化電能計(jì)量仍然存在很多亟待解決的問題，需要進(jìn)行相關(guān)的研究。

(3)保護(hù)裝置整組動(dòng)作時(shí)間及網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間的測試方案只能適用于一次設(shè)備是傳統(tǒng)開關(guān)，二次設(shè)備是數(shù)字化裝置的過渡型的變電站。對于一次設(shè)備也采用智能開關(guān)的變電站，其跳閘信號(hào)傳輸過程將省去室外智能單元信號(hào)等一系列中間環(huán)節(jié)，理論上保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間及網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間將更快。

(4)各生產(chǎn)廠家對IEC61850規(guī)約的理解不一致，并且在國內(nèi)還沒有對規(guī)約中存在差異的地方有進(jìn)一步的規(guī)定，因此導(dǎo)致不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品之間不能夠有效地實(shí)現(xiàn)光纖數(shù)字通信。同一個(gè)變電站所訂購的二次設(shè)備只能是同一廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品。

(5)光電互感器沒有專門的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行校驗(yàn)。對于較高等級的光電互感器的精度校驗(yàn)，指針表讀數(shù)的方法很難達(dá)到要求。

(6)數(shù)字化變電站許多工作可以在設(shè)備出廠前完成。由廠家提供相應(yīng)的出廠報(bào)告，現(xiàn)場只需對設(shè)備進(jìn)行組裝及檢查，這樣，既能大大減少了基建過程中的調(diào)試工作量，又能縮短變電站的投運(yùn)時(shí)間。