智能變電站合并單元現(xiàn)狀及發(fā)展方向

吳愛軍

摘要：在智能電網(wǎng)背景下，智能變電站大規(guī)模發(fā)展，基于合并單元在站內(nèi)故障率居高不下的現(xiàn)狀，簡(jiǎn)單介紹了合并單元的軟件和硬件結(jié)構(gòu)，探索了合并單元在智能變電站中的應(yīng)用，從合并單元的生產(chǎn)能力、合并單元與間隔層的通信、變電站中的實(shí)際運(yùn)行情況、合并單元的性能測(cè)試等方面，分析了智能變電站合并單元的發(fā)展現(xiàn)狀，并從合并單元的精度、速度和系統(tǒng)功能發(fā)展、合并單元的通信功能發(fā)展、接口規(guī)范完善、時(shí)鐘同步功能、合并單元性能檢測(cè)等方面，最后對(duì)合并單元的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：智能變電站 合并單元 發(fā)展方向 規(guī)模發(fā)展

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（a）-0085-03

2009年，我國提出建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略，揭開了電網(wǎng)發(fā)展的新篇章。智能變電站是未來電網(wǎng)發(fā)展的主流趨勢(shì)，合并單元和智能終端等智能變電站相關(guān)設(shè)備不斷增多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年國家電網(wǎng)公司智能變電站共有繼電保護(hù)和相關(guān)設(shè)備4681臺(tái)，智能終端1404臺(tái)，合并單元1515臺(tái)。在智能變電站中，合并單元的故障率一直居高不下，研究智能變電站合并單元的現(xiàn)狀和發(fā)展方向，對(duì)推動(dòng)智能變電站技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

1 合并單元及其在智能變電站中的應(yīng)用

1.1 合并單元簡(jiǎn)介

合并單元（Merging Unit，簡(jiǎn)稱MU）是伴隨智能變電站的興起而出現(xiàn)的新設(shè)備，根據(jù)智能變電站的系統(tǒng)構(gòu)建，可以將其分為控制層、過程層、間隔層，其中，過程層負(fù)責(zé)傳輸模擬量、開關(guān)量、跳閘等信號(hào)，合并單元是智能變電站過程層的核心設(shè)備之一，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站電流和電壓等模擬量的同步采集和合并處理，然后進(jìn)行合并處理，并按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，傳送給間隔層的保護(hù)設(shè)備，進(jìn)行保護(hù)邏輯判斷。

（1）合并單元的硬件結(jié)構(gòu)。

以DSP與FPGA技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的合并單元為例，合并單元接收電子互感器傳來的多路串行信號(hào)，F(xiàn)PGA通過編程對(duì)接收的多路串行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行IEC60044-8、IEC1588、IEC61850-9-2報(bào)文的硬件解碼，并轉(zhuǎn)換為多路并行信號(hào)；該合并單元的CPU采用32 bit的DSP，是合并單元的硬件核心，主要負(fù)責(zé)A/D采樣以及采樣量的處理，DSP定時(shí)讀取和處理數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)輸出為符合IEC61850的幀格式，最終經(jīng)過數(shù)據(jù)輸出模塊上送給間隔層的各種二次設(shè)備。

（2）合并單元的軟件結(jié)構(gòu)。

合并單元的軟件結(jié)構(gòu)主要包括裝置同步、采樣同步、輸出、電壓并列切換等模塊，裝置同步和采樣同步主要實(shí)現(xiàn)合并單元最重要的時(shí)鐘同步功能，確保合并單元采集和發(fā)送的報(bào)文在裝置間是同步進(jìn)行的。輸出模塊主要負(fù)責(zé)按照IEC61850規(guī)約輸出采樣信息，電壓并列模塊實(shí)現(xiàn)裝置的電壓切換，其它還包括一些采樣存儲(chǔ)、緩存、時(shí)間處理、后臺(tái)調(diào)試等輔助功能。

1.2 合并單元在智能變電站中的作用

（1）與電子式互感器的接口功能。

合并單元可以同時(shí)接入常規(guī)互感器和電子互感器，包括GIS電子式互感器、光供電電子式互感器、傳統(tǒng)互感器等。合并單元通過自身的轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)通道來完成對(duì)數(shù)據(jù)采集的轉(zhuǎn)換，一臺(tái)合并單元有12個(gè)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)通道，每個(gè)通道能夠連接一組數(shù)據(jù)流，例如一臺(tái)110 kV電子式互感器的數(shù)據(jù)合并單元，一般合并發(fā)送1條線路間隔單元的三相電流和電壓，并可以靈活擴(kuò)展給多個(gè)保護(hù)和測(cè)控裝置。

（2）與保護(hù)測(cè)控設(shè)備的接口功能。

在智能變電站中，保護(hù)設(shè)備的采樣值傳輸、開關(guān)狀態(tài)量獲取、跳閘指令下達(dá)等都通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀形式，并以交換機(jī)及光纖為介質(zhì)，由過程層網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行通信。

當(dāng)合并單元經(jīng)過主時(shí)鐘時(shí)間同步和對(duì)互感器的采樣，將采樣數(shù)據(jù)與目的地址、源地址打包后，組合成SV報(bào)文并上送訂閱了該SV報(bào)文的保護(hù)測(cè)控設(shè)備。保護(hù)測(cè)控設(shè)備收到該SV報(bào)文后，進(jìn)行內(nèi)部邏輯判斷，滿足條件后保護(hù)動(dòng)作并發(fā)GOOSE跳閘報(bào)文，訂閱該GOOSE報(bào)文的智能開關(guān)收到命令后，將動(dòng)作于一次開關(guān)的跳閘出口。

（3）模擬量高精度采樣同步功能

高精度采樣同步對(duì)電力系統(tǒng)保護(hù)具有非常重要的意義，采集到的三相電壓和電流需要同步，實(shí)現(xiàn)三相平衡；統(tǒng)一間隔內(nèi)的模擬量之間也需要同步，以計(jì)算功率和阻抗；不同間隔之間的電流也需要同步，以實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的功能。

合并單元的同步功能包括對(duì)接入合并單元的不同電子式互感器之間的同步以及合并單元之間的同步。其中，合并單元之間的同步有GPS同步時(shí)鐘源法、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）法、基于以太網(wǎng)通訊的IEEE 1588協(xié)議法等。

2 智能變電站合并單元的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 合并單元的生產(chǎn)能力

合并單元最初是屬于電子式互感器的一部分，后來隨著合并單元的重要性不斷增強(qiáng)而分離成屬于過程層的單獨(dú)設(shè)備。目前，國內(nèi)外主流廠家包括ABB、AREVA、SIEMENS、南瑞、許繼、南自等，均推出了基于IEC61850-9-1和IEC61850-9-2的合并單元，南瑞和許繼等廠家都可以提供數(shù)字化變電站的整體解決方案。

2007年，國網(wǎng)南瑞科技股份有限公司生產(chǎn)出樣機(jī)，最大網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間為 0.6 ms，平均延遲時(shí)間為 0.5 ms，可以滿足二次保護(hù)控制單元對(duì)采樣數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間的技術(shù)要求。南自新寧公司研制的與OET700系列電子式互感器配合使用的合并單元除了可接收并處理來自多個(gè)電子式互感器的數(shù)字信號(hào)外，還可以同時(shí)接收并處理傳統(tǒng)電磁式互感器提供的模擬信號(hào)。南京南瑞繼保電氣有限責(zé)任公司生產(chǎn)出 的PCS-221 系列合并單元，與電子式互感器配合使用，具備數(shù)據(jù)采集發(fā)送單元，并支持計(jì)算及錄波等功能。

基于我國智能變電站的發(fā)展需求，要求合并單元能夠輸出滿足IEC61850-9協(xié)議、IEC60044-7/8的FT3協(xié)議的接口，并滿足電網(wǎng)繼電保護(hù)、測(cè)控、錄波和計(jì)量需要。如果接入系統(tǒng)采用采樣值組網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?，則合并單元應(yīng)該能夠提供對(duì)應(yīng)的以太網(wǎng)口；如果接入系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)姆绞?，則合并單元應(yīng)該提供足夠的輸出接口模塊。

2.2 合并單元與間隔層的通信

目前，合并單元與間隔層通訊的最大問題就是同步問題。由于合并單元是分布式采集各個(gè)間隔的電流，分布式采集的最大問題就是有延時(shí)，合并單元的延時(shí)與硬件和軟件都有關(guān)系。

在接入傳統(tǒng)電子互感器時(shí)，是經(jīng)過電纜直接接入的，采樣值的延時(shí)是固定的，而且相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)，而經(jīng)過光纜接入電子互感器時(shí)，模擬量經(jīng)過合并單元轉(zhuǎn)換后，在采樣信號(hào)調(diào)制、A/D信號(hào)采用、MU的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送等方面都存在延時(shí)，不同廠家的合并單元產(chǎn)生的延時(shí)也不盡相同，尤其是電壓量，因?yàn)榻?jīng)過了PT合并單元和線路合并單元的兩級(jí)延時(shí)，所以更加難以確定。

此外，合并單元經(jīng)過交換機(jī)時(shí)，還存在交換機(jī)的打包延時(shí)，報(bào)文傳輸延時(shí)、排隊(duì)延時(shí)、解包延時(shí)等。這些延時(shí)結(jié)合起來，可能會(huì)對(duì)傳遞結(jié)果帶來一定的影響。以采樣率為一個(gè)周波20 ms采集80點(diǎn)為例，當(dāng)合并單元同步的電流和電壓有1 us的延時(shí)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致電角度0.018°的誤差，給保護(hù)動(dòng)作帶來影響，例如影響距離保護(hù)的動(dòng)作邊界、母差保護(hù)因兩側(cè)電流不同步而誤動(dòng)或拒動(dòng)。

2.3 變電站的實(shí)際運(yùn)行情況

根據(jù)《2013年繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備行業(yè)市場(chǎng)分析與發(fā)展》的研究報(bào)告，2013年，智能變電站保護(hù)裝置和相關(guān)設(shè)備共發(fā)生了310次缺陷，按照系統(tǒng)電壓分布情況統(tǒng)計(jì)如表1：

根據(jù)表1可見，與常規(guī)變電站相比，智能變電站的保護(hù)裝置和相關(guān)設(shè)備缺陷率相對(duì)較高，尤其以合并單元為最多。2013年合并單元的缺陷占到了總?cè)毕輸?shù)的54.19%，在合并單元的缺陷中，一般缺陷占45.83%，嚴(yán)重缺陷占48.81%，危急缺陷占5.36%。合并單元缺陷率在智能變電站中所占的比例已經(jīng)過半，針對(duì)其缺陷頻發(fā)的原因，進(jìn)行合并單元的性能測(cè)試，完善合并單元的質(zhì)量檢驗(yàn)方法，積極尋求合并單元缺陷的改進(jìn)措施，已經(jīng)成為智能變電站在發(fā)展過程中亟待解決的問題。

3 智能變電站合并單元的發(fā)展方向

3.1 合并單元的精度、速度和系統(tǒng)功能不斷發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA、DSP芯片等構(gòu)成合并單元的集成電力電子器件的數(shù)據(jù)處理能力不斷提升，目前，F(xiàn)PGA的主頻已經(jīng)可以達(dá)到百M(fèi)Hz或GHz以上，合并單元數(shù)據(jù)采樣和處理模塊的速度得到巨大提升。與此同時(shí)，合并單元的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也日漸復(fù)雜化，可能發(fā)展為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行功能拓展，能夠通過可視化的圖形界面來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)互感器的量值輸出和合并單元的工作狀態(tài)。

此外，目前合并單元在工程實(shí)踐應(yīng)用中面對(duì)的一系列問題，如過程層網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和冗余配置、合并單元與間隔層設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、采樣報(bào)文幀格式中時(shí)間標(biāo)簽的獲得等，都將隨著現(xiàn)有技術(shù)的成熟和完善，而逐步得到解決。

3.2 合并單元的通信功能將成為技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)

由于合并單元需要和電子式互感器和間隔層IED同時(shí)通信，一臺(tái)合并單元需要同時(shí)接收很多路各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)，因此，對(duì)合并單元任務(wù)處理的并發(fā)功能要求較高，不允許數(shù)據(jù)在傳輸中發(fā)生畸變，導(dǎo)致產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。此外，由于合并單元接收到的模擬量信息是繼電保護(hù)動(dòng)作判據(jù)，因此，合并單元的接口通信處理速度直接影響到保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。以目前國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)線路保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間要求為例，要求主保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間不超過30 ms，對(duì)于數(shù)字化保護(hù)，考慮到合并單元的數(shù)據(jù)處理延時(shí)，可以適當(dāng)放寬7 ms，如果合并單元的數(shù)據(jù)傳輸速度大于7 ms，將勢(shì)必給保護(hù)動(dòng)作邏輯處理帶來壓力。在一個(gè)中等規(guī)模的智能變電站中，合并單元需要處理的接口信息流量較大，且信息多為周期性，有些接口的通信環(huán)境相對(duì)惡劣，都給合并單元的性能帶來一定影響。因此，合并單元的通信功能將成為技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)。

3.3 合并單元與外部設(shè)備的接口規(guī)范將日趨完善

近幾年，國內(nèi)外相關(guān)制造企業(yè)都將電子式互感器的數(shù)字接口作為主要的研究方向。目前，合并單元和電子互感器的信息交互尚無明確的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，這給二者之間的互聯(lián)增加了一定的工作量?，F(xiàn)行使用較多的是由國際電工委員會(huì)制定的電子互感器IEC60044-8串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，由于處理任務(wù)多，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，且通訊量大，合并單元和電子互感器之間的接口一般采用光纖通道，由特定編碼組成高速信息幀。

在合并單元與保護(hù)測(cè)控設(shè)備的接口通信方面，既可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，也可以使用交換機(jī)組網(wǎng)。目前，使用IEC61850-9-2方式已經(jīng)成為主流趨勢(shì)，雖然IEC 61850-9-2協(xié)議也支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，但針對(duì)9-2模式下網(wǎng)絡(luò)通信對(duì)GPS信號(hào)和交換機(jī)的依賴，今后國內(nèi)很有可能明確要求在智能變電站中采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直采直跳方式。隨著智能變電站技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)共享將是合并單元與保護(hù)測(cè)控裝置通信的最終目標(biāo)，根據(jù)IEC TC57-WG10制定的標(biāo)準(zhǔn)，過程層總線的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括IEC61850-8-1和IEC61850-9已經(jīng)被修改，IEC61850-9-1將不再使用，合并單元與外部設(shè)備接口規(guī)范的日趨完善，將帶來智能變電站內(nèi)部過程層設(shè)備模型映射方式的改變，并直接影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享組網(wǎng)的方式。

3.4 合并單元同步方式將不斷發(fā)展

目前，合并單元同步依然以變電站主時(shí)鐘為主，采用全球定位系統(tǒng)（GPS）作為同步時(shí)鐘源，使用GPS發(fā)送的秒脈沖作為時(shí)鐘基準(zhǔn)源的優(yōu)點(diǎn)在于其誤差較小，可以控制在1 us以內(nèi)，同步較為準(zhǔn)確。但是，使用外部GPS時(shí)，需要在智能變電站內(nèi)增加一個(gè)光纖或光纜，全站鋪設(shè)獨(dú)立的秒脈沖光纖網(wǎng)，增加了硬件的復(fù)雜性，同時(shí)，一旦失去了外部GPS的秒脈沖信號(hào)，合并單元將面臨隨時(shí)失去同步的危險(xiǎn)。

IEEE 1588發(fā)布于2002年，是用于自動(dòng)化系統(tǒng)的高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議，可以復(fù)用過程層網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到亞微秒級(jí)別的同步精度，適用于本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，尤其適合通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)中的時(shí)鐘可以工作在主時(shí)鐘、從時(shí)鐘、無源時(shí)鐘三個(gè)狀態(tài)?；诒镜鼗透呔鹊膬?yōu)點(diǎn)，IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)同步將是技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)，具有良好的發(fā)展前景，但是，在IEEE 1588的硬件設(shè)計(jì)中，要求包括傳感器、合并單元、保護(hù)測(cè)控單元等智能設(shè)備都支持這個(gè)協(xié)議，這些設(shè)備對(duì)它的支撐程度還需要通過實(shí)際工程的進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.5 合并單元性能檢測(cè)將更加嚴(yán)格

合并單元的故障頻發(fā)，也引起了電網(wǎng)公司的高度重視，2012年4月到2013年1月，國家電網(wǎng)公司就合并單元性能測(cè)試，組織了3次專門的入網(wǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果將作為國家電網(wǎng)公司招投標(biāo)的依據(jù)。根據(jù)國家電網(wǎng)公司發(fā)布通過測(cè)試的企業(yè)公告，共9個(gè)合并單元廠家的38臺(tái)產(chǎn)品參與測(cè)試，最后有6個(gè)廠家的24臺(tái)產(chǎn)品通過了測(cè)試，通過率僅為63.2%。

目前，在合并單元的入網(wǎng)測(cè)試中，軟件問題和電磁兼容是缺陷率最高的兩項(xiàng)，硬件問題的缺陷率也相對(duì)較高。軟件問題主要包括配置與規(guī)范不符、模擬量測(cè)試誤差不合格、通信容錯(cuò)性測(cè)試不合格、網(wǎng)絡(luò)流量測(cè)試不合格等；電磁兼容是合并單元硬件設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，集中體現(xiàn)了廠家的水平，電磁兼容的問題主要集中于電快速瞬變脈沖群、浪涌試驗(yàn)、高頻干擾試驗(yàn)這三項(xiàng)，這與廠家電子元器件的抗干擾性能和多層印制板水平有極大關(guān)系；合并單元的硬件性能問題主要體現(xiàn)在合并單元對(duì)諧波、頻率的測(cè)試誤差較大，暫態(tài)特性試驗(yàn)中衰減時(shí)間常數(shù)測(cè)試不通過等。

4 結(jié)語

智能電網(wǎng)的發(fā)展呼喚電網(wǎng)技術(shù)的提升和相關(guān)設(shè)備的完善，作為智能化變電站的重要組成部分，合并單元的技術(shù)發(fā)展對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要作用。針對(duì)目前合并單元在我國的發(fā)展現(xiàn)狀分析可見，合并單元出廠前的廠內(nèi)測(cè)試僅能暴露并修正一部分合并單元的常規(guī)問題，大量合并單元性能問題還需要通過大規(guī)模的入網(wǎng)測(cè)試，通過專業(yè)的性能測(cè)試工具進(jìn)行。合并單元現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的高缺陷率，與此前相關(guān)的測(cè)試規(guī)范不明確以及性能測(cè)試和監(jiān)管措施的缺失是有關(guān)系的?？梢灶A(yù)見的是，為了電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，今后對(duì)合并單元的性能檢測(cè)將更加嚴(yán)格。隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的不斷完善、入網(wǎng)測(cè)試的不斷嚴(yán)格，合并單元在速度、精度、通信、同步、接口方式等方面技術(shù)也將不斷進(jìn)步，為智能電網(wǎng)發(fā)展起到更好的支撐作用。

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