淺談合并單元應(yīng)用及發(fā)展

國網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司酒泉分部 趙艷君 茹作偉 陳 宇

引言：貫徹落實(shí)國家提出的發(fā)展建設(shè)智能電網(wǎng)戰(zhàn)略，翻開了建設(shè)智能電網(wǎng)新篇章。智能變電站作為智能電網(wǎng)基本構(gòu)架，同時(shí)合并單元是智能變電站的主要設(shè)備，所以合并單元在智能電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛，但因?yàn)楹喜卧墓收下时容^高，一直以來影響著智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，所以對合并單元在應(yīng)用中存在的問題和未來的發(fā)展進(jìn)行淺析，這對合并單元應(yīng)用技術(shù)的提升起到極大的促進(jìn)作用。

1 概述

1.1 什么是合并單元

智能電網(wǎng)的發(fā)展，是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，從而對一、二次設(shè)備有了新要求。傳統(tǒng)的AD變換被高速數(shù)據(jù)接口取代，保護(hù)裝置發(fā)布命令被一次設(shè)備的執(zhí)行器取代，傳統(tǒng)開關(guān)的輸入DI和輸入DO都移入智能開關(guān)，由此產(chǎn)生了合并單元。合并單元在過程層設(shè)備中是非常關(guān)鍵的物理單元，電子式互感器由高速光纖接入合并單元接口，合并單元將二次轉(zhuǎn)換器的電流和電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間相關(guān)組合。合并單元的輸入信號(hào)由數(shù)字信號(hào)構(gòu)成，與傳統(tǒng)的模擬信號(hào)不同，它包括站內(nèi)的同步信號(hào)、采樣值和電源狀態(tài)等信息。這些信息被合并單元進(jìn)一步處理，處理后的數(shù)據(jù)通過高速光纖輸出至間隔層設(shè)備。

1.2 功能

合并單元有兩種接口功能，分別是配合電子式互感器實(shí)現(xiàn)接口功能和配合保護(hù)測控裝置實(shí)現(xiàn)接口功能。因?yàn)楹喜卧陨韼в修D(zhuǎn)換器，所以其自身就能對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，不需要額外的轉(zhuǎn)換器設(shè)備，減少了設(shè)備投資成本，同時(shí)，每個(gè)合并單元轉(zhuǎn)換器都能采集和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)流，相互不會(huì)影響干擾，數(shù)據(jù)處理后再通過合并單元把數(shù)據(jù)傳輸至相應(yīng)的保護(hù)測控裝置，實(shí)現(xiàn)保護(hù)測量和控制的技術(shù)要求，但前提是合并單元必須配合電子式互感器完成數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)接口功能，然后把處理后的數(shù)據(jù)輸出至配合的保護(hù)測控裝置，實(shí)現(xiàn)保護(hù)測控裝置接口功能。合并單元的接口功能主要實(shí)現(xiàn)了采集、轉(zhuǎn)換和發(fā)送數(shù)據(jù)，通過電子式互感器采集，自身完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后把處理后的數(shù)據(jù)傳送至控制設(shè)備，來形成命令、指令、狀態(tài)等數(shù)據(jù)形式。

2 合并單元發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 合并單元數(shù)據(jù)采集質(zhì)量

2.1.1 數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性

合并單元采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量非常重要，所以，數(shù)字化保護(hù)實(shí)現(xiàn)高精度同步采樣的功能具有重要意義。合并單元精確采集三相平衡的現(xiàn)場模擬數(shù)據(jù)，同步數(shù)據(jù)后，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換后傳遞給數(shù)字化保護(hù)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)算功率、阻抗等電氣量。同時(shí)，為了保證差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作，不同間隔的電流量也需要同步。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集同步問題

合并單元面臨的一大難題是同步問題，合并單元采集電流一般是分布采集，這種采集電流的方式雖然可以滿足一定需求，但比較容易造成延時(shí)，發(fā)生這種情況與硬件和軟件都有一定的關(guān)系。

合并單元與傳統(tǒng)互感器接入所接入的電纜是直接接入的，這樣它們產(chǎn)生的延時(shí)相對比較固定，并且延時(shí)比較短，甚至可以忽略。而通過光纜與電子互感器接入并經(jīng)過一定轉(zhuǎn)化之后，我們發(fā)現(xiàn)在發(fā)送、處理數(shù)據(jù)，采用信號(hào)、調(diào)節(jié)信號(hào)等方面都產(chǎn)生了一定延時(shí)，這樣的延時(shí)情況比較嚴(yán)重，而且不同的合并單元存在不同的延時(shí)情況，在這種情況下確定其延時(shí)情況就比較困難。

另外，交換機(jī)存在解包、排隊(duì)和傳輸?shù)炔煌螒B(tài)的延時(shí)。將這些不同形態(tài)且相互獨(dú)立的延時(shí)組合起來，就形成了一個(gè)整體延時(shí)，延時(shí)的模塊和設(shè)備數(shù)量多，這嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)傳遞結(jié)果。例如：電壓互感器通過MU將二次電壓進(jìn)行數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后將電壓傳遞至下一級的MU，然后采樣二次電壓，并同步電壓數(shù)字量，最終整合為新的數(shù)字量，將整合的新數(shù)據(jù)傳送至相關(guān)的設(shè)備。產(chǎn)生的傳輸延時(shí)結(jié)果如下：

傳輸延時(shí)=上一級MU延時(shí)+同步處理延時(shí)+ 報(bào)文輸出延時(shí)。

2.2 合并單元應(yīng)用中的可靠性問題

根據(jù)相關(guān)調(diào)查報(bào)告可知，我國智能變電站合并單元發(fā)生的缺陷次數(shù)在2015年一年內(nèi)為310次，這是一個(gè)非常龐大的數(shù)字。與傳統(tǒng)綜自變電站相比，智能變電站的缺陷率超過了傳統(tǒng)綜自變電站，而且智能變電站發(fā)生缺陷的設(shè)備大部分為合并單元，在這種情況下，合并單元的可靠性成為了影響智能變電站發(fā)展的重要問題。所以應(yīng)加強(qiáng)對合并單元設(shè)備的檢測力度，尋找解決合并單元問題的方法。相關(guān)單位要針對合并單元出現(xiàn)的問題，分析總結(jié)，找出產(chǎn)生問題的關(guān)鍵原因，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，用有效的方法解決合并單元的問題，在保證合并單元運(yùn)行質(zhì)量的同時(shí)，要加強(qiáng)監(jiān)測，做好現(xiàn)場維護(hù)工作。

3 案例分析

3.1 異常前運(yùn)行方式

110kV某變電站為智能變電站，發(fā)現(xiàn)異常前運(yùn)行方式如下：

110kV系統(tǒng)：FJ#1線94C，F(xiàn)J#2線94E運(yùn)行，備用999、備用998冷備用，1號(hào)主變高壓側(cè)701開關(guān)運(yùn)行，1號(hào)主變運(yùn)行，2號(hào)主變高壓側(cè)702開關(guān)運(yùn)行，2號(hào)主變運(yùn)行；

10kV系統(tǒng)：1號(hào)主變101A、101B開關(guān)，2號(hào)主變102A、102B開關(guān)分別對10kVI、II段母線充電，10kVI、II段母線運(yùn)行，無出線負(fù)荷，110開關(guān)熱備用，備自投投入。

3.2 事件描述

某110kV智能變電站，在一次正常巡視中，運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)裝置頻繁啟動(dòng)復(fù)歸（保護(hù)未動(dòng)作），檢查保護(hù)啟動(dòng)信息，報(bào)文顯示為1號(hào)主變10kV側(cè)101B開關(guān)電流較大（最大相電流二次值為3.9A至33A不等，CT變比3000/5），而101A開關(guān)與高壓側(cè)701開關(guān)電流幾乎為零，差流達(dá)到啟動(dòng)定值導(dǎo)致保護(hù)啟動(dòng)。檢查現(xiàn)場后發(fā)現(xiàn)，主變差動(dòng)保護(hù)軟壓板正確投入，差動(dòng)保護(hù)定值設(shè)置正確，現(xiàn)場一次設(shè)備狀態(tài)正常，未也未發(fā)現(xiàn)其他異常情況。

3.3 原因分析

該站主變保護(hù)與合并單元之間采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，即差動(dòng)合并單元將相應(yīng)互感器采集的模擬量轉(zhuǎn)換成為差動(dòng)保護(hù)的電流數(shù)字量；后備保護(hù)所需的電流電壓數(shù)字量由后備合并單元將相應(yīng)模擬量轉(zhuǎn)換得來。

因?yàn)?號(hào)主變低后備保護(hù)無異常信號(hào)，保護(hù)裝置屏上101B電流顯示正常（無出線負(fù)荷，101B開關(guān)電流正常值為0左右），同時(shí)現(xiàn)場相關(guān)一次設(shè)備無異常情況，因此可以排除101B斷路器故障。

查詢1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)定值單可知，1號(hào)主變差動(dòng)速斷與比率差動(dòng)均處于投入狀態(tài)，差動(dòng)保護(hù)電流啟動(dòng)定值為0.6Ie，差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作定值為6Ie。比對現(xiàn)場數(shù)次保護(hù)啟動(dòng)的縱差差流值發(fā)現(xiàn)，所有保護(hù)啟動(dòng)時(shí)的縱差差流均達(dá)到啟動(dòng)定值，保護(hù)啟動(dòng)均為正確動(dòng)作。同時(shí)，通過對主變差動(dòng)保護(hù)故障錄波分析發(fā)現(xiàn)，A相、B相縱差差流于14.292秒出現(xiàn)尖峰，持續(xù)0.001秒，保護(hù)啟動(dòng)；14.293秒差流消失，保護(hù)啟動(dòng)后未動(dòng)作。綜上分析可以得出，保護(hù)的動(dòng)作邏輯完全正確，可排除保護(hù)裝置故障。

通過上述分析可將故障范圍鎖定在合并單元設(shè)備上。綜合故障錄波圖和合并單元雙A/D轉(zhuǎn)換原理分析可初步得出，故障原因?yàn)楹喜卧l(fā)送給保護(hù)啟動(dòng)元件的電流數(shù)字量發(fā)生錯(cuò)誤導(dǎo)致保護(hù)誤啟動(dòng)，而發(fā)送給保護(hù)動(dòng)作元件的數(shù)字量正常故保護(hù)動(dòng)作正確。之后由合并單元廠家檢測后發(fā)現(xiàn)，合并單元A/D轉(zhuǎn)換單元存在個(gè)別點(diǎn)數(shù)據(jù)異常（跳大數(shù)）現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)送給保護(hù)啟動(dòng)元件的采樣值發(fā)生異常，從而引發(fā)此次保護(hù)誤啟動(dòng)情況的發(fā)生。

針對合并單元發(fā)送采樣值異常的情況，已更換合并單元及相關(guān)報(bào)文發(fā)送插件。更換后，1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)再未出現(xiàn)過保護(hù)誤啟動(dòng)現(xiàn)象。

4 合并單元發(fā)展方向

4.1 合并單元的精度、速度和系統(tǒng)功能不斷發(fā)展

目前，合并單元的組合設(shè)備隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷更新，處理數(shù)據(jù)能力也逐步提升，同時(shí)模塊處理速度和采樣數(shù)據(jù)速度都有所提高。隨著設(shè)備不斷完善，其復(fù)雜程度也隨之加深，設(shè)備的功能因?yàn)樵黾恿撕芏嘤杏霉δ芏玫礁钜徊降耐卣?，更好地保證其工作狀態(tài)和量值輸出質(zhì)量。

另外，上述提到的合并單元報(bào)文采樣延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)以及硬件和軟件異常等問題，也隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展得到了妥善解決，相信不久的將來合并單元的穩(wěn)定性會(huì)越來越高。

4.2 接口規(guī)范不斷完善

因?yàn)閿?shù)據(jù)通訊量比較大，數(shù)據(jù)采集比較及時(shí)，且需要處理的任務(wù)比較多，所以需要按照相應(yīng)的接口規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，但目前電子式互感器與合并單元間的信息交換還沒有確切的標(biāo)準(zhǔn)，所以就加大了信息互聯(lián)的工作量，現(xiàn)在電子式互感器與合并單元間采用高速光纖通道接口，相應(yīng)配套使用較多的是IEC60044-8串行接口標(biāo)準(zhǔn)。

合并單元與保護(hù)測控裝置的接口，不僅可以使用交換機(jī)組網(wǎng)方式，還可以使用點(diǎn)對點(diǎn)得通信方式。目前采用最主要的接口標(biāo)準(zhǔn)是IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)楝F(xiàn)場的合并單元故障率較高，所以國家電網(wǎng)公司相應(yīng)提出了“常規(guī)采樣GOOSE跳閘”方式。

隨著國家科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新，智能電網(wǎng)不斷發(fā)展，設(shè)備更新速度越來越快。相應(yīng)提出了合并單元與保護(hù)測控裝置間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享的概念。再加上合并單元與相關(guān)設(shè)備的接口規(guī)范逐步健全，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享指日可待。

4.3 同步采樣方式現(xiàn)狀

目前合并單元同步采樣技術(shù)主要采用2種方式，一種是電子式互感器采樣器向合并單元采集采樣脈沖，這種方式合并單元只需通過采樣延時(shí)和通道傳輸延時(shí)就可確定確切的采樣時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)同步采樣；另一種是合并單元重采樣處理異步采樣值。2種不同的同步方式都通過主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步，不論以任何方式同步，都要保證精確同步數(shù)據(jù)。如果發(fā)生合并單元首次接入進(jìn)行信號(hào)同步、合并單元失去同步信號(hào)后重新獲得、合并單元正常運(yùn)行過程中同步信號(hào)的質(zhì)量產(chǎn)生變化等情況，會(huì)影響合并單元同步的精確度。上述情況在切換主、備時(shí)鐘源時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)，對合并單元與間隔層主設(shè)備間的同步產(chǎn)生消極影響。

5 結(jié)束語

智能變電站中合并單元起著至關(guān)重要的作用，它直接影響測控保護(hù)裝置的可靠性。通過簡單介紹合并單元的功能、現(xiàn)狀、以及發(fā)展方向，可以預(yù)見的是，只有合并單元技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷改進(jìn)，合并單元的故障率才會(huì)不斷降低，同時(shí)加強(qiáng)入網(wǎng)測試要求，完善相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，才能從根本上保證合并單元通信、同步的速度和精度，從而在根本上更好地支撐智能電網(wǎng)的發(fā)展。