智能變電站故障對(duì)繼電保護(hù)的影響研究

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局，云南 大理 671000)

智能變電站與傳統(tǒng)變電站相比，結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。智能變電站二次變電系統(tǒng)[1]主要包括電子變壓器、合并單元(MU)、開關(guān)、保護(hù)裝置和監(jiān)控裝置等。變壓器、保護(hù)裝置和斷路器的復(fù)雜電纜連接已被光纖取代。保護(hù)和控制裝置的電壓和電流采樣值從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。保護(hù)裝置和監(jiān)測(cè)裝置的模擬信號(hào)采樣是由合并單元代替裝置本身來實(shí)現(xiàn)的[2]，這些變化對(duì)智能變電站時(shí)間同步系統(tǒng)提出了更高要求。

常規(guī)變電站采用整群抽樣，繼電保護(hù)裝置和其他自動(dòng)化裝置，無論主、次電參數(shù)的傳輸延遲如何，都能根據(jù)采樣脈沖對(duì)應(yīng)的TA、TV二次參數(shù)進(jìn)行采樣，從而保證采樣數(shù)據(jù)的同時(shí)性。采用電子式互感器[3]后，在保護(hù)裝置和其他自動(dòng)化裝置的數(shù)據(jù)采集模塊向前移動(dòng)到合并單元?；ジ衅鞯闹饕冸妳?shù)需要前端模塊的采樣和合并單元的處理。每個(gè)電感器的采集和處理是獨(dú)立的，沒有統(tǒng)一的協(xié)調(diào)。一次和二次變電參數(shù)的傳輸延時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)處理的時(shí)延。因此，二次變電參數(shù)在不同的變壓器之間是不同時(shí)的，因而不能直接用于自動(dòng)裝置的計(jì)算。高精度時(shí)鐘同步可以保證每個(gè)區(qū)間合并單元同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。時(shí)鐘同步已成為繼電保護(hù)的重要組成部分，其性能直接影響到繼電保護(hù)的正常工作。

本文根據(jù)智能變電站的需求，介紹了智能變電站時(shí)間同步技術(shù)，提出了時(shí)間同步系統(tǒng)的原理。然后分析了由時(shí)間同步系統(tǒng)故障引起的變電站故障實(shí)例，并提出了相應(yīng)的解決方案。

1 時(shí)間同步技術(shù)

時(shí)間同步技術(shù)為各種保護(hù)和控制裝置提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，對(duì)電網(wǎng)事故分析和保障電力系統(tǒng)運(yùn)行安全起著至關(guān)重要的作用。IEC61850對(duì)采樣值同步的精度有非常明確的要求，它定義了五個(gè)級(jí)別的同步精度T1-T5。其中T1為最低水平，準(zhǔn)確度為1ms，T5為最高水平，準(zhǔn)確度為1μs。目前，智能變電站中常用的時(shí)間系統(tǒng)同步技術(shù)有網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)、IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議和與IGIG-B時(shí)間同步。

1.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議[4]在以太網(wǎng)時(shí)鐘同步協(xié)議中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用于分布式時(shí)間服務(wù)器與客戶端之間的時(shí)間同步。NTP是基于軟件開發(fā)在IP協(xié)議和UDP協(xié)議之上運(yùn)行的應(yīng)用層協(xié)議。根據(jù)服務(wù)器與客戶端之間分組所攜帶的時(shí)間信息計(jì)算時(shí)間誤差，通過一系列算法消除網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性所造成的影響，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)延遲補(bǔ)償。簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP)[5]是一種簡(jiǎn)化的NTP服務(wù)器和NTP客戶端策略。SNTP的精度通常在1～50ms之間，由同步源、網(wǎng)絡(luò)路徑和其他特性決定。NTP的工作原理如圖1所示。

圖1 NTP工作原理

首先，客戶端向服務(wù)器發(fā)送NTP包且包含離開客戶端的時(shí)間標(biāo)簽T1。服務(wù)器接收到NTP包時(shí)，它將向包中添加到達(dá)時(shí)間標(biāo)簽T2和離開時(shí)間標(biāo)簽T3，并將包發(fā)送到客戶端。客戶端接收包的時(shí)間是T4。然后，客戶端可以利用這四個(gè)時(shí)間參數(shù)來計(jì)算時(shí)間同步的包往返延遲d和客戶端與時(shí)間服務(wù)器之間的時(shí)鐘偏移t。

d=(T4-T1)+(T3-T2)

(1)

(2)

在NTP協(xié)議中，從T1到T4的這四個(gè)時(shí)間標(biāo)簽添加到客戶端和服務(wù)器的應(yīng)用層中?？蛻舳伺c服務(wù)器之間消息往返的傳輸延遲必須保持穩(wěn)定，以保證式(2)的建立。傳輸延遲包含網(wǎng)絡(luò)上的延遲以及計(jì)算機(jī)協(xié)議層的處理時(shí)間。當(dāng)上行鏈路和下行鏈路的幀長(zhǎng)度相等時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲可認(rèn)為是相同的。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理和操作系統(tǒng)多任務(wù)處理所造成的時(shí)間誤差是不能消除的，并且為毫秒級(jí)。因此，NTP時(shí)間協(xié)議通?？梢哉J(rèn)為具有毫秒級(jí)精度。

NTP時(shí)鐘系統(tǒng)技術(shù)成熟，操作與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適用于精度要求低的基站控層網(wǎng)絡(luò)，但不能滿足精度要求較高的過程層網(wǎng)絡(luò)。

1.2 IEEE1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)間

IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)定義了精確時(shí)間協(xié)議(PTP)以實(shí)現(xiàn)由網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的測(cè)控系統(tǒng)精確時(shí)間同步。該協(xié)議基于消息流和時(shí)間標(biāo)簽的思想，采用硬件和軟件相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了用于分布式測(cè)量和監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)定時(shí)。

與NTP協(xié)議相比，IEEE1588采用了硬件和軟件兩種方式。時(shí)間標(biāo)簽單元(TSU)位于以太網(wǎng)媒體訪問控制層和以太網(wǎng)接收器之間，它可以檢測(cè)輸入數(shù)據(jù)流和輸出數(shù)據(jù)流以獲得更精確的時(shí)間同步。PTP時(shí)鐘同步[6]是通過發(fā)送和接收同步消息來實(shí)現(xiàn)的。下面給出主時(shí)鐘和從時(shí)鐘同步的過程。

a.主時(shí)鐘周期性地向從屬時(shí)鐘發(fā)送同步信息，一般時(shí)間間隔為2s。該消息包含預(yù)期的發(fā)送時(shí)間標(biāo)簽，它與實(shí)際發(fā)送時(shí)間相比有一定的誤差。當(dāng)從時(shí)鐘接收同步消息時(shí)將記錄準(zhǔn)確的接收時(shí)間TS1。

b.主時(shí)鐘向從屬時(shí)鐘發(fā)送后續(xù)消息，其包含同步消息實(shí)際發(fā)送時(shí)間標(biāo)簽TM1。

c.從屬時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)送延遲請(qǐng)求消息并記錄特定發(fā)送時(shí)間TS3。延遲請(qǐng)求消息的間隔是獨(dú)立設(shè)置的，一般比同步消息時(shí)間間隔長(zhǎng)。主時(shí)鐘在接收延遲請(qǐng)求消息時(shí)記錄時(shí)間標(biāo)簽TM3。

d.主時(shí)鐘向從屬時(shí)鐘發(fā)送延遲響應(yīng)消息，消息包含時(shí)間標(biāo)簽TM3。從屬時(shí)鐘可以精確地計(jì)算網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，使用TM3和它記錄的時(shí)間標(biāo)簽調(diào)整其時(shí)鐘漂移誤差。

軟件和硬件相結(jié)合的方法克服了時(shí)延協(xié)議棧的不確定性，這使得IEEE1588協(xié)議的同步精度達(dá)到微秒級(jí)，為智能變電站過程層時(shí)間同步提供了解決方案。

1.3 IRIG-B時(shí)間

IRIG時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)分為以下兩類：

a.并行時(shí)間碼[7]。由于時(shí)間碼為并行傳輸且傳輸距離很近，則代碼只能是二進(jìn)制。因此，并行時(shí)間碼并不像串行碼那樣被廣泛采用。

b.串行時(shí)間碼[8]。串行時(shí)間碼具有A、B、D、E、G、H六種編碼格式，其中IRIG-B碼應(yīng)用最為廣泛。IRIG-B碼的幀周期為1s，包含100個(gè)碼周期，其中碼周期時(shí)間為10ms。IRIG-B碼有三種代碼元素，即二進(jìn)制的“0”“1”和位置標(biāo)識(shí)標(biāo)記“P”，其脈沖寬度分別為2ms、5ms和8ms。每個(gè)代碼的時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)是其脈沖前沿，幀的參考標(biāo)記由位置標(biāo)識(shí)標(biāo)記和相鄰的參考代碼元素構(gòu)成。每十個(gè)代碼元素都有一個(gè)位置標(biāo)識(shí)標(biāo)記，分別命名為P1、P2、…、P9、P0。PR是幀參考點(diǎn)。PTP工作原理如圖2所示。

圖2 PTP工作原理

時(shí)間格式幀從幀參考標(biāo)記開始。如果有兩個(gè)連續(xù)的8ms位置標(biāo)識(shí)標(biāo)記，則幀從第二標(biāo)記的前部開始，IRIG-B碼的第一字段是關(guān)于秒的信息，第二字段大約為分鐘，第三字段大約為小時(shí)，第四字段和第五字段約為幾天，計(jì)算從1月1日開始，所以幀的時(shí)間信號(hào)可以從前五個(gè)字段中解析出來。IRIG-B代碼包含豐富的時(shí)間信息和必要的監(jiān)控信息，便于后端用戶使用。

IRIG-B時(shí)間同步采用直流傳輸信息，并可通過專用線路傳輸。它具有長(zhǎng)的傳輸距離、高的時(shí)間同步精度和豐富的時(shí)間信息。但I(xiàn)RIG-B碼需要點(diǎn)到點(diǎn)傳輸，網(wǎng)絡(luò)化不靈活。

2 時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

為了保證時(shí)間同步系統(tǒng)的可靠性，智能變電站時(shí)間同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則。

2.1 GPS和羅盤的冗余配置

該系統(tǒng)支持GPS和羅盤的冗余時(shí)鐘，并配置了高精度的準(zhǔn)時(shí)時(shí)鐘。時(shí)間同步主時(shí)鐘可以訪問GPS+羅盤信號(hào)和IRIG-B外部同步信號(hào)的兩條傳輸路徑。這兩種信號(hào)都起到旋轉(zhuǎn)備用的作用。時(shí)間同步擴(kuò)展裝置可以訪問IRIG-B外部同步信號(hào)的兩條傳輸路徑，兩者都作為備用。冗余配置可以保持時(shí)間同步系統(tǒng)的高可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 自動(dòng)同步自保持的高穩(wěn)定性

系統(tǒng)采用銣原子鐘實(shí)現(xiàn)高精度同步自維護(hù)。銣原子鐘同步自我維護(hù)的精度可以達(dá)到3μs/天，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于55μs/天的標(biāo)準(zhǔn)要求。系統(tǒng)采用閉環(huán)控制同步自保持理論和卡爾曼數(shù)字濾波技術(shù)，利用外部時(shí)間參考來控制銣鐘。系統(tǒng)輸出的1PPS信號(hào)由內(nèi)部頻率源的分頻來實(shí)現(xiàn)，它與外部時(shí)間參考輸出的1PPS信號(hào)的長(zhǎng)期平均值同步，克服了外部時(shí)間參考的第二個(gè)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換造成的影響。時(shí)間同步信號(hào)具有很高的精度和穩(wěn)定性，且時(shí)間精度為±0.1μs。

2.3 時(shí)間跳躍的連續(xù)性

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步主時(shí)鐘和定時(shí)信號(hào)擴(kuò)展裝置都具有同步自維護(hù)單元。當(dāng)同步自保持單元接收外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)了與外部參考信號(hào)的同步。當(dāng)單元不能接收外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，它將保持一定的時(shí)間精度以保證輸出時(shí)間同步信號(hào)的精度。當(dāng)外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)恢復(fù)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步主時(shí)鐘和定時(shí)信號(hào)擴(kuò)展裝置切換到正常操作狀態(tài)，切換時(shí)間小于0.5s。

2.4 統(tǒng)一輸出時(shí)間信號(hào)

當(dāng)本地PPS與外部參考源同步時(shí)鐘發(fā)生內(nèi)部延遲時(shí)，可以采用提前時(shí)間延遲補(bǔ)償技術(shù)來克服延遲。每個(gè)輸出通道都有它自己的延遲補(bǔ)償。通常，一個(gè)時(shí)間同步系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與各種端口的同步，如RS232、RS485、光端口、電端口和網(wǎng)絡(luò)端口。利用不同的延時(shí)時(shí)間補(bǔ)償，不同端口的輸出信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)與同一外部時(shí)鐘源的同步。多端口超前延時(shí)補(bǔ)償技術(shù)可以根據(jù)內(nèi)標(biāo)PPS和信道信號(hào)配置來設(shè)置不同的延時(shí)補(bǔ)償。它使設(shè)備完全實(shí)現(xiàn)與外部時(shí)鐘源同步，提高了系統(tǒng)的瞬時(shí)性和穩(wěn)定性。

2.5 電源冗余設(shè)計(jì)原則

電源模塊采用雙電源冗余備份且具有寬范圍的DC和AC，如果一塊電源發(fā)生故障，另一個(gè)電源仍能保持供電，從而有可能進(jìn)行熱插拔更換。

3 故障對(duì)繼電保護(hù)的影響分析

時(shí)間同步系統(tǒng)可以為各種電力系統(tǒng)二次變電設(shè)備提供時(shí)間和同步信息，如調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、微機(jī)繼電保護(hù)裝置、雷電定位系統(tǒng)等。變電站的主要連接如圖3所示。

與GPS時(shí)鐘源擴(kuò)展板連接的設(shè)備為：2號(hào)主變壓器中壓側(cè)合并單元A/B，2號(hào)主變壓器低壓側(cè)合并單元A/B，1號(hào)主要變壓器高壓側(cè)合并單元B和110kV母線合并單元A；羅盤時(shí)鐘源擴(kuò)展板連接的設(shè)備為：2號(hào)主變高壓側(cè)合并單元A/B，110kV母線合并單元B，110kV分段合并單元和1號(hào)主變壓器高壓側(cè)合并單元A。

圖3 變電站主接線圖

2017年12月28日18時(shí)19分24秒，110kV區(qū)段合并單元和1號(hào)主變高壓側(cè)合并單元失去同步。18時(shí)19分29秒，2號(hào)主變高壓側(cè)合并單元A/B與110kV母線合并單元B失去時(shí)間同步。18時(shí)19分30秒，110kV段合并單元和1號(hào)主變高壓側(cè)合并單元恢復(fù)時(shí)間同步。在18時(shí)19分34.824秒，2號(hào)主變壓器高壓側(cè)合并單元A/B和110kV母線合并單元B恢復(fù)了時(shí)間同步。在18時(shí)19分34.891秒，2號(hào)主變壓器差動(dòng)保護(hù)使開關(guān)三側(cè)跳閘。此后，檢查結(jié)果顯示主要系統(tǒng)設(shè)備沒有故障，并且此行程被初步判斷為繼電保護(hù)故障。

在正常工作條件下，合并單元每秒采樣4000個(gè)，從0到3999計(jì)數(shù)。每當(dāng)同步秒脈沖到達(dá)時(shí)，合并單元復(fù)位采樣值并從0開始計(jì)數(shù)。下表顯示了2號(hào)主變壓器合并單元同步故障期間三側(cè)原始數(shù)據(jù)的對(duì)比情況。

2號(hào)主變壓器合并單元A的同步對(duì)比情況表

續(xù)表

當(dāng)合并單元失去同步3s時(shí)，在18時(shí)19分32.824345秒時(shí)，采樣計(jì)數(shù)從3291幀跳到705幀，在18時(shí)19分34.824335秒達(dá)到3996幀，合并單元恢復(fù)了同步，并且高壓側(cè)有一個(gè)705幀的中壓側(cè)和低壓側(cè)之間的間隙。當(dāng)恢復(fù)同步時(shí)，主變壓器判斷采樣數(shù)據(jù)有效，打開差動(dòng)保護(hù)，導(dǎo)致差動(dòng)操作失靈。在18時(shí)19分36.824652秒，系統(tǒng)再次失去同步。

結(jié)果表明：110 kV母線合并單元、110 kV段合并單元，1號(hào)主變壓器合并單元A和2號(hào)主變壓器合并單元B都經(jīng)歷了同步丟失，計(jì)數(shù)跳變，同步恢復(fù)和丟失再次同步。跳頻幅度均為705幀，但跳頻時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間不同?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明2號(hào)主變壓器合并單元沒有同步自保護(hù)功能。當(dāng)羅盤系統(tǒng)丟失衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)無法切換到GPS時(shí)間。同時(shí)GPS時(shí)鐘源上的所有擴(kuò)展板都停止發(fā)送定時(shí)信號(hào)，從而連接到擴(kuò)展板的設(shè)備失去同步。

當(dāng)采樣失去同步時(shí)，主變壓器鎖定差動(dòng)保護(hù)。當(dāng)采樣恢復(fù)同步時(shí)，主變壓器打開差動(dòng)保護(hù)并檢索出可以整除80的采樣數(shù)據(jù)，以確保三邊采樣點(diǎn)的同步。在這種情況下，只考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸引起的時(shí)間延遲，主變壓器不能正確處理時(shí)間差超過一個(gè)周期的情況。

故障的直接原因是主變壓器繼電保護(hù)的缺陷。當(dāng)三方的樣本數(shù)量不一致時(shí)，誤動(dòng)保護(hù)通常不能鎖定故障。間接原因是系統(tǒng)丟失羅盤時(shí)鐘源信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)無法正常切換到GPS時(shí)鐘源并停止發(fā)送定時(shí)信號(hào)。這直接導(dǎo)致了三方樣本數(shù)量的不一致。

4 結(jié) 論

智能變電站實(shí)現(xiàn)了所有變電站信息的數(shù)字化，通信平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化和信息共享的規(guī)范化，使得所有設(shè)備和子系統(tǒng)通過光纖以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，對(duì)變電站時(shí)間同步系統(tǒng)提出了更高的要求。本文介紹了現(xiàn)實(shí)中常用的幾種時(shí)間同步技術(shù)，給出了時(shí)間同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，分析了時(shí)間同步系統(tǒng)誤差對(duì)保護(hù)裝置的影響，并提出了一些改進(jìn)措施，這對(duì)于智能變電站系統(tǒng)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

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