智能站合并單元采樣方式問(wèn)題探討

白 瑞，王 亮，白雪婷

(1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650504)

0 引言

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要組成部分，智能變電站建設(shè)初期多采用“電子式互感器+合并單元”方式采集電壓和電流，由于電子式互感器在運(yùn)行中存在性能不穩(wěn)定、可靠性差、故障率高等問(wèn)題，智能變電站建設(shè)后期均改為“常規(guī)互感器+合并單元”的采樣模式。2015年，新投入的500 kV智能變電站過(guò)程層取消合并單元，保留智能終端；2017年也出臺(tái)了220 kV智能變電站過(guò)程層取消合并單元的要求，即采用“常規(guī)采樣+GOOSE跳閘”的方式。

1 目前智能站線路保護(hù)配置

圖1 雙母線接線的線路保護(hù)配置

《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》Q/GDW 383—2009提出了智能站繼電保護(hù)應(yīng)遵循直接采樣、直接跳閘的原則。圖1為目前220 kV及以上電壓等級(jí)雙母線接線的線路保護(hù)配置圖。

線路的常規(guī)電流互感器TA將交流電流通過(guò)電纜上傳給間隔合并單元，母線電壓由電壓互感器TV通過(guò)電纜上傳給母線合并單元，然后級(jí)聯(lián)傳輸給間隔合并單元。間隔合并單元將采樣到的電壓、電流以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖直聯(lián)方式傳輸給保護(hù)裝置，保護(hù)裝置與智能終端之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖直跳方式，啟母差失靈和母差保護(hù)發(fā)遠(yuǎn)跳等跨間隔信息采用GOOSE光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸。線路TV一般只采集單相的線路電壓，由間隔合并單元上傳給測(cè)控裝置。測(cè)控根據(jù)線路電壓和母線電壓進(jìn)行遙控合閘操作時(shí)的檢無(wú)壓、檢同期判斷。

2 合并單元

合并單元是針對(duì)與數(shù)字化輸出的電子互感器連接而提出的，可以同步采集多路電子互感器輸出的數(shù)字信號(hào)或常規(guī)互感器輸出的模擬信號(hào)。傳統(tǒng)變電站中保護(hù)、測(cè)控等裝置所需的電氣量都通過(guò)本身的采樣模塊實(shí)現(xiàn)，智能站通過(guò)合并單元完成傳統(tǒng)變電站中保護(hù)、測(cè)控等裝置的電氣量采集，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通信接口發(fā)送給保護(hù)、測(cè)控、錄波器等裝置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和數(shù)據(jù)來(lái)源的唯一性。

智能變電站內(nèi)設(shè)備分成三層，合并單元作為過(guò)程層設(shè)備與間隔層智能電子設(shè)備間采樣數(shù)據(jù)的傳輸橋梁，其主要功能如下：模擬量采集；開關(guān)量采集；同步功能；級(jí)聯(lián)功能（間隔合并單元）；電壓切換（間隔合并單元）；電壓并列（母線合并單元）。

在“常規(guī)互感器+合并單元”的直采模式下，合并單元的采樣額定延時(shí)和同步特性將直接影響間隔層保護(hù)裝置動(dòng)作的時(shí)間和正確性；合并單元自身的穩(wěn)定性和可靠性也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)阻塞嚴(yán)重程度和保護(hù)動(dòng)作可靠程度。

2.1 采樣延時(shí)

常規(guī)變電站的電流、電壓模擬量的采集由TA、TV通過(guò)電纜直接接入保護(hù)裝置，由于模擬量電信號(hào)在電纜中的傳播速度接近光速，采樣數(shù)據(jù)延時(shí)非常小，且很固定，即可認(rèn)為常規(guī)站的保護(hù)裝置交流量采樣是幾乎沒(méi)有延時(shí)的。因此，只要根據(jù)保護(hù)裝置自身的采樣脈沖在某一時(shí)刻對(duì)相關(guān)TA、TV的模擬量進(jìn)行采樣，就能保證數(shù)據(jù)的同時(shí)性。

智能站“常規(guī)互感器+合并單元”的直采模式下，TA采集的電流模擬量通過(guò)間隔合并單元濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量，再由光纖傳輸進(jìn)入保護(hù)裝置，因此采樣環(huán)節(jié)產(chǎn)生延時(shí)，如圖2所示。

圖2 合并單元產(chǎn)生的延時(shí)

此時(shí)保護(hù)裝置接收到采樣數(shù)據(jù)的延時(shí)[1]為

其中，Δtlb+Δtcy為間隔合并單元內(nèi)部對(duì)電流量濾波和采樣的延時(shí)，Δtczcy為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入保護(hù)裝置后，保護(hù)裝置對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解碼和插值法重采樣進(jìn)行同步產(chǎn)生的延時(shí)[2]。

另外，電壓由母線合并單元采集母線TV的模擬量后通過(guò)級(jí)聯(lián)傳輸給間隔合并單元，再由間隔合并單元上傳給線路保護(hù)裝置。因此，電壓的采樣延時(shí)要更加地延長(zhǎng)。目前，各繼保廠家生產(chǎn)的間隔合并單元延時(shí)約為2 ms，母線合并單元的采樣延時(shí)約為1 ms[3]。

因此，同常規(guī)變電站的采樣回路相比，智能站增加了合并單元，采樣回路多了一個(gè)環(huán)節(jié)，回路的采樣過(guò)程產(chǎn)生延時(shí)。一次設(shè)備和線路發(fā)生短路故障后，保護(hù)裝置整組動(dòng)作時(shí)間也增大，速動(dòng)性降低，加劇故障設(shè)備和線路受損程度，不能及時(shí)縮小故障波及范圍。

2.2 插值同步

常規(guī)變電站的電流互感器、電壓互感器輸出的是連續(xù)的模擬量，各個(gè)電壓、電流模擬量之間基本上是同步的，它們相互之間的差別僅在于各互感器傳變相角差的不一致。按照國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的互感器，其傳變延時(shí)的不一致性非常小，這些在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中可以忽略不計(jì)。因此，傳統(tǒng)常規(guī)變電站不需要考慮采樣同步問(wèn)題。

在智能站“常規(guī)互感器+合并單元”的直采模式下，電流互感器、電壓互感器的數(shù)據(jù)采集模塊由以前的保護(hù)裝置前移到了合并單元，合并單元將數(shù)字信號(hào)通過(guò)光纖傳送給保護(hù)裝置。以220 kV線路保護(hù)為例，若不采取同步措施，間隔合并單元和母線合并單元的數(shù)據(jù)采集處理環(huán)節(jié)相互獨(dú)立，沒(méi)有統(tǒng)一協(xié)調(diào)，且合并單元自身的處理延時(shí)，導(dǎo)致進(jìn)入線路保護(hù)裝置的電流、電壓數(shù)字信號(hào)不具有同時(shí)性，必然影響保護(hù)裝置正確動(dòng)作。因此，智能站直采模式下，必須解決同步采樣的問(wèn)題[4]。同步主要涉及以下方面：同一間隔電流、電壓之間采樣同步；跨間隔、跨電壓等級(jí)的數(shù)據(jù)同步（變壓器各側(cè)、母線保護(hù)各間隔電流、電壓的同步）；輸電線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)兩端的電流同步。

合并單元對(duì)本間隔的電壓、電流進(jìn)行同步，將數(shù)據(jù)以固定的延時(shí)發(fā)送給保護(hù)裝置。保護(hù)裝置在接收到每一個(gè)合并單元的數(shù)據(jù)后進(jìn)行傳輸延時(shí)的修正，修正之后各間隔的電壓、電流采樣起點(diǎn)近似相同，然后保護(hù)裝置利用內(nèi)部時(shí)鐘分頻后的重采樣脈沖對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算。所以，在保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)進(jìn)行重采樣時(shí)，需要對(duì)每個(gè)間隔均按照既定的傳輸延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償修正，修正之后各間隔的電壓、電流采樣起點(diǎn)則可以認(rèn)為是近似相同的。

近年來(lái)，智能站發(fā)生了多起差動(dòng)保護(hù)裝置誤動(dòng)作事故，究其原因均是合并單元同步異常、內(nèi)部軟件延時(shí)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤等原因?qū)е虏顒?dòng)保護(hù)采樣不同步所引起的。

2.3 合并單元測(cè)試問(wèn)題

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程中，由于合并單元調(diào)試過(guò)程必須使用相應(yīng)廠家專用軟件才可進(jìn)行，這樣調(diào)試人員容易產(chǎn)生對(duì)其重視程度不夠的麻痹思想，很多情況下調(diào)試人員不是忽略了合并單元的檢測(cè)試驗(yàn)，就是索性將其交給生產(chǎn)廠家人員進(jìn)行測(cè)試。這樣的調(diào)試質(zhì)量必定為以后的安全運(yùn)行埋下隱患。

3 常規(guī)采樣智能站的應(yīng)用

山西省五寨500 kV智能變電站是山西省第一座采用“常規(guī)采樣+GOOSE跳閘”方式的智能站。其高壓側(cè)500 kV和中壓側(cè)220 kV的過(guò)程層采用常規(guī)采樣方式，而低壓35 kV側(cè)的過(guò)程層依舊采用“常規(guī)互感器+合并單元”采樣方式。

“常規(guī)采樣+GOOSE跳閘”下雙母線接線的線路保護(hù)配置如圖3所示。

圖3 常規(guī)采樣的智能站過(guò)程層網(wǎng)路結(jié)構(gòu)

智能站常規(guī)采樣方式具體改進(jìn)方案如下。

a）采樣方式回歸傳統(tǒng)變電站采樣回路，TA/TV將電流、電壓模擬量由電纜直接傳輸給保護(hù)裝置和測(cè)控裝置。

b）跳閘回路依舊采用保護(hù)裝置通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖連接到智能終端。

c） 電壓切換功能由常規(guī)的電壓切換裝置實(shí)現(xiàn)，將支路母線刀閘位置輔助觸點(diǎn)由電纜接入電壓切換裝置，電壓切換選擇后，將電壓信息接入保護(hù)裝置。

從以上改進(jìn)方案可見(jiàn)智能站常規(guī)采樣方式有以下特點(diǎn)。

a）把模擬量濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能回歸到保護(hù)裝置中，采樣回路的延時(shí)減小為零。

b）取消合并單元后，采樣回路的同步問(wèn)題也無(wú)需再考慮和解決，采樣回路的零延時(shí)保證了保護(hù)裝置中采樣數(shù)據(jù)的可靠同步。

c）智能裝置數(shù)量減少，設(shè)備成本降低，采樣回路簡(jiǎn)單化。常規(guī)采樣回路方案成熟，工程經(jīng)驗(yàn)豐富，可靠性更有保障。這種方式下避免了由合并單元自身采集、模數(shù)轉(zhuǎn)化帶來(lái)的誤差，消除了由合并單元的告警和故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞和保護(hù)裝置閉鎖的問(wèn)題。

4 結(jié)論

智能站中合并單元主要存在如下問(wèn)題。

a）在采樣過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，增加了保護(hù)整組回路的動(dòng)作時(shí)間，速動(dòng)性降低，加劇故障設(shè)備和線路受損程度，不能及時(shí)縮小故障波及范圍；合并單元同步采樣的準(zhǔn)確性將影響間隔層保護(hù)裝置的正確動(dòng)作。

b）某些合并單元頻繁向后臺(tái)上報(bào)各種告警信號(hào)（SV接收斷鏈、對(duì)時(shí)異常、PT并列異常、PT切換刀閘位置無(wú)效、GOOSE鏈路中斷等），導(dǎo)致間隔層和站控層網(wǎng)絡(luò)發(fā)生阻塞、保護(hù)裝置被頻繁閉鎖。

c）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程中，存在合并單元調(diào)試質(zhì)量不容樂(lè)觀的現(xiàn)象。

目前，國(guó)家電網(wǎng)公司陸續(xù)發(fā)文取消500 kV和220 kV智能變電站過(guò)程層合并單元，保留智能終端的要求；智能站采用常規(guī)采樣方式使得采樣過(guò)程零延時(shí)，采樣同步準(zhǔn)確可靠，縮短了保護(hù)設(shè)備切除故障時(shí)間，提高了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。