重采樣在合并單元延時治理中的應(yīng)用

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(國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長沙 410007)

重采樣在合并單元延時治理中的應(yīng)用

Application of resampling in merging unit delay governance

張?zhí)├冢罟廨x

(國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長沙 410007)

介紹智能變電站合并單元延時的產(chǎn)生和危害，分析采樣系統(tǒng)延時物理過程與兩級延時概念，闡述治理合并單元延時的插值重采樣法，提出合并單元延時指標(biāo)試驗(yàn)流程與接線原理。對某220 kV智能變電站延時超標(biāo)的合并單元全部更換或升級為應(yīng)用重采樣同步技術(shù)的產(chǎn)品，整改實(shí)施結(jié)果表明該方法對控制合并單元延時在允許范圍內(nèi)是簡單而有效的。

智能變電站；合并單元；延時；同步；重采樣

智能變電站基于 “三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，過程層布置了獨(dú)立的合并單元 (MU)和智能終端 (IU)，在保護(hù)裝置獲取采樣數(shù)據(jù)方面與常規(guī)站發(fā)生了根本性的變化〔1〕。

常規(guī)變電站的繼電保護(hù)裝置直接對模擬電氣量采樣，僅通過裝置自身晶振控制的脈沖對電流、電壓進(jìn)行等間隔采樣就能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性，不依賴于外部時鐘，因此可以忽略采樣延時對數(shù)據(jù)同步帶來的影響，同步實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，不需要專門研究。

在智能站，電流、電壓模擬量先經(jīng)過合并單元打包處理為IEC61850－9－2或FT3格式的數(shù)字量，然后再發(fā)送至保護(hù)測控裝置，因此保護(hù)測控裝置實(shí)際上接收到的 “實(shí)時量”經(jīng)過了一定的時間延遲與滯后，而這種數(shù)字處理、傳輸過程延時較為明顯，通常為ms級。對于保護(hù)裝置來說特別是差動保護(hù)無法容忍，因此需要研究MU延時產(chǎn)生原因、影響和治理措施。

由于合并單元是智能變實(shí)現(xiàn)模擬量實(shí)時采集、數(shù)字量轉(zhuǎn)換和電壓電流數(shù)據(jù)同步的過程層關(guān)鍵設(shè)備，時間性能是其關(guān)鍵指標(biāo)，直接關(guān)系到保護(hù)、測控、故障錄波、網(wǎng)絡(luò)分析儀等裝置能否采集到同一時間斷面的電氣量。綜合考慮母線及間隔合并單元采樣時刻的差異、數(shù)模轉(zhuǎn)換及傳輸鏈路延時等因素，將各級合并單元延時誤差控制在合理范圍內(nèi)，使得各保護(hù)測控裝置之間接收到時間上同步的采樣數(shù)據(jù)就顯得尤為復(fù)雜和重要。

國內(nèi)已投運(yùn)的智能變電站因合并單元延時問題引發(fā)的差動保護(hù)誤動情況確有發(fā)生:線路兩側(cè)合并單元延時參數(shù)配置不一致，又剛好相差整數(shù)個工頻周期，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時電流為穩(wěn)態(tài)正弦量，線路兩側(cè)差流為0；而當(dāng)系統(tǒng)某處發(fā)生故障，電流波形有擾動，穿越性電流導(dǎo)致線路差流計(jì)算值超出整定值，造成區(qū)外的母差、主變保護(hù)誤動〔2〕。

智能變電站中保護(hù)交流采樣通過合并單元實(shí)現(xiàn)，保護(hù)跳閘通過智能終端實(shí)現(xiàn)，合智單元設(shè)備質(zhì)量直接影響到繼電保護(hù)等二次系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。尤其是當(dāng)一臺合并單元同時給多個公用保護(hù)傳送采樣值，一旦合并單元出現(xiàn)故障將導(dǎo)致多個保護(hù)不正確動作，需引起高度重視。鑒于合并單元在智能變電站中的重要性及工程應(yīng)用中出現(xiàn)的嚴(yán)重問題，國調(diào)中心要求在2014年完成所有新建、改擴(kuò)建變電站的智能二次設(shè)備的全面清查和整改，將未通過開普實(shí)驗(yàn)室檢測的合智單元全部更換為合格產(chǎn)品，并在驗(yàn)收工作中增加合并單元等新型設(shè)備的試驗(yàn)調(diào)試項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)和解決可能存在的各種缺陷。

文中結(jié)合湖南某座點(diǎn)對點(diǎn)采樣模式的220 kV智能變電站合智單元整改工作，應(yīng)用插值算法、重采樣實(shí)現(xiàn)同步，提出合并單元延時指標(biāo)試驗(yàn)一般流程與接線原理，并對整改實(shí)施結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析與評價。

1 合并單元延時產(chǎn)生

智能變電站相關(guān)技術(shù)規(guī)范對合并單元定義較為寬泛，功能明確但實(shí)現(xiàn)形式各異，與智能變組成結(jié)構(gòu)和設(shè)備型式有關(guān):

1)在功能上，對來自多個二次轉(zhuǎn)換器 (采集器)的電流和/或電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行時間相關(guān)組合〔3〕，如母線合并單元專門采集母線電壓，間隔合并單元采集線路電流并接收母線合并單元轉(zhuǎn)發(fā)的電壓數(shù)據(jù)。合并單元按DL/T 860－92《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)第9.2部分:特定通信服務(wù)映射 (SCSM)映射到IEC 8802—3的采樣值》對多路數(shù)據(jù)進(jìn)行合并與傳輸〔4〕，接收多個電流 (電壓)互感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行同步、合并處理后輸出給保護(hù)、測控等使用，為IED(智能電子設(shè)備)提供一組時間上同步(或相關(guān))的電流、電壓采樣值。

2)在形式上，既可以是互感器的一個組成部件，成為電子式互感器的一部分；也可以是一個分立元件，與智能終端共屏組成智能柜，放置在一次設(shè)備場地內(nèi)。

因電子式互感器在穩(wěn)定性和可靠性等方面問題，目前湖南新建的220 kV智能變電站主要以“傳統(tǒng)電磁式互感器＋合并單元”組站模式居多。由于不存在電子式互感器光電轉(zhuǎn)換模件的時耗影響，合并單元延時主要由其自身軟、硬件產(chǎn)生。

1.1 延時產(chǎn)生過程

電氣量經(jīng)采集、轉(zhuǎn)換到IED接受，其過程延時可以分為3個環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 采樣系統(tǒng)延時物理過程

1)一次電流、電壓經(jīng)線路CVT，CT和母線PT轉(zhuǎn)換為二次量，電磁感應(yīng)瞬時傳變，一、二次值是同步的。二次模擬量經(jīng)電纜送至合并單元接收端子，該過程傳輸近于光速，延時固定且數(shù)值很小，可以忽略，因此tET≈0。

2)線路間隔電流、抽取電壓模擬量進(jìn)入合并單元后，經(jīng)光口輸出9－2/FT3格式的SV報文，轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的延時為合并單元設(shè)備原因造成，且各保護(hù)廠家具體延時指標(biāo)和參數(shù)配置有所不同，因此該過程產(chǎn)生的延時不可忽略。一般來說，tMU為ms級，如單個合并單元延時約為1 ms，2個合并單元級聯(lián)后延時為1.5～2 ms〔5〕。

3)從間隔合并單元端口發(fā)送光數(shù)據(jù)經(jīng)光纖鏈路傳輸?shù)?IED接受，產(chǎn)生的延時主要是交換機(jī)、網(wǎng)線等設(shè)備造成，定義為網(wǎng)絡(luò)延時tInt。對于點(diǎn)對點(diǎn)采樣，包括網(wǎng)線傳輸延時、排隊(duì)延時等；對于網(wǎng)絡(luò)采樣，主要是交換機(jī)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、網(wǎng)絡(luò)擁堵延時等，也與網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

1.2 兩級延時

母線合并單元采集母線PT電壓，通過光口轉(zhuǎn)發(fā)至各線路間隔合并單元。對于母線電壓采樣值而言，經(jīng)過了母線合并單元和線路間隔合并單元兩級時延。線路MU對電磁式電流互感器的二次電流模擬量進(jìn)行采樣，并與電壓數(shù)字量進(jìn)行同步，經(jīng)光纖傳輸給保護(hù)測控裝置，如圖2所示。

圖2 MU兩級延時

2 合并單元延時標(biāo)準(zhǔn)

因合并單元延時造成保護(hù)測控裝置接收到的電壓、電流與實(shí)際值之間產(chǎn)生了偏差，一般用角差來衡量。保護(hù)測控裝置對合并單元的采樣頻率一般要求為4 kHz〔4〕，則每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的角度是4.5°，折算成采樣時間為250 μs，因此1 μs對應(yīng)的角度為1′。若合并單元延時1 μs，相當(dāng)于輸出的電流、電壓與實(shí)際值角度上偏差1′。

采樣值延時過大勢必會影響保護(hù)計(jì)算及測控的實(shí)時性與準(zhǔn)確性，特別是公用保護(hù)如母差對參與計(jì)算的電流值同步性要求更高，必須對其進(jìn)行嚴(yán)格限制。智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范對此進(jìn)行了規(guī)定，要求級聯(lián)后的間隔合并單元輸出SV絕對延時不得超過2 ms〔3，6〕，即工頻周波的十分之一。對于計(jì)量用合并單元要求最為嚴(yán)格，不得超過9.3 μs，見表1〔6〕。

表1 合并單元角度誤差標(biāo)準(zhǔn)

3 合并單元延時治理

為消除或補(bǔ)償合并單元延時影響，通常采用同步方法，數(shù)據(jù)同步的目標(biāo)是保證參與 (差動)保護(hù)運(yùn)算的電壓、電流值追溯到一次側(cè)是同一時刻的。

3.1 同步性能要求

在當(dāng)前已投運(yùn)的智能變電站，各保護(hù)廠家多遵循IEC61850－9－2標(biāo)準(zhǔn)。在同步性能指標(biāo)方面，按數(shù)據(jù)流經(jīng)過合并單元先后順序應(yīng)滿足以下3個方面的技術(shù)條件〔4，7〕:

1)時鐘同步性能要求。合并單元應(yīng)能接收IEC61588或B碼同步對時信號，具備守時功能。在外部同步信號消失后，至少能在10 min內(nèi)繼續(xù)滿足4 μs同步精度要求。

2)各通道間數(shù)據(jù)同步。合并單元應(yīng)能實(shí)現(xiàn)采集器間的采樣同步功能，采樣的同步誤差應(yīng)不大于±1 μs。將不同合并單元、不同通道的多路采樣值同步到同一時間坐標(biāo)，各通道均滿足2 ms延時要求。

3)同步后數(shù)據(jù)等間隔輸出。將每周期80采樣點(diǎn)的電流/電壓數(shù)據(jù)每隔250 μs發(fā)送一幀報文，在點(diǎn)對點(diǎn)模式下每幀報文發(fā)送間隔的時間離散度(即任意連續(xù)兩個采樣點(diǎn)輸出時標(biāo)之差)不超過±10 μs〔8〕。

3.2 數(shù)據(jù)同步方法

合并單元延時治理方式因數(shù)據(jù)同步方法而異。目前智能變電站內(nèi)部采樣數(shù)據(jù)同步主要有以下2種方式〔9〕:

1)外部時鐘同步。通過設(shè)定統(tǒng)一的時鐘來保證各采樣裝置具有相同的采樣時序，使不同合并單元在同一時刻進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，對數(shù)據(jù)進(jìn)行時間標(biāo)定，由帶有相同時序標(biāo)號的數(shù)據(jù)信息保證采樣的時間一致性。

這種方式對外部時鐘源依賴性很高，全站所有的合并單元都需要配置完善的同步對時通道，如網(wǎng)采網(wǎng)跳組站模式中網(wǎng)絡(luò)對時功能。若因天氣原因短時失去時鐘源，或者時鐘源裝置故障，將導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)失步，此時只能通過二次設(shè)備自身晶振的守時功能繼續(xù)保持采樣數(shù)據(jù)的同步。當(dāng)外部時鐘丟失時間大于最大守時時限，可能導(dǎo)致全站采樣數(shù)據(jù)失去同步，因此其可靠性由外部時鐘源決定。

2)插值重采樣同步。對于點(diǎn)對點(diǎn)采樣組站模式，沒有外接統(tǒng)一的時鐘源，合并單元一般通過插值法重采樣實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。

各合并單元采樣相對獨(dú)立，根據(jù)自身晶振完成等間隔脈沖采樣，即各路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采樣頻率相同的非同步采樣。合并單元在接收到各路數(shù)據(jù)的同時給各數(shù)據(jù)幀打上時標(biāo)，并對其進(jìn)行解析，利用重采樣脈沖對各個通道的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算，通過拉格朗日等插值算法計(jì)算出各路量測在同一時刻的采樣值，如圖3所示。

圖3 基于插值算法的重采樣

4 合智單元延時超標(biāo)整改

2014年湖南電網(wǎng)已完成220 kV智能變電站合智單元版本清查和專項(xiàng)整改工作，對未通過開普實(shí)驗(yàn)室檢測的產(chǎn)品進(jìn)行了更換或升級，并對延時指標(biāo)重新進(jìn)行了檢測試驗(yàn)。

以長沙某220 kV智能化變電站為例，全站合并智單元設(shè)備廠家主要是國電南自、南瑞繼保、南瑞科技。220 kV線路二次設(shè)備采用國電南自、南瑞繼保產(chǎn)品，需更換整個合并單元裝置。220 kV，110 kV母線合并單元采用南瑞科技產(chǎn)品，僅更換插件和程序升級。由于涉及改動 ICD模型文件，全站SCD配置文件需要重新配置和更新。

4.1 試驗(yàn)流程與接線

1)合并單元測試儀導(dǎo)入全站SCD文件并加載成功。

2)在SCD文件中，選擇需要進(jìn)行試驗(yàn)的某間隔合并單元。對測試儀設(shè)置基本參數(shù) (選擇合適通道，設(shè)定采樣頻率、輸出采樣波形等)。

3)試驗(yàn)接線，目的是獲取標(biāo)準(zhǔn)源模擬輸出量與經(jīng)合并單元輸出光數(shù)字量之間的時間差，接線原理如圖4所示。

4)用標(biāo)準(zhǔn)源給合并單元輸入額定交流電流(電壓)模擬量，通過拔插電壓光纖，對級聯(lián)前后的MU延時進(jìn)行測定。

5)先用同步法粗略計(jì)算合并單元延時預(yù)估值，再用插值法獲得延時精準(zhǔn)值。

圖4 試驗(yàn)接線原理

4.2 整改實(shí)施效果

試驗(yàn)中采用昂立MU延時測試儀，同時接收標(biāo)準(zhǔn)源輸出的模擬信號與合并單元輸出的數(shù)字信號，二者比對后計(jì)算MU傳輸延時。根據(jù)某間隔合并單元實(shí)測數(shù)據(jù)，分別記錄級聯(lián)前后的延時數(shù)據(jù)，得到表2所示數(shù)據(jù)。

表2 實(shí)測數(shù)據(jù)

從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出:經(jīng)過整改后，各廠家合并單元裝置延時測試均在2 ms(合格范圍)以內(nèi)。不同廠家MU延時指標(biāo)均有所不同，與軟硬件及采取的算法有關(guān)。對于保護(hù)裝置來說，對各合并單元進(jìn)行重采樣獲得數(shù)據(jù)同步是必需的。

5 小結(jié)

當(dāng)繼電保護(hù)裝置接收的采樣值信號來自不同的合并單元時，各路采樣值若不同步將導(dǎo)致保護(hù)裝置采樣數(shù)據(jù)異常，故障發(fā)生時有可能導(dǎo)致誤動或拒動。通過合并單元或保護(hù)裝置自身進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償及插值計(jì)算，獲取到同一時間斷面下的采樣值信息，才能確保繼電保護(hù)裝置的動作正確。在智能變現(xiàn)場調(diào)試過程中，必須理清合并單元延時、采樣值數(shù)據(jù)同步的原理及測試方法，與廠家技術(shù)人員一起現(xiàn)場檢驗(yàn)、正確配置通道延時使其控制在合格范圍內(nèi)。

隨著智能變的推廣普及，合并單元的時間性能測試將逐漸規(guī)范化，需要通過現(xiàn)場實(shí)際檢驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)、反饋并正確解決暴露出來的問題。合并單元時間性能檢測是確保智能變穩(wěn)定可靠運(yùn)行的必要條件，文中提出的合并單元延時指標(biāo)整改試驗(yàn)方案是簡單而有效的，為今后合并單元檢測提供一定的參考和借鑒。

〔1〕胡剛，武振宇，宋庭會.智能變電站實(shí)用知識問答 〔M〕.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

〔2〕國家電網(wǎng)公司.調(diào)繼 〔2013〕293號 國調(diào)中心關(guān)于河南電網(wǎng)500千伏菊城智能變電站多套差動保護(hù)誤動情況的通報 〔R〕.

〔3〕國家能源局.Q/GWD 441—2010智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范 〔S〕.北京:中國電力出版社.

〔4〕國家能源局.DL/T 282—2012合并單元技術(shù)條件 〔S〕.2012.

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〔6〕國家電網(wǎng)公司.基于DLT860標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)和安全自動裝置設(shè)備檢驗(yàn)規(guī)范 〔S〕.北京:中國電力出版社.2011.

〔7〕國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 426—2010智能變電站合并單元技術(shù)規(guī)范 〔S〕.北京:中國電力出版社.2010.

〔8〕李英明，鄭拓夫，周水斌，等.一種智能變電站合并單元關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法 〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2013，37(11): 93-98.

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10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.015

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