智能變電站擴(kuò)建間隔合并單元同步測試方法研究

羅志平，張立志

(國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410014)

智能變電站擴(kuò)建間隔合并單元同步測試方法研究

羅志平，張立志

(國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410014)

介紹了智能變電站合并單元數(shù)據(jù)同步方式，分析了不同數(shù)據(jù)同步方式下合并單元同步性測試存在的問題，提出了一種在智能變電站新間隔擴(kuò)建中合并單元測試數(shù)據(jù)同步性的方法，該方法利用合并單元檢修機(jī)制、電壓切換功能隔離測試設(shè)備與運(yùn)行設(shè)備，解決了智能變電站母線不停電進(jìn)行間隔合并單元同步測試的問題。

智能變電站；合并單元；采樣數(shù)據(jù)同步；同步測試；電壓切換

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電子式互感器的應(yīng)用逐漸增多。但由于目前電子式互感器技術(shù)尚不成熟，在運(yùn)行中其故障率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)互感器，因此國內(nèi)智能變電站主要采用常規(guī)電流互感器加合并單元的方式。合并單元將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并按照IEC61850－9－2/FT3的格式向二次系統(tǒng)裝置傳送電流電壓值。做為智能變電站間隔層和站控層設(shè)備的數(shù)據(jù)來源，合并單元作用十分重要，合并單元的性能指標(biāo)在相關(guān)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中已有明確規(guī)定，其性能的優(yōu)劣直接影響到保護(hù)、測控、計量等。

考慮到保護(hù)的可靠性，220 kV及以上的保護(hù)不依賴外部時鐘，保護(hù)裝置通過插值計算實現(xiàn)采樣值的同步〔1〕，因此合并單元必須計算出采樣值從合并單元輸入至其輸出之間的延時，并以 “額定延時”通過采樣值的一個數(shù)據(jù)通道傳輸給保護(hù)裝置。保護(hù)裝置通過額定延時將采樣值還原到其一次的發(fā)生的真實時刻，以實現(xiàn)間隔采樣值的同步〔2〕。合并單元數(shù)據(jù)上傳采用組網(wǎng)方式時，需要能夠接收外部時鐘同步信號來實現(xiàn)多個合并單元之間的同步采樣，同步方式宜采用IEC61588對時方式〔3〕。根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，國內(nèi)智能變電站保護(hù)與合并單元連接采用點對點方式，由保護(hù)裝置實現(xiàn)采樣值同步；測控裝置與合并單元連接采用組網(wǎng)方式，由合并單元根據(jù)外部時鐘實現(xiàn)采樣同步。

文中對500 kV，220 kV智能變電站合并單元數(shù)據(jù)同步方式進(jìn)行了介紹，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)同步方式分析合并單元同步性現(xiàn)場測試存在的問題，提出對變電站新擴(kuò)建間隔合并單元進(jìn)行數(shù)據(jù)同步性測試的方法，并對現(xiàn)場執(zhí)行的安全措施進(jìn)行了研究。該方法利用合并單元檢修機(jī)制、電壓切換功能對測試設(shè)備與運(yùn)行設(shè)備的信息流進(jìn)行隔離，實現(xiàn)了智能變電站母線不停電情況下進(jìn)行間隔合并單元的數(shù)據(jù)同步測試。

1 采樣數(shù)據(jù)同步方式

1.1 間隔合并單元采樣數(shù)據(jù)的同步

智能變電站間隔技術(shù)實施方案如圖1所示，母線TV合并單元電壓量通過間隔合并單元傳輸至保護(hù)裝置。因此，間隔合并單元傳輸給保護(hù)裝置的電壓、電流量必須為同一時刻的采樣，其同步性能對方向元件和距離元件有直接的影響。母線TV合并單元自帶延時信息發(fā)送給間隔合并單元，間隔合并單元依據(jù)延時通過插值重采樣對電壓采樣進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)本間隔電流與接收到的電壓數(shù)據(jù)同步。

圖1 220 kV線路間隔實施方案

1.2 多間隔點對點采樣數(shù)據(jù)的同步

間隔合并單元自帶延時信息發(fā)送給間隔層保護(hù)裝置后，母線保護(hù)裝置 (見圖2)依據(jù)該延時信息對采樣時標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，然后通過插值重采樣實現(xiàn)多間隔之間的數(shù)據(jù)同步〔4〕。對于線路差動保護(hù)，常采用調(diào)整采樣時刻法或調(diào)整采樣序號的方法實現(xiàn)兩側(cè)數(shù)據(jù)的同步〔5－7〕。對于保護(hù)裝置而言，這種分布式采樣同步方式引入了合并單元、保護(hù)裝置多個環(huán)節(jié)的誤差，其同步效果對差動類保護(hù)、方向元件和距離元件的精度有直接的影響。因此，現(xiàn)場需要對多間隔之間的同步性能進(jìn)行系統(tǒng)的測試。

圖2 母線保護(hù)實施方案

1.3 組網(wǎng)方式采樣數(shù)據(jù)的同步

合并單元傳輸采樣值采取組網(wǎng)方式時，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過交換機(jī)傳輸后，由于交換機(jī)的數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)增加了傳輸延時，并且該延時受到報文大小和網(wǎng)路工況的影響，造成傳輸延時存在不確定性。由于采樣脈沖由合并單元控制，此時可以采用外時鐘同步法，將所有間隔合并單元的采樣脈沖拉至同步，保證所有間隔在同一時刻進(jìn)行采樣。

2 數(shù)據(jù)同步測試問題

對于接收合并單元電流、電壓采樣數(shù)據(jù)的保護(hù)裝置來說，電壓、電流數(shù)據(jù)的不同步，會影響保護(hù)方向元件和距離元件的正確判斷；對于接收跨間隔合并單元采樣數(shù)據(jù)的保護(hù)裝置，如母線、變壓器保護(hù)等，不同步的電流采樣數(shù)據(jù)用于保護(hù)計算將沒有意義，并且會出現(xiàn)一定的計算差流，嚴(yán)重時將影響保護(hù)的可靠運(yùn)行〔8〕；組網(wǎng)方式接收采樣數(shù)據(jù)的裝置，如500 kV線路測控裝置等，根據(jù)不同步的數(shù)據(jù)計算出的線路功率值是不準(zhǔn)確的。因此，智能變電站調(diào)試必須要對合并單元的傳輸延時、數(shù)字量角度誤差和失步再同步性能進(jìn)行測試〔9〕。

在500 kV間隔擴(kuò)建時，3/2接線由不完整串?dāng)U建為完整串，新增電流合并單元、線路 (主變)電壓合并單元各1臺。圖3給出了500 kV線路間隔各合并單元鏈接回路圖，500 kV母線電壓合并單元級聯(lián)至線路電壓合并單元，線路電壓合并單元將母線單相電壓與線路間隔三相電壓采樣數(shù)據(jù)同步后，由單獨的鏈路上傳至保護(hù)、組網(wǎng)交換機(jī)，與電流合并單元無級聯(lián)關(guān)系。因此，合并單元同步測試包括線路電壓合并單元母線電壓與線路電壓數(shù)據(jù)同步測試、電流合并單元同步測試 (線路保護(hù)、母線保護(hù))以及線路測控裝置采樣失步再同步測試。由于母線電壓合并單元為運(yùn)行設(shè)備，與新擴(kuò)建線路電壓合并單元數(shù)據(jù)同步測試要做好相應(yīng)的安全措施，避免影響到其他運(yùn)行的斷路器保護(hù)。

圖3 500 kV線路測控技術(shù)實施方案

220 kV，110 kV擴(kuò)建單個間隔合并單元調(diào)試，需要測試電流和電壓間的數(shù)據(jù)同步性，驗證合并單元數(shù)據(jù)傳輸延時處理的正確性。試驗時母線TV合并單元與間隔合并單元級聯(lián)，現(xiàn)場給母線TV合并單元、間隔合并單元加相同相位的電壓和電流量，測試間隔合并單元輸出的電流電壓的數(shù)據(jù)同步。由于母線TV合并單元為公用單元，在母線不停電時，給母線TV合并單元加電壓量會影響到其它間隔電壓數(shù)據(jù)的采樣。尤其是，如果退出110 kV母線TV合并單元通入模擬量，將會造成110 kV線路所有間隔失去距離、零序主保護(hù)，保護(hù)無方向性。因此，對于220 kV，110 kV間隔合并單元，如何在不影響運(yùn)行間隔保護(hù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)電壓電流同步性的測試，是間隔擴(kuò)建合并單元調(diào)試工作的難點。

3 數(shù)據(jù)同步測試方法

智能變電站由于將二次電流、電壓的采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換前置到了合并單元，然后再從合并單元通過SV報文方式上傳給間隔層的保護(hù)及測控裝置。檢修設(shè)備與運(yùn)行設(shè)備是通過信息隔離的方式進(jìn)行。智能變電站二次設(shè)備設(shè)置有檢修壓板，當(dāng)合并單元裝置投入 “檢修壓板”后，其發(fā)送的SV報文中采樣值數(shù)據(jù)的品質(zhì)q的Test位置True。SV接收端裝置將接收的SV報文中的Test位與裝置自身的檢修壓板狀態(tài)進(jìn)行比較，只有兩者一致時才將該信號用于保護(hù)邏輯，否則應(yīng)不參加保護(hù)邏輯的計算。表1給出了母線TV合并單元、間隔合并單元和保護(hù)裝置三者的檢修壓板不同狀態(tài)下，保護(hù)裝置接收SV報文數(shù)據(jù)的有效性。

表1 合并單元與保護(hù)裝置檢修壓板配合

表1可以看出，投入合并單元檢修壓板，可以將合并單元的采樣值置無效。因此，可以采取投入合并單元檢修壓板的方式，隔離合并單元與各間隔保護(hù)裝置之間的信息流。

3.1 500 kV擴(kuò)建間隔合并單元數(shù)據(jù)同步測試

3/2接線由不完整串?dāng)U建為完整串，施工過程中間斷路器停電。基于智能變電站的合并單元檢修機(jī)制，提出表2所示的500 kV擴(kuò)建間隔合并單元測試的安全措施。

表2 500 kV擴(kuò)建間隔合并單元調(diào)試的安全措施

500 kV母線TV合并單元電壓采樣數(shù)據(jù)上傳至斷路器保護(hù)、測控裝置，用做斷路器手動合閘的同期判據(jù)。表2所列安全措施中投入母線TV合并單元檢修壓板，斷路器保護(hù)裝置的母線電壓采樣數(shù)據(jù)無效，對采用單重方式的斷路器保護(hù)功能無影響。

線路間隔的合并單元同步測試、電壓合并單元同步測試、線路測控裝置數(shù)據(jù)同步測試的試驗接線如圖4所示。

圖4 500 kV新增間隔合并單元數(shù)據(jù)同步測試接線

線路間隔的合并單元同步測試:中、邊TA合并單元加同相位電流模擬量，觀察保護(hù)裝置的同步角度誤差應(yīng)不大于3°；施加穿越性負(fù)荷電流，施加的電流不大于差動啟動值使差流平衡模擬正常運(yùn)行，然后同時突增電流遠(yuǎn)大于啟動電流模擬區(qū)外穿越性故障，檢查線路差動保護(hù)動作情況是否正確。

電壓合并單元同步測試:采用繼電保護(hù)測試儀給母線TV合并單元、線路電壓合并單元同時加模擬量，電壓間角度按0°，90°，270°變化角度，通過讀取線路保護(hù)裝置采樣檢查角度誤差不大于3°。

線路測控裝置失步再同步測試:中、邊TA合并單元加同相位電流模擬量，將電流合并單元的外部對時信號斷開，過30 min再將外部對時信號接上，檢查線路測控裝置采樣電流值是否為中、邊TA合并單元和電流值。

3.2 220 kV擴(kuò)建間隔合并單元數(shù)據(jù)同步測試

220 kV母線TV合并單元投入檢修壓板，其他運(yùn)行間隔的電壓采樣無效，線路間隔閉鎖距離、零序保護(hù)，主變間隔閉鎖后備保護(hù)，各間隔保護(hù)的差動主保護(hù)未退出運(yùn)行。因此，可以采取投入母線TV合并單元檢修壓板的方式，隔離TV合并單元與各間隔保護(hù)裝置之間的信息流。220 kV母線TV合并單元采用雙重化設(shè)計，兩套合并單元相對獨立，擴(kuò)建間隔合并單元電流、電壓數(shù)據(jù)同步測試采取逐套退出TV合并單元方式。表3列出了220 kV擴(kuò)建間隔合并單元測試的安全措施。

表3 220 kV擴(kuò)建間隔合并單元調(diào)試的安全措施

新增間隔合并單元數(shù)據(jù)同步測試的試驗接線如圖5所示，采用繼電保護(hù)測試儀給母線TV合并單元、新增間隔合并單元同時加模擬量，電壓、電流間的角度按0°，90°，270°變化角度，通過讀取線路保護(hù)裝置采樣檢查角度誤差不大于3°。

圖5 220 kV擴(kuò)建間隔合并單元數(shù)據(jù)同步測試接線

220 kV母線保護(hù)的新增間隔合并單元測試結(jié)合母線停電接入時進(jìn)行〔10〕，繼電保護(hù)測試出來的延時應(yīng)與母線、線路保護(hù)SV報文中的額定延時誤差不超過20 μs。對于220 kV線路差動保護(hù)兩側(cè)數(shù)據(jù)的同步測試，文獻(xiàn) 〔11〕提供了一種基于同步時鐘的同步整組測試方法。

3.3 110 kV擴(kuò)建間隔數(shù)據(jù)同步測試

220 kV智能變電站的110 kV線路保護(hù)、間隔合并單元為單套配置，而110 kV母線TV合并單元配置2套，目的是配合主變保護(hù)的雙重化配置。一般是將第一套母線TV合并單元級聯(lián)至110 kV線路間隔合并，如果采取與220 kV擴(kuò)建間隔合并單元相同的測試方法——投入合并單元檢修壓板，將會造成110 kV所有間隔線路保護(hù)失去距離、零序主保護(hù)。因此，為避免110 kV線路保護(hù)無主保護(hù)運(yùn)行，必須保證母線TV合并單元正常運(yùn)行。

110 kV間隔合并單元能夠通過GOOSE接收母線刀閘的位置，然后根據(jù)位置進(jìn)行電壓切換后輸出，切換后的母線電壓數(shù)據(jù)再與電流數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理。利用此功能，可以將Ⅰ，Ⅱ母電壓采樣數(shù)據(jù)在間隔合并單元隔離。因此，110 kV新增間隔合并單元電壓、電流數(shù)據(jù)同步測試可以采取如下方法:將110 kV線路、主變間隔全部置Ⅰ母運(yùn)行，騰空Ⅱ母；110 kV新增間隔合并單元Ⅱ母刀閘位置置 “1”。安全措施見表4:

表4 110 kV擴(kuò)建間隔合并單元調(diào)試的安全措施

新增間隔合并單元數(shù)據(jù)同步測試的試驗接線如圖6所示，采用繼電保護(hù)測試儀給110 kV母線TV合并單元的II母電壓輸入回路、新增間隔合并單元同時加模擬量，電壓、電流間的角度按 0°，90°，270°變化角度，通過讀取線路保護(hù)裝置采樣檢查角度誤差不大于3°。由于母線TV合并單元母聯(lián)合位無開入，Ⅰ，Ⅱ母電壓處于解列狀態(tài)，110 kV運(yùn)行間隔在Ⅰ母，保護(hù)電壓為Ⅰ母數(shù)據(jù)。因此，給母線TV合并單元的II母輸入回路加模擬量不會影響到運(yùn)行線路保護(hù)電壓采樣，為避免母線保護(hù)長期發(fā)電壓開放告警信號，試驗時電壓模擬量可以加三相平衡正常電壓。

圖6 110 kV擴(kuò)建間隔合并單元數(shù)據(jù)同步測試接線

4 結(jié)語

智能變電站中合并單元數(shù)據(jù)同步主要涉及:同一間隔三相電流、電壓采樣之間，變壓器差動保護(hù)、母線保護(hù)的跨間隔，500 kV線路保護(hù)中、邊TA之間數(shù)據(jù)采樣同步以及線路縱差保護(hù)線路兩端數(shù)據(jù)采樣同步。文中對合并單元同步方式進(jìn)行了簡介，針對智能變電站擴(kuò)建間隔的合并單元同步測試重點，提出了利用合并單元檢修機(jī)制、電壓切換功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步測試方案，該方案有效地隔離了測試設(shè)備與運(yùn)行設(shè)備，很好地解決了智能變電站不停電進(jìn)行間隔合并單元同步測試的問題。該方案能安全可靠地測試500 kV，220 kV以及110 kV電壓等級間隔合并單元，可用于智能變電站擴(kuò)建、間隔合并單元升級的同步功能測試。

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Study on merging unit synchronization testing method in the expansion project of smart substation

LUO Zhiping，ZHANG Lizhi

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha 410014，China)

This paper introduces the smart substation merge unit data synchronously，analyzes the different data synchronization mode merge unit synchronization test problems，puts forward a new interval extension of intelligent substation merge unit test data synchronization method.The method using merge unit maintenance mechanism and the isolation voltage switching function test equipment and operation，work out synchronization test problems of smart substation bus of merge unit with power.

smart substation；merge unit；sampling data synchronization；synchronous test；voltage switching

TM933

B

1008－0198(2016)06－0021－05

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.006

羅志平(1977)，男，湖南長沙人，工程師，學(xué)士，主要從事繼電保護(hù)專業(yè)技術(shù)及管理工作。

2016－04－06 改回日期:2016－05－09

張立志(1982)，男，湖南長沙人，工程師，碩士，主要從事繼電保護(hù)專業(yè)技術(shù)工作。