智能變電站合并單元額定延時現場測試方法

趙斌超，王 軍，張婉婕，黃秉青，張國輝

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

智能變電站合并單元額定延時現場測試方法

趙斌超，王 軍，張婉婕，黃秉青，張國輝

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

簡述智能變電站合并單元額定延時的產生，在對現有額定延時測試方法進行分析基礎上，提出一種現場實用的合并單元額定延時測試方法，該方法利用常規繼電保護測試儀和故障錄波器即可完成測試，在山東電網合并單元反措實施中得到應用，達到了預期效果。

合并單元；額定延時；采樣同步；測試方法

0 引言

智能電網承載并推動第三次工業革命［1］，作為智能電網發展的重要基礎，智能變電站包括智能化一次設備和網絡化二次設備，按過程層、間隔層、站控層3層結構體系分層構建［2］，合并單元作為變電站過程層重要設備，在一定程度上實現了過程層數據的共享和數字化，并為間隔層、站控層設備提供數據來源，在整個變電站中占有十分重要的地位［3］。然而，隨著合并單元的大規模應用，由合并單元缺陷導致的電網異常事件數呈現大幅增加。據統計，在220 kV電壓等級智能變電站中，合并單元缺陷率曾一度占智能站保護裝置及相關設備故障率的50%以上［4］。在合并單元的缺陷中，合并單元額定延時設置錯誤往往會引起保護裝置不正確動作，造成嚴重后果，近年國網公司通報的某500 kV智能變電站多套差動保護誤動事件就是由于合并單元額定延時設置不一致造成的。

對合并單元額定延時的相關問題進行研究，首先對合并單元額定延時的產生進行闡述，分析目前合并單元額定延時測試采用的主要方法，在此基礎上，提出一種基于常規繼電保護測試儀和故障錄波器的測試方法，介紹該方法在山東電網合并單元反措執行中的應用情況。

1 合并單元額定延時產生

傳統變電站采用電磁式互感器采樣方式，互感器輸出的模擬量通過電纜直接傳輸到間隔層，模擬量傳輸接近光速［5］，傳輸延時固定且數值很小，對全站采樣數據同步性的影響可以忽略。

而智能變電站目前普遍采用的“電磁式互感器+模擬量輸入式合并單元”的采樣方式，互感器輸出的模擬量需經過合并單元A/D轉換、同步處理等環節，然后通過點對點模式或組網模式傳輸到間隔層。合并單元對采樣數據的處理環節造成了數據傳輸的延時，不僅使單路采樣值產生相位誤差，還會造成多路采樣數據傳輸時序的不同步，從而影響全站采樣數據的同步［6］。

針對這一問題，各廠家普遍采用的解決方法是在計算合并單元內部的固有延時后，通過同步法或插值法［7］，在其報文傳輸時加上一定可調延時，利用該延時補足至與其他信號相同的延時時間以保證采樣數據同步［8］。例如，n路信號傳輸至同一終端設備處時所需延時分別為 t1、t2、…、tn，其中 tm最大，則其他信號則在相應的合并單元處增加一可調延時，使得：

將一次電流或電壓被測量的時刻到數字量信號開始發送時刻的固定延時總稱為合并單元額定延時。這樣在工程應用中，將額定延時作為特定參數提供給間隔層裝置，就能實現采樣數據的延時補償，保證多路采樣數據的同步。

2 合并單元額定延時測試方法

合并單元額定延時是影響變電站就地化采樣同步的關鍵因素，對繼電保護的影響主要表現在3個方面：一是間隔內電流電壓同步性，會影響保護距離計算/方向判別等功能使用；二是變電站內跨間隔電流電壓同步性，會影響變壓器和母線差動保護的電壓閉鎖及差流判別功能；三是變電站間電流電壓同步性，會影響線路縱聯差動保護差流判別功能［9］。

采樣同步問題成為合并單元與間隔層通信的最大問題，由于額定延時包含了可調延時，需要采取可靠測試手段進行測試。合并單元額定延時的測量方法主要有直接法和間接法。

2.1 直接法

直接法測量合并單元額定延時測試系統如圖1所示，利用時鐘源輸出同步信號將被測合并單元和測試儀進行對時，合并單元的每個采樣點輸入時刻，可用外部同步信號進行標識，測試儀測出該信號的SV報文精確接收時刻，根據合并單元額定延時定義，對比采樣信號兩個時標即可得出額定延時數值。工程上為了測試簡單，控制測試儀在整秒時刻發送出測試信號，然后解析采樣序號為0的SV報文接收時間標識，接收時間中秒以下的數值即為所測試的額定延時。

圖1 直接法測量合并單元額定延時

目前有較多學者對直接法測量合并單元額定延時的方法進行了研究和改進。

文獻［10］提出的合并單元額定延時測量系統，包括信號發生器、報文記錄單元、時間信號和延時測量單元。通過延時測量單元計算輸入合并單元的第一幀報文與合并單元輸出的第一幀報文間的延時，來計算合并單元采樣值延時。

文獻［11］在對智能變電站合并單元延時特性現場測試儀的設計需求進行分析的基礎上，提出了一種現場測試儀的體系結構，該測試儀電流輸出模塊利用工頻變壓器不同負載的變換來模擬產生故障電流，DSP模塊能夠對采樣數據進行處理并顯示測試結果，實現對合并單元暫態情況下額定延時的測試。

文獻［12］提出了一種基于B樣條插值的小波突變點檢測額定延時的方法，該方法對輸入輸出合并單元信號的采集方法進行了優化，對于穩態周期信號的非整周期延時和整周期延時都可有效測量，并且在含有噪聲的情況下，可以抑制噪聲對基波的影響，從而實現對額定延時的準確測量。

2.2 間接法

間接法測量合并單元額定延時測量系統如圖2所示，該方法利用錄波裝置對比經過合并單元傳輸與不經過合并單元傳輸的兩路信號之間的時間差或相位差來計算合并單元額定延時。信號輸出裝置輸出的兩路測試信號可以是兩路模擬量信號也可以是一路模擬量信號一路開關量信號。

圖2 間接法測量合并單元額定延時

文獻［13］提出一種合并單元額定延時測試方法及測量系統，測量系統包括信號源輸出裝置、故障錄波裝置。信號源輸出裝置輸出模擬量信號和開關量信號，開關量信號直接接入故障錄波裝置，模擬量信號經過合并單元后接入故障錄波裝置。在故障錄波裝置記錄的波形上以開關量變位為參照點，測量開關量變位時刻到模擬量信號變化時刻之間的延時，該延時即為合并單元的數據轉換延時。

對于間接法，在對比經過合并單元傳輸與不經過合并單元傳輸的兩路波形之間的相位差時，測得的往往是合并單元在穩態下的延時，而忽略了合并單元在暫態情況下的真正延時。如通過對比兩路波形的過零點計算合并單元額定延時時，對額定延時小于20ms（一個周波）的合并單元檢測精度能夠滿足要求，但當合并單元額定延時等于或大于20ms時，此種檢測方法檢測出額定延時為0或給出的檢測結果為小于20ms的數值，不能給出正確結果。

某500 kV智能變電站正是由于合并單元額定延時配置有20ms偏差，導致了區外故障時差動保護采樣不同步，產生了持續1周波的差流，最終造成多套差動保護誤動的嚴重后果。XL-805系列合并單元額定延時檢測儀具有首周波檢測功能，通過記錄波形首周波能直觀地判斷出合并單元額定延時是否整定為20ms整數倍［14］。NT785合并單元系統級測試儀能夠實現穩態和暫態情況下對合并單元額定延時的準確測試［15］。

2.3 基準合并單元同步比對測試法

從以上分析中可以看出，直接法雖然接線簡單，易于操作，但是測試依賴專門的合并單元額定延時測試儀，測試儀應能通過時間信號進行精確控制，測試儀的對時精度及報文時間標注精度將直接影響測試結果，對其硬件要求高，且合并單元額定延時測試儀價格昂貴，對于新建智能站工程較少的單位，合并單元額定延時測試儀的配置需求不是很高。間接法可以利用錄波裝置記錄相位差進行測試，降低了對硬件的要求，相比于直接法可節省成本，但是從前面的分析可以看到，傳統間接法非常依賴于在錄波裝置中相位差的計算原理及計算精度，有時不能有效檢測出額定延時等于或大于20ms的合并單元延時。

其實，對合并單元額定延時進行測試的目的，就是為了保證采樣數據的同步，在對目前直接法和間接法分析的基礎上，提出一種基準合并單元同步比對測試法，該方法利用繼電保護測試儀和故障錄波器就能完成測試。

所述合并單元額定延時測試方法如圖3所示，該方法形成的測試系統包括具備模擬量輸出功能的常規繼電保護測試儀，被測合并單元，基準合并單元，故障錄波裝置。其中，基準合并單元為與被測合并單元劃分在同一故障錄波器上的合并單元，目的是為測試結果提供對比的基準。

圖3 同步比對測試法測量合并單元額定延時

測試時，將模擬量信號輸出裝置輸出的兩路完全相同的模擬量信號，一路接入被測合并單元，一路接入基準合并單元，并將兩個合并單元輸出的數字量信號均接入故障錄波裝置。控制模擬量信號輸出裝置輸出模擬量信號，從故障錄波裝置中對比兩個合并單元輸出的數字量信號波形即可直觀地判斷出被測合并單元額定延時與基準合并單元額定延時是否相同。

該測試方法不需要專門的合并單元額定延時檢測儀，利用常規繼電保護測試儀和故障錄波裝置即可在現場進行測試，在故障錄波裝置中對比被測合并單元與基準合并單元輸出的數字量信號波形，可排除測試系統裝置守時精度對測試結果的影響，測試過程直觀，測試結果準確。

3 同步比對測試法在現場的應用

某500 kV智能站發生合并單元額定延時錯誤引起誤動后，國調中心發布緊急反措，要求對存在類似問題的合并單元進行核查和整改。經過合并單元廠家對供貨情況進行核查，初步排查出山東電網共8座220 kV智能變電站的17臺電壓合并單元存在額定延時錯誤的缺陷，山東電科院在省公司的指示下緊急制定了反措計劃，對以上合并單元的缺陷進行現場確認并消缺。本文提出的同步對比測試法在本次合并單元反措中進行了實際應用。

在某220 kV變電站對型號為PRS-7393-3的電壓合并單元額定延時進行測試時，由繼電保護測試儀輸出的完全相同的兩路并聯A相電壓，其中一路作為1號母線A相電壓接至電壓合并單元A相電壓輸入端子，另一路作為線路間隔同期電壓接至220 kV線路間隔電流合并單元A同期電壓輸入。

電壓合并單元消缺前后故障錄波器錄波圖如圖4～5所示，由圖4可知，220 kV 1號母線A相電壓延遲220 kV線路同期電壓1的時間為20ms，正好為一個整周波。由圖5可知，對合并單元進行消缺后，220 kV 1號母線A相電壓與220 kV線路同期電壓1之間不存在延時。

圖4 電壓合并單元消缺前錄波圖

圖5 電壓合并單元消缺后錄波圖

4 結語

介紹合并單元額定延時產生，分析目前合并單元額定延時測試的主要方法，指出直接法雖然接線簡單，易于操作，但是對測試儀的對時精度及報文時間標注精度要求高，且對于新建智能站工程較少的單位，合并單元額定延時測試儀的配置需求不是很高。間接法可以利用故障錄波裝置完成測試，但非常依賴于在錄波裝置中相位差的計算原理及計算精度，有時不能保證測量的準確性。考慮到合并單元額定延時測試目的是為了保證采樣數據的同步，本文提出了一種同步比對測試法，在變電站現場利用一個基準合并單元即可完成測試，能夠準確判斷出被測合并單元與基準合并單元采樣延時是否一致。

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Field Test M ethod for M erging Unit Rated Delay of Intelligent Substation

ZHAO Binchao，WANG Jun，ZHANGWanjie，HUANG Bingqing，ZHANGGuohui
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

Themechanism of generating the rated delay of intelligent substation merging unit is described in this paper.Based on the testingmethod ofmerging unit rated delay，a practicalmethod able to complete the testing is proposed by using only the conventional relay protection tester and fault wave recorder.This method yeilds satisfactory result in the application of the countermeasures of themerging unitof Shandong power grid.

merging unit；rated delay；sampling synchronization；testingmethod

TM76

：A

：1007－9904（2017）08－0028－04

2017-02-07

趙斌超（1987），男，工程師，主要從事電力系統繼電保護理論及其應用和發電廠、變電站二次系統調試技術等方向的研究工作。