淺談合并單元應(yīng)用及發(fā)展

國網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司酒泉分部 趙艷君 茹作偉 陳 宇

引言：貫徹落實(shí)國家提出的發(fā)展建設(shè)智能電網(wǎng)戰(zhàn)略，翻開了建設(shè)智能電網(wǎng)新篇章。智能變電站作為智能電網(wǎng)基本構(gòu)架，同時合并單元是智能變電站的主要設(shè)備，所以合并單元在智能電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛，但因為合并單元的故障率比較高，一直以來影響著智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，所以對合并單元在應(yīng)用中存在的問題和未來的發(fā)展進(jìn)行淺析，這對合并單元應(yīng)用技術(shù)的提升起到極大的促進(jìn)作用。

1 概述

1.1 什么是合并單元

智能電網(wǎng)的發(fā)展，是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，從而對一、二次設(shè)備有了新要求。傳統(tǒng)的AD變換被高速數(shù)據(jù)接口取代，保護(hù)裝置發(fā)布命令被一次設(shè)備的執(zhí)行器取代，傳統(tǒng)開關(guān)的輸入DI和輸入DO都移入智能開關(guān)，由此產(chǎn)生了合并單元。合并單元在過程層設(shè)備中是非常關(guān)鍵的物理單元，電子式互感器由高速光纖接入合并單元接口，合并單元將二次轉(zhuǎn)換器的電流和電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行時間相關(guān)組合。合并單元的輸入信號由數(shù)字信號構(gòu)成，與傳統(tǒng)的模擬信號不同，它包括站內(nèi)的同步信號、采樣值和電源狀態(tài)等信息。這些信息被合并單元進(jìn)一步處理，處理后的數(shù)據(jù)通過高速光纖輸出至間隔層設(shè)備。

1.2 功能

合并單元有兩種接口功能，分別是配合電子式互感器實(shí)現(xiàn)接口功能和配合保護(hù)測控裝置實(shí)現(xiàn)接口功能。因為合并單元自身帶有轉(zhuǎn)換器，所以其自身就能對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，不需要額外的轉(zhuǎn)換器設(shè)備，減少了設(shè)備投資成本，同時，每個合并單元轉(zhuǎn)換器都能采集和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)流，相互不會影響干擾，數(shù)據(jù)處理后再通過合并單元把數(shù)據(jù)傳輸至相應(yīng)的保護(hù)測控裝置，實(shí)現(xiàn)保護(hù)測量和控制的技術(shù)要求，但前提是合并單元必須配合電子式互感器完成數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)接口功能，然后把處理后的數(shù)據(jù)輸出至配合的保護(hù)測控裝置，實(shí)現(xiàn)保護(hù)測控裝置接口功能。合并單元的接口功能主要實(shí)現(xiàn)了采集、轉(zhuǎn)換和發(fā)送數(shù)據(jù)，通過電子式互感器采集，自身完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后把處理后的數(shù)據(jù)傳送至控制設(shè)備，來形成命令、指令、狀態(tài)等數(shù)據(jù)形式。

2 合并單元發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 合并單元數(shù)據(jù)采集質(zhì)量

2.1.1 數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性

合并單元采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量非常重要，所以，數(shù)字化保護(hù)實(shí)現(xiàn)高精度同步采樣的功能具有重要意義。合并單元精確采集三相平衡的現(xiàn)場模擬數(shù)據(jù)，同步數(shù)據(jù)后，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換后傳遞給數(shù)字化保護(hù)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計算功率、阻抗等電氣量。同時，為了保證差動保護(hù)正確動作，不同間隔的電流量也需要同步。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集同步問題

合并單元面臨的一大難題是同步問題，合并單元采集電流一般是分布采集，這種采集電流的方式雖然可以滿足一定需求，但比較容易造成延時，發(fā)生這種情況與硬件和軟件都有一定的關(guān)系。

合并單元與傳統(tǒng)互感器接入所接入的電纜是直接接入的，這樣它們產(chǎn)生的延時相對比較固定，并且延時比較短，甚至可以忽略。而通過光纜與電子互感器接入并經(jīng)過一定轉(zhuǎn)化之后，我們發(fā)現(xiàn)在發(fā)送、處理數(shù)據(jù)，采用信號、調(diào)節(jié)信號等方面都產(chǎn)生了一定延時，這樣的延時情況比較嚴(yán)重，而且不同的合并單元存在不同的延時情況，在這種情況下確定其延時情況就比較困難。

另外，交換機(jī)存在解包、排隊和傳輸?shù)炔煌螒B(tài)的延時。將這些不同形態(tài)且相互獨(dú)立的延時組合起來，就形成了一個整體延時，延時的模塊和設(shè)備數(shù)量多，這嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)傳遞結(jié)果。例如：電壓互感器通過MU將二次電壓進(jìn)行數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后將電壓傳遞至下一級的MU，然后采樣二次電壓，并同步電壓數(shù)字量，最終整合為新的數(shù)字量，將整合的新數(shù)據(jù)傳送至相關(guān)的設(shè)備。產(chǎn)生的傳輸延時結(jié)果如下：

傳輸延時=上一級MU延時+同步處理延時+ 報文輸出延時。

2.2 合并單元應(yīng)用中的可靠性問題

根據(jù)相關(guān)調(diào)查報告可知，我國智能變電站合并單元發(fā)生的缺陷次數(shù)在2015年一年內(nèi)為310次，這是一個非常龐大的數(shù)字。與傳統(tǒng)綜自變電站相比，智能變電站的缺陷率超過了傳統(tǒng)綜自變電站，而且智能變電站發(fā)生缺陷的設(shè)備大部分為合并單元，在這種情況下，合并單元的可靠性成為了影響智能變電站發(fā)展的重要問題。所以應(yīng)加強(qiáng)對合并單元設(shè)備的檢測力度，尋找解決合并單元問題的方法。相關(guān)單位要針對合并單元出現(xiàn)的問題，分析總結(jié)，找出產(chǎn)生問題的關(guān)鍵原因，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，用有效的方法解決合并單元的問題，在保證合并單元運(yùn)行質(zhì)量的同時，要加強(qiáng)監(jiān)測，做好現(xiàn)場維護(hù)工作。

3 案例分析

3.1 異常前運(yùn)行方式

110kV某變電站為智能變電站，發(fā)現(xiàn)異常前運(yùn)行方式如下：

110kV系統(tǒng)：FJ#1線94C，F(xiàn)J#2線94E運(yùn)行，備用999、備用998冷備用，1號主變高壓側(cè)701開關(guān)運(yùn)行，1號主變運(yùn)行，2號主變高壓側(cè)702開關(guān)運(yùn)行，2號主變運(yùn)行；

10kV系統(tǒng)：1號主變101A、101B開關(guān)，2號主變102A、102B開關(guān)分別對10kVI、II段母線充電，10kVI、II段母線運(yùn)行，無出線負(fù)荷，110開關(guān)熱備用，備自投投入。

3.2 事件描述

某110kV智能變電站，在一次正常巡視中，運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)1號主變差動保護(hù)裝置頻繁啟動復(fù)歸（保護(hù)未動作），檢查保護(hù)啟動信息，報文顯示為1號主變10kV側(cè)101B開關(guān)電流較大（最大相電流二次值為3.9A至33A不等，CT變比3000/5），而101A開關(guān)與高壓側(cè)701開關(guān)電流幾乎為零，差流達(dá)到啟動定值導(dǎo)致保護(hù)啟動。檢查現(xiàn)場后發(fā)現(xiàn)，主變差動保護(hù)軟壓板正確投入，差動保護(hù)定值設(shè)置正確，現(xiàn)場一次設(shè)備狀態(tài)正常，未也未發(fā)現(xiàn)其他異常情況。

3.3 原因分析

該站主變保護(hù)與合并單元之間采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，即差動合并單元將相應(yīng)互感器采集的模擬量轉(zhuǎn)換成為差動保護(hù)的電流數(shù)字量；后備保護(hù)所需的電流電壓數(shù)字量由后備合并單元將相應(yīng)模擬量轉(zhuǎn)換得來。

因為1號主變低后備保護(hù)無異常信號，保護(hù)裝置屏上101B電流顯示正常（無出線負(fù)荷，101B開關(guān)電流正常值為0左右），同時現(xiàn)場相關(guān)一次設(shè)備無異常情況，因此可以排除101B斷路器故障。

查詢1號主變差動保護(hù)定值單可知，1號主變差動速斷與比率差動均處于投入狀態(tài)，差動保護(hù)電流啟動定值為0.6Ie，差動速斷保護(hù)動作定值為6Ie。比對現(xiàn)場數(shù)次保護(hù)啟動的縱差差流值發(fā)現(xiàn)，所有保護(hù)啟動時的縱差差流均達(dá)到啟動定值，保護(hù)啟動均為正確動作。同時，通過對主變差動保護(hù)故障錄波分析發(fā)現(xiàn)，A相、B相縱差差流于14.292秒出現(xiàn)尖峰，持續(xù)0.001秒，保護(hù)啟動；14.293秒差流消失，保護(hù)啟動后未動作。綜上分析可以得出，保護(hù)的動作邏輯完全正確，可排除保護(hù)裝置故障。

通過上述分析可將故障范圍鎖定在合并單元設(shè)備上。綜合故障錄波圖和合并單元雙A/D轉(zhuǎn)換原理分析可初步得出，故障原因為合并單元發(fā)送給保護(hù)啟動元件的電流數(shù)字量發(fā)生錯誤導(dǎo)致保護(hù)誤啟動，而發(fā)送給保護(hù)動作元件的數(shù)字量正常故保護(hù)動作正確。之后由合并單元廠家檢測后發(fā)現(xiàn)，合并單元A/D轉(zhuǎn)換單元存在個別點(diǎn)數(shù)據(jù)異常（跳大數(shù)）現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)送給保護(hù)啟動元件的采樣值發(fā)生異常，從而引發(fā)此次保護(hù)誤啟動情況的發(fā)生。

針對合并單元發(fā)送采樣值異常的情況，已更換合并單元及相關(guān)報文發(fā)送插件。更換后，1號主變差動保護(hù)再未出現(xiàn)過保護(hù)誤啟動現(xiàn)象。

4 合并單元發(fā)展方向

4.1 合并單元的精度、速度和系統(tǒng)功能不斷發(fā)展

目前，合并單元的組合設(shè)備隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷更新，處理數(shù)據(jù)能力也逐步提升，同時模塊處理速度和采樣數(shù)據(jù)速度都有所提高。隨著設(shè)備不斷完善，其復(fù)雜程度也隨之加深，設(shè)備的功能因為增加了很多有用功能而得到更深一步的拓展，更好地保證其工作狀態(tài)和量值輸出質(zhì)量。

另外，上述提到的合并單元報文采樣延時、網(wǎng)絡(luò)延時以及硬件和軟件異常等問題，也隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展得到了妥善解決，相信不久的將來合并單元的穩(wěn)定性會越來越高。

4.2 接口規(guī)范不斷完善

因為數(shù)據(jù)通訊量比較大，數(shù)據(jù)采集比較及時，且需要處理的任務(wù)比較多，所以需要按照相應(yīng)的接口規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，但目前電子式互感器與合并單元間的信息交換還沒有確切的標(biāo)準(zhǔn)，所以就加大了信息互聯(lián)的工作量，現(xiàn)在電子式互感器與合并單元間采用高速光纖通道接口，相應(yīng)配套使用較多的是IEC60044-8串行接口標(biāo)準(zhǔn)。

合并單元與保護(hù)測控裝置的接口，不僅可以使用交換機(jī)組網(wǎng)方式，還可以使用點(diǎn)對點(diǎn)得通信方式。目前采用最主要的接口標(biāo)準(zhǔn)是IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)，因為現(xiàn)場的合并單元故障率較高，所以國家電網(wǎng)公司相應(yīng)提出了“常規(guī)采樣GOOSE跳閘”方式。

隨著國家科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新，智能電網(wǎng)不斷發(fā)展，設(shè)備更新速度越來越快。相應(yīng)提出了合并單元與保護(hù)測控裝置間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享的概念。再加上合并單元與相關(guān)設(shè)備的接口規(guī)范逐步健全，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享指日可待。

4.3 同步采樣方式現(xiàn)狀

目前合并單元同步采樣技術(shù)主要采用2種方式，一種是電子式互感器采樣器向合并單元采集采樣脈沖，這種方式合并單元只需通過采樣延時和通道傳輸延時就可確定確切的采樣時刻，從而實(shí)現(xiàn)同步采樣；另一種是合并單元重采樣處理異步采樣值。2種不同的同步方式都通過主時鐘實(shí)現(xiàn)同步，不論以任何方式同步，都要保證精確同步數(shù)據(jù)。如果發(fā)生合并單元首次接入進(jìn)行信號同步、合并單元失去同步信號后重新獲得、合并單元正常運(yùn)行過程中同步信號的質(zhì)量產(chǎn)生變化等情況，會影響合并單元同步的精確度。上述情況在切換主、備時鐘源時可能會出現(xiàn)，對合并單元與間隔層主設(shè)備間的同步產(chǎn)生消極影響。

5 結(jié)束語

智能變電站中合并單元起著至關(guān)重要的作用，它直接影響測控保護(hù)裝置的可靠性。通過簡單介紹合并單元的功能、現(xiàn)狀、以及發(fā)展方向，可以預(yù)見的是，只有合并單元技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷改進(jìn)，合并單元的故障率才會不斷降低，同時加強(qiáng)入網(wǎng)測試要求，完善相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，才能從根本上保證合并單元通信、同步的速度和精度，從而在根本上更好地支撐智能電網(wǎng)的發(fā)展。