智能變電站合并單元二次信號(hào)無(wú)線(xiàn)相位測(cè)試裝置的研制

王露鋼　姜來(lái)　張輝　畢立伍　王冬冬　鐘一鳴

摘? ?要：為了解決使用外電壓引基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行各電壓等級(jí)分布的合并單元的二次信號(hào)相位測(cè)試難題，設(shè)計(jì)了新型的相位測(cè)試裝置。在500 kV變電站的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、電流互感器二次電流2 mA條件下，該裝置能夠準(zhǔn)確地對(duì)變比、極性和相位進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。在變壓器差動(dòng)回路檢查時(shí)（即在六角圖測(cè)試時(shí)），由于變壓器短路阻抗較高，在保護(hù)裝置的顯示屏幕上無(wú)法準(zhǔn)確讀取二次電流數(shù)據(jù)時(shí)，能夠使用該裝置完成對(duì)二次接線(xiàn)的核查。有效地避免了帶負(fù)荷校驗(yàn)保護(hù)和計(jì)量回路極性錯(cuò)誤，具有智能化、操作簡(jiǎn)便化等特點(diǎn)，能夠同時(shí)滿(mǎn)足常規(guī)變電站、智能變電站的測(cè)試需求，為下一步智能變電站的研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：智能變電站;二次信號(hào)相位;測(cè)試裝置;基準(zhǔn)信號(hào);二次接線(xiàn)

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：TN98? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Development of Secondary Signal Wireless Phase Test

Device for Intelligent Substation Merging Unit

WANG Lu-gang ，JIANG Lai，ZHANG Hui，BI Li-wu，WANG Dong-dong，ZHONG Yi-ming

（Jilin Transmission and Transformation Engineering Co.，Ltd.，Changchun，Jilin 130000）

Abstract：In order to solve the secondary signal phase test problem of the merging unit of each voltage level distribution using the external voltage reference signal，a new phase test device is designed. The device can accurately measure the ratio，polarity and phase accurately in the field application of the 500 kV substation and the secondary current of the current transformer of 2 mA. The device accurately measures the ratio，polarity and phase accurately. When the transformer differential circuit is checked （that is，during the hexagonal test），because the transformer short-circuit impedance is high，when the secondary current data cannot be accurately read on the display screen of the protection device，the device can be used to complete the secondary wiring verification，which effectively avoids the load calibration protection and the polarity of the measurement loop. It is intelligent and easy to operate. It can meet the test requirements of conventional substation and intelligent substation at the same time，which lay the technical foundation for the next step of research on intelligent substation.

Key words：intelligent substation;secondary signal phase;test device;reference signal;secondary wiring

隨著智能數(shù)字變電站大量應(yīng)用，二次設(shè)備的安裝地點(diǎn)及運(yùn)行環(huán)境發(fā)生了巨大變化，不同電壓等級(jí)的母線(xiàn)、開(kāi)關(guān)的互感器二次信號(hào)在合并單元處直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)[1-3]，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳送到中心控制室。合并單元簡(jiǎn)稱(chēng)MU，是指對(duì)一次互感器傳輸過(guò)來(lái)的電氣量進(jìn)行合并和同步處理，并將處理后的數(shù)字信號(hào)按照特定格式轉(zhuǎn)發(fā)給間隔層設(shè)備使用的裝置[4-5]。在新裝的繼電保護(hù)裝置帶電負(fù)荷校驗(yàn)中，包括三相通流模擬帶電負(fù)荷試驗(yàn)中，由于合并單元分布在不同位置，導(dǎo)致二次信號(hào)的電壓、電流之間相位測(cè)試極為不便，為了對(duì)測(cè)試點(diǎn)之間互感器的電壓（或電流）信號(hào)進(jìn)行相位檢查，目前較為常見(jiàn)的方式為采用相位表進(jìn)行測(cè)量，必須采用拖線(xiàn)的方式測(cè)量[6]。對(duì)于大型變電站拖線(xiàn)距離可達(dá)幾百米，且從一個(gè)測(cè)試點(diǎn)到另一個(gè)測(cè)試點(diǎn)可能繞過(guò)多重障礙，復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境導(dǎo)致走線(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜，測(cè)量效率低，且長(zhǎng)距離拖線(xiàn)容易產(chǎn)生安全隱患。

目前，對(duì)于遠(yuǎn)距離測(cè)相的方案主要有采用GPS信號(hào)同步和采用專(zhuān)用同步脈沖線(xiàn)的方式[7]，硬件復(fù)雜，成本高，而且要求現(xiàn)場(chǎng)具有GPS信號(hào)[8];采用專(zhuān)用同步脈沖線(xiàn)要鋪設(shè)專(zhuān)用電纜，如何采用低成本、且可靠性高的通訊方式是要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

GPS時(shí)間基準(zhǔn)準(zhǔn)確度高，無(wú)累計(jì)誤差，可適用于空曠的室外環(huán)境，但也存在局限性，其表現(xiàn)在：

（1）GPS無(wú)線(xiàn)信號(hào)的接受僅適用于室外空曠環(huán)境，室內(nèi)接收必須引出GPS天線(xiàn)，幾米甚至十幾米的GPS天線(xiàn)同樣給測(cè)量帶來(lái)不便，且長(zhǎng)距離GPS天線(xiàn)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度的下降。

（2）空曠環(huán)境下，GPS無(wú)線(xiàn)接收模塊30 s可以接收到正確的時(shí)間脈沖信息，但無(wú)法接收到正確的時(shí)間信息[6-8]。無(wú)論全球市占率第一的SIRF還是注明的瑞士芯片廠商U-box在NMEA（美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)）協(xié)議發(fā)送中均考慮到潤(rùn)秒（每12.5分鐘更新一次）問(wèn)題，導(dǎo)致時(shí)間校準(zhǔn)需要1至13分鐘甚至更長(zhǎng)才能完成，占用了大量的測(cè)量時(shí)間，降低測(cè)量效率。

（3）GPS無(wú)線(xiàn)信號(hào)與433 MHz無(wú)線(xiàn)數(shù)傳信號(hào)同時(shí)使用時(shí)可能引起射頻信號(hào)干擾，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度低。普通的時(shí)間校準(zhǔn)采用單片機(jī)的RTC加32.768K晶振實(shí)現(xiàn)，其頻率偏差很難突破1 ppm（百萬(wàn)分之一），對(duì)于工頻信號(hào)，1 ppm的頻率偏差會(huì)導(dǎo)致36°/h的角度偏差，兩臺(tái)設(shè)備的極限偏差為72°/h，過(guò)高的測(cè)量誤差導(dǎo)致設(shè)備很難長(zhǎng)時(shí)間使用，不能滿(mǎn)足變電站現(xiàn)場(chǎng)對(duì)相位測(cè)試的精度要求[9-12]。

基于上述技術(shù)不足，設(shè)計(jì)了出一種新型的二次信號(hào)無(wú)線(xiàn)相位測(cè)試裝置，下文將詳細(xì)介紹。

1? ?裝置設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

對(duì)于無(wú)線(xiàn)相位測(cè)量裝置，要實(shí)現(xiàn)相位的精準(zhǔn)測(cè)量，必須解決時(shí)間同步問(wèn)題，現(xiàn)有時(shí)間同步方式可分為兩種，一種為選擇一方作為時(shí)間基準(zhǔn)，另一方按照該基準(zhǔn)校對(duì)，例如RTC時(shí)鐘校對(duì);另一種為選擇第三方作為基準(zhǔn)，所有測(cè)量裝置均按照該基準(zhǔn)同步，例如GPS秒脈沖同步。RTC時(shí)鐘校對(duì)精度差，很難突破±1ppm的偏差（全溫度范圍內(nèi)百萬(wàn)分之一的偏差），長(zhǎng)達(dá)1小時(shí)的測(cè)量中會(huì)造成3.6 ms的誤差（3 600 × 10-3 × 1 106 = 3.6），轉(zhuǎn)化為工頻相位偏差為64.8°。GPS時(shí)間精度高，無(wú)累計(jì)誤差，但GPS在現(xiàn)場(chǎng)使用中同樣存在各種問(wèn)題，包括：

（1）僅能在室外使用或者室內(nèi)連接短則幾米，長(zhǎng)則幾十米的天線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)至室外;

（2）GPS接收信號(hào)與無(wú)線(xiàn)測(cè)量中的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)可能產(chǎn)生射頻干擾;

（3）雖然GPS在30 s就能產(chǎn)生秒脈沖，但因閏秒接收到的正確時(shí)間可能會(huì)達(dá)到12.5 min甚至更長(zhǎng)。

基于上述技術(shù)存在的缺陷，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照《DL/T995-2006繼電保護(hù)和電網(wǎng)安全自動(dòng)裝置檢驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的要求進(jìn)行[13-15]，該要求為：

（1）新建變電站一、二次設(shè)備安裝完畢后，帶負(fù)荷進(jìn)行向量檢查是繼電保護(hù)技術(shù)工作中非常重要的項(xiàng)目，向量錯(cuò)誤將導(dǎo)致正常運(yùn)行狀態(tài)或故障狀態(tài)的繼電保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，繼電保護(hù)正式投運(yùn)前必須保證向量的正確性。

（2）對(duì)新安裝的或設(shè)備回路有較大變動(dòng)的裝置，在投入運(yùn)行前，必須用一次電流及工作電壓加以校驗(yàn)和判定：

（a）對(duì)接入電流、電壓的相互相位、極性有嚴(yán)格要求的裝置（如帶方向的電流保護(hù)、距離保護(hù)等），其相別、相位關(guān)系以及所保護(hù)的方向是否正確。

（b）電流差動(dòng)保護(hù)（母線(xiàn)、發(fā)電機(jī)、變壓器的差動(dòng)保護(hù)、線(xiàn)路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)及橫差保護(hù)等）接到保護(hù)回路中的各組電流回路的相對(duì)極性關(guān)系及變比是否正確。

（c）利用相序?yàn)V過(guò)器構(gòu)成的保護(hù)所接入的電流（電壓）的相序是否正確、濾過(guò)器的調(diào)整是否合適。

（d）每組電流互感器（包括備用繞組）的接線(xiàn)是否正確，回路聯(lián)接是否牢靠。

（3）用一次電流與工作電壓檢驗(yàn)，需要完成如下項(xiàng)目：

（a）測(cè)量電壓、電流的幅值及相位關(guān)系。

（b）對(duì)使用電壓互感器三次電圧或零序電流互感器電流的裝置，應(yīng)利用一次電流與工作電壓向裝置中相應(yīng)元件通入模擬的故障量或改變被檢查元件的試驗(yàn)接線(xiàn)方法，以判斷裝置接線(xiàn)的正確性。

（c）測(cè)量電流差動(dòng)保護(hù)各組電流互感器的相位及差動(dòng)回路中的差電流（或差電壓），以判明差動(dòng)回路接線(xiàn)的正確性。所有差動(dòng)保護(hù)（母線(xiàn)、變壓器、發(fā)電機(jī)的縱、橫差等）在投入運(yùn)行前，除測(cè)定相回路和差回路外，還必須測(cè)量各中性線(xiàn)的不平衡電流、電壓，以保證裝置和二次回路接線(xiàn)的正確性。

（d）檢查相序?yàn)V過(guò)器不平衡輸出的數(shù)值，應(yīng)滿(mǎn)足裝置的技術(shù)條件。

（e）所有保護(hù)用電流回路在投入運(yùn)行前，除應(yīng)在負(fù)荷電流滿(mǎn)足電流互感器精度和測(cè)量表計(jì)精度的條件下測(cè)定變比、極性以及電流和電壓回路相位關(guān)系正確外，還必須測(cè)量各中性線(xiàn)的不平衡電流（或電壓），以保證保護(hù)裝置和二次回路接線(xiàn)的正確性。

2? ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于上述討論，研制的測(cè)試裝置以成套裝置形式存在，標(biāo)配一臺(tái)主機(jī)，可根據(jù)要求選定任一電壓或電流做為參考基準(zhǔn)，配備三臺(tái)手持分機(jī)，對(duì)分布點(diǎn)的電壓（或電流）進(jìn)行實(shí)測(cè)，將測(cè)試到的信號(hào)幅值及同參考基準(zhǔn)的相位信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊方式發(fā)送到主機(jī)，主機(jī)屏幕最多可以同時(shí)顯示三組共9路電壓，三組共9路電流的幅值及相位，覆蓋了三圈變壓器差動(dòng)保護(hù)六角圖形的繪制測(cè)試需求。使用時(shí)可將無(wú)線(xiàn)相位伏安表主機(jī)在主控室內(nèi)任選一相做基準(zhǔn)，三組工作人員攜帶分機(jī)可在變電站任意位置測(cè)量不同電壓等級(jí)的電壓幅值、相位信息及電流幅值、相位信息，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式將測(cè)量結(jié)果傳輸給主機(jī)，同時(shí)分機(jī)可實(shí)時(shí)呼叫主機(jī)回傳已測(cè)試存儲(chǔ)的信號(hào)相位關(guān)系。其中高精度無(wú)線(xiàn)相位伏安測(cè)試儀主要作用如下：

在使用成套裝置進(jìn)行三相通流、加壓試驗(yàn)時(shí)，即可檢查所施加的三相相序是否正確，調(diào)整電源輸出按照既定的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案進(jìn)行通流、加壓。可滿(mǎn)足傳統(tǒng)變電站二次測(cè)試的便捷性，也滿(mǎn)足智能變電站二次模擬量（合并單元）分布測(cè)量的需求。通過(guò)無(wú)線(xiàn)相位伏安測(cè)試儀選定單相電壓做為參考基準(zhǔn)，對(duì)所有測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行極性、變比、相位檢查。二次信號(hào)無(wú)線(xiàn)相位測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

在硬件配置方面，所選Cortex M4處理器具有單精度硬件浮點(diǎn)運(yùn)算功能，主機(jī)分機(jī)內(nèi)置高能可充電鋰電池，滿(mǎn)足測(cè)量及通訊功能對(duì)電源的要求，充滿(mǎn)一次可連續(xù)工作24小時(shí)以上，主機(jī)采用7寸工業(yè)級(jí)觸摸屏：操作簡(jiǎn)便、分辨率高、寬視角亮度高、清晰;手持分機(jī)具有電壓通訊測(cè)量、電流通訊測(cè)量、單機(jī)測(cè)量、二次負(fù)荷測(cè)量、無(wú)線(xiàn)中繼、數(shù)據(jù)回傳等功能。主機(jī)材料為高強(qiáng)度塑鋼密封箱，絕緣、防潮、防塵、防摔性能好，分機(jī)采用手持式便攜性好，電流鉗采用高精度尖嘴型，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)密集排線(xiàn)測(cè)量。

以變壓器SFSZ9-180000/220主變帶負(fù)荷差動(dòng)保護(hù)二次電流大小和方向測(cè)試為例，由裝置測(cè)試完成全部測(cè)試，主機(jī)生成主變差動(dòng)六角圖。其中變壓器額定容量：180 MVA/180 MVA /6 MVA;額定電壓：220±8*1.25/110±4*1.25/10 kV;接線(xiàn)組別：YN yn0 d11;變壓器帶負(fù)荷測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)下表所示。（以高壓側(cè)A相電壓UN為參考量，實(shí)測(cè)相角是電流滯后電壓的角度）。

基于上述硬件條件，開(kāi)始仿真試驗(yàn)，仿真系統(tǒng)采用的語(yǔ)言為VisualC#，采用的服務(wù)器操作系統(tǒng)為 WindowsServer2015，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件為 SQLServer2015，Web 服務(wù)器軟件為IIS6.0，以UN為參考基準(zhǔn)顯示出六角圖如圖5所示。在圖5中，其為主機(jī)以UN電壓（REF） 為相位檢查參考基準(zhǔn)，方向默認(rèn)12點(diǎn)，該相位圖表中H對(duì)應(yīng)高壓側(cè)，M對(duì)應(yīng)中壓側(cè)、L對(duì)應(yīng)低壓側(cè)，黃、綠、紅色代表A、B、C三相。

在圖6中，其為主機(jī)改變相位參考基準(zhǔn)后的六角圖，通過(guò)“基準(zhǔn)”鍵可選擇IHA為參考基準(zhǔn)，方向默認(rèn)12點(diǎn)，直觀檢查差動(dòng)接線(xiàn)。對(duì)于斷路器失靈保護(hù)、微機(jī)母差保護(hù)、故障錄波、監(jiān)控系統(tǒng)電度計(jì)量、監(jiān)控、安穩(wěn)及備自投等都可參考上述方式進(jìn)行保護(hù)二次回路的接線(xiàn)檢查。

上述測(cè)量?jī)H針對(duì)工頻及變頻的整數(shù)頻率進(jìn)行測(cè)量，以保證主分機(jī)的同頻同步，同時(shí)主分機(jī)同步采樣及無(wú)線(xiàn)傳輸需要更多的時(shí)間，導(dǎo)致通訊測(cè)量時(shí)幅值相位更新速率低，為3 s/次。根據(jù)上述存在的問(wèn)題，為保證測(cè)量精度和測(cè)量準(zhǔn)確度，需要卡入電流鉗或插入電壓測(cè)試線(xiàn)后等待幅值測(cè)量穩(wěn)定再發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)，分機(jī)自動(dòng)檢測(cè)幅值的穩(wěn)定度，根據(jù)需要自動(dòng)延遲數(shù)據(jù)的傳輸。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，主機(jī)接線(xiàn)后可實(shí)現(xiàn)無(wú)人看守，全程通過(guò)分機(jī)發(fā)送指令即可實(shí)現(xiàn)主機(jī)操作;三臺(tái)分機(jī)可多人分工，前往不同測(cè)試地點(diǎn)，測(cè)試效率大大提高。

單機(jī)使用時(shí)，可同時(shí)將電壓與電流的相位幅值一次測(cè)試，或以電壓為參考基準(zhǔn)，分別測(cè)試三組電流信號(hào)與參考電壓的相位信息，替代了傳統(tǒng)三相相位伏安表，使用該裝置完成了對(duì)二次接線(xiàn)的核查。

4? ?結(jié)? ?論

在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在一些技術(shù)難點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：

難點(diǎn)一：

無(wú)線(xiàn)相位伏安測(cè)試儀相位測(cè)量時(shí)間的同步，無(wú)線(xiàn)相位表必須有第三方參考基準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)相位的同步測(cè)量，常用的315 MHz、433 MHz及2.4 G無(wú)線(xiàn)信號(hào)的延時(shí)一般都是幾十毫秒至幾百毫秒不等，無(wú)法滿(mǎn)足相位的測(cè)量需求。GPS信號(hào)受環(huán)境的影響較大，無(wú)法滿(mǎn)足室內(nèi)測(cè)量，高精度時(shí)間校準(zhǔn)難以實(shí)現(xiàn)，保證半小時(shí)內(nèi)累計(jì)誤差小于50 ns是無(wú)線(xiàn)相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)之一。

難點(diǎn)二：

在小信號(hào)測(cè)量過(guò)程中，環(huán)境工頻背景和電子式電源的高頻輻射干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，如果不濾波會(huì)造成過(guò)零點(diǎn)采樣時(shí)電平的震蕩，而采用普通的濾波方式又很容易造成相位的偏差，因此采用數(shù)字濾波方式，需利用快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)相位及幅值在強(qiáng)干擾下的正確測(cè)量。

本技術(shù)方案適用于新（擴(kuò)）建及智能變電站啟動(dòng)投產(chǎn)帶負(fù)荷測(cè)試，驗(yàn)證一次回路對(duì)應(yīng)各組電壓、電流互感器變比及差動(dòng)保護(hù)差流正確性核對(duì)，具有效率高，試驗(yàn)結(jié)果直觀可靠、正確性高，設(shè)備操作簡(jiǎn)便，易被認(rèn)可及推廣，后期使用前景較好。

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