智能變電站采樣方式的優化設計與研究

郭駿

摘 要：本文對當前智能變電站的采樣方式現狀和工作原理進行了分析，研究了目前采樣方式存在的優點和缺點。利用對智能變電站采樣方式在繼電保護整組動作時間當中的影響進行研究以及調研，得到合并單元數字化的采樣能夠對線路的保護速動性帶來負面影響。按照對采樣方式的現狀分析和調研，提出不同的三種優化設計措施，進而實現了機電保護速動性和智能變電站采樣數據共享的效果。

關鍵詞：智能變電站;采樣方式;優化設計;數據共享

在智能變電站當中，應用電子式的互感器和合并單元能夠更好完成了采樣數字化，另外在整體上推動了變電站二次回路的數字化、智能化、網絡化。智能變電站的二次回路四化不但能夠預防常規的變電站電纜進行二次回路接線的復雜，并且存在著較差的抗干擾力等問題[1]。除此之外，還需要利用網絡通信的手段來更好的實現硬件資源和數據方面的共享，給實現二次的回路狀態實時監測帶來條件。智能變電站采樣方式不僅需要充分滿足繼電保護的安全性和可靠性基本要求，還需要更好的體現變電站智能化[2]。本文按照對采樣方式的現狀分析和調研，提出不同的三種優化設計措施，進而實現了機電保護速動性和智能變電站采樣數據共享的效果。

1 智能變電站采樣方式的現狀

在智能變電站中，數字化保護裝置要能正常工作，一個先決條件式采樣值傳輸延時可知，或者采樣數據本身已同步。當前智能變電站中大部分交換機本身采樣延時不穩定，無法測量。若保護采用網絡采樣的方式，同時又不依賴外部對時，目前有3個方法：

1）交換機本身的數據傳輸延時做到穩定。

2）交換機自己測量報文在自己內部的延時，然后放在報文幀中發送給保護裝置，這樣保護裝置有可能實時計算出每一幀采樣值報文的延時，從而做到采樣值同步。

3）采用其他通信方式，采樣值傳輸延時是可知的。

綜合考慮保護動作快速性與系統可靠性，保護裝置直接采樣比網絡采樣更有優勢。而對于測控裝置、故障錄波、網絡分析、電能表等間隔層設備，無需作差動計算，對于可靠性的要求較繼電保護設備較低，可以依賴外部時鐘，因此，測控裝置、故障錄波、網絡分析、電能表等設備可以通過網絡采樣，實現采樣數據的共享，節約電纜，減少電纜傳輸過程中的干擾。

2 采樣方式對繼電保護的影響分析

第一，常規變電站。以220kV及以上線路保護裝置整組動作時間為例進行理論分析，因不同廠家裝置處理方式不同，分析數據可能不同。

第二，智能變電站。智能變電站線路保護整組動作時間構成內，其中合并單元前置延時與插值時間2ms，數字低通0.5ms，數據窗11ms，算法計算及邏輯執行時間等3ms，智能終端時間5ms。此外，當遠端故障電流較小時，不同廠家數據窗采用短延時或其他措施，以提高可靠性。其他繼電保護理論動作時間分析對于母線保護和變壓器保護，常規變電站繼電保護系統至斷路器跳閘線圈的時間由于需要TJR繼電器重動，因此智能變電站要比常規變電站保護快5～10ms。

3 優化方案的研究

3.1 調整二次回路

對于采用常規電磁式互感器的智能變電站，如電壓電流量不經合并單元直接接入保護裝置，電流量串接于合并單元后，電壓量并接于合并單元。可節省一個環節，在保證了智能變電站數據共享的前提下，減少了繼電保護整組動作時間，

具體方案如下：

線路保護模擬量采樣，其他保護設備SV直采，故障錄波、網絡分析SV網采。經繼電保護整組動作時間分析可知，只有線路保護經合并單元采樣后會對速動性產生影響。綜合考慮到220kV及以上電壓等級線路保護在系統中的重要性，及相關運行經驗，線路保護采用獨立裝置，雙重化配置。雙重化配置合并單元，多功能測控裝置集成非關口計量及PMU采集功能。

1）線路保護電纜模擬量采樣，串接于合并單元后。2）斷路器保護SV直采合并單元。3）母線保護SV直采合并單元。4）多功能測控裝置、故障錄波、網絡分析SV網采。

3.2 采用基于縱向整合的多功能保護裝置

基于縱向整合的多功能保護裝置，合并單元功能模塊通過電纜直采模擬量，經裝置內部高速總線以私有規約直接發送至保護功能模塊，很大程度上提升了采樣速度，改善了智能變電站線路保護速動性明顯變差的劣勢，并且合并單元功能模塊可配置獨立的SV光口，實現其他跨間隔保護（母線保護和主變壓器保護）SV直采的需求，以及SV組網的需求。故障錄波及網絡分析可通過過程層網絡采集SV信息，兼顧了信息數字化和數據共享，

3.3 優化過程層網絡

3.3.1 過程層網絡設計原則

過程層網絡要求具有比間隔層網絡更高的可靠性，具體要求為：

1）應采用可靠性高的星形結構。與總線型和環形結構相比，星形結構擴展方便、協議簡單、網絡傳輸延時小、無廣播風暴風險，是過程層網絡的首選結構。2）交換機N-1故障不應影響保護信息傳輸。智能變電站繼電保護直采直跳，啟動失靈/重合閘、失靈聯跳等信息通過過程層網絡傳輸。當保護與過程層網絡一一對應連接時，交換機N-1故障將造成一個網絡的信息交換中斷，某些重要功能（失靈聯跳等）可靠性降低50%，對電網的安全運行帶來不利影響。因此，220kV及以上電壓等級過程層網絡設計必須考慮交換機N-1方式下的保護信息傳輸可靠性問題，要求保護設備采用冗余連接方式。3）交換機N-2故障應盡量減少對兩套保護的影響。雖然對于220kV及以上電壓等級過程層網絡交換機發生N-2故障概率很低，但過程層網絡設計應考慮減少此種故障的影響，提高極端情況下抵御風險的能力。

3.3.2 過程層網絡優化設計方案

根據上述過程層網絡設計原則，過程層網絡優化方案為：SV、GOOSE共同組網，雙重化保護各設置獨立的雙網，方案特點：

1）基于共網共端口技術，SV、GOOSE共網傳輸，節約交換機。2）雙重化的A、B套裝置過程層信息相互獨立傳輸，交換機負載較輕。3）交換機N-1故障不影響保護信息傳輸，N-2故障最多影響一套保護的信息交換，不影響第二套保護功能。校驗N-2故障時，可靠性較常規智能變電站提供50%。

4 方案實施及效果分析

4.1 效果檢驗

針對三種不同的優化設計方案，分別在河北滄州獻縣東220kV新一代智能變電站新建工程、河北邯鄲涉武500kV變電站新建工程、國家電網公司2016年設計競賽太平莊220kV變電站新建工程中進行效果檢驗。檢驗方法分別為聯調測試、專家評估及現場實施三種不同的方法。

4.2 效益分析

如果采用基于縱向整合的多功能裝置的優化方案，則每個間隔可節省裝置2臺（分別為智能終端及合并單元），根據目前國內主流二次設備廠家投標價格，平均1臺裝置約10000元，對于一個220kV智能變電站共約有20個間隔，產生直接經濟效益為20×2×10000=400000元。

5 結束語

智能變電站采樣方式的優化設計方案不僅滿足了當前智能電網及智能變電站的發展需求，實現了采樣值數據共享，而且與常規智能站相比繼電保護的可靠性、速動性得到了很大的提升，經濟效益顯著，推廣應用前景廣闊。

參考文獻

[1]劉振亞.國家電網公司輸變電工程通用設計，110（66）kV～750kV智能變電站部分[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2]張志鵬，郭朝云，朱萍.特高壓變電站過程層網絡設計[J].電力勘測設計，2016，（2）.