無線二次核相儀器的研制與測試

閆奕璇劉文德閆勃達

(1.國網河北省電力有限公司平山縣供電分公司,河北 石家莊 050400;2.中國南方電網廣東電網有限責任公司越秀供電局,廣東 廣州 510030;3.國網河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021)

1 概述

在新設備只帶電壓未帶負荷前,需要對新設備的二次電壓進行核相,以確保其二次電壓與系統二次電壓一致[12]。現階段的核相方法是將新設備的二次電壓與選定的變電站內某運行設備的二次電壓進行對比[34],以檢驗交流電壓二次回路是否正確,有誤則不允許新設備帶負荷接入系統。二次核相是新設備投入運行前檢驗二次電壓正確與否的最后一道防線。

常規變電站內某設備的二次電壓往往由電壓互感器本體二次側經電纜接入繼電保護室內的電壓轉接屏,智能變電站內某設備的二次電壓則經電纜就地接入布置在設備區內的與該設備配套的智能組件柜內。因此,不論常規站和智能站,二次核相工作通常在2個區域開展,距離通常在300 m 以內。

現階段核相工作思路是根據新設備和選定運行設備同名相和異名相之間的壓差幅值來判斷新設備電壓回路是否存在錯誤。獲取壓差則需要克服工作地點距離遠的困難,現階段采用的方法是在兩面電壓轉接屏或兩面智能組件柜之間臨時放置電纜,通過電纜建立起電路上的關聯。

據統計,2017-2019年,河北省南部電網所轄2座1 000 k V 特高壓變電站和22座500 k V 超高壓變電站內核相工作記錄共計52 次,涉及設備109臺,其中線路95 條,主變壓器11 臺,母線3組,累計派出工作人員207人。據統計,不同類型設備核相需要的時間和人力見表1所示。

表1 核相工作所需的時間和人數

綜上,傳統核相方法存在兩方面問題,一是缺乏采樣相位差的儀器,只能通過采樣壓差幅值的方法來間接核相,增加了工作流程;二是臨時放置幾百米長的電纜耗費了大量的人力和時間。

以下研制的無線二次核相儀器包含2臺設備,一臺采集新設備電壓,另一臺采集運行設備電壓。2臺設備之間通過無線連接共享信息,同時在2臺設備上可分別顯示出電壓相位差,經測試能夠顯著的節約人力和時間。

2 無線二次核相儀器

本儀器所要解決的問題是采樣相位差來代替幅值差,利用無線傳輸來代替放置電纜。本節從基本性能、整體方案和硬件、數據同步的原理組成三方面來介紹。

2.1 基本性能

無線二次核相儀器由主表和副表兩部分組成,主副表間采用無線通信的方式共享信息;變電站內復雜的電磁環境下,主副表無線通信有效傳輸距離不低于300 m;在主副表電源打開時進行握手對時,并在核相過程中保證同步采樣;主副表的量程為0～500 V;兩表均能以運行設備電壓為基準0度顯示新設備和運行設備的電壓向量圖;主副表可以顯示同步狀態及信號的強弱,信號的強弱由實時的通信丟包率來計算。

2.2 整體方案和硬件組成

無線二次核相儀器的主表和副表的硬件構成和功能完全一致,在核相過程中地位平等,無主次之分,僅在習慣上將主表用于采集運行設備的電壓,副表用于采集新設備的電壓。無線二次核相儀器采用模塊化的設計思路,主要包括如圖1所示的模塊。各模塊功能如下:

a.互感器模塊起到隔離和變換電壓的作用,提供符合模擬量采集模塊量程以內的電壓;

b.模擬量采集模塊負責采集模擬量電壓,再進行濾波和模數轉換后給MCU 單片機模塊處理;

c.同步調制模塊負責將本機采樣的數據和經無線傳輸到本機的對側數據進行同步整合,并將整合后的數據發送給MCU 模塊進行處理。該模塊需要根據模數轉換和無線傳輸等環節引發的額定延時參數進行運算來達到數據同步的目的;

d.無線傳輸模塊負責進行數據的發送和接收,并將數據傳輸至MCU 模塊進行處理;

e.MCU 單片機模塊作為最核心的模塊,負責接收本機采集的電壓和經無線傳輸模塊傳輸至本機的對側電壓。MCU 將兩側電壓發送至同步調制模塊進行處理,接收同步調制模塊處理后的電壓,并經運算后通過屏幕以向量的形式顯示。

圖1 整體方案和硬件組成

2.3 數據同步的原理

主副表間采樣是否同步會直接影響相位的偏差,所以,核相儀器對數據延時和采樣同步要求高。

數據的同步功能在同步調制模塊中實現,主表和副表之間實現無線傳輸和數據對比的先決條件是兩表相對時間為零、主副表采樣頻率相同且每一個采樣點對應的采樣時刻也相同,這樣兩表采樣的數據才有對比的意義,主表和副表之間的相位同步與繼電保護中的光纖差動保護的同步原理類似。

主表和副表通過無線傳輸數據,只要主副表間連接穩定,其傳輸延時Td就是固定的常數,對時同步就是準確求取Td并在主副表采樣數據比較時進行補償。圖2是獲取Td的方法,圖3是校正采樣時刻同步的方法。

圖2 通道延時測定

圖3 采樣時刻的同步

圖2中的黑點表示采樣時刻,相鄰兩點的間隔可表征采樣頻率,縱向相鄰的2個黑點間則表示主副表的采樣時間差ΔTs。主副表采樣頻率雖一致,鑒于兩表開機時間不定,不可能做到采樣時刻的同步,采樣時刻同步的意義就是將圖3中的ΔTs調整為零。主表端為參考端,副表端為調整端。

在同步過程中先測定通道傳輸延時Td。副表以本裝置的相對時鐘為基準在tss時刻向主表發送一幀報文,主表按照本裝置的相對時鐘為基準記錄到該報文的接收時刻tmr,隨后在下一個采樣時刻tms將時間差tms-tmr作為報文內容傳輸給副表。副表再記錄收到主表報文的時刻tsr,副表可求得無線傳輸延時Td。測得Td后,副表端可以結合時刻tsr求得ΔTs。隨后副表對采樣時刻作多次小步幅的調整,經過一段時間調整直到采樣時間差ΔTs至零,兩端同步采樣。

3 儀器的初步測試

無線二次核相儀器界面如圖4所示,主表和副表相同,能夠滿足2.1中的性能要求。首先在實驗室進行了測試,確保裝置可以完成所有的測試功能。

圖4 無線二次核相儀器的界面

利用武漢市豪邁電力自動化技術有限責任公司生產的繼保之星繼電保護測試儀進行測試,其特點是可以輸出兩路三相電壓,且所有通道輸出的幅值、相位和頻率可完全獨立調節。試驗過程中,實際輸出兩路獨立的工頻三相交流電壓,其中第1路電壓模擬新設備的電壓,第2路電壓模擬運行設備的電壓。兩路電壓可隨意設定同名相或異名相間的相角差,只要最終主副表顯示的相位差與設定值相同,就能驗證無線二次核相儀器核相的正確性。

為了模擬變電站內新設備和運行設備核相地點的距離,試驗測試儀輸出的兩路三相電壓分別經兩卷電纜軸拉至距離300 m 的2個地點,無線二次核相儀器的主表和副表分別在2個地點接入試驗電壓,實驗人員在繼電保護測試儀上進行傳統核相過程中的的拆接線操作,其他試驗人員在主副表側分別讀取和記錄相位差。

以Yd/11接線形式的主變壓器低壓側與運行設備的核相過程為例。第1路輸出的電壓用來模擬主變低壓側電壓,第2路輸出的電壓為模擬選定設備的電壓。在繼電保護測試儀上設定的兩路工頻電壓值如表2所示。

表2 繼電保護測試儀上設定的電壓

以U 相核對為例,采用常規核相的操作習慣,主表固定采集第2路的U 相電壓,副表逐相采集第1路三相電壓,記錄同名相和異名相位差,V 和W 相的核對方法與U 相一致,結果如表3所示,測試結果與設定值相符,核相準確無誤。

表3 相位差試驗結果

4 變電站內測試

2019年11 月,在石北站500 k V 忻石Ⅲ線投運和臥牛城站220 k V 臥門Ⅰ線路投運工作中進行了儀器的實際測試。其中500 k V 忻石Ⅲ線與相鄰運行線路進行核相,220 k V 臥門Ⅰ線與220 k V 母線進行核相。實驗結果正確無誤。

測試完畢后,用傳統方法再次進行核相,將兩者在耗費的人力和時間兩方面進行對比,結果見表4所示。可以看出,采用無線二次核相儀器核相可以有效的縮減人員和時間。

表4 2種方法對比結果

5 結論

a.不論核相設備的類別,無線二次核相儀器的使用可在保證核相結果正確的基礎上,將工作人員數量縮減至2人,工作時間縮減至10 min以內,較傳統方法有很大優勢,具有良好的經濟效益和推廣價值。

b.當無線信號穿越帶屏蔽性能的繼電保護室墻壁或鋼架密集、電磁環境復雜的設備區時,會導致主表和副表的連接信號變弱。為保證核相工作順利開展,有些場合需要將主表和副表分別處于2個繼電保護室門口位置以擺脫屏蔽墻的影響,為此,需要在電壓轉接屏和繼電保護室門口之間放置短電纜,工作量有所提升,下一步需要研制抗干擾性能更好,傳輸距離更遠的核相儀器。