智能變電站常規采樣與合并單元的可靠性分析

侯 可 劉霄揚 張文博 王 莉

（國網河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450007）

常規采樣與合并單元的配置成為當前智能變電站的普遍性選擇，加上數字化的保護與測控裝置，實現了傳統變電站的升級。而在系統的構架方面，通過保護測控端點信息實時數字化提高了運行性能，但是系統整體性能卻受到了制約，因為報文通信技術的使用，在故障發生時會引發其他電氣裝置出現閉鎖、誤動等異常狀況，而合并單元的前置部署，使設備工作環境風險性增加，此外量化過程從主控CPU前移至合并單元現場，依靠可編程門陣列、CPU、接發物理層等[1]，由于前置系統工作環境和技術環境的不足，降低了系統可靠性。基于此種情況，必須對整個常規采樣與合并單元的工作機理進行分析，討論如何從系統運行特點、性能鑒定、運行監測和關鍵測試等環節逐步提高其穩定性，確保變電站功能實現。

1 常規采樣與合并單元的關鍵問題

1.1 系統構成

常規采樣與合并單元的關鍵在于電子電路，通過電子電路的組建實現功能突破，系統的升級根本在于對電子電路元件的更新換代。當前，電子電路中重點體現了數據采集、數據量化、數據整理和數據輸出等功能。利用內置小型電流、電壓互感器作為數據采集基礎元件，經過限幅、濾波等處理后，經A/D定式采樣，采樣數據送至FPGA元件，經過CPU協調加工處理，生成標準格式下的網絡報文，成型數據則最終發送至過濾層網[2]。在系統構成上，根據當前已有研究成果和實踐經驗，普遍選擇如下方案。①采集端模塊選擇阻容濾波、運算放大、VT/CT、A/D等，考慮采集端運行穩定性，可對部分元件采用雙套配置以確保冗余量，防止系統運行中斷。②FPGA組合元件（晶振、電源、主元件、FPGA FLASH），利用FPGA下轄運行程序實現數據緩存、局部元件聯控、報文發送、時鐘管理等。③CPU組合元件（主元件、晶振、電源電路、復位電路、調式電路、RAM），負責主功能調控、人機連接、容錯分析、數據整理等。④PHY外部接口組合元件（主元件、晶振、輸入元件、輸出元件），主要負責對數字報文的轉化，最終以光信號模式進行傳輸。電子電路構建圖樣如圖1所示。

圖1 常規采樣與合并單元的電子電路構建示意

1.2 延時問題

常規變電站對電流和電壓的采樣，主要是以模擬量進行采集，利用TV和TA等經電纜直接傳入保護裝置，因此在傳輸過程中沒有中間環節阻隔，所以采樣過程的延時率相對固定且小，僅需要依據保護裝置在某一時間節點的采樣脈沖特征，對應模擬量采樣即可基本確定同步數據。但是在智能變電站中，采樣端點的模擬量數據采集之后，需要經過合并單元相關模塊的過濾和加工，最后形成數字數據經光纖傳入保護裝置，由此增加了過程環節，使延時增長。例如濾波處理、模擬量轉化光信號、保護裝置的解碼與同步等環節，均會不同程度地增加耗時，因此產生較長的延時。此外因為電壓經合并單元采集TV母線模擬量（延時1 ms），再經級聯傳遞至間隔合并單元（延時2 ms），最后再上傳至保護裝置，合并單元處增加了既定回路，出現延時累加，且在單次故障下保護裝置迎合時間加大，難以有效控制故障危害。針對此類情況，必須做好延時同步工作，即針對合并單元下的常規采樣，考慮其電流電壓模擬量轉化為數字信號后的延時差距，通過固定延時發送至保護裝置的方法，在保護裝置接收到數據后優先進行修正，修正的參考值為傳輸延時值，利用插值運算結合采樣脈沖的分頻確定補償修正概樣，獲取與采樣起點幾近相同的數據。

2 常規采樣與合并單元的性能分析

2.1 性能預估方案

依據以往變電站設備故障信息和工作經驗，根據設備產品的薄弱指標和系統固有缺陷，考慮使用一系列相關方案對常規采樣與合并單元的性能進行預估[3]。①類推預估。即根據搜集的設備性能報告和使用表現報告，對設備分類情況下的產品性能進行類推，得出設備性能的預估值，主要是針對可以明確分類的各類設備和元件，如CPU、外接口等，但需要結合廠商和設備參數綜合評估。②專家預估。通過專家指導建立相關的評分項目，如技術含量、工作環境、故障抗性和結構復雜度等，以實際測定和專家綜合評判打分，獲得設備分值，以此確定設備的綜合性能高下。③統計預估。通過設備和元件的批量計數和故障及相關數據累積統計的辦法，對設備和元件的失效率、故障率和環境適應力等進行統計，并建立對比模型和積分指標，對分類目標下的具體設備或元件進行全面評價。3種預估方案的優劣對比見表2。

表2 預估方案的優劣對比

2.2 故障評估與應對

智能變電站常規采樣與合并單元故障包括了局部異常、功能喪失或衰退、暫停運行等，故障源及連鎖反應情況見表3。

表3 故障源及連鎖反應情況

在采取單套保護裝置的系統在故障發生時保護系統出現閉鎖狀態，直接導致電氣及相關設備與元件退出運行體系，變電站正常運行的風險較高，而依靠雙套保配置，冗余設備可以在故障期間頂替原設備和元件運行，從而使整個系統不至于出現瞬時暫停工作的情況。其中采集模塊與FPGA模塊的故障較為常見，且可能形成系統異常運行，從而出現報文異常。針對報文進行故障響應，報文方面以保護裝置為基礎，對采樣報文進行實時鎖存，對當前跳變和異常情況進行監視和分析，對應用層報文內容、長度、通道配置與計數等進行分析和優化。在雙A/D數據采樣模式下，設置異常緊急閉鎖響應，通過專門的邏輯元件異常進行識別和處理，為了保證保護裝置綜合性能，在啟動、保護元件的采樣方面，應考慮使用不同的模擬量數據，避免裝置產生錯誤識別而增加誤動風險。

3 常規采樣與合并單元的測試

常規采樣下合并單元的功能實現主要受延時性與同步性影響，在二次系統中硬件與軟件共同影響了這2個性能，因此需要確定整個采樣系統的守時與對時功能，加強數據同步來增強運行效果。目前合并單元一般采用B碼對時，如果合并單元和外部時鐘已經對時穩定，則可以通過測試儀器例如DM5000解析報文中的時標來確定合并單元是否與外部時鐘對時穩定。如果沒有對上，而凱默已經對上時，則凱默測量合并單元的延時將是一個相差很大的延時。對于守時功能的測試：首先將合并單元與外部對時系統斷開，使用DM5000測量合并單元的延時，采樣的同步誤差應至少能在10 min內不大于4us同步精度要求。在測試過程中，無論是TM模式或ETM模式，都應當以實際工作效果為測試基準，因此需要有實際通電運行下的真實情景作為測試基礎。在TM模式下，線路合并單元通過PT的合并單元以級聯狀態進行電壓輸出，由此TM模式下共有線路和PT2個合并單元，延時情況更重，而常規的保護機制是通過線路合并單元處的延時補償來應對，一般采用線路與PT聯動補償，即PT合并單元如果相對固定為延時x秒，則電壓在線路合并單元處將會被補償x秒，此時從合并單元處發出電壓延時就變成了2x秒，因此在分步測試時需要注意各部分元件下延時補償與還原問題。

4 結語

智能化運行方案和系統構架是智能變電站的標志與核心要點，尤其是在二次系統構架上，常規采樣與合并單元相關設備和技術為系統升級提供了有效幫助，同時也增加了系統的復雜程度，導致系統性能的實現存在一定困難。因此必須從常規采樣與合并單元的根本特點著手，思考如何依靠專業理論和實踐經驗，分析系統運行的規律，從各個基點著手進行優化，整個過程主要參考系統的運行原理和設備特性。此外，做好相關數據和性能的測試，有利于掌握系統在運行中的狀態，對設備選型、系統升級與維護等都有重要價值。