一種智能變電站小電流接地選線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

欒國(guó)軍，王　濤，張　濤，王敬海，李兆峰

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東　濰坊　261000；2.濟(jì)南置真電氣有限公司，濟(jì)南　250013；3.華電淄博熱電有限公司，山東　淄博　255000）

一種智能變電站小電流接地選線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

欒國(guó)軍1，王濤2，張濤1，王敬海1，李兆峰3

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東濰坊261000；2.濟(jì)南置真電氣有限公司，濟(jì)南250013；3.華電淄博熱電有限公司，山東淄博255000）

配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能變電站化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，也是統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)小電流接地選線的智能化接入，是實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)智能自愈控制的重要組成部分。介紹一種基于IEC-61850-2標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站小電流接地故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，適用于110 kV及以下智能變電站，檢測(cè)方法不受消弧線圈、不穩(wěn)定電弧影響。

智能變電站；小電流接地；IEC-61850-2；暫態(tài)選線

0　引言

傳統(tǒng)的變電站自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)逐漸被取代，基于IEC-61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站技術(shù)正在快速發(fā)展，已經(jīng)從500 kV、220 kV逐漸向110 kV、35 kV推進(jìn)。對(duì)于發(fā)生概率最高的單相接地故障，及時(shí)準(zhǔn)確地選出故障線路對(duì)提高供電可靠性具有重要意義。因此，如何快速選出故障線路并提出相應(yīng)解決方案是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中重要部分［1］。

在智能變電站中，小電流接地故障選線依然屬于間隔層的一個(gè)組成部分，但是它的信息不是來(lái)源于單個(gè)間隔單元，而是一組間隔單元?；诓煌脑O(shè)計(jì)原理，在過(guò)程層和間隔層之間，尤其是110 kV及以下智能變電站中，存在幾種不同的架構(gòu)，這導(dǎo)致智能變電站的小電流接地選線的系統(tǒng)架構(gòu)存在不同的技術(shù)方案［2］。

介紹一種基于IEC-61850-2標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站小電流接地選線系統(tǒng)組成、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用。對(duì)于小電流接地選線裝置來(lái)說(shuō)，選線裝置只需要具備以太網(wǎng)口就可以獲得數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)接口模塊的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，極大地降低了選線裝置的成本。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

1.1總體結(jié)構(gòu)

基于IEC-61850-2標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站選線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是各個(gè)間隔的合并單元得到電子式互感器采集到的電壓和電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后通過(guò)光纖傳送到交換機(jī)上，二次設(shè)備都通過(guò)交換機(jī)獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理［3］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

IEC61850把變電站分成三層，即變電站層、間隔層和過(guò)程層，其中變電站層包括監(jiān)控設(shè)備、事件日志，告警設(shè)備等；間隔層包括繼電保護(hù)設(shè)備、測(cè)控設(shè)備、向量測(cè)量設(shè)備等；過(guò)程層包括智能開(kāi)關(guān)和數(shù)字互感器。各層之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)系。小電流接地選線裝置分布在間隔層，通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)獲取合并單元采集的電子式互感器的電壓電流信號(hào)。當(dāng)發(fā)生小電流接地故障時(shí)，分布在間隔層的小電流接地選線裝置啟動(dòng)，并根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行故障線路選擇。并通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)將選線結(jié)果上報(bào)給綜自主站。

圖1　基于IEC-61850-2標(biāo)準(zhǔn)的選線系統(tǒng)

1.2選線裝置

由于所有電氣量采集工作都已經(jīng)由合并單元完成。所以包括選線裝置在內(nèi)的所有二次設(shè)備都可以通過(guò)過(guò)程層直接獲取電氣量的采樣信息［4］。

從結(jié)構(gòu)和功能上，如圖2所示選線裝置可分為中央處理單元、數(shù)字化接口單元、人機(jī)界面和電源等幾部分。各部分采用插件式結(jié)構(gòu)，裝置擴(kuò)展、更新和維護(hù)方便。由于會(huì)面臨數(shù)據(jù)同步大量信息提取處理等問(wèn)題，尤其數(shù)字化接口的設(shè)計(jì)采用了千兆網(wǎng)口，保證數(shù)據(jù)的可靠性、完整性。

圖2　小電流接地故障選線裝置硬件架構(gòu)

中央處理單元是工業(yè)級(jí)主板模塊，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、算法計(jì)算、統(tǒng)計(jì)顯示等內(nèi)容。工業(yè)級(jí)主板通過(guò)板上總線接口與8.4英寸工業(yè)級(jí)彩色觸摸屏聯(lián)接，通過(guò)觸摸屏顯示人機(jī)界面，進(jìn)行配置參數(shù)、波形顯示等功能。數(shù)字化接口單元，主要是千兆網(wǎng)口、B碼對(duì)時(shí)等。雙千兆網(wǎng)口設(shè)計(jì)可以同步與間隔層網(wǎng)絡(luò)和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)連通，實(shí)時(shí)收取發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。故障數(shù)據(jù)可以存貯在SSD固態(tài)硬盤當(dāng)中，也可以實(shí)時(shí)通過(guò)人機(jī)界面顯示。

2　系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1基本選線原理

小電流接地電網(wǎng)單相接地故障絕大部分發(fā)生在電壓出現(xiàn)或接近峰值時(shí)，故障相電容放電以及非故障相電容充電，產(chǎn)生一個(gè)明顯的暫態(tài)過(guò)程。故障選線原理主要利用接地故障后信號(hào)暫態(tài)分量信息，實(shí)現(xiàn)接地選線。故障信號(hào)的暫態(tài)分量相對(duì)于穩(wěn)態(tài)分量具有如下特征：?jiǎn)蜗喽搪方拥毓收纤查g的故障電流是穩(wěn)態(tài)的十幾倍以上，并且故障線路高頻分量的幅值最大、相位與穩(wěn)態(tài)線路相反。此外，消弧線圈對(duì)電流影響小，利用暫態(tài)電流選線可以有效避免消弧線圈的干擾［5］。

2.2工作流程

正常時(shí)工作流程。如圖3所示，小電流接地選線裝置需要采集各個(gè)線路電流和母線電壓，通過(guò)其雙千兆網(wǎng)口從交換機(jī)上收取被監(jiān)測(cè)線路的合并單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)采樣值報(bào)文傳輸。裝置軟件在收到采樣值數(shù)據(jù)后，進(jìn)入故障啟動(dòng)判斷流程。

圖3　小電流接地故障選線裝置正常工作流程

故障后處理流程。如圖4所示，裝置軟件在判斷故障發(fā)生后，進(jìn)入選線算法模塊。讀取配置參數(shù)，根據(jù)配置文件進(jìn)行相位幅值變比校正統(tǒng)一；啟動(dòng)相關(guān)的算法選擇故障線路；存儲(chǔ)相應(yīng)參數(shù)和數(shù)據(jù)，選線結(jié)果；若故障持續(xù)時(shí)間超過(guò)一定范圍就上報(bào)選線結(jié)果，否則就是瞬時(shí)性故障。

圖4　小電流接地故障選線裝置選線算法流程

選線結(jié)果上報(bào)。裝置通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口接入站控層，后臺(tái)主站通過(guò)交換機(jī)獲取上報(bào)結(jié)果，并轉(zhuǎn)發(fā)至調(diào)度中心。

2.3模擬量同步

小電流接地故障選線是一種跨多間隔的系統(tǒng)，選線所需的量來(lái)自母線所連接的所有出線零序電流以及母線零序電壓。因此，各間隔合并單元的同步采樣是保證模擬量采樣的信號(hào)完整性的關(guān)鍵。根據(jù)Nyquist采樣定理，采樣頻率為特征頻段上限的2倍以上，如果特征頻段為150 Hz至3 kHz，那么采樣頻率至少為6 kHz即每周期120個(gè)采樣點(diǎn)以上，一般可以選擇每周期128個(gè)采樣點(diǎn)。

對(duì)傳統(tǒng)的選線裝置來(lái)說(shuō)，零序電流量和零序電壓量都是通過(guò)二次電纜連接的，以電磁波的傳輸速度傳送到選線裝置，由選線裝置統(tǒng)一進(jìn)行采樣，此時(shí)認(rèn)為各通道的采樣是完全同步的。但對(duì)智能變電站來(lái)說(shuō)，各合并單元初始工作狀態(tài)可能不同步，因此，必須通過(guò)某種方式來(lái)控制所有關(guān)聯(lián)的間隔同時(shí)采樣。

智能變電站一般采用2種同步方式：外部時(shí)鐘同步方式和內(nèi)部時(shí)鐘同步方式。采用內(nèi)部時(shí)鐘同步方式時(shí)，同步設(shè)備與被同步設(shè)備間必須建立一對(duì)一的同步網(wǎng)絡(luò)通道或復(fù)用原有的通信網(wǎng)絡(luò)通道。外部時(shí)鐘同步方式是通過(guò)外設(shè)的全站同步時(shí)鐘源以固定間隔向全站需要同步的設(shè)備發(fā)出同步序列波形實(shí)現(xiàn)的。在同步時(shí)鐘源中用硬件方式實(shí)現(xiàn)多路同步對(duì)時(shí)高速串口，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式與過(guò)程層合并單元的對(duì)時(shí)口相連接。

智能變電站各個(gè)間隔的合并單元一般來(lái)自同一個(gè)廠家，性能在一致性方面不會(huì)存在很大問(wèn)題。合并單元初始工作狀態(tài)可能存在不一致問(wèn)題，但一般會(huì)通過(guò)外部時(shí)鐘同步方式，如B碼或者1588對(duì)時(shí)，采樣數(shù)據(jù)包帶有時(shí)間標(biāo)簽。智能變電站小電流選線裝置在使用合并單元數(shù)據(jù)進(jìn)行故障選線時(shí)，必須要根據(jù)時(shí)間標(biāo)簽進(jìn)行同步再進(jìn)行下一步的算法處理。

2.4選線裝置建模

IEC-61850標(biāo)準(zhǔn)采用邏輯節(jié)點(diǎn)來(lái)描述設(shè)備的功能。故障選線模型的建立可以看做是一個(gè)的實(shí)例而標(biāo)準(zhǔn)采用邏輯節(jié)點(diǎn)來(lái)描述設(shè)備的功能。邏輯節(jié)點(diǎn)是交換數(shù)據(jù)的最小功能單元，所以可以把選線裝置的每個(gè)功能定義為邏輯節(jié)點(diǎn)類的一個(gè)實(shí)例模型的建立首先要準(zhǔn)確描述的功能將其抽象為若干個(gè)功能邏輯節(jié)點(diǎn)類［6］。

針對(duì)故障選線的功能要求和技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合智能變電站中邏輯節(jié)點(diǎn)模型的建立方法，可以將故障選線分解為以下幾種功能：1）保護(hù)功能，即選線保護(hù)；2）測(cè)量功能，即母線電壓，線路零序電流測(cè)量；3）控制功能，即故障告警；4）分析功能，即故障波形記錄；5）接口功能，即閾值整定，輸入輸出，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，日志記錄等。

為了簡(jiǎn)化模型，基于暫態(tài)信號(hào)的小電流接地故障選線邏輯節(jié)點(diǎn)僅監(jiān)測(cè)一段母線和該母線的出線，如果需要監(jiān)測(cè)多段母線，可以采用多個(gè)分析選線功能的邏輯節(jié)點(diǎn)［7］。

3　系統(tǒng)主要特點(diǎn)及應(yīng)用

基于IEC-61850-2標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站小電流接地選線系統(tǒng)能夠真正的實(shí)現(xiàn)“即插即用”設(shè)計(jì)思想。只需具備網(wǎng)絡(luò)接口就可以收取數(shù)據(jù)信息，并上傳選線結(jié)果。選線裝置可采用工業(yè)級(jí)觸摸屏顯示，也可接入普通工業(yè)級(jí)寬屏顯示器。裝置軟件采用可視化圖形界面操作配置，方便用戶維護(hù)。故障錄波功能，可永久記錄故障波形，實(shí)時(shí)顯示錄波波形、實(shí)時(shí)電氣量，還可以手動(dòng)錄波。錄波數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)COMTRADE［8］格式存貯。故障數(shù)據(jù)可分類查詢、打印輸出統(tǒng)計(jì)報(bào)表。線路絕緣情況預(yù)警可以通過(guò)瞬時(shí)故障的頻率和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行分析計(jì)算。

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，由于110kV及以下智能變電站的過(guò)程層和間隔層架構(gòu)不同，導(dǎo)致智能變電站的小電流接地選線的系統(tǒng)架構(gòu)存在不同的技術(shù)方案。因此選線裝置在智能變電站應(yīng)用前應(yīng)當(dāng)充分對(duì)該變電站進(jìn)行調(diào)研，以確定采用何種架構(gòu)的選線系統(tǒng)。

暫態(tài)原理的選線方法對(duì)信號(hào)的采樣精度、采樣頻率以及時(shí)間精度，都有很高的要求，必須與電子式互感器廠家、合并單元廠家等進(jìn)行詳細(xì)溝通，以保證選線的技術(shù)要求。

小電流接地故障選線裝置變電站中常用的二次設(shè)備。但是在IEC-61850標(biāo)準(zhǔn)中缺乏相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)和設(shè)備模型，因此選線裝置的61850規(guī)約建模必須與智能變電站后臺(tái)綜合自動(dòng)化廠家進(jìn)行充分的溝通，以保證雙方對(duì)于規(guī)約的理解和解析完全一致。

4　結(jié)語(yǔ)

提出了一種基于IEC-61850-2標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站小電流接地選線系統(tǒng)，選線裝置只需要具備一個(gè)光纖接口或以太網(wǎng)口就可以獲得數(shù)據(jù)并進(jìn)行故障選線，極大地降低了選線裝置的成本。對(duì)于推動(dòng)IEC-61850標(biāo)準(zhǔn)在配電自動(dòng)化中的應(yīng)用和小電流接地故障選線裝置在智能變電站重點(diǎn)的規(guī)范化應(yīng)用都有積極的意義。

［1］齊鄭，郭銳，楊以涵.基于數(shù)字化變電站的小電流接地故障選線實(shí)現(xiàn)方案［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（24）：54-57.

［2］陶利國(guó)，許云峰.采用數(shù)字技術(shù)的小電流接地選線和故障定位裝置［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（7）：86-90.

［3］齊鄭，白芮瑄，楊以涵.數(shù)字化變電站中小電流接地選線裝置的設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（13）：88-90.

［4］施慎行，任立，劉澤宇，等.符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的行波電流選線裝置研制［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（3）：131-134.

［5］薛永端，馮祖仁，徐丙垠，等.基于暫態(tài)零序電流比較的小電流接地選線研究［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27（9）：48-53.

［6］韓國(guó)政，徐丙垠.小電流接地故障選線和定位裝置的IEC 61850信息建模［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（5）：57-60.

［7］賈清泉，石磊磊，田杰，等.數(shù)字化變電站中故障選線智能電子設(shè)備模型［J］，電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（8）：63-66.

［8］IEC 60255-24電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換（COMTRADE）公用格式［S］.2001.

Implementation of a Kind of Small Current Grounding Line Selection System in Intelligent Substation

LUAN Guojun1，WANG Tao2，ZHANG Tao1，WANG Jinghai1，LI Zhaofeng3
（1.State Grid Weifang Power Supply Company，Weifang 261000，China；2.Jinan Zenergy Electric Co.，Ltd.，Jinan 250013，China；3.Huadian Zibo Thermal Power Co.，Ltd.，Zibo 25500，China）

The realization of intelligent substation is the development trend of distribution network in the future and is also the important content of unified strong smart grid.To implement the intelligent access of small current grounding line selection of the distribution network is an important part of self-healing.A kind of intelligent substation based on IEC-61850-2 standard of small current grounding fault monitoring system structure is introduced，its working principle and field application case are analyzed.With the advantage of reasonable system structure，it can be applied in intelligent substations of 110 kV and below. The detection method is not influenced by arc suppression coil or by unstable arc.

intelligent substation；small current grounding；IEC-61850-2；transient line selection

TM762

B

1007-9904（2015）09-0019-04

2015-05-11

欒國(guó)軍（1968），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)配電網(wǎng)運(yùn)行和管理；

王濤（1977），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)配電網(wǎng)繼電保護(hù)。