一種智能變電站數(shù)字化計量系統(tǒng)級試驗技術(shù)方法研究*

張翔，胡娟，楊敏，李福超，羅睿希，葉子陽

（1.國網(wǎng)四川省電力公司計量中心，成都610045；2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，成都610042）

0 引 言

基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系建立的智能變電站，計量系統(tǒng)已經(jīng)由傳統(tǒng)的計量系統(tǒng)變成了數(shù)字化計量系統(tǒng)［1-2］。目前針對智能變電站數(shù)字化計量系統(tǒng)的試驗方案，主要是沿用了傳統(tǒng)計量系統(tǒng)的試驗思路，即對系統(tǒng)中各個裝置分別進(jìn)行性能測試和評估，比如對電子式互感器（及其合并單元）、模擬量輸入合并單元和數(shù)字化電能表等裝置進(jìn)行單獨(dú)的試驗，以對其準(zhǔn)確性及時間特性等各方面進(jìn)行測試［3-5］。

由于智能變電站數(shù)字化計量系統(tǒng)信息數(shù)字化、傳輸光纖化以及通信網(wǎng)絡(luò)化的特點，其準(zhǔn)確性不僅與各個裝置本體有關(guān)，同樣與全鏈路傳輸網(wǎng)絡(luò)及采樣時間的同步性等多方面因素有關(guān)，因此目前針對數(shù)字化計量系統(tǒng)的試驗方案僅能夠有效保證某臺數(shù)字化計量裝置在單獨(dú)運(yùn)行時的準(zhǔn)確可靠，并不能完全反映各個裝置構(gòu)成完整系統(tǒng)的性能，很難發(fā)現(xiàn)并及時處理由于傳輸環(huán)節(jié)或同步環(huán)節(jié)等因素引起的問題［6-9］。

為了解決以上問題，提出了一種智能變電站數(shù)字化計量系統(tǒng)級試驗技術(shù)方法，該方法把互感器、合并單元、交換機(jī)、數(shù)字化電能表及其傳輸網(wǎng)絡(luò)看作一個整體來進(jìn)行試驗，通過實際試驗證明了該方法的可行性。

1 現(xiàn)有試驗方法的不足

1.1 未考慮合并單元級聯(lián)對準(zhǔn)確性的影響

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，電子式互感器、合并單元測試方法都是針對單個設(shè)備的準(zhǔn)確度測試，并未對合并單元級聯(lián)的情況做出明確規(guī)定。在實際測試中，僅僅關(guān)注于某個電子式互感器或模擬量輸入合并單元自身輸出采樣值報文的準(zhǔn)確性，通常忽視了合并單元輸出的采樣值報文經(jīng)過級聯(lián)后造成的影響。合并單元級聯(lián)的過程主要是進(jìn)行重采樣，目前重采樣的方式都是在后一級合并單元進(jìn)行插值同步的計算，以得到相同時刻的電壓電流值，插值同步的原理如圖1所示［10］。此時延時參數(shù)設(shè)置錯誤、插值算法誤差過大、前級合并單元輸出報文的幀離散度過大等因素都將導(dǎo)致級聯(lián)后的采樣值不準(zhǔn)確。

圖1 插值同步的原理Fig.1 Principle of interpolation synchronization

互感器、合并單元和以太網(wǎng)交換機(jī)在傳輸采樣值過程中會引入的時間延遲如圖2所示，其中ECT/EVT與MU之間的延時為td，MU至IED之間的延時為Td。在通過插值同步時，由于合并單元延時造成間隔層IED接收到的電壓、電流與實際值之間產(chǎn)生了偏差，針對4 kHz采樣率而言，每個采樣點對應(yīng)角度4.5°，折算成采樣時間為250μs，因此1μs對應(yīng)的角度為1.08′，意味著每延時1μs，將造成測量相角誤差為1.08′。在根據(jù)采樣值進(jìn)行同步插值之前，需要根據(jù)設(shè)備之間的額定延時將采樣值的接收時刻還原為原始采樣數(shù)據(jù)時刻。因此，在同步過程中，要求合并單元能夠穩(wěn)定滿足其額定延時，才能保證不造成較大誤差。

圖2 采樣值傳輸?shù)臅r序分布Fig.2 Timing distribution of sampled value transmission

1.2 未考慮合并單元不同采樣通道的同步性影響

現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對電子式互感器和合并單元的測試方法、技術(shù)要求等內(nèi)容未對不同采樣通道之間的同步性做出規(guī)定，但在實際運(yùn)行中如果某相的電壓和電流采樣通道之間同步性出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致該相電壓和電流的相位差測量不準(zhǔn)，從而造成功率因數(shù)誤差；如果三相電壓或三相電流之間的同步性出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致相序測量不準(zhǔn)確。

1.3 不能完全反映3/2接線或內(nèi)橋接線實際準(zhǔn)確性

現(xiàn)有的數(shù)字化計量系統(tǒng)測試方法都只能驗證組成系統(tǒng)的各個設(shè)備各自運(yùn)行的準(zhǔn)確性，而在3/2接線、內(nèi)橋接線等跨間隔計量情況下，系統(tǒng)的組成多由合并單元級聯(lián)、交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确绞綄崿F(xiàn)，如前文所述，這些實現(xiàn)方式對測量的準(zhǔn)確性將產(chǎn)生很大影響，如不考慮這些因素，就不能完全反映3/2接線、內(nèi)橋接線等跨間隔計量情況下整個系統(tǒng)實際的準(zhǔn)確性。

1.4 數(shù)字化電能表檢測工況與實際運(yùn)行工況的差異性

已有數(shù)字化電能表的測試方法主要是實驗室進(jìn)行的虛負(fù)荷檢測和現(xiàn)場進(jìn)行的實負(fù)荷檢測，其中實驗室虛負(fù)荷檢測是將數(shù)字化電能表置于實驗室參比條件下進(jìn)行檢測，此時數(shù)字化電能表運(yùn)行于理想的工況下，接收的采樣值報文為測試儀發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)報文，沒有其他干擾信號，這與數(shù)字化電能表實際的運(yùn)行工況存在較大差異。數(shù)字化電能表在實際運(yùn)行中接收合并單元發(fā)出的采樣值報文，其實際頻率、波形等都不是理想狀況，尤其是在網(wǎng)采模式下數(shù)字化電能表的采樣值輸入端口很可能受到交換機(jī)背景流量的沖擊，這種干擾是完全隨機(jī)的，而實驗室現(xiàn)有的檢測方法無法復(fù)現(xiàn)這種隨機(jī)的干擾。而現(xiàn)場實負(fù)荷檢測又受制于實際的運(yùn)行狀態(tài)，僅能驗證檢測活動發(fā)生時的運(yùn)行狀態(tài)，不能完全涵蓋所有的運(yùn)行狀態(tài)和可能出現(xiàn)的異常。

2 實際運(yùn)行缺陷故障案例分析

2.1 合并單元延時參數(shù)配置錯誤導(dǎo)致保護(hù)誤動案例

2013年，河南省某500 kV變電站對側(cè)變電站進(jìn)行人工短路試驗期間，該站發(fā)生500 kV主變差動保護(hù)、220 kV母線差動保護(hù)、220 kV部分線路差動保護(hù)不正確動作，導(dǎo)致該站一臺主變、一條220 kV母線及兩條220 kV線路跳閘。該變電站采用了常規(guī)互感器和模擬量輸入合并單元的采樣模式，根據(jù)故障技術(shù)調(diào)查報告，保護(hù)誤動作的主要原因是合并單元內(nèi)部延時參數(shù)設(shè)置錯誤，導(dǎo)致電流采樣數(shù)據(jù)不同步，繼而引發(fā)差動保護(hù)檢測到差流而動作。

這一案例暴露出兩個方面的問題：一是合并單元內(nèi)部參數(shù)設(shè)置對其測量結(jié)果有重要影響，該案例中的合并單元內(nèi)部延時參數(shù)設(shè)置錯誤，導(dǎo)致其輸出采樣數(shù)據(jù)相位與真實相位發(fā)生了偏差；二是現(xiàn)有的電子式互感器、合并單元的測試方法可能存在漏洞，該案例中事故合并單元的延時配置錯誤，使其輸出信號的相位滯后了一個完整的周波（20 ms），此時如果采用穩(wěn)態(tài)校驗的方法，依靠波形相位關(guān)系來測試相位誤差得到的測量結(jié)果是在誤差限值內(nèi)的，因此無法發(fā)現(xiàn)問題。只有通過針對采樣值報文幀延時的測試方法，或暫態(tài)測試方法，才能發(fā)現(xiàn)這一類問題。

2.2 合并單元級聯(lián)延時處理不正確導(dǎo)致電能計量差錯案例［6］

2015年，四川省某110 kV智能變電站出現(xiàn)110 kV母線電量不平衡問題，其主變高壓側(cè)數(shù)字化電能表功率因數(shù)存在異常（正常值為0.99，實際為0.96），如圖3所示。對該現(xiàn)象進(jìn)行分析，判斷該站主變高壓側(cè)合并單元對級聯(lián)的處理存在異常，又由于該站合并單元同步方式是采用了額定延時法，因此判定該異常情況為主變高壓側(cè)合并單元對級聯(lián)的延時補(bǔ)償出現(xiàn)問題從而導(dǎo)致的相位誤差和功率因數(shù)的異常。

以上兩個案例都表明，智能變電站數(shù)字化計量系統(tǒng)投運(yùn)前除了需要進(jìn)行單個裝置的檢測外，還需要進(jìn)行系統(tǒng)整體的檢測，這樣才能有效避免由于裝置與裝置之間的配合問題導(dǎo)致的系統(tǒng)不準(zhǔn)確和不可靠的現(xiàn)象。

圖3 主變高壓側(cè)電能表功率因數(shù)異常Fig.3 Power factor abnormality of high voltage side of main transformer

3 系統(tǒng)級試驗技術(shù)方案

3.1 技術(shù)方案原理

基于以上分析，文章提出了一種智能變電站數(shù)字化計量系統(tǒng)級試驗技術(shù)方案，如圖4所示。

通過數(shù)字化計量系統(tǒng)測試儀輸出電壓電流信號的控制信號，用以控制調(diào)壓器的輸出，調(diào)壓器的輸出給標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器和標(biāo)準(zhǔn)電流互感器，通過標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器和標(biāo)準(zhǔn)電流互感器自帶的升壓升流裝置后得到需要的一次電壓電流，一次電壓電流輸出給被測互感器，同時標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器以及標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的二次標(biāo)準(zhǔn)輸出給標(biāo)準(zhǔn)電能表，被測電壓互感器和被測電流互感器的輸出通過合并單元和交換機(jī)后給數(shù)字化電能表，最后標(biāo)準(zhǔn)電能表和數(shù)字化電能表的脈沖輸出給數(shù)字化計量系統(tǒng)測試儀進(jìn)行比較得到整體的計量誤差。同時，每個環(huán)節(jié)的輸出都將同時送到數(shù)字化計量系統(tǒng)測試儀進(jìn)行分析比較，包括標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、被測電壓互感器、被測電流互感器、合并單元、交換機(jī)。這樣，就可以實時得到全過程各環(huán)節(jié)的電參量，從而實現(xiàn)對全鏈路的檢測和評估。

圖4 智能變電站數(shù)字化計量系統(tǒng)級試驗技術(shù)方案Fig.4 System-level test method of digital metering in smart substation

標(biāo)準(zhǔn)互感器的二次輸出和被測互感器的二次輸出進(jìn)行比較可以得到被測互感器的誤差；被測互感器的二次輸出和合并單元的輸出進(jìn)行比較可以得到合并單元的影響，包括合并單元的絕對延時、誤差、報文離散度等；合并單元的輸出和交換機(jī)的輸出進(jìn)行比較可以得到交換機(jī)的影響，包括交換機(jī)的延時、誤差、丟幀誤碼、報文離散度等；交換機(jī)的輸出和數(shù)字化電能表的脈沖輸出進(jìn)行比較可以得到數(shù)字化電能表的誤差。

可以看出，該系統(tǒng)級試驗技術(shù)方案不僅可以對整體誤差進(jìn)行試驗，同時可以對全鏈路中各環(huán)節(jié)的功能、性能和影響進(jìn)行測試，彌補(bǔ)了現(xiàn)有數(shù)字化計量試驗只是針對單一裝置的不足。

3.2 技術(shù)方案應(yīng)用

利用文章提出的技術(shù)方案，解決前文中提到的某110 kV變電站異常，具體的試驗方案如圖5所示。

圖5 110 kV變電站現(xiàn)場試驗方案Fig.5 Field test scheme for substation of 110 kV

數(shù)字化計量系統(tǒng)測試儀輸出源信號給151合并單元、I母PT合并單元和112合并單元，接收151合并單元、I母PT合并單元、112合并單元和101合并單元的輸出，測試結(jié)果如表1，表2，表3，表4和表5，分別是151合并單元的誤差，I母PT合并單元的誤差，112合并單元的誤差，101合并單元的電壓誤差和101合并單元的電流誤差。試驗數(shù)據(jù)如表1～表5所示。

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，除了101合并單元的電流相位誤差超出準(zhǔn)確度等級要求，其他所有合并單元均符合準(zhǔn)確度等級要求。通過計算101合并單元的電流相位誤差，其基本上穩(wěn)定在14.4°，這也完全符合文獻(xiàn)［6］中所述的采集得到的相位偏差和現(xiàn)場數(shù)字化電能表上看到的功率因數(shù)異常。

表1 151合并單元的誤差Tab.1 Error for the merging unit of 151

表2 I母PT合并單元的誤差Tab.2 Error for the merging unit of the PT on bus I

表3 112合并單元的誤差Tab.3 Error for the merging unit of 112

表4 101合并單元的電壓誤差Tab.4 Voltage error for the merging unit of 101

表5 101合并單元的電流誤差Tab.5 Current error for the merging unit of 101

4 結(jié)束語

在實際變電站調(diào)試過程中，級聯(lián)、跨間隔等情況不少見，但是目前只針對單一間隔、單一裝置的檢測方法，并不能發(fā)現(xiàn)由于傳輸網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置等原因?qū)е碌膯栴}。

文章分析了現(xiàn)有試驗方法的試驗盲區(qū)，針對此類問題提出一種智能變電站數(shù)字化計量系統(tǒng)級試驗技術(shù)方法，并成功應(yīng)用于某變電站的檢測調(diào)試中，試驗證明該方法能夠有效解決智能站數(shù)字化計量系統(tǒng)檢測調(diào)試問題，具有較好的應(yīng)用前景。