智能變電站合并單元延時不一致的分析校驗

王進虎，王 娜，劉 鉞，吳 愷

(1.天津送變電工程有限公司，天津 300000；2.天津市電子信息技師學(xué)院，天津 300000)

0 引言

智能變電站日益發(fā)展成熟，合并單元是智能變電站中的重要設(shè)備和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其配置正確與否直接關(guān)系到保護裝置的動作可靠性。但在實際運行中經(jīng)常會因為合并單元延時不一致導(dǎo)致保護誤動，這對整個電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成重大隱患，如何在現(xiàn)場調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)、解決該問題非常重要。

1 合并單元工作原理及相關(guān)延時規(guī)定

1.1 合并單元相關(guān)概念

在智能變電站中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換的智能裝置是合并單元，合并單元是處于互感器與保護裝置之間的設(shè)備，保護裝置、測控裝置、計量裝置等標準設(shè)備所需要的原始數(shù)據(jù)就是通過常規(guī)或電子式電流互感器或者電壓互感器采集的。數(shù)據(jù)最終以SMV9-2的格式信息輸出到相應(yīng)的裝置中，因此通過合并單元獲得數(shù)據(jù)其品質(zhì)好壞直接影響整個變電站的運行安全。對于處于不同間隔或不同變電站的合并單元來說，各個合并單元始終需要處于同步狀態(tài)，一般通過時鐘同步系統(tǒng)來實現(xiàn)，目前智能變電站實施的同步方案本有兩種方式，即光IRIG-B碼同步方式和EEE 1588網(wǎng)絡(luò)時間同步方式。當相應(yīng)的數(shù)據(jù)從合并單元發(fā)送后經(jīng)過光纖傳輸?shù)浇邮昭b置是需要時間的，該段時間稱為時間延時。數(shù)據(jù)信息從不同的合并單元通過組網(wǎng)或點對點方式傳輸?shù)较嗤谋Ｗo裝置時，由于保護裝置對數(shù)據(jù)處理的過程對延時有嚴格要求，因此從不同合并單元接收到的數(shù)據(jù)延時不能相差太大，否則將導(dǎo)致保護裝置數(shù)據(jù)處理過程出現(xiàn)錯誤，影響保護裝置的正確動作。

綜上所述，在不同間隔、不同站端的合并單元在時間同步上要保持一致并經(jīng)過嚴格校驗，以保證保護裝置獲得準確無誤的數(shù)據(jù)。

1.2 合并單元延時組成

無論電流、電壓互感器采用的是電子式互感器還是常規(guī)的互感器，其對采樣環(huán)節(jié)的處理延時主要包括以下兩部分。

(1) 對電子式互感而言，合并單元會對采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)進行重采樣處理，以對延時進行修正實現(xiàn)采樣同步；而對常規(guī)互感器來說則無此環(huán)節(jié)。

(2) 將經(jīng)過重采樣和插值處理得到的數(shù)字格式的采樣值報文根據(jù)一定的延時定時發(fā)送。對于重采樣及定時發(fā)送詳細介紹內(nèi)容可參考文獻[1]有關(guān)章節(jié)，此處不再贅述。

對于光纖傳輸?shù)牟蓸又敌盘杹碚f，其傳輸?shù)乃俣却蠹s是光速的2/3。傳輸距離和傳輸時間的關(guān)系可參見文獻[1]相關(guān)部分，根據(jù)文獻[1]論述，在同一變電站內(nèi)，光纖傳輸延時對保護裝置的精度影響很小，可以不予考慮。

根據(jù)以上的相關(guān)分析，合并單元內(nèi)部處理會修正其發(fā)送的采樣值所存在的相位偏差；而人工設(shè)置的發(fā)送延時會影響采樣值報文在發(fā)送時刻上的正確與否。

1.3 不同合并單元的配合問題

智能變電站中合并單元的數(shù)據(jù)同步延時問題可分為如下幾個方面：

(1) 在相同的間隔是否同步；

(2) 不同間隔之間的數(shù)據(jù)同步與否；

(3) 站與站之間的數(shù)據(jù)同步問題。

上述三種情況基本涵蓋了智能變電站中合并單元相互配合關(guān)系，三種情況下的合并單元數(shù)據(jù)是否同步，延時是否一致必須要準確無誤并加以校驗。

2 延時不一致時差流的大小及對保護的影響

通過上述對合并單元存在延時的各環(huán)節(jié)的分析，對于重采樣環(huán)節(jié)合并單元根據(jù)同步脈沖和修正之后的數(shù)字量采樣值接收時刻進行重采樣，進而完成各采集器之間的采樣同步，一般不會出現(xiàn)延時偏差；對于傳輸延時，在變電站正常范圍內(nèi)光纖長度不會太長，不引起較大的延時，所以基本可以忽略不計。相對重要的是合并單元的發(fā)送延時決定采樣值報文是否存在發(fā)送時刻上的誤差。

目前智能變電站的采樣系統(tǒng)一般是采用傳統(tǒng)互感器再經(jīng)過合并單元的處理以后將數(shù)據(jù)直接通過光纖發(fā)送到相應(yīng)的保護裝置。

合并單元發(fā)送的報文中包含額定延時的相關(guān)信息，此額定延時即合并單元得同步處理延時，當不同合并單元的額定延時設(shè)置的不一致時可能造成保護誤動。這個環(huán)節(jié)一般是由合并單元的工作人員人工配置，該環(huán)節(jié)出錯概率較大，因為此原因引發(fā)的事故也有數(shù)起，因此該環(huán)節(jié)是檢驗的重點，需要特別注意。

以主變保護裝置為例，該保護涉及多個間隔，具有一定的代表性。無論對于兩側(cè)或者三側(cè)的變壓器來說，主變保護裝置對各側(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量要求是非常高的，主變差動保護動作時間一般在20ms以內(nèi)，因而其對于各側(cè)合并單元采集量延時有嚴格要求。若不同側(cè)出現(xiàn)延時不一致時，會導(dǎo)致主變保護裝置差動保護計算中出現(xiàn)差流，差流值一旦達到保護定值差動保護就有可能誤動，從而影響保護裝置的可靠性。下面主要討論分析延時不一致的各種情況。一般來說可以分為兩類：第一類是各側(cè)延時相差非整數(shù)倍周波時導(dǎo)致的差流；第二類是各側(cè)延時相差整數(shù)倍周波時的差流。

2.1 各側(cè)延時相差非整數(shù)倍周波時的差流

當各側(cè)延時相差非整數(shù)倍周波時，此時的波形如圖1所示。

圖1 中壓側(cè)采樣延時非整數(shù)周波

圖1表示一次系統(tǒng)正常運行時，因為中壓側(cè)滯后高、低兩側(cè)非整數(shù)倍周期，造成變壓器高、中、低三側(cè)電流采樣不同步的情況，此時不管是否發(fā)生故障保護裝置內(nèi)均有差流，只要達到定值，保護就會誤動。對于圖1中的情況檢驗相對簡單。該缺陷可直接在變壓器保護裝置上查看差流發(fā)現(xiàn)。

2.2 各側(cè)延時相差整數(shù)倍周波時的差流

對于三側(cè)變壓器來說，在正常運行時主變保護裝置需要同時接收三側(cè)的電流數(shù)據(jù)，變壓器保護三側(cè)采樣電流錄波波形如圖2所示，表示系統(tǒng)正常運行時，變壓器高、中、低三側(cè)電流采樣同步。

圖2 三側(cè)電流同步示意

圖3表示一次系統(tǒng)正常運行時，因為中壓側(cè)電流滯后高、低壓側(cè)一個周波，造成變壓器高、中、低三側(cè)電流采樣不同步的情況。

圖3 中壓側(cè)電流滯后整數(shù)倍周波

圖4表示一次系統(tǒng)正常運行時，因為中壓側(cè)電流滯后高、低壓側(cè)兩個周波，造成變壓器高、中、低三側(cè)電流采樣不同步的情況。

圖4 中壓側(cè)滯后兩個周波

由圖2—4可知，中壓側(cè)與高低壓側(cè)的相位相差360°的整數(shù)倍，因此在使用繼電保護測試儀進行測試或正常運行時，保護裝置計算后差流為0，無法通過常規(guī)校驗方法核相和觀察保護裝置的差流發(fā)現(xiàn)該缺陷。但當一次系統(tǒng)發(fā)生穿越故障，產(chǎn)生穿越性故障電流時，中壓側(cè)滯后整數(shù)倍周波，將導(dǎo)致穿越性故障電流無法在同一時刻被保護裝置采集到，從而在保護裝置中產(chǎn)生故障差流，在達到一定數(shù)值時導(dǎo)致保護誤動。該情況時的波形見圖5，6。

圖5 三側(cè)電流同步時穿越故障波形

圖6 三側(cè)電流不同步穿越故障波形

圖5，6分別表示一次系統(tǒng)發(fā)生穿越性故障時，變壓器高、中、低三側(cè)電流采樣同步、不同步(中壓測滯后1個周期)的情況。由兩圖對比可看出在不同步的情況下會出現(xiàn)差流。對于當前保護裝置，變壓器差動速斷保護整組動作時間(包括繼電器固有時間)一般小于20ms。因此當保護裝置接收到的數(shù)據(jù)延時只要相差1個周期，發(fā)生穿越性故障會導(dǎo)致差流影響保護裝置的正確動作，引起保護誤動。

對于上述兩種情況的產(chǎn)生，根本原因是合并單元的延時參數(shù)設(shè)置錯誤，下面具體分析討論如何在調(diào)試過程中解決上述該問題。

3 合并單元各側(cè)延時一致性校驗方法

對于在上文中提到的各側(cè)延時相差非整數(shù)倍周波時導(dǎo)致的差流和各側(cè)延時相差整數(shù)倍周波時的差流兩種情況，因為兩種情況各自具有特殊性通過常規(guī)的通流檢查保護裝置采樣值的試驗已經(jīng)無法驗證各側(cè)合并單元的延時是否一致。因此需要區(qū)分對待，提出新的校驗方法，并對兩種情況進行論述。

3.1 各側(cè)延時相差非整數(shù)倍周波時的校驗方法

該問題的處理方法相對簡單，有以下兩種方法。

第一種方法是對各側(cè)合并單元同時用一臺繼電保護測試儀加入實驗量，并保證各側(cè)的相位一致，輸入相應(yīng)的額定電流，在保護裝置上觀察差流值，如果為零則可驗證各側(cè)合并單元沒有相差非整數(shù)周波的錯誤存在；若差流值不為零，則解決存在問題。

第二種方法是使用三臺繼電保護測試儀，通過GPS時鐘同步系統(tǒng)將不同的繼電保護測試儀同步。然后三臺測試儀分別給主變?nèi)齻?cè)通入實驗量，并保證三臺試驗儀的相位一致幅值為相應(yīng)的額定電流，在保護裝置上觀察差流值，后續(xù)方法同上，以此驗證各側(cè)延時是否正確。

3.2 各側(cè)延時相差整數(shù)倍周波時的校驗方法

各側(cè)合并單元延時相差整數(shù)倍周波的情況，通過3.1的方法一無法驗證各側(cè)的延時是否一致，因此需要采取新的校驗方法。因為發(fā)生穿越性故障，主變保護在故障量達到10ms以上時就可能動作，根據(jù)2.2節(jié)的分析可以采取下述兩種方法來校驗。

第一種方法可模擬各側(cè)電流瞬間同時增大，若各側(cè)的合并單元延時不一致，則各側(cè)增大后的電流傳輸?shù)奖Ｗo裝置的時間不一致，該過程中會出現(xiàn)差流。例如中壓側(cè)滯后高壓側(cè)相差20ms,則電流瞬間從0到高壓側(cè)額定電流的過程中，保護裝置首先接收到高壓側(cè)先增大到了額定電流，而中壓側(cè)的電流量還需要再延時20ms后才被保護裝置計算，這個過程就會有差流，在這20ms內(nèi)，差流達到差動的定值時，保護就會誤動作。

第二種方法可以加非工頻頻率波形的實驗量校驗。例如正常的交流量頻率是50 Hz，所通入的實驗量可以變?yōu)?0 Hz來模擬暫態(tài)故障電流。此時，穿越故障電流的周期與標準的周波周期不一致了，若合并單元延時相差整數(shù)倍正常交流周波，通入交流頻率為20 Hz的實驗量電流時即會出差流，從而可驗證合并單元相差正常周波整數(shù)倍的延時需要加以改正；反之，各側(cè)合并單元均正常。

4 結(jié)束語

智能變電站的發(fā)展已經(jīng)成趨勢，模式一般是常規(guī)(電子)式電流互感器、合并單元、保護裝置的配置模式。通過上文闡述及結(jié)合實際運行中由于合并單元配置錯誤導(dǎo)致的相關(guān)事故的分析，首先對合并單元及其各環(huán)節(jié)的延時進行了分析，對各側(cè)合并單元的延時不一致的情況分門別類、各自探討，在此基礎(chǔ)上提出對應(yīng)不同情況下新的各側(cè)合并單元延時不一致的測試方法，并在天津范莊、新華路220 kV智能變電站的建設(shè)中加以驗證，結(jié)果表明該方案具有很強的實用性、易操作等特點。

上述所提供的方法為今后類似問題的故障分析處理提供了思路，也為現(xiàn)場調(diào)試人員提供了一套簡單可行、可靠實用的校驗方法，具有參考價值。