基于D5000系統(tǒng)的帶負荷試驗自動校核方案研究

歐陽智斌 吳笑天 徐 新 陸 飛

基于D5000系統(tǒng)的帶負荷試驗自動校核方案研究

歐陽智斌 吳笑天 徐 新 陸 飛

（國網(wǎng)泰州供電公司，江蘇 泰州 225300）

針對當(dāng)前變電站帶負荷試驗依靠現(xiàn)場人員采樣，操作繁瑣、工作效率低的問題，本文設(shè)計開發(fā)基于D5000系統(tǒng)的帶負荷試驗自動校核平臺。利用站內(nèi)保護、測控等裝置的采樣信息，在主站各子系統(tǒng)內(nèi)提取帶負荷試驗所需的電流和電壓量，通過數(shù)據(jù)冗余提取保證用于校驗的基準數(shù)據(jù)準確無誤。自動校核平臺能夠?qū)崿F(xiàn)電流相位、電流互感器（CT）電流比、極性和功角關(guān)系等內(nèi)容的一鍵校核，并生成相量圖。現(xiàn)場應(yīng)用表明，基于D5000系統(tǒng)的帶負荷試驗自動校核平臺能夠快速準確地完成帶負荷試驗的所有內(nèi)容，可減少帶負荷試驗的時間、提高帶負荷試驗的工作效率，對保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

D5000系統(tǒng)；帶負荷試驗；冗余校驗；自動校核

0 引言

變電站帶負荷試驗是新設(shè)備投運前必須要進行的一項試驗，它能夠及時發(fā)現(xiàn)二次回路和待投運設(shè)備存在的問題，避免缺陷投運對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響[1]。當(dāng)前，帶負荷試驗通過對一次設(shè)備施加實際的負荷，然后測量相關(guān)電流和電壓，分析其功角關(guān)系，從而分析出設(shè)備和二次回路是否處于正常狀態(tài)。試驗前，往往需要通過倒閘操作將電網(wǎng)切換到相對薄弱的試驗運行方式，因此盡快完成帶負荷試驗對維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行十分重要[2]。然而，當(dāng)前帶負荷試驗主要依靠現(xiàn)場人員手持相位儀對電壓、電流進行采樣，然后繪制相量圖判斷功角關(guān)系是否正確。由于涉及的位置比較多，且全過程依靠人工采樣記錄并分析，試驗效率低，對工作人員專業(yè)素質(zhì)要求較高。為此，文獻[3]引入Excel表格進行數(shù)據(jù)計算，并自動繪制相量圖，減少了繪圖時間，為功角分析提供了直觀可讀的相量圖，但數(shù)據(jù)采集依舊依靠現(xiàn)場采樣，效率提升不明顯；文獻[4]針對智能變電站帶負荷試驗尚無完善的方法和設(shè)備的問題，對比常規(guī)變電站，提出一種方法框架，以實現(xiàn)智能站帶負荷試驗采樣數(shù)據(jù)的同步，提高智能站帶負荷試驗的效率。

為了解決帶負荷試驗操作復(fù)雜、效率低，且智能站在試驗過程中存在困難等諸多問題，本文提出以站內(nèi)保護、測控等裝置作為采樣終端，在智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)（D5000系統(tǒng)）內(nèi)關(guān)聯(lián)各個子系統(tǒng)，提取所需帶負荷試驗數(shù)據(jù)，利用冗余數(shù)據(jù)確保遙測基準值的正確性，在主站后臺開發(fā)應(yīng)用平臺，對待投運間隔進行采樣數(shù)據(jù)自動分析，一鍵生成校核報告，并自動繪制相量圖。基于D5000系統(tǒng)的帶負荷試驗自動校核平臺可解決現(xiàn)場采樣效率低、人員投入多的問題，對常規(guī)變電站和智能變電站具有普適性，為帶負荷試驗的高效進行提供了保障。

1 D5000系統(tǒng)介紹

智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)即D5000系統(tǒng)，是新一代智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺[5-7]，廣泛應(yīng)用于各地電網(wǎng)公司的調(diào)度部門，被稱為智能電網(wǎng)的大腦。D5000系統(tǒng)實現(xiàn)了對運行電網(wǎng)的實時監(jiān)控、在線穩(wěn)定性分析和調(diào)度業(yè)務(wù)管理，具有“遠程調(diào)閱、告警直傳、橫向貫通、縱向管理”的功能，其包含能量管理系統(tǒng)、廣域相量測量系統(tǒng)、繼電保護及故障信息管理系統(tǒng)、電能量采集系統(tǒng)、電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和變電站自動化系統(tǒng)等子系統(tǒng)。變電站內(nèi)各間隔的電壓和電流量，通過保護、測控等裝置采樣后，經(jīng)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上送至D5000系統(tǒng)，這為帶負荷試驗數(shù)據(jù)的自動采集奠定了基礎(chǔ)。

2 變電站帶負荷試驗

2.1 帶負荷試驗的重要性

繼電保護及自動裝置的檢驗規(guī)程中明確要求，對新安裝的或設(shè)備回路經(jīng)過大變動的裝置，在投運以前，必須用一次電流和工作電壓加以檢驗，以判定接入電流、電壓的相位和極性是否正確，每組電流互感器的接線是否正確，回路接線是否牢固。

帶負荷試驗主要通過施加一次電流和電壓檢驗裝置和回路是否正確，能夠在試驗狀態(tài)下及時發(fā)現(xiàn)問題，避免帶缺陷投運對整個電網(wǎng)的影響。因此，在當(dāng)前基建和技改現(xiàn)場，有電流回路變動的停電間隔在投運前均需要進行帶負荷試驗。

2.2 帶負荷試驗存在的問題

帶負荷試驗前，需要調(diào)度下令將一次設(shè)備的運行狀態(tài)改為帶負荷運行方式，通常將所有運行間隔熱倒至一條母線上，再利用另一母線對待投運間隔充電，此時電網(wǎng)安全性大大降低，必須盡快完成帶負荷試驗。當(dāng)前，帶負荷試驗仍然存在以下兩方面的問題亟需解決：

1）帶負荷試驗專業(yè)要求高、效率低。

帶負荷試驗需要采集待投運間隔電壓，以及保護、測量和計量繞組的電流，這一過程完全依靠現(xiàn)場工作人員手持鉗形相位表逐一對電流二次回路進行采樣，由于采樣涉及主控室內(nèi)多個位置，采樣過程需要耗費大量時間。另外，對數(shù)據(jù)的分析依靠手繪相量圖，不僅耗時費力，而且對分析人員的專業(yè)素質(zhì)要求很高。這些因素都降低了帶負荷試驗的工作效率，延長了帶負荷運行狀態(tài)的時間，加大了電網(wǎng)風(fēng)險。

2）智能變電站帶負荷試驗存在困難[8]。

不同于常規(guī)變電站，智能變電站的二次電流回路由光纖替代，以采樣值（sampled value, SV）數(shù)字量的形式送入保護測控裝置，僅在電流互感器（CT）和合并單元間存在電纜。常規(guī)變電站和智能變電站電流回路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 常規(guī)站和智能站電流回路結(jié)構(gòu)

對于站內(nèi)有部分二次電流、電壓直接送入保護測控裝置的智能變電站，存在SV量和模擬量共存的情況，此時帶負荷試驗不能有效將SV量之間或SV量和模擬量之間的相位關(guān)系完整地呈現(xiàn)出來，這嚴重影響了帶負荷試驗的判斷結(jié)果。

3 自動校核平臺的設(shè)計與應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)提取

以往帶負荷試驗結(jié)果分析依靠人工采集的二次電壓、電流量，沒有充分利用既有保護、測控裝置的采樣回路，從而導(dǎo)致試驗效率低、采樣過程繁瑣等問題。然而，當(dāng)前帶負荷試驗所需的模擬量在變電站內(nèi)均有相應(yīng)的采樣終端，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)送入主站D5000系統(tǒng)的安全Ⅰ區(qū)和安全Ⅱ區(qū)，通信規(guī)約為IEC 104規(guī)約。保護電流和電壓經(jīng)保護裝置采樣后不僅用于自身保護邏輯的判斷，還會被送入繼電保護及故障信息管理系統(tǒng)子站，再通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)送入D5000系統(tǒng)內(nèi)安全Ⅰ區(qū)；測量電流和電壓經(jīng)測控裝置采集后通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)送入D5000系統(tǒng)內(nèi)安全Ⅰ區(qū)；計量電流和電壓由計量表計測量完成后被送入D5000系統(tǒng)的安全Ⅱ區(qū)[9]。本文提出以站內(nèi)保護、測控等裝置為采樣終端，在D5000系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫直接調(diào)取相關(guān)間隔電壓、電流量，同步完成所有數(shù)據(jù)的采集，主站內(nèi)各服務(wù)器之間的傳輸采用TCP協(xié)議，D5000系統(tǒng)數(shù)據(jù)提取結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 D5000系統(tǒng)數(shù)據(jù)提取結(jié)構(gòu)

帶負荷試驗自動校核平臺部署在D5000系統(tǒng)的安全Ⅳ區(qū)，安全Ⅱ區(qū)的電能量采樣信息通過防火墻與安全Ⅰ區(qū)的保護采樣信息、遙測信息一起經(jīng)正向隔離裝置到達安全Ⅲ區(qū)，再經(jīng)防火墻到達安全Ⅳ區(qū)，數(shù)據(jù)傳輸層采用TCP協(xié)議，實現(xiàn)了安全可靠的信息提取。在數(shù)據(jù)提取的過程中，需要做到以下三點：

1）數(shù)據(jù)時標(biāo)盡可能一致。在主站提取的電流、電壓量應(yīng)盡可能具有同樣的時標(biāo)，以保證采樣時刻一致，從而確保所繪相量圖的準確性，有利于帶負荷試驗結(jié)果的判斷。對于遙測數(shù)據(jù)和保信子站內(nèi)的采樣信息，以保信子站采樣值的時標(biāo)為基準，篩選滿足要求的遙測和計量采樣信息，從而做到時標(biāo)一致。但是，由于電能量信息通過非實時數(shù)據(jù)網(wǎng)上送主站，快速獲取實時采樣數(shù)據(jù)存在困難，需要后臺將存儲的各類采樣信息進行篩選對比，以盡可能達到時標(biāo)一致。由于帶負荷試驗數(shù)據(jù)采用的是穩(wěn)態(tài)相量，故目前時標(biāo)不完全一致對分析結(jié)果的影響在可接受范圍內(nèi)。

2）數(shù)據(jù)冗余提取。由于帶負荷試驗是為了驗證電流、電壓回路的正確性，一旦回路或裝置出現(xiàn)問題，必然導(dǎo)致上送至D5000系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)錯誤。此時，為了準確分析出錯誤數(shù)據(jù)，需要提取更多的數(shù)據(jù)進行冗余校驗，以確保基準數(shù)據(jù)準確無誤。

3）相位基準核驗。對于提取的電壓、電流量，其基準相位應(yīng)一致。一般而言，保護和測控裝置以A相電壓相位為零度作為基準，從而計算出其他電流量的相位。因此，在提取數(shù)據(jù)時應(yīng)把各裝置基準電壓量的相位進行對比，如不在同一角度的應(yīng)進行相應(yīng)的換算。

3.2 數(shù)據(jù)分析

帶負荷試驗主要分析電流回路采樣、相位關(guān)系、電流比和極性是否正確，功角關(guān)系是否正確。數(shù)據(jù)分析的前提是基準數(shù)據(jù)準確無誤，為了確保遙測基準數(shù)據(jù)的可靠性，首先應(yīng)進行冗余校驗[10-12]，主要有以下兩種方法：

1）跨間隔分析。在獲取帶負荷試驗數(shù)據(jù)時，同時提取母線上其他相關(guān)間隔的一次電流，再依據(jù)基爾霍夫電流定律，計算出本間隔的一次電流，與采樣數(shù)據(jù)進行比對。

可知

利用本間隔數(shù)據(jù)的物理關(guān)系，可以進行多次校驗，校驗時應(yīng)采用不同電流繞組采樣數(shù)據(jù)進行對比分析，確保校驗結(jié)果的正確性。在確定一次遙測數(shù)據(jù)無誤后，再進行電流比的校驗，依據(jù)相位關(guān)系自動生成功角圖。

3.3 實施流程

在進行帶負荷試驗之前，需要根據(jù)試驗狀態(tài)下的電網(wǎng)運行方式，在D5000系統(tǒng)帶負荷試驗自動校驗平臺中進行信息錄入，以便試驗時提取數(shù)據(jù)。錄入的信息主要包含送電間隔的名稱、電流互感器各繞組的電流比、送電間隔所在母線上其他間隔的名稱等。帶負荷試驗自動校核現(xiàn)場實施流程如圖3所示。

圖3 帶負荷試驗自動校核實施流程

4 現(xiàn)場校核應(yīng)用分析

帶負荷試驗自動校核應(yīng)用主要包含如圖4所示的三個功能模塊，即信息錄入模塊、數(shù)據(jù)獲取模塊和自動分析模塊。在試驗開始前，完成試驗一次接線，送電間隔電流、電壓名稱和電流比，相關(guān)間隔的一次電流和功率信息的錄入；試驗開始后，完成數(shù)據(jù)點在線關(guān)聯(lián)，召喚并存儲采樣數(shù)據(jù)，通過時標(biāo)比對，篩選出滿足要求的數(shù)據(jù)；最后，進行數(shù)據(jù)分析計算，并出具分析報告，繪制相量圖供人工復(fù)核。

圖4 帶負荷試驗自動校核應(yīng)用功能模塊

220kV觀五變綜合自動化改造期間，在觀東830間隔完成所有驗收工作后，向調(diào)度報告竣工送電。此次送電過程中電網(wǎng)的運行方式確定為110kV正母線通過母聯(lián)開關(guān)給副母線充電，送電間隔在副母線上，其他間隔均在正母線上。

在完成前期信息錄入后，帶負荷試驗期間，從主站系統(tǒng)讀取的送電間隔遙測數(shù)據(jù)和送電間隔采樣數(shù)據(jù)分別見表1和表2。

表1 送電間隔遙測數(shù)據(jù)

表2 送電間隔電流采樣值

在完成數(shù)據(jù)提取之后，進行一鍵校核的模擬，校核過程中自動進行數(shù)據(jù)計算，幅值誤差在10%，角度誤差在10°以內(nèi)，即認為數(shù)據(jù)無誤。自動校核結(jié)果見表3，系統(tǒng)繪制的相量圖如圖5所示。

表3 自動校核結(jié)果

模擬試驗表明，帶負荷試驗自動校核系統(tǒng)能夠在10min左右完成數(shù)據(jù)的提取和分析，并自動出具校核報告，繪制出的相量圖也能供后臺人員進行復(fù)核，極大地提高了帶負荷試驗的效率，減少了人員投入，降低了電網(wǎng)風(fēng)險。但是，數(shù)據(jù)的采集依靠各類終端設(shè)備的支持，部分老舊廠站已投運設(shè)備存在不適配問題，自動校核平臺的應(yīng)用對廠站設(shè)備有一定要求。

圖5 相量圖

5 結(jié)論

本文基于D5000系統(tǒng)研究開發(fā)帶負荷試驗自動校核平臺，開創(chuàng)性地關(guān)聯(lián)主站內(nèi)各子系統(tǒng)，利用子系統(tǒng)內(nèi)的電流、電壓數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)冗余的基礎(chǔ)上，快速準確地完成帶負荷試驗，并自動出具帶負荷試驗報告和相量圖。對變電站原有保護、測控裝置采樣信息的充分利用，不僅可取代廠站工作人員的現(xiàn)場采樣，提高試驗效率，而且對常規(guī)變電站和智能變電站具有普遍適用性，解決了智能變電站存在的帶負荷試驗難題。本文提出的帶負荷試驗方法，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一鍵采集、自動分析，極大地提高了試驗效率，縮短了電網(wǎng)在帶負荷試驗狀態(tài)下的運行時間，從而有效降低電網(wǎng)風(fēng)險。

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Research on automatic checking scheme for on-load test based on D5000 system

OUYANG Zhibin WU Xiaotian XU Xin LU Fei

(State Grid Taizhou Power Supply Company, Taizhou, Jiangsu 225300)

Aiming at the problems of cumbersome operation and low efficiency of on-load test in substation, an automatic verification platform of on-load test based on D5000 system is designed and developed. Using the sampling information of protection, measurement and control devices in the station, the current and voltage in each subsystem of the main station required for on-load test are extracted. The redundancy extraction of data ensures the accuracy of the benchmark data used for verification. The field application shows that the automatic verification platform for on-load test based on D5000 system can quickly and accurately complete all the contents of on-load test, reduce the test time and improve the work efficiency of on-load test, which is of great significance to ensure the safe and stable operation of power grid.

D5000 system; on-load test; redundancy check; automatic check

2021-11-04

2021-12-19

歐陽智斌（1993—），男，江西九江人，碩士，助理工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護和自動化。