白 瑞，王 亮，白雪婷

(1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650504)

0 引言

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要組成部分，智能變電站建設(shè)初期多采用“電子式互感器+合并單元”方式采集電壓和電流，由于電子式互感器在運行中存在性能不穩(wěn)定、可靠性差、故障率高等問題，智能變電站建設(shè)后期均改為“常規(guī)互感器+合并單元”的采樣模式。2015年，新投入的500 kV智能變電站過程層取消合并單元，保留智能終端；2017年也出臺了220 kV智能變電站過程層取消合并單元的要求，即采用“常規(guī)采樣+GOOSE跳閘”的方式。

1 目前智能站線路保護配置

圖1 雙母線接線的線路保護配置

《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》Q/GDW 383—2009提出了智能站繼電保護應(yīng)遵循直接采樣、直接跳閘的原則。圖1為目前220 kV及以上電壓等級雙母線接線的線路保護配置圖。

線路的常規(guī)電流互感器TA將交流電流通過電纜上傳給間隔合并單元，母線電壓由電壓互感器TV通過電纜上傳給母線合并單元，然后級聯(lián)傳輸給間隔合并單元。間隔合并單元將采樣到的電壓、電流以點對點光纖直聯(lián)方式傳輸給保護裝置，保護裝置與智能終端之間采用點對點光纖直跳方式，啟母差失靈和母差保護發(fā)遠跳等跨間隔信息采用GOOSE光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸。線路TV一般只采集單相的線路電壓，由間隔合并單元上傳給測控裝置。測控根據(jù)線路電壓和母線電壓進行遙控合閘操作時的檢無壓、檢同期判斷。

2 合并單元

合并單元是針對與數(shù)字化輸出的電子互感器連接而提出的，可以同步采集多路電子互感器輸出的數(shù)字信號或常規(guī)互感器輸出的模擬信號。傳統(tǒng)變電站中保護、測控等裝置所需的電氣量都通過本身的采樣模塊實現(xiàn)，智能站通過合并單元完成傳統(tǒng)變電站中保護、測控等裝置的電氣量采集，并通過標(biāo)準(zhǔn)通信接口發(fā)送給保護、測控、錄波器等裝置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和數(shù)據(jù)來源的唯一性。

智能變電站內(nèi)設(shè)備分成三層，合并單元作為過程層設(shè)備與間隔層智能電子設(shè)備間采樣數(shù)據(jù)的傳輸橋梁，其主要功能如下：模擬量采集；開關(guān)量采集；同步功能；級聯(lián)功能（間隔合并單元）；電壓切換（間隔合并單元）；電壓并列（母線合并單元）。

在“常規(guī)互感器+合并單元”的直采模式下，合并單元的采樣額定延時和同步特性將直接影響間隔層保護裝置動作的時間和正確性；合并單元自身的穩(wěn)定性和可靠性也會影響網(wǎng)絡(luò)阻塞嚴(yán)重程度和保護動作可靠程度。

2.1 采樣延時

常規(guī)變電站的電流、電壓模擬量的采集由TA、TV通過電纜直接接入保護裝置，由于模擬量電信號在電纜中的傳播速度接近光速，采樣數(shù)據(jù)延時非常小，且很固定，即可認為常規(guī)站的保護裝置交流量采樣是幾乎沒有延時的。因此，只要根據(jù)保護裝置自身的采樣脈沖在某一時刻對相關(guān)TA、TV的模擬量進行采樣，就能保證數(shù)據(jù)的同時性。

智能站“常規(guī)互感器+合并單元”的直采模式下，TA采集的電流模擬量通過間隔合并單元濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量，再由光纖傳輸進入保護裝置，因此采樣環(huán)節(jié)產(chǎn)生延時，如圖2所示。

圖2 合并單元產(chǎn)生的延時

此時保護裝置接收到采樣數(shù)據(jù)的延時[1]為

其中，Δtlb+Δtcy為間隔合并單元內(nèi)部對電流量濾波和采樣的延時，Δtczcy為數(shù)字信號進入保護裝置后，保護裝置對數(shù)字信號進行解碼和插值法重采樣進行同步產(chǎn)生的延時[2]。

另外，電壓由母線合并單元采集母線TV的模擬量后通過級聯(lián)傳輸給間隔合并單元，再由間隔合并單元上傳給線路保護裝置。因此，電壓的采樣延時要更加地延長。目前，各繼保廠家生產(chǎn)的間隔合并單元延時約為2 ms，母線合并單元的采樣延時約為1 ms[3]。

因此，同常規(guī)變電站的采樣回路相比，智能站增加了合并單元，采樣回路多了一個環(huán)節(jié)，回路的采樣過程產(chǎn)生延時。一次設(shè)備和線路發(fā)生短路故障后，保護裝置整組動作時間也增大，速動性降低，加劇故障設(shè)備和線路受損程度，不能及時縮小故障波及范圍。

2.2 插值同步

常規(guī)變電站的電流互感器、電壓互感器輸出的是連續(xù)的模擬量，各個電壓、電流模擬量之間基本上是同步的，它們相互之間的差別僅在于各互感器傳變相角差的不一致。按照國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的互感器，其傳變延時的不一致性非常小，這些在實際工程應(yīng)用當(dāng)中可以忽略不計。因此，傳統(tǒng)常規(guī)變電站不需要考慮采樣同步問題。

在智能站“常規(guī)互感器+合并單元”的直采模式下，電流互感器、電壓互感器的數(shù)據(jù)采集模塊由以前的保護裝置前移到了合并單元，合并單元將數(shù)字信號通過光纖傳送給保護裝置。以220 kV線路保護為例，若不采取同步措施，間隔合并單元和母線合并單元的數(shù)據(jù)采集處理環(huán)節(jié)相互獨立，沒有統(tǒng)一協(xié)調(diào)，且合并單元自身的處理延時，導(dǎo)致進入線路保護裝置的電流、電壓數(shù)字信號不具有同時性，必然影響保護裝置正確動作。因此，智能站直采模式下，必須解決同步采樣的問題[4]。同步主要涉及以下方面：同一間隔電流、電壓之間采樣同步；跨間隔、跨電壓等級的數(shù)據(jù)同步（變壓器各側(cè)、母線保護各間隔電流、電壓的同步）；輸電線路縱聯(lián)差動保護兩端的電流同步。

合并單元對本間隔的電壓、電流進行同步，將數(shù)據(jù)以固定的延時發(fā)送給保護裝置。保護裝置在接收到每一個合并單元的數(shù)據(jù)后進行傳輸延時的修正，修正之后各間隔的電壓、電流采樣起點近似相同，然后保護裝置利用內(nèi)部時鐘分頻后的重采樣脈沖對采樣數(shù)據(jù)進行插值運算。所以，在保護裝置的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)進行重采樣時，需要對每個間隔均按照既定的傳輸延時進行補償修正，修正之后各間隔的電壓、電流采樣起點則可以認為是近似相同的。

近年來，智能站發(fā)生了多起差動保護裝置誤動作事故，究其原因均是合并單元同步異常、內(nèi)部軟件延時參數(shù)設(shè)置錯誤等原因?qū)е虏顒颖Ｗo采樣不同步所引起的。

2.3 合并單元測試問題

在現(xiàn)場實際工程中，由于合并單元調(diào)試過程必須使用相應(yīng)廠家專用軟件才可進行，這樣調(diào)試人員容易產(chǎn)生對其重視程度不夠的麻痹思想，很多情況下調(diào)試人員不是忽略了合并單元的檢測試驗，就是索性將其交給生產(chǎn)廠家人員進行測試。這樣的調(diào)試質(zhì)量必定為以后的安全運行埋下隱患。

3 常規(guī)采樣智能站的應(yīng)用

山西省五寨500 kV智能變電站是山西省第一座采用“常規(guī)采樣+GOOSE跳閘”方式的智能站。其高壓側(cè)500 kV和中壓側(cè)220 kV的過程層采用常規(guī)采樣方式，而低壓35 kV側(cè)的過程層依舊采用“常規(guī)互感器+合并單元”采樣方式。

“常規(guī)采樣+GOOSE跳閘”下雙母線接線的線路保護配置如圖3所示。

圖3 常規(guī)采樣的智能站過程層網(wǎng)路結(jié)構(gòu)

智能站常規(guī)采樣方式具體改進方案如下。

a）采樣方式回歸傳統(tǒng)變電站采樣回路，TA/TV將電流、電壓模擬量由電纜直接傳輸給保護裝置和測控裝置。

b）跳閘回路依舊采用保護裝置通過點對點光纖連接到智能終端。

c） 電壓切換功能由常規(guī)的電壓切換裝置實現(xiàn)，將支路母線刀閘位置輔助觸點由電纜接入電壓切換裝置，電壓切換選擇后，將電壓信息接入保護裝置。

從以上改進方案可見智能站常規(guī)采樣方式有以下特點。

a）把模擬量濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能回歸到保護裝置中，采樣回路的延時減小為零。

b）取消合并單元后，采樣回路的同步問題也無需再考慮和解決，采樣回路的零延時保證了保護裝置中采樣數(shù)據(jù)的可靠同步。

c）智能裝置數(shù)量減少，設(shè)備成本降低，采樣回路簡單化。常規(guī)采樣回路方案成熟，工程經(jīng)驗豐富，可靠性更有保障。這種方式下避免了由合并單元自身采集、模數(shù)轉(zhuǎn)化帶來的誤差，消除了由合并單元的告警和故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞和保護裝置閉鎖的問題。

4 結(jié)論

智能站中合并單元主要存在如下問題。

a）在采樣過程中會產(chǎn)生延時，增加了保護整組回路的動作時間，速動性降低，加劇故障設(shè)備和線路受損程度，不能及時縮小故障波及范圍；合并單元同步采樣的準(zhǔn)確性將影響間隔層保護裝置的正確動作。

b）某些合并單元頻繁向后臺上報各種告警信號（SV接收斷鏈、對時異常、PT并列異常、PT切換刀閘位置無效、GOOSE鏈路中斷等），導(dǎo)致間隔層和站控層網(wǎng)絡(luò)發(fā)生阻塞、保護裝置被頻繁閉鎖。

c）現(xiàn)場實際工程中，存在合并單元調(diào)試質(zhì)量不容樂觀的現(xiàn)象。

目前，國家電網(wǎng)公司陸續(xù)發(fā)文取消500 kV和220 kV智能變電站過程層合并單元，保留智能終端的要求；智能站采用常規(guī)采樣方式使得采樣過程零延時，采樣同步準(zhǔn)確可靠，縮短了保護設(shè)備切除故障時間，提高了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。