侯 可 劉霄揚(yáng) 張文博 王 莉

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450007）

常規(guī)采樣與合并單元的配置成為當(dāng)前智能變電站的普遍性選擇，加上數(shù)字化的保護(hù)與測(cè)控裝置，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)變電站的升級(jí)。而在系統(tǒng)的構(gòu)架方面，通過(guò)保護(hù)測(cè)控端點(diǎn)信息實(shí)時(shí)數(shù)字化提高了運(yùn)行性能，但是系統(tǒng)整體性能卻受到了制約，因?yàn)閳?bào)文通信技術(shù)的使用，在故障發(fā)生時(shí)會(huì)引發(fā)其他電氣裝置出現(xiàn)閉鎖、誤動(dòng)等異常狀況，而合并單元的前置部署，使設(shè)備工作環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性增加，此外量化過(guò)程從主控CPU前移至合并單元現(xiàn)場(chǎng)，依靠可編程門(mén)陣列、CPU、接發(fā)物理層等[1]，由于前置系統(tǒng)工作環(huán)境和技術(shù)環(huán)境的不足，降低了系統(tǒng)可靠性。基于此種情況，必須對(duì)整個(gè)常規(guī)采樣與合并單元的工作機(jī)理進(jìn)行分析，討論如何從系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)、性能鑒定、運(yùn)行監(jiān)測(cè)和關(guān)鍵測(cè)試等環(huán)節(jié)逐步提高其穩(wěn)定性，確保變電站功能實(shí)現(xiàn)。

1 常規(guī)采樣與合并單元的關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

常規(guī)采樣與合并單元的關(guān)鍵在于電子電路，通過(guò)電子電路的組建實(shí)現(xiàn)功能突破，系統(tǒng)的升級(jí)根本在于對(duì)電子電路元件的更新?lián)Q代。當(dāng)前，電子電路中重點(diǎn)體現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)量化、數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)輸出等功能。利用內(nèi)置小型電流、電壓互感器作為數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)元件，經(jīng)過(guò)限幅、濾波等處理后，經(jīng)A/D定式采樣，采樣數(shù)據(jù)送至FPGA元件，經(jīng)過(guò)CPU協(xié)調(diào)加工處理，生成標(biāo)準(zhǔn)格式下的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，成型數(shù)據(jù)則最終發(fā)送至過(guò)濾層網(wǎng)[2]。在系統(tǒng)構(gòu)成上，根據(jù)當(dāng)前已有研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，普遍選擇如下方案。①采集端模塊選擇阻容濾波、運(yùn)算放大、VT/CT、A/D等，考慮采集端運(yùn)行穩(wěn)定性，可對(duì)部分元件采用雙套配置以確保冗余量，防止系統(tǒng)運(yùn)行中斷。②FPGA組合元件（晶振、電源、主元件、FPGA FLASH），利用FPGA下轄運(yùn)行程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)緩存、局部元件聯(lián)控、報(bào)文發(fā)送、時(shí)鐘管理等。③CPU組合元件（主元件、晶振、電源電路、復(fù)位電路、調(diào)式電路、RAM），負(fù)責(zé)主功能調(diào)控、人機(jī)連接、容錯(cuò)分析、數(shù)據(jù)整理等。④PHY外部接口組合元件（主元件、晶振、輸入元件、輸出元件），主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字報(bào)文的轉(zhuǎn)化，最終以光信號(hào)模式進(jìn)行傳輸。電子電路構(gòu)建圖樣如圖1所示。

圖1 常規(guī)采樣與合并單元的電子電路構(gòu)建示意

1.2 延時(shí)問(wèn)題

常規(guī)變電站對(duì)電流和電壓的采樣，主要是以模擬量進(jìn)行采集，利用TV和TA等經(jīng)電纜直接傳入保護(hù)裝置，因此在傳輸過(guò)程中沒(méi)有中間環(huán)節(jié)阻隔，所以采樣過(guò)程的延時(shí)率相對(duì)固定且小，僅需要依據(jù)保護(hù)裝置在某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的采樣脈沖特征，對(duì)應(yīng)模擬量采樣即可基本確定同步數(shù)據(jù)。但是在智能變電站中，采樣端點(diǎn)的模擬量數(shù)據(jù)采集之后，需要經(jīng)過(guò)合并單元相關(guān)模塊的過(guò)濾和加工，最后形成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)光纖傳入保護(hù)裝置，由此增加了過(guò)程環(huán)節(jié)，使延時(shí)增長(zhǎng)。例如濾波處理、模擬量轉(zhuǎn)化光信號(hào)、保護(hù)裝置的解碼與同步等環(huán)節(jié)，均會(huì)不同程度地增加耗時(shí)，因此產(chǎn)生較長(zhǎng)的延時(shí)。此外因?yàn)殡妷航?jīng)合并單元采集TV母線(xiàn)模擬量（延時(shí)1 ms），再經(jīng)級(jí)聯(lián)傳遞至間隔合并單元（延時(shí)2 ms），最后再上傳至保護(hù)裝置，合并單元處增加了既定回路，出現(xiàn)延時(shí)累加，且在單次故障下保護(hù)裝置迎合時(shí)間加大，難以有效控制故障危害。針對(duì)此類(lèi)情況，必須做好延時(shí)同步工作，即針對(duì)合并單元下的常規(guī)采樣，考慮其電流電壓模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后的延時(shí)差距，通過(guò)固定延時(shí)發(fā)送至保護(hù)裝置的方法，在保護(hù)裝置接收到數(shù)據(jù)后優(yōu)先進(jìn)行修正，修正的參考值為傳輸延時(shí)值，利用插值運(yùn)算結(jié)合采樣脈沖的分頻確定補(bǔ)償修正概樣，獲取與采樣起點(diǎn)幾近相同的數(shù)據(jù)。

2 常規(guī)采樣與合并單元的性能分析

2.1 性能預(yù)估方案

依據(jù)以往變電站設(shè)備故障信息和工作經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)設(shè)備產(chǎn)品的薄弱指標(biāo)和系統(tǒng)固有缺陷，考慮使用一系列相關(guān)方案對(duì)常規(guī)采樣與合并單元的性能進(jìn)行預(yù)估[3]。①類(lèi)推預(yù)估。即根據(jù)搜集的設(shè)備性能報(bào)告和使用表現(xiàn)報(bào)告，對(duì)設(shè)備分類(lèi)情況下的產(chǎn)品性能進(jìn)行類(lèi)推，得出設(shè)備性能的預(yù)估值，主要是針對(duì)可以明確分類(lèi)的各類(lèi)設(shè)備和元件，如CPU、外接口等，但需要結(jié)合廠(chǎng)商和設(shè)備參數(shù)綜合評(píng)估。②專(zhuān)家預(yù)估。通過(guò)專(zhuān)家指導(dǎo)建立相關(guān)的評(píng)分項(xiàng)目，如技術(shù)含量、工作環(huán)境、故障抗性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度等，以實(shí)際測(cè)定和專(zhuān)家綜合評(píng)判打分，獲得設(shè)備分值，以此確定設(shè)備的綜合性能高下。③統(tǒng)計(jì)預(yù)估。通過(guò)設(shè)備和元件的批量計(jì)數(shù)和故障及相關(guān)數(shù)據(jù)累積統(tǒng)計(jì)的辦法，對(duì)設(shè)備和元件的失效率、故障率和環(huán)境適應(yīng)力等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并建立對(duì)比模型和積分指標(biāo)，對(duì)分類(lèi)目標(biāo)下的具體設(shè)備或元件進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。3種預(yù)估方案的優(yōu)劣對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 預(yù)估方案的優(yōu)劣對(duì)比

2.2 故障評(píng)估與應(yīng)對(duì)

智能變電站常規(guī)采樣與合并單元故障包括了局部異常、功能喪失或衰退、暫停運(yùn)行等，故障源及連鎖反應(yīng)情況見(jiàn)表3。

表3 故障源及連鎖反應(yīng)情況

在采取單套保護(hù)裝置的系統(tǒng)在故障發(fā)生時(shí)保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)閉鎖狀態(tài)，直接導(dǎo)致電氣及相關(guān)設(shè)備與元件退出運(yùn)行體系，變電站正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)較高，而依靠雙套保配置，冗余設(shè)備可以在故障期間頂替原設(shè)備和元件運(yùn)行，從而使整個(gè)系統(tǒng)不至于出現(xiàn)瞬時(shí)暫停工作的情況。其中采集模塊與FPGA模塊的故障較為常見(jiàn)，且可能形成系統(tǒng)異常運(yùn)行，從而出現(xiàn)報(bào)文異常。針對(duì)報(bào)文進(jìn)行故障響應(yīng)，報(bào)文方面以保護(hù)裝置為基礎(chǔ)，對(duì)采樣報(bào)文進(jìn)行實(shí)時(shí)鎖存，對(duì)當(dāng)前跳變和異常情況進(jìn)行監(jiān)視和分析，對(duì)應(yīng)用層報(bào)文內(nèi)容、長(zhǎng)度、通道配置與計(jì)數(shù)等進(jìn)行分析和優(yōu)化。在雙A/D數(shù)據(jù)采樣模式下，設(shè)置異常緊急閉鎖響應(yīng)，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的邏輯元件異常進(jìn)行識(shí)別和處理，為了保證保護(hù)裝置綜合性能，在啟動(dòng)、保護(hù)元件的采樣方面，應(yīng)考慮使用不同的模擬量數(shù)據(jù)，避免裝置產(chǎn)生錯(cuò)誤識(shí)別而增加誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

3 常規(guī)采樣與合并單元的測(cè)試

常規(guī)采樣下合并單元的功能實(shí)現(xiàn)主要受延時(shí)性與同步性影響，在二次系統(tǒng)中硬件與軟件共同影響了這2個(gè)性能，因此需要確定整個(gè)采樣系統(tǒng)的守時(shí)與對(duì)時(shí)功能，加強(qiáng)數(shù)據(jù)同步來(lái)增強(qiáng)運(yùn)行效果。目前合并單元一般采用B碼對(duì)時(shí)，如果合并單元和外部時(shí)鐘已經(jīng)對(duì)時(shí)穩(wěn)定，則可以通過(guò)測(cè)試儀器例如DM5000解析報(bào)文中的時(shí)標(biāo)來(lái)確定合并單元是否與外部時(shí)鐘對(duì)時(shí)穩(wěn)定。如果沒(méi)有對(duì)上，而凱默已經(jīng)對(duì)上時(shí)，則凱默測(cè)量合并單元的延時(shí)將是一個(gè)相差很大的延時(shí)。對(duì)于守時(shí)功能的測(cè)試：首先將合并單元與外部對(duì)時(shí)系統(tǒng)斷開(kāi)，使用DM5000測(cè)量合并單元的延時(shí)，采樣的同步誤差應(yīng)至少能在10 min內(nèi)不大于4us同步精度要求。在測(cè)試過(guò)程中，無(wú)論是TM模式或ETM模式，都應(yīng)當(dāng)以實(shí)際工作效果為測(cè)試基準(zhǔn)，因此需要有實(shí)際通電運(yùn)行下的真實(shí)情景作為測(cè)試基礎(chǔ)。在TM模式下，線(xiàn)路合并單元通過(guò)PT的合并單元以級(jí)聯(lián)狀態(tài)進(jìn)行電壓輸出，由此TM模式下共有線(xiàn)路和PT2個(gè)合并單元，延時(shí)情況更重，而常規(guī)的保護(hù)機(jī)制是通過(guò)線(xiàn)路合并單元處的延時(shí)補(bǔ)償來(lái)應(yīng)對(duì)，一般采用線(xiàn)路與PT聯(lián)動(dòng)補(bǔ)償，即PT合并單元如果相對(duì)固定為延時(shí)x秒，則電壓在線(xiàn)路合并單元處將會(huì)被補(bǔ)償x秒，此時(shí)從合并單元處發(fā)出電壓延時(shí)就變成了2x秒，因此在分步測(cè)試時(shí)需要注意各部分元件下延時(shí)補(bǔ)償與還原問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

智能化運(yùn)行方案和系統(tǒng)構(gòu)架是智能變電站的標(biāo)志與核心要點(diǎn)，尤其是在二次系統(tǒng)構(gòu)架上，常規(guī)采樣與合并單元相關(guān)設(shè)備和技術(shù)為系統(tǒng)升級(jí)提供了有效幫助，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，導(dǎo)致系統(tǒng)性能的實(shí)現(xiàn)存在一定困難。因此必須從常規(guī)采樣與合并單元的根本特點(diǎn)著手，思考如何依靠專(zhuān)業(yè)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)律，從各個(gè)基點(diǎn)著手進(jìn)行優(yōu)化，整個(gè)過(guò)程主要參考系統(tǒng)的運(yùn)行原理和設(shè)備特性。此外，做好相關(guān)數(shù)據(jù)和性能的測(cè)試，有利于掌握系統(tǒng)在運(yùn)行中的狀態(tài)，對(duì)設(shè)備選型、系統(tǒng)升級(jí)與維護(hù)等都有重要價(jià)值。