張翔，胡娟，楊敏，李福超，羅睿希，葉子陽(yáng)

（1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司計(jì)量中心，成都610045；2.國(guó)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(jì)量系統(tǒng)已經(jīng)由傳統(tǒng)的計(jì)量系統(tǒng)變成了數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)［1-2］。目前針對(duì)智能變電站數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)的試驗(yàn)方案，主要是沿用了傳統(tǒng)計(jì)量系統(tǒng)的試驗(yàn)思路，即對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)裝置分別進(jìn)行性能測(cè)試和評(píng)估，比如對(duì)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(yàn)，以對(duì)其準(zhǔn)確性及時(shí)間特性等各方面進(jìn)行測(cè)試［3-5］。

由于智能變電站數(shù)字化計(jì)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(diǎn)，其準(zhǔn)確性不僅與各個(gè)裝置本體有關(guān)，同樣與全鏈路傳輸網(wǎng)絡(luò)及采樣時(shí)間的同步性等多方面因素有關(guān)，因此目前針對(duì)數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)的試驗(yàn)方案僅能夠有效保證某臺(tái)數(shù)字化計(jì)量裝置在單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的準(zhǔn)確可靠，并不能完全反映各個(gè)裝置構(gòu)成完整系統(tǒng)的性能，很難發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理由于傳輸環(huán)節(jié)或同步環(huán)節(jié)等因素引起的問(wèn)題［6-9］。

為了解決以上問(wèn)題，提出了一種智能變電站數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)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(gè)整體來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)證明了該方法的可行性。

1 現(xiàn)有試驗(yàn)方法的不足

1.1 未考慮合并單元級(jí)聯(lián)對(duì)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(cè)試方法都是針對(duì)單個(gè)設(shè)備的準(zhǔn)確度測(cè)試，并未對(duì)合并單元級(jí)聯(lián)的情況做出明確規(guī)定。在實(shí)際測(cè)試中，僅僅關(guān)注于某個(gè)電子式互感器或模擬量輸入合并單元自身輸出采樣值報(bào)文的準(zhǔn)確性，通常忽視了合并單元輸出的采樣值報(bào)文經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)后造成的影響。合并單元級(jí)聯(lián)的過(guò)程主要是進(jìn)行重采樣，目前重采樣的方式都是在后一級(jí)合并單元進(jìn)行插值同步的計(jì)算，以得到相同時(shí)刻的電壓電流值，插值同步的原理如圖1所示［10］。此時(shí)延時(shí)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、插值算法誤差過(guò)大、前級(jí)合并單元輸出報(bào)文的幀離散度過(guò)大等因素都將導(dǎo)致級(jí)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(guò)程中會(huì)引入的時(shí)間延遲如圖2所示，其中ECT/EVT與MU之間的延時(shí)為td，MU至IED之間的延時(shí)為Td。在通過(guò)插值同步時(shí)，由于合并單元延時(shí)造成間隔層IED接收到的電壓、電流與實(shí)際值之間產(chǎn)生了偏差，針對(duì)4 kHz采樣率而言，每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)角度4.5°，折算成采樣時(shí)間為250μs，因此1μs對(duì)應(yīng)的角度為1.08′，意味著每延時(shí)1μs，將造成測(cè)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(shí)將采樣值的接收時(shí)刻還原為原始采樣數(shù)據(jù)時(shí)刻。因此，在同步過(guò)程中，要求合并單元能夠穩(wěn)定滿足其額定延時(shí)，才能保證不造成較大誤差。

圖2 采樣值傳輸?shù)臅r(shí)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(duì)電子式互感器和合并單元的測(cè)試方法、技術(shù)要求等內(nèi)容未對(duì)不同采樣通道之間的同步性做出規(guī)定，但在實(shí)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(wèn)題，將導(dǎo)致該相電壓和電流的相位差測(cè)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(wèn)題，將導(dǎo)致相序測(cè)量不準(zhǔn)確。

1.3 不能完全反映3/2接線或內(nèi)橋接線實(shí)際準(zhǔn)確性

現(xiàn)有的數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)測(cè)試方法都只能驗(yàn)證組成系統(tǒng)的各個(gè)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(jì)量情況下，系統(tǒng)的組成多由合并單元級(jí)聯(lián)、交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确绞綄?shí)現(xiàn)，如前文所述，這些實(shí)現(xiàn)方式對(duì)測(cè)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(jì)量情況下整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際的準(zhǔn)確性。

1.4 數(shù)字化電能表檢測(cè)工況與實(shí)際運(yùn)行工況的差異性

已有數(shù)字化電能表的測(cè)試方法主要是實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的虛負(fù)荷檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的實(shí)負(fù)荷檢測(cè)，其中實(shí)驗(yàn)室虛負(fù)荷檢測(cè)是將數(shù)字化電能表置于實(shí)驗(yàn)室參比條件下進(jìn)行檢測(cè)，此時(shí)數(shù)字化電能表運(yùn)行于理想的工況下，接收的采樣值報(bào)文為測(cè)試儀發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文，沒(méi)有其他干擾信號(hào)，這與數(shù)字化電能表實(shí)際的運(yùn)行工況存在較大差異。數(shù)字化電能表在實(shí)際運(yùn)行中接收合并單元發(fā)出的采樣值報(bào)文，其實(shí)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(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的檢測(cè)方法無(wú)法復(fù)現(xiàn)這種隨機(jī)的干擾。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)負(fù)荷檢測(cè)又受制于實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)，僅能驗(yàn)證檢測(cè)活動(dòng)發(fā)生時(shí)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(shí)際運(yùn)行缺陷故障案例分析

2.1 合并單元延時(shí)參數(shù)配置錯(cuò)誤導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)案例

2013年，河南省某500 kV變電站對(duì)側(cè)變電站進(jìn)行人工短路試驗(yàn)期間，該站發(fā)生500 kV主變差動(dòng)保護(hù)、220 kV母線差動(dòng)保護(hù)、220 kV部分線路差動(dòng)保護(hù)不正確動(dòng)作，導(dǎo)致該站一臺(tái)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(bào)告，保護(hù)誤動(dòng)作的主要原因是合并單元內(nèi)部延時(shí)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，導(dǎo)致電流采樣數(shù)據(jù)不同步，繼而引發(fā)差動(dòng)保護(hù)檢測(cè)到差流而動(dòng)作。

這一案例暴露出兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是合并單元內(nèi)部參數(shù)設(shè)置對(duì)其測(cè)量結(jié)果有重要影響，該案例中的合并單元內(nèi)部延時(shí)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，導(dǎo)致其輸出采樣數(shù)據(jù)相位與真實(shí)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(cè)試方法可能存在漏洞，該案例中事故合并單元的延時(shí)配置錯(cuò)誤，使其輸出信號(hào)的相位滯后了一個(gè)完整的周波（20 ms），此時(shí)如果采用穩(wěn)態(tài)校驗(yàn)的方法，依靠波形相位關(guān)系來(lái)測(cè)試相位誤差得到的測(cè)量結(jié)果是在誤差限值內(nèi)的，因此無(wú)法發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。只有通過(guò)針對(duì)采樣值報(bào)文幀延時(shí)的測(cè)試方法，或暫態(tài)測(cè)試方法，才能發(fā)現(xiàn)這一類問(wèn)題。

2.2 合并單元級(jí)聯(lián)延時(shí)處理不正確導(dǎo)致電能計(jì)量差錯(cuò)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(wèn)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(shí)際為0.96），如圖3所示。對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析，判斷該站主變高壓側(cè)合并單元對(duì)級(jí)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(shí)法，因此判定該異常情況為主變高壓側(cè)合并單元對(duì)級(jí)聯(lián)的延時(shí)補(bǔ)償出現(xiàn)問(wèn)題從而導(dǎo)致的相位誤差和功率因數(shù)的異常。

以上兩個(gè)案例都表明，智能變電站數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)投運(yùn)前除了需要進(jìn)行單個(gè)裝置的檢測(cè)外，還需要進(jìn)行系統(tǒng)整體的檢測(cè)，這樣才能有效避免由于裝置與裝置之間的配合問(wèn)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(jí)試驗(yàn)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(jì)量系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)技術(shù)方案，如圖4所示。

通過(guò)數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)測(cè)試儀輸出電壓電流信號(hào)的控制信號(hào)，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(guò)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(cè)互感器，同時(shí)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(cè)電壓互感器和被測(cè)電流互感器的輸出通過(guò)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(jì)量系統(tǒng)測(cè)試儀進(jìn)行比較得到整體的計(jì)量誤差。同時(shí)，每個(gè)環(huán)節(jié)的輸出都將同時(shí)送到數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)測(cè)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(cè)電壓互感器、被測(cè)電流互感器、合并單元、交換機(jī)。這樣，就可以實(shí)時(shí)得到全過(guò)程各環(huán)節(jié)的電參量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)全鏈路的檢測(cè)和評(píng)估。

圖4 智能變電站數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)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(cè)互感器的二次輸出進(jìn)行比較可以得到被測(cè)互感器的誤差；被測(cè)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(duì)延時(shí)、誤差、報(bào)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(shí)、誤差、丟幀誤碼、報(bào)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(jí)試驗(yàn)技術(shù)方案不僅可以對(duì)整體誤差進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)可以對(duì)全鏈路中各環(huán)節(jié)的功能、性能和影響進(jìn)行測(cè)試，彌補(bǔ)了現(xiàn)有數(shù)字化計(jì)量試驗(yàn)只是針對(duì)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(yàn)方案如圖5所示。

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

數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)測(cè)試儀輸出源信號(hào)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(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)如表1～表5所示。

從試驗(yàn)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(jí)要求，其他所有合并單元均符合準(zhǔn)確度等級(jí)要求。通過(guò)計(jì)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(chǎng)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(yǔ)

在實(shí)際變電站調(diào)試過(guò)程中，級(jí)聯(lián)、跨間隔等情況不少見(jiàn)，但是目前只針對(duì)單一間隔、單一裝置的檢測(cè)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?wèn)題。

文章分析了現(xiàn)有試驗(yàn)方法的試驗(yàn)盲區(qū)，針對(duì)此類問(wèn)題提出一種智能變電站數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)技術(shù)方法，并成功應(yīng)用于某變電站的檢測(cè)調(diào)試中，試驗(yàn)證明該方法能夠有效解決智能站數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)檢測(cè)調(diào)試問(wèn)題，具有較好的應(yīng)用前景。