鐘 華

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東 廣州 510200）

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)智能變電站的推廣，時(shí)鐘同步系統(tǒng)的重要性也隨之提升。常規(guī)綜合自動(dòng)化變電站時(shí)鐘同步系統(tǒng)主要是為變電站內(nèi)保護(hù)測(cè)控裝置、故障錄波器、綜合安自裝置、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)以及監(jiān)控后臺(tái)等提供一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘授時(shí)源，通過(guò)統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行電力系統(tǒng)故障處理和分析[1]。時(shí)鐘同步系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)僅會(huì)對(duì)保護(hù)裝置或測(cè)控裝置的對(duì)時(shí)功能造成影響，并不影響保護(hù)裝置或測(cè)控裝置的主要功能，保護(hù)裝置仍然可以正常運(yùn)行[2-4]。目前，智能變電站繼電保護(hù)采樣多采用數(shù)字量網(wǎng)絡(luò)采集（以下簡(jiǎn)稱(chēng)網(wǎng)采）模式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接采樣（以下簡(jiǎn)稱(chēng)直采）模式。雖然點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直采模式不依賴(lài)時(shí)鐘同步系統(tǒng)，但其對(duì)電子式互感器和繼電保護(hù)設(shè)備的硬件系統(tǒng)提出了更高的要求，嚴(yán)重制約了智能變電站網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享的目標(biāo)。智能變電站采樣值由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸過(guò)渡到網(wǎng)絡(luò)化采集傳輸是必然的發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)字量網(wǎng)采模式也是大勢(shì)所趨。根據(jù)IEC 61850-9-2規(guī)范，數(shù)字量傳輸過(guò)程帶有時(shí)標(biāo)，對(duì)于時(shí)鐘同步系統(tǒng)的依賴(lài)性很大，如果時(shí)間同步系統(tǒng)出現(xiàn)故障，繼電保護(hù)將出現(xiàn)異常[5]。基于此，針對(duì)智能站時(shí)鐘同步系統(tǒng)故障和交換機(jī)延時(shí)可測(cè)技術(shù)的應(yīng)用展開(kāi)研究。

1 智能站時(shí)鐘同步系統(tǒng)故障

智能站內(nèi)保護(hù)采樣為網(wǎng)采模式，變壓器保護(hù)和母差保護(hù)需要將來(lái)自不同合并單元（Merging Unit，MU）間隔的電流量進(jìn)行對(duì)比，確保電流量在傳輸過(guò)程中保持同步。時(shí)鐘同步系統(tǒng)在常規(guī)站只是給裝置提供對(duì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)源，當(dāng)發(fā)生電力事故或保護(hù)動(dòng)作時(shí)可以從監(jiān)控系統(tǒng)或調(diào)度主站查看同時(shí)源的事件順序記錄（Sequence Of Event，SOE）報(bào)文，時(shí)鐘同步系統(tǒng)的失步和異常不會(huì)影響保護(hù)和測(cè)控裝置功能的正常運(yùn)行[6-8]。智能站如果選用采樣值（Sampled Value，SV）網(wǎng)采模式，時(shí)鐘同步系統(tǒng)異常時(shí)會(huì)導(dǎo)致數(shù)字量時(shí)標(biāo)出錯(cuò)，最終影響到同一時(shí)刻的電流或電壓值出現(xiàn)異常。時(shí)鐘同步系統(tǒng)異常時(shí)SV采樣波形會(huì)出現(xiàn)畸變，如圖1所示。

圖1 時(shí)鐘同步系統(tǒng)異常時(shí)SV采樣波形畸變

時(shí)鐘同步裝置故障時(shí)，輸出時(shí)標(biāo)異常，導(dǎo)致合并單元對(duì)時(shí)異常。由于合并單元未能正確判斷時(shí)鐘無(wú)效，輸出不同步的SV報(bào)文，使保護(hù)裝置形成差流。通過(guò)對(duì)SV報(bào)文的分析，發(fā)現(xiàn)波形中陰影為SV報(bào)文丟幀導(dǎo)致，主變保護(hù)裝置誤認(rèn)為出現(xiàn)差流，從而出現(xiàn)誤出口動(dòng)作。

2 交換機(jī)延時(shí)可測(cè)基本原理及優(yōu)勢(shì)

2.1 交換機(jī)延時(shí)可測(cè)基本原理

基于交換機(jī)延時(shí)可測(cè)的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延測(cè)試方法包括以下6個(gè)方面：一是對(duì)電子式互感器一次側(cè)的信號(hào)進(jìn)行采集，得到第一路信號(hào)時(shí)標(biāo)；二是對(duì)光纖分路器輸出的信號(hào)進(jìn)行采集，得到第二路信號(hào)時(shí)標(biāo)；三是對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行采集，得到第三路信號(hào)時(shí)標(biāo)；四是對(duì)第三路信號(hào)時(shí)標(biāo)進(jìn)行消除抖動(dòng)處理，計(jì)算得到幀抖動(dòng)時(shí)間；五是通過(guò)計(jì)算波形和相位，得到經(jīng)過(guò)交換機(jī)輸出的絕對(duì)延時(shí)時(shí)間；六是計(jì)算交換機(jī)時(shí)標(biāo)誤差值和幀延時(shí)。延時(shí)可測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵在于交換機(jī)需要將采樣值在交換機(jī)內(nèi)的駐留時(shí)間精確標(biāo)定后傳輸給保護(hù)裝置，目前有2個(gè)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)標(biāo)的存儲(chǔ)，如表1所示。

表1 交換機(jī)延時(shí)可測(cè)的2種方案

方案2中MU報(bào)文后存放延時(shí)ΔT的報(bào)文解析如圖2所示。

圖2 MU報(bào)文后存放延時(shí)ΔT的報(bào)文解析

方案2不改變SV報(bào)文格式，在SV原始報(bào)文CRC后存放延時(shí)ΔT，對(duì)于保護(hù)裝置和交換機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式比較簡(jiǎn)單。如果采用不同設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家的保護(hù)裝置和交換機(jī)時(shí)，考慮到程序修改后的兼容性問(wèn)題，推薦采用方案2。對(duì)于該智能站延時(shí)可測(cè)問(wèn)題，可以采用方案1實(shí)現(xiàn)。考慮到220 kV變電站智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）較多，網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)量大，占用IEC 61850-9-2報(bào)文2個(gè)保留位的方式不會(huì)增加SV報(bào)文的總長(zhǎng)度，有效降低交換機(jī)的數(shù)據(jù)交換率，減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量，避免出現(xiàn)SV丟幀的問(wèn)題[9]。此外，變電站采用的母差保護(hù)裝置和交換機(jī)裝置都由南京南瑞繼保電氣有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)南瑞繼保）生產(chǎn)，能夠保證SV報(bào)文在交換機(jī)內(nèi)部傳輸解析的兼容性。

2.2 交換機(jī)延時(shí)可測(cè)的優(yōu)勢(shì)

交換機(jī)延時(shí)可測(cè)是國(guó)家電網(wǎng)公司新一代智能站三網(wǎng)合一測(cè)試項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)，目前實(shí)現(xiàn)該功能的交換機(jī)廠(chǎng)家不多，且實(shí)現(xiàn)方式和水平差距較大。該方法在降低對(duì)時(shí)鐘同步系統(tǒng)依賴(lài)的同時(shí)，增加了對(duì)專(zhuān)用交換機(jī)的依賴(lài)。不同采集模式下的技術(shù)性能對(duì)比如表2所示。

表2 3種采集模式下的技術(shù)性能對(duì)比

交換機(jī)延時(shí)可測(cè)網(wǎng)采模式無(wú)論從可靠性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性方面考慮都是最佳選擇，能夠體現(xiàn)出智能站數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)化、集成化的優(yōu)勢(shì)，是智能變電站前瞻性的表現(xiàn)[10]。

3 交換機(jī)延時(shí)可測(cè)驗(yàn)收方法

該智能站交換機(jī)采用支持延時(shí)測(cè)量的南瑞繼保PCS9882SD-D，20 kV母差保護(hù)裝置為南瑞繼保PCS915N，20 kV饋線(xiàn)保測(cè)合智一體設(shè)備為南瑞繼保PCS9611，時(shí)鐘同步系統(tǒng)為南瑞繼保PCS9785。采用20 kV饋線(xiàn)保測(cè)合智一體化設(shè)備與時(shí)鐘同步系統(tǒng)一對(duì)一光B碼連接實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)，將20 kV饋線(xiàn)保測(cè)合智一體化設(shè)備和20 kV母差保護(hù)共同接入延時(shí)可測(cè)交換機(jī)進(jìn)行通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn)SV/Goose組網(wǎng)采集。

（1）模擬智能站現(xiàn)場(chǎng)光口網(wǎng)絡(luò)布置，如圖3所示。網(wǎng)采模式下，對(duì)一支路加故障量，同時(shí)關(guān)閉時(shí)鐘同步系統(tǒng)裝置或拔出該支路的對(duì)時(shí)光纖，饋線(xiàn)支路合并單元失步。試驗(yàn)結(jié)果分為2種情況：一是用網(wǎng)采一般模式（即退出延時(shí)可測(cè)模式），20 kV保測(cè)合智一體設(shè)備中合并單元SV數(shù)據(jù)失步，20 kV母差保護(hù)接收任一合并單元SV數(shù)據(jù)失步保護(hù)即閉鎖差動(dòng)保護(hù)；二是保護(hù)投入延時(shí)可測(cè)模式，任一支路合并單元SV數(shù)據(jù)失步，20 kV母差保護(hù)動(dòng)作行為不再受合并單元SV同步數(shù)據(jù)品質(zhì)影響，保護(hù)正確動(dòng)作。

圖3 模擬智能站現(xiàn)場(chǎng)光口網(wǎng)絡(luò)布置

（2）通過(guò)增加轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，如圖4所示。改變通信組網(wǎng)，將支路18合并單元直連至母差保護(hù)，支路17通過(guò)增加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)人為增加支路17的SV數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，關(guān)閉時(shí)鐘同步系統(tǒng)，各支路合并單元失步，給2個(gè)支路通入5 A穿越電流。試驗(yàn)結(jié)果分為2種情況：一是退出延時(shí)可測(cè)模式后，在直采模式下可以觀(guān)察到支路17合并單元因額外數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)引起的保護(hù)差動(dòng)電流，差流為0.42 A；二是投入延時(shí)可測(cè)模式，差動(dòng)電流很小，接近0 A。

圖4 通過(guò)增加轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)

常規(guī)網(wǎng)采方式下，差動(dòng)保護(hù)對(duì)SV數(shù)據(jù)同步品質(zhì)非常敏感。運(yùn)用交換機(jī)延時(shí)可測(cè)方式時(shí)，保護(hù)動(dòng)作行為不受SV數(shù)據(jù)同步品質(zhì)影響。延時(shí)可測(cè)方式下，保護(hù)可以精確補(bǔ)償數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，數(shù)據(jù)如果穿越了多臺(tái)交換機(jī)，只需要將采樣值在交換機(jī)內(nèi)的駐留時(shí)間累加即可，試驗(yàn)理論值是成功的。由于該智能站是南瑞繼保第一個(gè)在20 kV母差保護(hù)中運(yùn)用了交換機(jī)延時(shí)可測(cè)技術(shù)的變電站，考慮到變電站正常運(yùn)行后跨交換機(jī)的數(shù)據(jù)比較大，廣東省電力設(shè)計(jì)院將20 kV母差保護(hù)網(wǎng)采的電流數(shù)字量不做跨交換機(jī)采集，這樣數(shù)字量在交換機(jī)駐留的時(shí)間只考慮單臺(tái)交換機(jī)延時(shí)，提高穩(wěn)定可靠性。

4 結(jié) 論

智能變電站內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸、信息交互以及IED設(shè)備互操作對(duì)交換機(jī)的依賴(lài)性都非常高，交換機(jī)已經(jīng)成為數(shù)字化變電站的核心處理器，交換機(jī)的正確設(shè)置和交換機(jī)的工藝質(zhì)量是數(shù)字化變電站穩(wěn)定可靠運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。交換機(jī)靜態(tài)組播、動(dòng)態(tài)組播以及虛擬局域網(wǎng)劃分也至關(guān)重要，配置上的錯(cuò)誤會(huì)造成信息的環(huán)網(wǎng)重傳，數(shù)據(jù)量增大，如果發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，將對(duì)交換機(jī)的延時(shí)可測(cè)功能造成影響。基于此，加強(qiáng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管控是交換機(jī)延時(shí)可測(cè)功能穩(wěn)定運(yùn)行的前提，也是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障。