一種智能變電站小電流接地選線系統實現

欒國軍，王　濤，張　濤，王敬海，李兆峰

（1.國網山東省電力公司濰坊供電公司，山東　濰坊　261000；2.濟南置真電氣有限公司，濟南　250013；3.華電淄博熱電有限公司，山東　淄博　255000）

一種智能變電站小電流接地選線系統實現

欒國軍1，王濤2，張濤1，王敬海1，李兆峰3

（1.國網山東省電力公司濰坊供電公司，山東濰坊261000；2.濟南置真電氣有限公司，濟南250013；3.華電淄博熱電有限公司，山東淄博255000）

配電網實現智能變電站化是未來的發展趨勢，也是統一堅強智能電網的重要內容。實現配電網小電流接地選線的智能化接入，是實現智能配電網智能自愈控制的重要組成部分。介紹一種基于IEC-61850-2標準的智能變電站小電流接地故障監測系統，分析系統構成、工作原理及現場應用情況。系統結構合理，適用于110 kV及以下智能變電站，檢測方法不受消弧線圈、不穩定電弧影響。

智能變電站；小電流接地；IEC-61850-2；暫態選線

0　引言

傳統的變電站自動化技術已經逐漸被取代，基于IEC-61850標準的智能變電站技術正在快速發展，已經從500 kV、220 kV逐漸向110 kV、35 kV推進。對于發生概率最高的單相接地故障，及時準確地選出故障線路對提高供電可靠性具有重要意義。因此，如何快速選出故障線路并提出相應解決方案是變電站自動化系統中重要部分［1］。

在智能變電站中，小電流接地故障選線依然屬于間隔層的一個組成部分，但是它的信息不是來源于單個間隔單元，而是一組間隔單元。基于不同的設計原理，在過程層和間隔層之間，尤其是110 kV及以下智能變電站中，存在幾種不同的架構，這導致智能變電站的小電流接地選線的系統架構存在不同的技術方案［2］。

介紹一種基于IEC-61850-2標準的智能變電站小電流接地選線系統組成、關鍵技術及應用。對于小電流接地選線裝置來說，選線裝置只需要具備以太網口就可以獲得數據。其數據接口模塊的結構大大簡化，極大地降低了選線裝置的成本。

1　系統構成

1.1總體結構

基于IEC-61850-2標準的智能變電站選線系統結構的特點是各個間隔的合并單元得到電子式互感器采集到的電壓和電流信號，轉換成數字信號后通過光纖傳送到交換機上，二次設備都通過交換機獲取數據并進行處理［3］。系統結構如圖1所示。

IEC61850把變電站分成三層，即變電站層、間隔層和過程層，其中變電站層包括監控設備、事件日志，告警設備等；間隔層包括繼電保護設備、測控設備、向量測量設備等；過程層包括智能開關和數字互感器。各層之間通過網絡相互聯系。小電流接地選線裝置分布在間隔層，通過過程層網獲取合并單元采集的電子式互感器的電壓電流信號。當發生小電流接地故障時，分布在間隔層的小電流接地選線裝置啟動，并根據獲取的數據信息進行故障線路選擇。并通過過程層網將選線結果上報給綜自主站。

圖1　基于IEC-61850-2標準的選線系統

1.2選線裝置

由于所有電氣量采集工作都已經由合并單元完成。所以包括選線裝置在內的所有二次設備都可以通過過程層直接獲取電氣量的采樣信息［4］。

從結構和功能上，如圖2所示選線裝置可分為中央處理單元、數字化接口單元、人機界面和電源等幾部分。各部分采用插件式結構，裝置擴展、更新和維護方便。由于會面臨數據同步大量信息提取處理等問題，尤其數字化接口的設計采用了千兆網口，保證數據的可靠性、完整性。

圖2　小電流接地故障選線裝置硬件架構

中央處理單元是工業級主板模塊，主要負責數據處理、算法計算、統計顯示等內容。工業級主板通過板上總線接口與8.4英寸工業級彩色觸摸屏聯接，通過觸摸屏顯示人機界面，進行配置參數、波形顯示等功能。數字化接口單元，主要是千兆網口、B碼對時等。雙千兆網口設計可以同步與間隔層網絡和過程層網絡連通，實時收取發送數據報文。故障數據可以存貯在SSD固態硬盤當中，也可以實時通過人機界面顯示。

2　系統關鍵技術

2.1基本選線原理

小電流接地電網單相接地故障絕大部分發生在電壓出現或接近峰值時，故障相電容放電以及非故障相電容充電，產生一個明顯的暫態過程。故障選線原理主要利用接地故障后信號暫態分量信息，實現接地選線。故障信號的暫態分量相對于穩態分量具有如下特征：單相短路接地故障瞬間的故障電流是穩態的十幾倍以上，并且故障線路高頻分量的幅值最大、相位與穩態線路相反。此外，消弧線圈對電流影響小，利用暫態電流選線可以有效避免消弧線圈的干擾［5］。

2.2工作流程

正常時工作流程。如圖3所示，小電流接地選線裝置需要采集各個線路電流和母線電壓，通過其雙千兆網口從交換機上收取被監測線路的合并單元傳輸的數據包，實現采樣值報文傳輸。裝置軟件在收到采樣值數據后，進入故障啟動判斷流程。

圖3　小電流接地故障選線裝置正常工作流程

故障后處理流程。如圖4所示，裝置軟件在判斷故障發生后，進入選線算法模塊。讀取配置參數，根據配置文件進行相位幅值變比校正統一；啟動相關的算法選擇故障線路；存儲相應參數和數據，選線結果；若故障持續時間超過一定范圍就上報選線結果，否則就是瞬時性故障。

圖4　小電流接地故障選線裝置選線算法流程

選線結果上報。裝置通過網絡接口接入站控層，后臺主站通過交換機獲取上報結果，并轉發至調度中心。

2.3模擬量同步

小電流接地故障選線是一種跨多間隔的系統，選線所需的量來自母線所連接的所有出線零序電流以及母線零序電壓。因此，各間隔合并單元的同步采樣是保證模擬量采樣的信號完整性的關鍵。根據Nyquist采樣定理，采樣頻率為特征頻段上限的2倍以上，如果特征頻段為150 Hz至3 kHz，那么采樣頻率至少為6 kHz即每周期120個采樣點以上，一般可以選擇每周期128個采樣點。

對傳統的選線裝置來說，零序電流量和零序電壓量都是通過二次電纜連接的，以電磁波的傳輸速度傳送到選線裝置，由選線裝置統一進行采樣，此時認為各通道的采樣是完全同步的。但對智能變電站來說，各合并單元初始工作狀態可能不同步，因此，必須通過某種方式來控制所有關聯的間隔同時采樣。

智能變電站一般采用2種同步方式：外部時鐘同步方式和內部時鐘同步方式。采用內部時鐘同步方式時，同步設備與被同步設備間必須建立一對一的同步網絡通道或復用原有的通信網絡通道。外部時鐘同步方式是通過外設的全站同步時鐘源以固定間隔向全站需要同步的設備發出同步序列波形實現的。在同步時鐘源中用硬件方式實現多路同步對時高速串口，通過點對點的方式與過程層合并單元的對時口相連接。

智能變電站各個間隔的合并單元一般來自同一個廠家，性能在一致性方面不會存在很大問題。合并單元初始工作狀態可能存在不一致問題，但一般會通過外部時鐘同步方式，如B碼或者1588對時，采樣數據包帶有時間標簽。智能變電站小電流選線裝置在使用合并單元數據進行故障選線時，必須要根據時間標簽進行同步再進行下一步的算法處理。

2.4選線裝置建模

IEC-61850標準采用邏輯節點來描述設備的功能。故障選線模型的建立可以看做是一個的實例而標準采用邏輯節點來描述設備的功能。邏輯節點是交換數據的最小功能單元，所以可以把選線裝置的每個功能定義為邏輯節點類的一個實例模型的建立首先要準確描述的功能將其抽象為若干個功能邏輯節點類［6］。

針對故障選線的功能要求和技術特點，結合智能變電站中邏輯節點模型的建立方法，可以將故障選線分解為以下幾種功能：1）保護功能，即選線保護；2）測量功能，即母線電壓，線路零序電流測量；3）控制功能，即故障告警；4）分析功能，即故障波形記錄；5）接口功能，即閾值整定，輸入輸出，數據存儲，日志記錄等。

為了簡化模型，基于暫態信號的小電流接地故障選線邏輯節點僅監測一段母線和該母線的出線，如果需要監測多段母線，可以采用多個分析選線功能的邏輯節點［7］。

3　系統主要特點及應用

基于IEC-61850-2標準的智能變電站小電流接地選線系統能夠真正的實現“即插即用”設計思想。只需具備網絡接口就可以收取數據信息，并上傳選線結果。選線裝置可采用工業級觸摸屏顯示，也可接入普通工業級寬屏顯示器。裝置軟件采用可視化圖形界面操作配置，方便用戶維護。故障錄波功能，可永久記錄故障波形，實時顯示錄波波形、實時電氣量，還可以手動錄波。錄波數據采用標準COMTRADE［8］格式存貯。故障數據可分類查詢、打印輸出統計報表。線路絕緣情況預警可以通過瞬時故障的頻率和持續時間進行分析計算。

在現場應用中，由于110kV及以下智能變電站的過程層和間隔層架構不同，導致智能變電站的小電流接地選線的系統架構存在不同的技術方案。因此選線裝置在智能變電站應用前應當充分對該變電站進行調研，以確定采用何種架構的選線系統。

暫態原理的選線方法對信號的采樣精度、采樣頻率以及時間精度，都有很高的要求，必須與電子式互感器廠家、合并單元廠家等進行詳細溝通，以保證選線的技術要求。

小電流接地故障選線裝置變電站中常用的二次設備。但是在IEC-61850標準中缺乏相應的邏輯節點和設備模型，因此選線裝置的61850規約建模必須與智能變電站后臺綜合自動化廠家進行充分的溝通，以保證雙方對于規約的理解和解析完全一致。

4　結語

提出了一種基于IEC-61850-2標準的智能變電站小電流接地選線系統，選線裝置只需要具備一個光纖接口或以太網口就可以獲得數據并進行故障選線，極大地降低了選線裝置的成本。對于推動IEC-61850標準在配電自動化中的應用和小電流接地故障選線裝置在智能變電站重點的規范化應用都有積極的意義。

［1］齊鄭，郭銳，楊以涵.基于數字化變電站的小電流接地故障選線實現方案［J］.電力系統自動化，2009，33（24）：54-57.

［2］陶利國，許云峰.采用數字技術的小電流接地選線和故障定位裝置［J］.電力系統保護與控制，2010，38（7）：86-90.

［3］齊鄭，白芮瑄，楊以涵.數字化變電站中小電流接地選線裝置的設計［J］.電力系統自動化，2010，34（13）：88-90.

［4］施慎行，任立，劉澤宇，等.符合IEC61850標準的行波電流選線裝置研制［J］.電力自動化設備，2011，31（3）：131-134.

［5］薛永端，馮祖仁，徐丙垠，等.基于暫態零序電流比較的小電流接地選線研究［J］.電力系統自動化，2003，27（9）：48-53.

［6］韓國政，徐丙垠.小電流接地故障選線和定位裝置的IEC 61850信息建模［J］.電力系統自動化，2011，35（5）：57-60.

［7］賈清泉，石磊磊，田杰，等.數字化變電站中故障選線智能電子設備模型［J］，電力系統自動化，2011，35（8）：63-66.

［8］IEC 60255-24電力系統暫態數據交換（COMTRADE）公用格式［S］.2001.

Implementation of a Kind of Small Current Grounding Line Selection System in Intelligent Substation

LUAN Guojun1，WANG Tao2，ZHANG Tao1，WANG Jinghai1，LI Zhaofeng3
（1.State Grid Weifang Power Supply Company，Weifang 261000，China；2.Jinan Zenergy Electric Co.，Ltd.，Jinan 250013，China；3.Huadian Zibo Thermal Power Co.，Ltd.，Zibo 25500，China）

The realization of intelligent substation is the development trend of distribution network in the future and is also the important content of unified strong smart grid.To implement the intelligent access of small current grounding line selection of the distribution network is an important part of self-healing.A kind of intelligent substation based on IEC-61850-2 standard of small current grounding fault monitoring system structure is introduced，its working principle and field application case are analyzed.With the advantage of reasonable system structure，it can be applied in intelligent substations of 110 kV and below. The detection method is not influenced by arc suppression coil or by unstable arc.

intelligent substation；small current grounding；IEC-61850-2；transient line selection

TM762

B

1007-9904（2015）09-0019-04

2015-05-11

欒國軍（1968），男，高級工程師，主要研究方向為電力系統配電網運行和管理；

王濤（1977），男，高級工程師，主要研究方向為電力系統配電網繼電保護。