一種智能變電站數字化計量系統級試驗技術方法研究*

2017-12-18 07:58:54張翔胡娟楊敏李福超羅睿希葉子陽

電測與儀表 2017年18期

張翔，胡娟，楊敏，李福超，羅睿希，葉子陽

（1.國網四川省電力公司計量中心，成都610045；2.國網四川省電力公司檢修公司，成都610042）

0 引言

基于IEC 61850標準體系建立的智能變電站，計量系統已經由傳統的計量系統變成了數字化計量系統［1-2］。目前針對智能變電站數字化計量系統的試驗方案，主要是沿用了傳統計量系統的試驗思路，即對系統中各個裝置分別進行性能測試和評估，比如對電子式互感器（及其合并單元）、模擬量輸入合并單元和數字化電能表等裝置進行單獨的試驗，以對其準確性及時間特性等各方面進行測試［3-5］。

由于智能變電站數字化計量系統信息數字化、傳輸光纖化以及通信網絡化的特點，其準確性不僅與各個裝置本體有關，同樣與全鏈路傳輸網絡及采樣時間的同步性等多方面因素有關，因此目前針對數字化計量系統的試驗方案僅能夠有效保證某臺數字化計量裝置在單獨運行時的準確可靠，并不能完全反映各個裝置構成完整系統的性能，很難發現并及時處理由于傳輸環節或同步環節等因素引起的問題［6-9］。

為了解決以上問題，提出了一種智能變電站數字化計量系統級試驗技術方法，該方法把互感器、合并單元、交換機、數字化電能表及其傳輸網絡看作一個整體來進行試驗，通過實際試驗證明了該方法的可行性。

1 現有試驗方法的不足

1.1 未考慮合并單元級聯對準確性的影響

根據相關技術標準的規定，電子式互感器、合并單元測試方法都是針對單個設備的準確度測試，并未對合并單元級聯的情況做出明確規定。在實際測試中，僅僅關注于某個電子式互感器或模擬量輸入合并單元自身輸出采樣值報文的準確性，通常忽視了合并單元輸出的采樣值報文經過級聯后造成的影響。合并單元級聯的過程主要是進行重采樣，目前重采樣的方式都是在后一級合并單元進行插值同步的計算，以得到相同時刻的電壓電流值，插值同步的原理如圖1所示［10］。此時延時參數設置錯誤、插值算法誤差過大、前級合并單元輸出報文的幀離散度過大等因素都將導致級聯后的采樣值不準確。

圖1 插值同步的原理Fig.1 Principle of interpolation synchronization

互感器、合并單元和以太網交換機在傳輸采樣值過程中會引入的時間延遲如圖2所示，其中ECT/EVT與MU之間的延時為td，MU至IED之間的延時為Td。在通過插值同步時，由于合并單元延時造成間隔層IED接收到的電壓、電流與實際值之間產生了偏差，針對4 kHz采樣率而言，每個采樣點對應角度4.5°，折算成采樣時間為250μs，因此1μs對應的角度為1.08′，意味著每延時1μs，將造成測量相角誤差為1.08′。在根據采樣值進行同步插值之前，需要根據設備之間的額定延時將采樣值的接收時刻還原為原始采樣數據時刻。因此，在同步過程中，要求合并單元能夠穩定滿足其額定延時，才能保證不造成較大誤差。

圖2 采樣值傳輸的時序分布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

現有技術標準對電子式互感器和合并單元的測試方法、技術要求等內容未對不同采樣通道之間的同步性做出規定，但在實際運行中如果某相的電壓和電流采樣通道之間同步性出現問題，將導致該相電壓和電流的相位差測量不準，從而造成功率因數誤差；如果三相電壓或三相電流之間的同步性出現問題，將導致相序測量不準確。

1.3 不能完全反映3/2接線或內橋接線實際準確性

現有的數字化計量系統測試方法都只能驗證組成系統的各個設備各自運行的準確性，而在3/2接線、內橋接線等跨間隔計量情況下，系統的組成多由合并單元級聯、交換機網絡傳輸等方式實現，如前文所述，這些實現方式對測量的準確性將產生很大影響，如不考慮這些因素，就不能完全反映3/2接線、內橋接線等跨間隔計量情況下整個系統實際的準確性。

1.4 數字化電能表檢測工況與實際運行工況的差異性

已有數字化電能表的測試方法主要是實驗室進行的虛負荷檢測和現場進行的實負荷檢測，其中實驗室虛負荷檢測是將數字化電能表置于實驗室參比條件下進行檢測，此時數字化電能表運行于理想的工況下，接收的采樣值報文為測試儀發出的標準報文，沒有其他干擾信號，這與數字化電能表實際的運行工況存在較大差異。數字化電能表在實際運行中接收合并單元發出的采樣值報文，其實際頻率、波形等都不是理想狀況，尤其是在網采模式下數字化電能表的采樣值輸入端口很可能受到交換機背景流量的沖擊，這種干擾是完全隨機的，而實驗室現有的檢測方法無法復現這種隨機的干擾。而現場實負荷檢測又受制于實際的運行狀態，僅能驗證檢測活動發生時的運行狀態，不能完全涵蓋所有的運行狀態和可能出現的異常。

2 實際運行缺陷故障案例分析

2.1 合并單元延時參數配置錯誤導致保護誤動案例

2013年，河南省某500 kV變電站對側變電站進行人工短路試驗期間，該站發生500 kV主變差動保護、220 kV母線差動保護、220 kV部分線路差動保護不正確動作，導致該站一臺主變、一條220 kV母線及兩條220 kV線路跳閘。該變電站采用了常規互感器和模擬量輸入合并單元的采樣模式，根據故障技術調查報告，保護誤動作的主要原因是合并單元內部延時參數設置錯誤，導致電流采樣數據不同步，繼而引發差動保護檢測到差流而動作。

這一案例暴露出兩個方面的問題：一是合并單元內部參數設置對其測量結果有重要影響，該案例中的合并單元內部延時參數設置錯誤，導致其輸出采樣數據相位與真實相位發生了偏差；二是現有的電子式互感器、合并單元的測試方法可能存在漏洞，該案例中事故合并單元的延時配置錯誤，使其輸出信號的相位滯后了一個完整的周波（20 ms），此時如果采用穩態校驗的方法，依靠波形相位關系來測試相位誤差得到的測量結果是在誤差限值內的，因此無法發現問題。只有通過針對采樣值報文幀延時的測試方法，或暫態測試方法，才能發現這一類問題。

2.2 合并單元級聯延時處理不正確導致電能計量差錯案例［6］

2015年，四川省某110 kV智能變電站出現110 kV母線電量不平衡問題，其主變高壓側數字化電能表功率因數存在異常（正常值為0.99，實際為0.96），如圖3所示。對該現象進行分析，判斷該站主變高壓側合并單元對級聯的處理存在異常，又由于該站合并單元同步方式是采用了額定延時法，因此判定該異常情況為主變高壓側合并單元對級聯的延時補償出現問題從而導致的相位誤差和功率因數的異常。

以上兩個案例都表明，智能變電站數字化計量系統投運前除了需要進行單個裝置的檢測外，還需要進行系統整體的檢測，這樣才能有效避免由于裝置與裝置之間的配合問題導致的系統不準確和不可靠的現象。

圖3 主變高壓側電能表功率因數異常Fig.3 Power factor abnormality of high voltage side of main transformer

3 系統級試驗技術方案

3.1 技術方案原理

基于以上分析，文章提出了一種智能變電站數字化計量系統級試驗技術方案，如圖4所示。

通過數字化計量系統測試儀輸出電壓電流信號的控制信號，用以控制調壓器的輸出，調壓器的輸出給標準電壓互感器和標準電流互感器，通過標準電壓互感器和標準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互感器，同時標準電壓互感器以及標準電流互感器的二次標準輸出給標準電能表，被測電壓互感器和被測電流互感器的輸出通過合并單元和交換機后給數字化電能表，最后標準電能表和數字化電能表的脈沖輸出給數字化計量系統測試儀進行比較得到整體的計量誤差。同時，每個環節的輸出都將同時送到數字化計量系統測試儀進行分析比較，包括標準電壓互感器、標準電流互感器、被測電壓互感器、被測電流互感器、合并單元、交換機。這樣，就可以實時得到全過程各環節的電參量，從而實現對全鏈路的檢測和評估。

圖4 智能變電站數字化計量系統級試驗技術方案Fig.4 System-level test method of digital metering in smart substation

標準互感器的二次輸出和被測互感器的二次輸出進行比較可以得到被測互感器的誤差；被測互感器的二次輸出和合并單元的輸出進行比較可以得到合并單元的影響，包括合并單元的絕對延時、誤差、報文離散度等；合并單元的輸出和交換機的輸出進行比較可以得到交換機的影響，包括交換機的延時、誤差、丟幀誤碼、報文離散度等；交換機的輸出和數字化電能表的脈沖輸出進行比較可以得到數字化電能表的誤差。

可以看出，該系統級試驗技術方案不僅可以對整體誤差進行試驗，同時可以對全鏈路中各環節的功能、性能和影響進行測試，彌補了現有數字化計量試驗只是針對單一裝置的不足。

3.2 技術方案應用

利用文章提出的技術方案，解決前文中提到的某110 kV變電站異常，具體的試驗方案如圖5所示。

圖5 110 kV變電站現場試驗方案Fig.5 Field test scheme for substation of 110 kV

數字化計量系統測試儀輸出源信號給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，測試結果如表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。試驗數據如表1～表5所示。

從試驗數據可以看出，除了101合并單元的電流相位誤差超出準確度等級要求，其他所有合并單元均符合準確度等級要求。通過計算101合并單元的電流相位誤差，其基本上穩定在14.4°，這也完全符合文獻［6］中所述的采集得到的相位偏差和現場數字化電能表上看到的功率因數異常。