無線二次核相儀器的研制與測試

閆奕璇劉文德閆勃達

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司平山縣供電分公司,河北 石家莊 050400;2.中國南方電網(wǎng)廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司越秀供電局,廣東 廣州 510030;3.國網(wǎng)河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021)

1 概述

在新設(shè)備只帶電壓未帶負荷前,需要對新設(shè)備的二次電壓進行核相,以確保其二次電壓與系統(tǒng)二次電壓一致[12]。現(xiàn)階段的核相方法是將新設(shè)備的二次電壓與選定的變電站內(nèi)某運行設(shè)備的二次電壓進行對比[34],以檢驗交流電壓二次回路是否正確,有誤則不允許新設(shè)備帶負荷接入系統(tǒng)。二次核相是新設(shè)備投入運行前檢驗二次電壓正確與否的最后一道防線。

常規(guī)變電站內(nèi)某設(shè)備的二次電壓往往由電壓互感器本體二次側(cè)經(jīng)電纜接入繼電保護室內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)接屏,智能變電站內(nèi)某設(shè)備的二次電壓則經(jīng)電纜就地接入布置在設(shè)備區(qū)內(nèi)的與該設(shè)備配套的智能組件柜內(nèi)。因此,不論常規(guī)站和智能站,二次核相工作通常在2個區(qū)域開展,距離通常在300 m 以內(nèi)。

現(xiàn)階段核相工作思路是根據(jù)新設(shè)備和選定運行設(shè)備同名相和異名相之間的壓差幅值來判斷新設(shè)備電壓回路是否存在錯誤。獲取壓差則需要克服工作地點距離遠的困難,現(xiàn)階段采用的方法是在兩面電壓轉(zhuǎn)接屏或兩面智能組件柜之間臨時放置電纜,通過電纜建立起電路上的關(guān)聯(lián)。

據(jù)統(tǒng)計,2017-2019年,河北省南部電網(wǎng)所轄2座1 000 k V 特高壓變電站和22座500 k V 超高壓變電站內(nèi)核相工作記錄共計52 次,涉及設(shè)備109臺,其中線路95 條,主變壓器11 臺,母線3組,累計派出工作人員207人。據(jù)統(tǒng)計,不同類型設(shè)備核相需要的時間和人力見表1所示。

表1 核相工作所需的時間和人數(shù)

綜上,傳統(tǒng)核相方法存在兩方面問題,一是缺乏采樣相位差的儀器,只能通過采樣壓差幅值的方法來間接核相,增加了工作流程;二是臨時放置幾百米長的電纜耗費了大量的人力和時間。

以下研制的無線二次核相儀器包含2臺設(shè)備,一臺采集新設(shè)備電壓,另一臺采集運行設(shè)備電壓。2臺設(shè)備之間通過無線連接共享信息,同時在2臺設(shè)備上可分別顯示出電壓相位差,經(jīng)測試能夠顯著的節(jié)約人力和時間。

2 無線二次核相儀器

本儀器所要解決的問題是采樣相位差來代替幅值差,利用無線傳輸來代替放置電纜。本節(jié)從基本性能、整體方案和硬件、數(shù)據(jù)同步的原理組成三方面來介紹。

2.1 基本性能

無線二次核相儀器由主表和副表兩部分組成,主副表間采用無線通信的方式共享信息;變電站內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境下,主副表無線通信有效傳輸距離不低于300 m;在主副表電源打開時進行握手對時,并在核相過程中保證同步采樣;主副表的量程為0～500 V;兩表均能以運行設(shè)備電壓為基準(zhǔn)0度顯示新設(shè)備和運行設(shè)備的電壓向量圖;主副表可以顯示同步狀態(tài)及信號的強弱,信號的強弱由實時的通信丟包率來計算。

2.2 整體方案和硬件組成

無線二次核相儀器的主表和副表的硬件構(gòu)成和功能完全一致,在核相過程中地位平等,無主次之分,僅在習(xí)慣上將主表用于采集運行設(shè)備的電壓,副表用于采集新設(shè)備的電壓。無線二次核相儀器采用模塊化的設(shè)計思路,主要包括如圖1所示的模塊。各模塊功能如下:

a.互感器模塊起到隔離和變換電壓的作用,提供符合模擬量采集模塊量程以內(nèi)的電壓;

b.模擬量采集模塊負責(zé)采集模擬量電壓,再進行濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后給MCU 單片機模塊處理;

c.同步調(diào)制模塊負責(zé)將本機采樣的數(shù)據(jù)和經(jīng)無線傳輸?shù)奖緳C的對側(cè)數(shù)據(jù)進行同步整合,并將整合后的數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU 模塊進行處理。該模塊需要根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換和無線傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)引發(fā)的額定延時參數(shù)進行運算來達到數(shù)據(jù)同步的目的;

d.無線傳輸模塊負責(zé)進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,并將數(shù)據(jù)傳輸至MCU 模塊進行處理;

e.MCU 單片機模塊作為最核心的模塊,負責(zé)接收本機采集的電壓和經(jīng)無線傳輸模塊傳輸至本機的對側(cè)電壓。MCU 將兩側(cè)電壓發(fā)送至同步調(diào)制模塊進行處理,接收同步調(diào)制模塊處理后的電壓,并經(jīng)運算后通過屏幕以向量的形式顯示。

圖1 整體方案和硬件組成

2.3 數(shù)據(jù)同步的原理

主副表間采樣是否同步會直接影響相位的偏差,所以,核相儀器對數(shù)據(jù)延時和采樣同步要求高。

數(shù)據(jù)的同步功能在同步調(diào)制模塊中實現(xiàn),主表和副表之間實現(xiàn)無線傳輸和數(shù)據(jù)對比的先決條件是兩表相對時間為零、主副表采樣頻率相同且每一個采樣點對應(yīng)的采樣時刻也相同,這樣兩表采樣的數(shù)據(jù)才有對比的意義,主表和副表之間的相位同步與繼電保護中的光纖差動保護的同步原理類似。

主表和副表通過無線傳輸數(shù)據(jù),只要主副表間連接穩(wěn)定,其傳輸延時Td就是固定的常數(shù),對時同步就是準(zhǔn)確求取Td并在主副表采樣數(shù)據(jù)比較時進行補償。圖2是獲取Td的方法,圖3是校正采樣時刻同步的方法。

圖2 通道延時測定

圖3 采樣時刻的同步

圖2中的黑點表示采樣時刻,相鄰兩點的間隔可表征采樣頻率,縱向相鄰的2個黑點間則表示主副表的采樣時間差ΔTs。主副表采樣頻率雖一致,鑒于兩表開機時間不定,不可能做到采樣時刻的同步,采樣時刻同步的意義就是將圖3中的ΔTs調(diào)整為零。主表端為參考端,副表端為調(diào)整端。

在同步過程中先測定通道傳輸延時Td。副表以本裝置的相對時鐘為基準(zhǔn)在tss時刻向主表發(fā)送一幀報文,主表按照本裝置的相對時鐘為基準(zhǔn)記錄到該報文的接收時刻tmr,隨后在下一個采樣時刻tms將時間差tms-tmr作為報文內(nèi)容傳輸給副表。副表再記錄收到主表報文的時刻tsr,副表可求得無線傳輸延時Td。測得Td后,副表端可以結(jié)合時刻tsr求得ΔTs。隨后副表對采樣時刻作多次小步幅的調(diào)整,經(jīng)過一段時間調(diào)整直到采樣時間差ΔTs至零,兩端同步采樣。

3 儀器的初步測試

無線二次核相儀器界面如圖4所示,主表和副表相同,能夠滿足2.1中的性能要求。首先在實驗室進行了測試,確保裝置可以完成所有的測試功能。

圖4 無線二次核相儀器的界面

利用武漢市豪邁電力自動化技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的繼保之星繼電保護測試儀進行測試,其特點是可以輸出兩路三相電壓,且所有通道輸出的幅值、相位和頻率可完全獨立調(diào)節(jié)。試驗過程中,實際輸出兩路獨立的工頻三相交流電壓,其中第1路電壓模擬新設(shè)備的電壓,第2路電壓模擬運行設(shè)備的電壓。兩路電壓可隨意設(shè)定同名相或異名相間的相角差,只要最終主副表顯示的相位差與設(shè)定值相同,就能驗證無線二次核相儀器核相的正確性。

為了模擬變電站內(nèi)新設(shè)備和運行設(shè)備核相地點的距離,試驗測試儀輸出的兩路三相電壓分別經(jīng)兩卷電纜軸拉至距離300 m 的2個地點,無線二次核相儀器的主表和副表分別在2個地點接入試驗電壓,實驗人員在繼電保護測試儀上進行傳統(tǒng)核相過程中的的拆接線操作,其他試驗人員在主副表側(cè)分別讀取和記錄相位差。

以Yd/11接線形式的主變壓器低壓側(cè)與運行設(shè)備的核相過程為例。第1路輸出的電壓用來模擬主變低壓側(cè)電壓,第2路輸出的電壓為模擬選定設(shè)備的電壓。在繼電保護測試儀上設(shè)定的兩路工頻電壓值如表2所示。

表2 繼電保護測試儀上設(shè)定的電壓

以U 相核對為例,采用常規(guī)核相的操作習(xí)慣,主表固定采集第2路的U 相電壓,副表逐相采集第1路三相電壓,記錄同名相和異名相位差,V 和W 相的核對方法與U 相一致,結(jié)果如表3所示,測試結(jié)果與設(shè)定值相符,核相準(zhǔn)確無誤。

表3 相位差試驗結(jié)果

4 變電站內(nèi)測試

2019年11 月,在石北站500 k V 忻石Ⅲ線投運和臥牛城站220 k V 臥門Ⅰ線路投運工作中進行了儀器的實際測試。其中500 k V 忻石Ⅲ線與相鄰運行線路進行核相,220 k V 臥門Ⅰ線與220 k V 母線進行核相。實驗結(jié)果正確無誤。

測試完畢后,用傳統(tǒng)方法再次進行核相,將兩者在耗費的人力和時間兩方面進行對比,結(jié)果見表4所示。可以看出,采用無線二次核相儀器核相可以有效的縮減人員和時間。

表4 2種方法對比結(jié)果

5 結(jié)論

a.不論核相設(shè)備的類別,無線二次核相儀器的使用可在保證核相結(jié)果正確的基礎(chǔ)上,將工作人員數(shù)量縮減至2人,工作時間縮減至10 min以內(nèi),較傳統(tǒng)方法有很大優(yōu)勢,具有良好的經(jīng)濟效益和推廣價值。

b.當(dāng)無線信號穿越帶屏蔽性能的繼電保護室墻壁或鋼架密集、電磁環(huán)境復(fù)雜的設(shè)備區(qū)時,會導(dǎo)致主表和副表的連接信號變?nèi)酢楸ＷC核相工作順利開展,有些場合需要將主表和副表分別處于2個繼電保護室門口位置以擺脫屏蔽墻的影響,為此,需要在電壓轉(zhuǎn)接屏和繼電保護室門口之間放置短電纜,工作量有所提升,下一步需要研制抗干擾性能更好,傳輸距離更遠的核相儀器。