數(shù)字化變電站二次設(shè)備動態(tài)模擬試驗方案分析

0數(shù)字變電站中電子式傳感及應(yīng)用研究保護(hù)裝置作為主要的二次設(shè)備，其功能和性能一直受到廣泛關(guān)注。在數(shù)字電源中使用電子表達(dá)和網(wǎng)絡(luò)通信的二次回路，尤其是電子表達(dá)，為電子表達(dá)提供了許多優(yōu)點，但電子表達(dá)的許多優(yōu)點是，由于電子表達(dá)器飽和引起的波動范圍的外部誤差，以及波動范圍的最小軌跡保護(hù)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，為以后的電子表達(dá)和網(wǎng)絡(luò)保護(hù)技術(shù)的開發(fā)提供了另一種方式。電子式互感器的采用及變電站過程層的網(wǎng)絡(luò)化是數(shù)字化變電站的重要特征,數(shù)字化變電站依靠高速、可靠、開放的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),克服了傳統(tǒng)變電站電纜二次接線復(fù)雜、抗干擾能力差、系統(tǒng)擴(kuò)展性差等缺點,實現(xiàn)信息共享,為相關(guān)設(shè)備的智能化創(chuàng)造了條件。這一切為繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機遇。但同時電子式互感器的穩(wěn)定性、電子式互感器合并單元的采樣同步性、過程層網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性等問題也會影響到保護(hù)裝置的可靠性及快速性等,尤其在相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的初期。繼電保護(hù)裝置在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用受網(wǎng)絡(luò)交換機、電子式互感器、光纖通道等各種技術(shù)的限制,因此研究通信網(wǎng)絡(luò)及互感器特性對保護(hù)的影響及其解決方案是保證繼電保護(hù)裝置可靠、高效運行,減少不必要的工程投資的必要途徑。本文結(jié)合數(shù)字化變電站二次設(shè)備系統(tǒng)級網(wǎng)絡(luò)化動態(tài)模擬試驗的研究結(jié)果,分析了數(shù)字化變電站繼電保護(hù)應(yīng)用中的相應(yīng)問題,并給出了解決建議。1網(wǎng)絡(luò)冗余配置以太網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)主要有總線型、星型、環(huán)型3種。數(shù)字化變電站過程層網(wǎng)絡(luò)需兼顧安全穩(wěn)定性、拓展性和經(jīng)濟(jì)性等因素,而安全穩(wěn)定性則是各項指標(biāo)的重中之重,數(shù)字化變電站過程層網(wǎng)絡(luò)通信多采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型拓?fù)鋵W(wǎng)絡(luò)交換機的可靠性要求很高,一旦網(wǎng)絡(luò)交換機發(fā)生故障,部分甚至全網(wǎng)工作將受到影響。為提高通信可靠性,對220kV及以上電壓等級的數(shù)字化變電站,過程層通信網(wǎng)絡(luò)需采用雙網(wǎng)冗余配置,雙網(wǎng)在物理連接上完全獨立,過程層網(wǎng)絡(luò)中的保護(hù)、合并單元及智能操作單元等智能電子設(shè)備(intelligentelectronicdevice,IED)均采用雙套分別配置于雙網(wǎng)中。同時應(yīng)加強網(wǎng)絡(luò)異常狀況監(jiān)控水平,及時發(fā)現(xiàn)解決網(wǎng)絡(luò)異常情況,以避免出現(xiàn)站內(nèi)一次設(shè)備由于網(wǎng)絡(luò)原因失去保護(hù)的情況。數(shù)字化變電站過程層與間隔層傳送的數(shù)據(jù)類型眾多,包括采樣值和面向通用對象的變電站事件(genericobjectorientedsubstationevent,GOOSE)報文等,它們都有很高的實時性要求,而GOOSE報文的信息流量具有不確定性,如在系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障及相應(yīng)操作時GOOSE信息量會突發(fā)性增加。為提高網(wǎng)絡(luò)性能,避免通道堵塞,應(yīng)通過虛擬局域網(wǎng)(virtuallocalareanetwork,VLAN)劃分、組播注冊協(xié)議(GARPmulticastregistrationprotocol,GMRP)等技術(shù)的應(yīng)用對過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理構(gòu)建,同時對各種信息流進(jìn)行優(yōu)先級分類,以確保關(guān)鍵應(yīng)用和實時性要求高的信息流的優(yōu)先傳送。在過程層組網(wǎng)方式應(yīng)用初期,可考慮將采樣值與GOOSE報文分開組網(wǎng)的方式,以便運行維護(hù)及相關(guān)經(jīng)驗的積累。2電子表格器和通信網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性研究2.1測量延遲及驗證目前,數(shù)字化變電站工程中應(yīng)用的電子式互感器按供能方式可分為有源式及無源式,按原理可分為基于Rogowski線圈原理及基于光學(xué)原理的電子式互感器。盡管IEC/60044-8標(biāo)準(zhǔn)對電子式互感器數(shù)據(jù)采集傳感的準(zhǔn)確性和實時性有明確要求,但由于原理及不同廠家工藝技術(shù)的差異,不同廠家的電子式互感器(尤其是電子式電流互感器)的處理延時(包括合并單元的延時)及量程等指標(biāo)存在差異。1)測量延時差異。圖1所示為錄波器在同一時刻記錄的2個廠家的電子式電流互感器測量的電流相量,換算后保護(hù)接收的2個電流互感器測量結(jié)果延時相差0.5ms。為避免這種誤差對繼電保護(hù)(尤其是差動保護(hù))帶來的影響,工程應(yīng)用前必須對電子式互感器的測量延時進(jìn)行嚴(yán)格檢測,而對于延時差異,保護(hù)裝置可以考慮加入可設(shè)定的延時補償功能,對不同互感器間的固有延時差異進(jìn)行補償。2)量程差異。當(dāng)測量值超過電子式互感器測量輸出范圍時,互感器輸出量程上限或下限值,如圖2所示,電流波形出現(xiàn)“平頂”。若配合應(yīng)用的不同廠家電子式互感器的測量范圍不同,當(dāng)測量值超過互感器量程后,對于同一測量值則會輸出不同的測量結(jié)果,這將影響相關(guān)保護(hù)裝置的性能,甚至可能導(dǎo)致電流差動保護(hù)誤動作。在動態(tài)模擬試驗過程中,參試電子式電流互感器量程最大差異超過7%,當(dāng)將此2種互感器用于3/2接線方式給線路保護(hù)提供電流時,在區(qū)外故障短路電流超過兩互感器量程時,線路保護(hù)出現(xiàn)誤動。因此,工程應(yīng)用中提供給有配合要求的電流差動保護(hù)的電子式電流互感器應(yīng)盡量選擇同一廠家的同型設(shè)備。2.2影響參數(shù)選取的因素數(shù)字化變電站過程層組網(wǎng)方式與常規(guī)變電站配置方式下的動模對比試驗結(jié)果顯示:在試驗環(huán)境相同的情況下,數(shù)字化變電站過程層組網(wǎng)方式下保護(hù)動作時間比相同原理的傳統(tǒng)保護(hù)裝置動作時間長。影響常規(guī)保護(hù)及數(shù)字化保護(hù)動作時間的因素如圖3、圖4所示。影響數(shù)字化保護(hù)動作出口延時增大的主要因素是電子式互感器的處理延時、網(wǎng)絡(luò)延時及保護(hù)裝置為適應(yīng)采樣值延時而設(shè)置的時間裕度等。針對以上因素,可考慮通過改善以下環(huán)節(jié)縮短保護(hù)出口動作時間:1)提高電子式互感器的相應(yīng)技術(shù),以最大限度減小電子式互感器總的處理延時。2)改進(jìn)保護(hù)算法,將采樣頻率調(diào)整為互感器發(fā)送采樣數(shù)據(jù)頻率的整除倍數(shù),減少數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)重新插值采樣所需時間。3)在數(shù)字化變電站規(guī)劃中優(yōu)化過程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高過程層網(wǎng)絡(luò)通信的實時性。2.3采樣數(shù)據(jù)畸變問題的解決措施電子式互感器異常可能導(dǎo)致所傳送的采樣數(shù)據(jù)出現(xiàn)畸變的情況。當(dāng)數(shù)據(jù)異常是由電子式互感器的可判故障等因素引起時,保護(hù)可通過判別合并單元發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)的品質(zhì)位進(jìn)而判斷數(shù)據(jù)的有效性;但當(dāng)數(shù)據(jù)異常是由互感器電子器件受到外界干擾等因素引起時,合并單元所發(fā)送數(shù)據(jù)的品質(zhì)位仍然置有效狀態(tài),此時若保護(hù)裝置處理不當(dāng),可能引起裝置的誤動作等情況。因此,當(dāng)電子式電流互感器異常情況下傳送畸變數(shù)據(jù)時,保護(hù)裝置應(yīng)具有一定的判別能力,當(dāng)連續(xù)畸變數(shù)據(jù)持續(xù)時間在一定范圍內(nèi),保護(hù)裝置不應(yīng)出現(xiàn)誤動,而具體時間范圍須結(jié)合實際運行經(jīng)驗合理選擇。針對采樣數(shù)據(jù)畸變的問題,除考慮改進(jìn)保護(hù)故障判別算法外,還可從以下幾方面考慮解決措施:1)加強對電子式互感器的入網(wǎng)檢測,提高對電子式互感器穩(wěn)定性的相關(guān)要求。2)電子式互感器中用于測量的傳感元件及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與用于保護(hù)的傳感元件及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)彼此獨立,合并單元發(fā)送的每幀數(shù)據(jù)中同時包含用于保護(hù)和測量的采樣值,因此保護(hù)算法可通過引入測量數(shù)據(jù)與保護(hù)數(shù)據(jù)的對比完成對接收的采樣數(shù)據(jù)的監(jiān)控,如果只有一個數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變相應(yīng)保護(hù)不啟動。3)電子式互感器保護(hù)用傳感元件由2路獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集,2路采集系統(tǒng)的輸出接入同一合并單元,發(fā)送給保護(hù)裝置,保護(hù)裝置將2組數(shù)據(jù)分別用于啟動及動作判別邏輯運算中,以確保當(dāng)只有一組數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常突變時,不會誤動作出口。4)根據(jù)基爾霍夫電流定律,同一節(jié)點流入流出的電流矢量和為零,在過程層采樣值組網(wǎng)情況下,保護(hù)裝置可利用過程層數(shù)據(jù)共享的優(yōu)點,通過采集同一節(jié)點的其它電流,并進(jìn)行相關(guān)計算,完成對保護(hù)算法所用電子式電流互感器采集電流的監(jiān)控,如果兩者不一致則不啟動保護(hù)。上述方法1)是從加強對電子式互感器穩(wěn)定性的要求入手,方法2)、3)、4)則是從保護(hù)及互感器綜合考慮。方法2)不需增加硬件投入,只需在保護(hù)算法中加入對相應(yīng)測量值的監(jiān)控;方法3)硬件上需額外增加數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),同時合并單元發(fā)送的采樣值需增加相應(yīng)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)幀格式上要做出調(diào)整;方法4)利用了采樣值組網(wǎng)的優(yōu)點,但前提是相應(yīng)節(jié)點各分支均安裝有電子式電流互感器,同時在保護(hù)算法上做出相應(yīng)處理,但節(jié)點內(nèi)其他分支的電子式電流互感器出現(xiàn)畸變數(shù)據(jù)時可能造成保護(hù)裝置拒動。而且,方法4)應(yīng)盡量優(yōu)化相應(yīng)算法,以減小由此增加的運算時間。2.4同步源同步方式傳統(tǒng)變電站采用電磁式互感器進(jìn)行電氣量測量,保護(hù)裝置通過裝置內(nèi)的A/D對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理,數(shù)據(jù)延時很小,可以忽略。數(shù)字化變電站電子式互感器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用,導(dǎo)致數(shù)據(jù)采樣傳輸延時增大,同時,各廠家電子式互感器、合并單元及網(wǎng)絡(luò)接口等環(huán)節(jié)處理技術(shù)的差異,導(dǎo)致傳送數(shù)據(jù)的時序特性的差異,采樣延時不同。對于過程層組網(wǎng)方式,以太網(wǎng)傳輸延時的不確定性也是影響時序特性的重要因素。因此,數(shù)字化變電站數(shù)據(jù)采集的同步處理至關(guān)重要,消除因時鐘同步差異及傳輸延時造成的影響,有效識別數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采樣時刻,是數(shù)字化變電站間隔層與過程層實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步的關(guān)鍵。對于數(shù)字化變電站采樣數(shù)據(jù)的同步處理,可以考慮以下幾種方式:1)站內(nèi)統(tǒng)一時鐘法。該方式下變電站內(nèi)配置統(tǒng)一外部時鐘源,用作電子式互感器(合并單元)數(shù)據(jù)采集的同步源。所采用的外部時鐘源包括同步衛(wèi)星時鐘信號,如GPS、北斗、伽利略衛(wèi)星等,也可考慮銣鐘、銫鐘等高精度電子鐘及基于同步數(shù)字體系(synchronousdigitalhierarchy,SDH)光纖網(wǎng)絡(luò)的時間同步方式的應(yīng)用,以增強外部時鐘源的可靠性。2)電子式互感器通過合并單元插值計算,進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的同步處理。保護(hù)裝置也可通過插值算法對所接收的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值同步處理。3)保護(hù)裝置作為相應(yīng)電子式互感器數(shù)據(jù)采集的同步源,以解決同一保護(hù)裝置相關(guān)電子式互感器的采樣數(shù)據(jù)同步問題。方式1)在目前的數(shù)字化變電站中應(yīng)用較多,同步精度較高,可以滿足保護(hù)裝置對數(shù)據(jù)同步性的要求,同時也可滿足站間同步及廣域網(wǎng)絡(luò)同步的要求,但該方式中外部時鐘源成為變電站運行的重要因素,時鐘源的有效及穩(wěn)定性至關(guān)重要。因此,在選用衛(wèi)星同步信號作為同步時鐘源的同時,可考慮高精度的電子鐘(銣鐘、銫鐘等)的使用,但高精度電子鐘的應(yīng)用會增加工程投資,且目前在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較少,需進(jìn)一步深入研究相關(guān)方案。方式2)中合并單元將接入的多個電子式互感器的采樣數(shù)據(jù)通過插值計算進(jìn)行數(shù)據(jù)同步,并發(fā)送同步后的采樣數(shù)據(jù),保護(hù)通過插值將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理,該方式最大的優(yōu)點是不需要外部同步源,在節(jié)省變電站投資的同時,大大提高了安全性。但插值同步法不可避免地會引入方法誤差,且對高次諧波的插值誤差增大,會對要求高次諧波參與運算的保護(hù)算法造成影響,同時插值計算的結(jié)果與參與計算的離散數(shù)據(jù)點個數(shù)相關(guān),數(shù)據(jù)點越多則插值結(jié)果精度越高,但數(shù)據(jù)窗增大,等待時長增加,數(shù)據(jù)運算量也大幅增加,數(shù)據(jù)總體處理延時增加。而且,插值計算前需要確定各路數(shù)據(jù)的接收時間,因此對于傳輸延時比較固定的點對點通信方式可以使用,但不適用于采樣值組網(wǎng)傳輸方式。方式3)由保護(hù)裝置作為電子式互感器采樣的同步源,以保證同一保護(hù)裝置所用各路電氣量采樣值的同步性,該方式也不需要外部時鐘源,還可完全滿足保護(hù)計算所需的同步精度,但各保護(hù)裝置需要相對應(yīng)的合并單元,工程投資大為增加,同時該方法也不適用于采樣數(shù)據(jù)共享的采樣值組網(wǎng)方式。3數(shù)據(jù)同步的處理線路電流差動保護(hù)正確動作的前提是線路兩側(cè)保護(hù)裝置采樣數(shù)據(jù)的同步性。線路兩側(cè)為傳統(tǒng)變電站時,電流差動保護(hù)常用的數(shù)據(jù)同步方法有采樣時刻調(diào)整法、時鐘校正法、參考向量法、插值法及GPS同步法等,而實際應(yīng)用中考慮到同步效果、計算量大小及安全風(fēng)險等因素的影響,應(yīng)用較多的有采樣時刻調(diào)整法和時鐘同步法。但在數(shù)字化變電站中,交流采樣由電子式互感器完成,全站合并單元通過外部同步源保持同步(目前多為此方式),不能通過保護(hù)裝置調(diào)整合并單元的采樣同步,因此當(dāng)線路兩側(cè)為數(shù)字化變電站或分別為數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站時,線路電流差動保護(hù)需要對同步問題提出新的解決方案,這也是數(shù)字化變電站線路電流差動保護(hù)配合使用的關(guān)鍵問題。目前,數(shù)字化變電站線路電流差動保護(hù)對于數(shù)據(jù)同步的處理主要有以下2種方式:1)數(shù)字化變電站線路電流差動保護(hù)算法不需接收外部同步信號的方式。由于數(shù)字化變電站中電子式互感器傳送給保護(hù)的采樣值帶有一定的延時,因此保護(hù)裝置在不接收外部同步信號的情況下若要保證所用數(shù)據(jù)的同步誤差在允許范圍內(nèi),必須計算出電子式互感器采集數(shù)據(jù)到保護(hù)接收到采樣數(shù)據(jù)之間的延時。當(dāng)電子式互感器與保護(hù)裝置間采用點對點通信方式時,該延時相對固定,因此線路保護(hù)不需要外部同步信號仍可較準(zhǔn)確地確定所收到的采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)的采樣時刻,同時保護(hù)裝置可以保持與合并單元的同步性。不需接收外部同步信號的數(shù)字化變電站線路電流差動保護(hù)與傳統(tǒng)保護(hù)之間可通過采樣時刻調(diào)整法、時鐘校正法及插值法等實現(xiàn)兩側(cè)數(shù)據(jù)的同步。2)數(shù)字化變電站線路電流差動保護(hù)算法需接收外部同步信號的方式。這種方式通常應(yīng)用于采樣值通過過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖冸娬局小Ｓ捎诒Ｗo(hù)裝置與合并單元接收相同的同步信號,在同步源工作正常的情況下保護(hù)裝置與合并單元始終保持同步狀態(tài),因此保護(hù)裝置可以比較準(zhǔn)確地確定所接收采樣值的采樣時刻。數(shù)字化變電站線路電流差動保護(hù)與傳統(tǒng)保護(hù)間的同步方式同方式1)。方式1)在應(yīng)用于電子式互感器與保護(hù)之間采用點對點通信方式時,既可以使得保護(hù)算法不依賴于外部同步源,又能保證保護(hù)裝置接收采樣數(shù)據(jù)的同步精度。但當(dāng)數(shù)字化變電站過程層采樣值采用組網(wǎng)方式傳送時,保護(hù)接收到采樣數(shù)據(jù)的延時除電子式互感器輸出采樣值的處理延時和光纖通道的傳輸延時外,還包括過程層網(wǎng)絡(luò)處理延時,而過程層網(wǎng)絡(luò)延時具有不確定性,因此保護(hù)裝置需通過時時檢測所接收的采樣值延時的變化情況以確定網(wǎng)絡(luò)延時的穩(wěn)定性。在這種情況下,保護(hù)裝置對網(wǎng)絡(luò)狀況的反應(yīng)變得更加敏感,在網(wǎng)絡(luò)延時變化時,為保證保護(hù)裝置的可靠性,需要閉鎖電流差動保護(hù),待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)穩(wěn)定后再重新開放差動保護(hù)。對于網(wǎng)絡(luò)延時的不確定性,變電站設(shè)計時應(yīng)充分考慮網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)延時時間及相應(yīng)保護(hù)設(shè)備所允許的最大延時裕度,同時應(yīng)提出保護(hù)裝置處理網(wǎng)絡(luò)延時越限等偶發(fā)情況的處理機制。方式2)中由于保護(hù)裝置與合并單元保持同步,且合并單元采樣頻率固定,因此保護(hù)裝置對過程層采樣值網(wǎng)絡(luò)延時變化的適應(yīng)程度較方式1)提高了,但由于保護(hù)裝置的相應(yīng)算法需要外部同步信號,因此增加了保護(hù)裝置的安全風(fēng)險,當(dāng)同步信號出現(xiàn)異常時差動保護(hù)則必須閉鎖。4數(shù)字化保護(hù)測試方法隨著電子式互感器及過程層組網(wǎng)方式的應(yīng)用,變電站二次系統(tǒng)的高效、合理、可靠性已不僅僅由單裝置的性能決定,二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及各裝置間的配合工作能力同樣至關(guān)重要,因此數(shù)字化變電站工程中繼電保護(hù)裝置的安全可靠性檢測已從傳統(tǒng)保護(hù)裝置的單裝置檢測方式轉(zhuǎn)變成全站二次系統(tǒng)集中性能測試,檢測方法也必須針對電子式互感器及網(wǎng)絡(luò)化的特點增加更有針對性的測試項目,以保證數(shù)字化保護(hù)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的可靠運行,數(shù)字化變電站繼電保護(hù)的測試應(yīng)是系統(tǒng)級的網(wǎng)絡(luò)化測試。數(shù)字化保護(hù)動態(tài)模擬測試應(yīng)既可用于測試評估數(shù)字化保護(hù)在特定電網(wǎng)環(huán)境中的應(yīng)用性能,也可用于考核數(shù)字化保護(hù)在數(shù)字化變電站系統(tǒng)中的整體功能及性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計目標(biāo)及應(yīng)用要求,數(shù)字化保護(hù)測試方法至少應(yīng)涵蓋如下內(nèi)容:1)根據(jù)具體要求模擬特定電網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)字化變電站系統(tǒng)。2)模擬典型數(shù)字化變電站系統(tǒng)及典型組網(wǎng)方式。3)模擬各種電氣故障,測試數(shù)字化保護(hù)在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時的性能。4)模擬測試電子式互感器及通信網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)的異常情況,測試數(shù)字化保護(hù)的運行性能。數(shù)字化保護(hù)測試的主要指標(biāo)同樣由保護(hù)動作的可靠性、選擇性、靈敏性及快速性來反映,而變電站內(nèi)多間隔多類型的電子式互感器的同時應(yīng)用,也對保護(hù)的適應(yīng)性提出了新的要求。同時,數(shù)字化保護(hù)為適應(yīng)電子式互感器及過程層網(wǎng)絡(luò)的各種極端情況,保證保護(hù)裝置的可靠性,較之傳統(tǒng)保護(hù)增加了諸多閉鎖機制,因此,數(shù)字化保護(hù)測試要有針對性地測試相應(yīng)閉鎖機制的合理性