智能变电站采样方式的优化设计与研究

郭骏

摘 要：本文对当前智能变电站的采样方式现状和工作原理进行了分析，研究了目前采样方式存在的优点和缺点。利用对智能变电站采样方式在继电保护整组动作时间当中的影响进行研究以及调研，得到合并单元数字化的采样能够对线路的保护速动性带来负面影响。按照对采样方式的现状分析和调研，提出不同的三种优化设计措施，进而实现了机电保护速动性和智能变电站采样数据共享的效果。

关键词：智能变电站;采样方式;优化设计;数据共享

在智能变电站当中，应用电子式的互感器和合并单元能够更好完成了采样数字化，另外在整体上推动了变电站二次回路的数字化、智能化、网络化。智能变电站的二次回路四化不但能够预防常规的变电站电缆进行二次回路接线的复杂，并且存在着较差的抗干扰力等问题[1]。除此之外，还需要利用网络通信的手段来更好的实现硬件资源和数据方面的共享，给实现二次的回路状态实时监测带来条件。智能变电站采样方式不仅需要充分满足继电保护的安全性和可靠性基本要求，还需要更好的体现变电站智能化[2]。本文按照对采样方式的现状分析和调研，提出不同的三种优化设计措施，进而实现了机电保护速动性和智能变电站采样数据共享的效果。

1 智能变电站采样方式的现状

在智能变电站中，数字化保护装置要能正常工作，一个先决条件式采样值传输延时可知，或者采样数据本身已同步。当前智能变电站中大部分交换机本身采样延时不稳定，无法测量。若保护采用网络采样的方式，同时又不依赖外部对时，目前有3个方法：

1）交换机本身的数据传输延时做到稳定。

2）交换机自己测量报文在自己内部的延时，然后放在报文帧中发送给保护装置，这样保护装置有可能实时计算出每一帧采样值报文的延时，从而做到采样值同步。

3）采用其他通信方式，采样值传输延时是可知的。

综合考虑保护动作快速性与系统可靠性，保护装置直接采样比网络采样更有优势。而对于测控装置、故障录波、网络分析、电能表等间隔层设备，无需作差动计算，对于可靠性的要求较继电保护设备较低，可以依赖外部时钟，因此，测控装置、故障录波、网络分析、电能表等设备可以通过网络采样，实现采样数据的共享，节约电缆，减少电缆传输过程中的干扰。

2 采样方式对继电保护的影响分析

第一，常规变电站。以220kV及以上线路保护装置整组动作时间为例进行理论分析，因不同厂家装置处理方式不同，分析数据可能不同。

第二，智能变电站。智能变电站线路保护整组动作时间构成内，其中合并单元前置延时与插值时间2ms，数字低通0.5ms，数据窗11ms，算法计算及逻辑执行时间等3ms，智能终端时间5ms。此外，当远端故障电流较小时，不同厂家数据窗采用短延时或其他措施，以提高可靠性。其他继电保护理论动作时间分析对于母线保护和变压器保护，常规变电站继电保护系统至断路器跳闸线圈的时间由于需要TJR继电器重动，因此智能变电站要比常规变电站保护快5～10ms。

3 优化方案的研究

3.1 调整二次回路

对于采用常规电磁式互感器的智能变电站，如电压电流量不经合并单元直接接入保护装置，电流量串接于合并单元后，电压量并接于合并单元。可节省一个环节，在保证了智能变电站数据共享的前提下，减少了继电保护整组动作时间，

具体方案如下：

线路保护模拟量采样，其他保护设备SV直采，故障录波、网络分析SV网采。经继电保护整组动作时间分析可知，只有线路保护经合并单元采样后会对速动性产生影响。综合考虑到220kV及以上电压等级线路保护在系统中的重要性，及相关运行经验，线路保护采用独立装置，双重化配置。双重化配置合并单元，多功能测控装置集成非关口计量及PMU采集功能。

1）线路保护电缆模拟量采样，串接于合并单元后。2）断路器保护SV直采合并单元。3）母线保护SV直采合并单元。4）多功能测控装置、故障录波、网络分析SV网采。

3.2 采用基于纵向整合的多功能保护装置

基于纵向整合的多功能保护装置，合并单元功能模块通过电缆直采模拟量，经装置内部高速总线以私有规约直接发送至保护功能模块，很大程度上提升了采样速度，改善了智能变电站线路保护速动性明显变差的劣势，并且合并单元功能模块可配置独立的SV光口，实现其他跨间隔保护（母线保护和主变压器保护）SV直采的需求，以及SV组网的需求。故障录波及网络分析可通过过程层网络采集SV信息，兼顾了信息数字化和数据共享，

3.3 优化过程层网络

3.3.1 过程层网络设计原则

过程层网络要求具有比间隔层网络更高的可靠性，具体要求为：

1）应采用可靠性高的星形结构。与总线型和环形结构相比，星形结构扩展方便、协议简单、网络传输延时小、无广播风暴风险，是过程层网络的首选结构。2）交换机N-1故障不应影响保护信息传输。智能变电站继电保护直采直跳，启动失灵/重合闸、失灵联跳等信息通过过程层网络传输。当保护与过程层网络一一对应连接时，交换机N-1故障将造成一个网络的信息交换中断，某些重要功能（失灵联跳等）可靠性降低50%，对电网的安全运行带来不利影响。因此，220kV及以上电压等级过程层网络设计必须考虑交换机N-1方式下的保护信息传输可靠性问题，要求保护设备采用冗余连接方式。3）交换机N-2故障应尽量减少对两套保护的影响。虽然对于220kV及以上电壓等级过程层网络交换机发生N-2故障概率很低，但过程层网络设计应考虑减少此种故障的影响，提高极端情况下抵御风险的能力。

3.3.2 过程层网络优化设计方案

根据上述过程层网络设计原则，过程层网络优化方案为：SV、GOOSE共同组网，双重化保护各设置独立的双网，方案特点：

1）基于共网共端口技术，SV、GOOSE共网传输，节约交换机。2）双重化的A、B套装置过程层信息相互独立传输，交换机负载较轻。3）交换机N-1故障不影响保护信息传输，N-2故障最多影响一套保护的信息交换，不影响第二套保护功能。校验N-2故障时，可靠性较常规智能变电站提供50%。

4 方案实施及效果分析

4.1 效果检验

针对三种不同的优化设计方案，分别在河北沧州献县东220kV新一代智能变电站新建工程、河北邯郸涉武500kV变电站新建工程、国家电网公司2016年设计竞赛太平庄220kV变电站新建工程中进行效果检验。检验方法分别为联调测试、专家评估及现场实施三种不同的方法。

4.2 效益分析

如果采用基于纵向整合的多功能装置的优化方案，则每个间隔可节省装置2台（分别为智能终端及合并单元），根据目前国内主流二次设备厂家投标价格，平均1台装置约10000元，对于一个220kV智能变电站共约有20个间隔，产生直接经济效益为20×2×10000=400000元。

5 结束语

智能变电站采样方式的优化设计方案不仅满足了当前智能电网及智能变电站的发展需求，实现了采样值数据共享，而且与常规智能站相比继电保护的可靠性、速动性得到了很大的提升，经济效益显著，推广应用前景广阔。

参考文献

[1]刘振亚.国家电网公司输变电工程通用设计，110（66）kV～750kV智能变电站部分[M].北京：中国电力出版社，2011.

[2]张志鹏，郭朝云，朱萍.特高压变电站过程层网络设计[J].电力勘测设计，2016，（2）.