智能變電站合并單元二次信號無線相位測試裝置的研制

王露鋼　姜來　張輝　畢立伍　王冬冬　鐘一鳴

摘? ?要：為了解決使用外電壓引基準信號進行各電壓等級分布的合并單元的二次信號相位測試難題，設計了新型的相位測試裝置。在500 kV變電站的現場應用、電流互感器二次電流2 mA條件下，該裝置能夠準確地對變比、極性和相位進行準確測量。在變壓器差動回路檢查時（即在六角圖測試時），由于變壓器短路阻抗較高，在保護裝置的顯示屏幕上無法準確讀取二次電流數據時，能夠使用該裝置完成對二次接線的核查。有效地避免了帶負荷校驗保護和計量回路極性錯誤，具有智能化、操作簡便化等特點，能夠同時滿足常規變電站、智能變電站的測試需求，為下一步智能變電站的研究奠定技術基礎。

關鍵詞：智能變電站;二次信號相位;測試裝置;基準信號;二次接線

文獻標識碼：TN98? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Development of Secondary Signal Wireless Phase Test

Device for Intelligent Substation Merging Unit

WANG Lu-gang ，JIANG Lai，ZHANG Hui，BI Li-wu，WANG Dong-dong，ZHONG Yi-ming

（Jilin Transmission and Transformation Engineering Co.，Ltd.，Changchun，Jilin 130000）

Abstract：In order to solve the secondary signal phase test problem of the merging unit of each voltage level distribution using the external voltage reference signal，a new phase test device is designed. The device can accurately measure the ratio，polarity and phase accurately in the field application of the 500 kV substation and the secondary current of the current transformer of 2 mA. The device accurately measures the ratio，polarity and phase accurately. When the transformer differential circuit is checked （that is，during the hexagonal test），because the transformer short-circuit impedance is high，when the secondary current data cannot be accurately read on the display screen of the protection device，the device can be used to complete the secondary wiring verification，which effectively avoids the load calibration protection and the polarity of the measurement loop. It is intelligent and easy to operate. It can meet the test requirements of conventional substation and intelligent substation at the same time，which lay the technical foundation for the next step of research on intelligent substation.

Key words：intelligent substation;secondary signal phase;test device;reference signal;secondary wiring

隨著智能數字變電站大量應用，二次設備的安裝地點及運行環境發生了巨大變化，不同電壓等級的母線、開關的互感器二次信號在合并單元處直接轉化為數字信號[1-3]，通過光纖網絡傳送到中心控制室。合并單元簡稱MU，是指對一次互感器傳輸過來的電氣量進行合并和同步處理，并將處理后的數字信號按照特定格式轉發給間隔層設備使用的裝置[4-5]。在新裝的繼電保護裝置帶電負荷校驗中，包括三相通流模擬帶電負荷試驗中，由于合并單元分布在不同位置，導致二次信號的電壓、電流之間相位測試極為不便，為了對測試點之間互感器的電壓（或電流）信號進行相位檢查，目前較為常見的方式為采用相位表進行測量，必須采用拖線的方式測量[6]。對于大型變電站拖線距離可達幾百米，且從一個測試點到另一個測試點可能繞過多重障礙，復雜的測試環境導致走線錯綜復雜，測量效率低，且長距離拖線容易產生安全隱患。

目前，對于遠距離測相的方案主要有采用GPS信號同步和采用專用同步脈沖線的方式[7]，硬件復雜，成本高，而且要求現場具有GPS信號[8];采用專用同步脈沖線要鋪設專用電纜，如何采用低成本、且可靠性高的通訊方式是要解決的關鍵技術問題。

GPS時間基準準確度高，無累計誤差，可適用于空曠的室外環境，但也存在局限性，其表現在：

（1）GPS無線信號的接受僅適用于室外空曠環境，室內接收必須引出GPS天線，幾米甚至十幾米的GPS天線同樣給測量帶來不便，且長距離GPS天線會導致信號強度的下降。

（2）空曠環境下，GPS無線接收模塊30 s可以接收到正確的時間脈沖信息，但無法接收到正確的時間信息[6-8]。無論全球市占率第一的SIRF還是注明的瑞士芯片廠商U-box在NMEA（美國國家海洋電子協會）協議發送中均考慮到潤秒（每12.5分鐘更新一次）問題，導致時間校準需要1至13分鐘甚至更長才能完成，占用了大量的測量時間，降低測量效率。

（3）GPS無線信號與433 MHz無線數傳信號同時使用時可能引起射頻信號干擾，導致信號強度低。普通的時間校準采用單片機的RTC加32.768K晶振實現，其頻率偏差很難突破1 ppm（百萬分之一），對于工頻信號，1 ppm的頻率偏差會導致36°/h的角度偏差，兩臺設備的極限偏差為72°/h，過高的測量誤差導致設備很難長時間使用，不能滿足變電站現場對相位測試的精度要求[9-12]。

基于上述技術不足，設計了出一種新型的二次信號無線相位測試裝置，下文將詳細介紹。

1? ?裝置設計的技術要求

對于無線相位測量裝置，要實現相位的精準測量，必須解決時間同步問題，現有時間同步方式可分為兩種，一種為選擇一方作為時間基準，另一方按照該基準校對，例如RTC時鐘校對;另一種為選擇第三方作為基準，所有測量裝置均按照該基準同步，例如GPS秒脈沖同步。RTC時鐘校對精度差，很難突破±1ppm的偏差（全溫度范圍內百萬分之一的偏差），長達1小時的測量中會造成3.6 ms的誤差（3 600 × 10-3 × 1 106 = 3.6），轉化為工頻相位偏差為64.8°。GPS時間精度高，無累計誤差，但GPS在現場使用中同樣存在各種問題，包括：

（1）僅能在室外使用或者室內連接短則幾米，長則幾十米的天線延長線至室外;

（2）GPS接收信號與無線測量中的無線數據傳輸信號可能產生射頻干擾;

（3）雖然GPS在30 s就能產生秒脈沖，但因閏秒接收到的正確時間可能會達到12.5 min甚至更長。

基于上述技術存在的缺陷，在設計時，需要按照《DL/T995-2006繼電保護和電網安全自動裝置檢驗規程》規定的要求進行[13-15]，該要求為：

（1）新建變電站一、二次設備安裝完畢后，帶負荷進行向量檢查是繼電保護技術工作中非常重要的項目，向量錯誤將導致正常運行狀態或故障狀態的繼電保護誤動或拒動，繼電保護正式投運前必須保證向量的正確性。

（2）對新安裝的或設備回路有較大變動的裝置，在投入運行前，必須用一次電流及工作電壓加以校驗和判定：

（a）對接入電流、電壓的相互相位、極性有嚴格要求的裝置（如帶方向的電流保護、距離保護等），其相別、相位關系以及所保護的方向是否正確。

（b）電流差動保護（母線、發電機、變壓器的差動保護、線路縱聯差動保護及橫差保護等）接到保護回路中的各組電流回路的相對極性關系及變比是否正確。

（c）利用相序濾過器構成的保護所接入的電流（電壓）的相序是否正確、濾過器的調整是否合適。

（d）每組電流互感器（包括備用繞組）的接線是否正確，回路聯接是否牢靠。

（3）用一次電流與工作電壓檢驗，需要完成如下項目：

（a）測量電壓、電流的幅值及相位關系。

（b）對使用電壓互感器三次電圧或零序電流互感器電流的裝置，應利用一次電流與工作電壓向裝置中相應元件通入模擬的故障量或改變被檢查元件的試驗接線方法，以判斷裝置接線的正確性。

（c）測量電流差動保護各組電流互感器的相位及差動回路中的差電流（或差電壓），以判明差動回路接線的正確性。所有差動保護（母線、變壓器、發電機的縱、橫差等）在投入運行前，除測定相回路和差回路外，還必須測量各中性線的不平衡電流、電壓，以保證裝置和二次回路接線的正確性。

（d）檢查相序濾過器不平衡輸出的數值，應滿足裝置的技術條件。

（e）所有保護用電流回路在投入運行前，除應在負荷電流滿足電流互感器精度和測量表計精度的條件下測定變比、極性以及電流和電壓回路相位關系正確外，還必須測量各中性線的不平衡電流（或電壓），以保證保護裝置和二次回路接線的正確性。

2? ?系統設計方案

基于上述討論，研制的測試裝置以成套裝置形式存在，標配一臺主機，可根據要求選定任一電壓或電流做為參考基準，配備三臺手持分機，對分布點的電壓（或電流）進行實測，將測試到的信號幅值及同參考基準的相位信息通過無線通訊方式發送到主機，主機屏幕最多可以同時顯示三組共9路電壓，三組共9路電流的幅值及相位，覆蓋了三圈變壓器差動保護六角圖形的繪制測試需求。使用時可將無線相位伏安表主機在主控室內任選一相做基準，三組工作人員攜帶分機可在變電站任意位置測量不同電壓等級的電壓幅值、相位信息及電流幅值、相位信息，并通過無線的方式將測量結果傳輸給主機，同時分機可實時呼叫主機回傳已測試存儲的信號相位關系。其中高精度無線相位伏安測試儀主要作用如下：

在使用成套裝置進行三相通流、加壓試驗時，即可檢查所施加的三相相序是否正確，調整電源輸出按照既定的現場測試方案進行通流、加壓?？蓾M足傳統變電站二次測試的便捷性，也滿足智能變電站二次模擬量（合并單元）分布測量的需求。通過無線相位伏安測試儀選定單相電壓做為參考基準，對所有測試點進行極性、變比、相位檢查。二次信號無線相位測試裝置結構組成如圖1所示。

在硬件配置方面，所選Cortex M4處理器具有單精度硬件浮點運算功能，主機分機內置高能可充電鋰電池，滿足測量及通訊功能對電源的要求，充滿一次可連續工作24小時以上，主機采用7寸工業級觸摸屏：操作簡便、分辨率高、寬視角亮度高、清晰;手持分機具有電壓通訊測量、電流通訊測量、單機測量、二次負荷測量、無線中繼、數據回傳等功能。主機材料為高強度塑鋼密封箱，絕緣、防潮、防塵、防摔性能好，分機采用手持式便攜性好，電流鉗采用高精度尖嘴型，滿足現場密集排線測量。

以變壓器SFSZ9-180000/220主變帶負荷差動保護二次電流大小和方向測試為例，由裝置測試完成全部測試，主機生成主變差動六角圖。其中變壓器額定容量：180 MVA/180 MVA /6 MVA;額定電壓：220±8*1.25/110±4*1.25/10 kV;接線組別：YN yn0 d11;變壓器帶負荷測試數據見下表所示。（以高壓側A相電壓UN為參考量，實測相角是電流滯后電壓的角度）。

基于上述硬件條件，開始仿真試驗，仿真系統采用的語言為VisualC#，采用的服務器操作系統為 WindowsServer2015，數據庫管理系統軟件為 SQLServer2015，Web 服務器軟件為IIS6.0，以UN為參考基準顯示出六角圖如圖5所示。在圖5中，其為主機以UN電壓（REF） 為相位檢查參考基準，方向默認12點，該相位圖表中H對應高壓側，M對應中壓側、L對應低壓側，黃、綠、紅色代表A、B、C三相。

在圖6中，其為主機改變相位參考基準后的六角圖，通過“基準”鍵可選擇IHA為參考基準，方向默認12點，直觀檢查差動接線。對于斷路器失靈保護、微機母差保護、故障錄波、監控系統電度計量、監控、安穩及備自投等都可參考上述方式進行保護二次回路的接線檢查。

上述測量僅針對工頻及變頻的整數頻率進行測量，以保證主分機的同頻同步，同時主分機同步采樣及無線傳輸需要更多的時間，導致通訊測量時幅值相位更新速率低，為3 s/次。根據上述存在的問題，為保證測量精度和測量準確度，需要卡入電流鉗或插入電壓測試線后等待幅值測量穩定再發送測量數據，同時，分機自動檢測幅值的穩定度，根據需要自動延遲數據的傳輸。

通過實驗，主機接線后可實現無人看守，全程通過分機發送指令即可實現主機操作;三臺分機可多人分工，前往不同測試地點，測試效率大大提高。

單機使用時，可同時將電壓與電流的相位幅值一次測試，或以電壓為參考基準，分別測試三組電流信號與參考電壓的相位信息，替代了傳統三相相位伏安表，使用該裝置完成了對二次接線的核查。

4? ?結? ?論

在設計過程中存在一些技術難點，具體表現為：

難點一：

無線相位伏安測試儀相位測量時間的同步，無線相位表必須有第三方參考基準才能實現相位的同步測量，常用的315 MHz、433 MHz及2.4 G無線信號的延時一般都是幾十毫秒至幾百毫秒不等，無法滿足相位的測量需求。GPS信號受環境的影響較大，無法滿足室內測量，高精度時間校準難以實現，保證半小時內累計誤差小于50 ns是無線相位測量的關鍵技術和難點之一。

難點二：

在小信號測量過程中，環境工頻背景和電子式電源的高頻輻射干擾對測量結果影響很大，如果不濾波會造成過零點采樣時電平的震蕩，而采用普通的濾波方式又很容易造成相位的偏差，因此采用數字濾波方式，需利用快速傅里葉變換實現相位及幅值在強干擾下的正確測量。

本技術方案適用于新（擴）建及智能變電站啟動投產帶負荷測試，驗證一次回路對應各組電壓、電流互感器變比及差動保護差流正確性核對，具有效率高，試驗結果直觀可靠、正確性高，設備操作簡便，易被認可及推廣，后期使用前景較好。

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