随着智能电网的发展,电子式互感器的应用逐渐增多。但由于目前电子式互感器技术尚不成熟,在运行中其故障率远高于传统互感器,因此国内传统变电站的数字化改造及部分新建智能变电站仍主要采用电磁式互感器和模拟量输入合并单元相结合的方式。模拟量输入合并单元在一定程度上实现了过程层数据的数字化和共享,它作为智能变电站间隔层和站控层设备的数据来源,作用十分重要。模拟量输入合并单元的性能指标在相关的电力行业标准^{[1, 2, 3]}中已有明确规定,目前在工程现场主要采用插值法和同步法对这些性能指标进行测试。本文采用上述2种方法分别进行现场测试,并将测试结果与相关标准进行对比,验证2种测试方法的一致性与正确性,为智能变电站的现场调试与验收提供理论依据。 1 模拟量输入合并单元性能指标

合并单元(Merging Unit)的概念最早在IEC 60044-7/8标准中提出,IEC 61850-9深化了合并单元的概念,将合并单元作为1个逻辑设备融入IEC 61850整个体系中^[4]。

智能变电站在传统电流互感器、电压互感器与二次设备之间引入合并单元,其主要功能是:依据IEC 61850-9-2标准对传统互感器的模拟量进行采集,并以数字量形式为保护测控设备提供时间一致的电流和电压数据,从而实现全站信息传输的数字化。合并单元系统结构示意图如图 1所示。

图1(Figure 1)

图 1 合并单元系统结构示意图

《Q/GDW 426-2010智能变电站合并单元技术规范》《DL/T 281-2012合并单元测试规范》^{[1, 2]}和《Q/GDW 441-2010智能变电站继电保护技术规范》^[3]对模拟量输入合并单元的性能指标作出了明确的规定和要求,在合并单元的型式试验时,已对其工作环境、绝缘性能、工作电源等内容做了专项测试,不需要在工程现场再重复测试,但合并单元的通道延时、帧间隔离散性、同步性能和精度性能等指标仍需要在现场进行测试,其中同步性能和精度性能尤为重要^{[2, 5, 6]}。

模拟量输入合并单元的采样值精度主要体现在输入量与输出量之间的比值差与相位差,合并单元(多路输入)的采样值同步性能则主要体现在同一间隔及不同间隔(合并单元之间)内电流/电压之间的相位差。 2 同步法与插值法测试比较分析

本文以辽宁省大连市某220 kV智能变电站为例,该220 kV智能变电站新建220 kV线路4回,2台180MVA主变压器,220 kV母线采用双母线接线方式,1个母联间隔。选取该站某条220kV线路合并单元作为测试对象,具体测试分析如下。 2.1 插值法 2.1.1 测试原理

采用插值法测试时,测试装置和被测合并单元均不需依赖外部对时信号。测试装置通过内部软件设定幅值与相位,当内部出现秒脉冲时,测试装置各电压、电流通道的输出幅值、相位被强制为软件设置的数字量;再根据测试装置测出的时间延时(从测试装置软件数字量设置至实际输出量之间对应模拟信号的延时)以及软件设置的幅值与相位,计算出秒脉冲出现时刻该测试装置实际输出基波正弦信号的瞬时幅值、相位^[7]。

以相位差为例,直采模式下合并单元发送的数字报文含有数据处理延时T_d,测试装置在秒脉冲时刻记录时标t_ST,收到每帧报文的报头时记录接收时标t_M。取测试装置秒脉冲时刻(t_ST)后接收的某帧报文(其接收时标为t_M),以该帧报文的采样数据为起点向后连续取一次傅里叶计算时间窗内的N个采样点的数据,通过傅里叶计算获取时标t_M合并单元输出端基波信号的相位,该相位即为合并单元输入端信号的相位。具体计算公式^[8]如下:

t_ST-测试装置在秒脉冲时刻记录的时标;

T_d-合并单元数据输入至数据输出的延时,ms;

φ-t_ST时刻合并单元输入端信号的相位,(°);

φ_FFT-t_M时刻合并单元输出端基波信号的相位,(°)。

测试装置秒脉冲时刻合并单元的输入端正弦信号瞬时相位减去同一时刻测试装置实际输出(即合并单元实际输入)正弦信号的瞬时相位,即为合并单元某一电压或电流通道数据转换的相位差。 2.1.2 测试步骤

(1) 按照插值法合并单元测试接线原理进行试验接线;

(2) 将配置好的SCD文件(智能变电站系统配置描述文件)导入到合并单元及测试设备;

(3) 对测试设备的变比、固有时间延时等参数进行配置;

(4) 每个测试周期(1个周波,20ms)内连续采样120点;

(5) 点击"启动校验"按钮,开始测试;

(6) 生成测试报告。 2.1.3 测试结果

测试结果如表 1、图 2所示。

表1 某220 kV线路合并单元精度、延时测试统计结果

表 1 某220 kV线路合并单元精度、延时测试统计结果

表 1 某220 kV线路合并单元精度、延时测试统计结果

图2(Figure 2)

图 2 合并单元采样值离散性测试结果

根据《DL/T 282-2012合并单元技术条件》要求,合并单元精度应满足比值差小于±0.2%,相位差小于10′,级联的合并单元延时要小于2000 μs,且与厂家设定值误差小于10 μs,采样值发送间隔离散值应不大于10 μs,结合表 1和图 2数据可知,合并单元各项指标均满足规程要求^{[9, 10]}。 2.2 同步法 2.2.1 测试原理

基于同步法测试的合并单元测试装置内部集成模拟信号源,同时向待测合并单元输出同步信号。在同步方式下,合并单元根据采样率(例如4000 Hz)等间隔进行采样,并将每个采样点标识上帧序号,同时在每秒的同步开始时帧序号翻转为0。即每秒开始时,合并单元按间隔(1/4000 s)进行采样并发送采样值。合并单元测试装置在每秒开始对模拟量进行采样,同时接收合并单元发送的采样值,按帧序号进行还原。即从序号0开始每80点为1个周波。合并单元测试装置通过比较模拟量采样值与数字量采样值计算出比值差与相位差。测试原理如图 3所示。

图3(Figure 3)

图 3 同步法合并单元测试原理

(1) 按照同步法合并单元测试接线原理进行试验接线;

(2) 将配置好的SCD文件导入待测合并单元;

(3) 对测试设备的变比进行配置;

(4) 点击"启动测试"按钮,开始测试;

(5) 生成测试报告。 2.2.3 测试结果

测试结果如图 4、图 5所示。

图4(Figure 4)

图 4 同步法合并单元精度测试结果

图5(Figure 5)

图 5 同步法合并单元对时测试结果

由图 4可知,被测合并单元的比值差小于±0.2%,相位差小于10′,精度测试结果满足DL/T 282-2012的要求。

在合并单元测试装置与合并单元同步状态下,可完成合并单元的对时误差测量。合并单元测试装置内部同步时钟为合并单元授时,待合并单元对时稳定后,合并单元测试装置以1次/s的频率测量合并单元与同步时钟各自输出的秒脉冲信号有效沿之间时间差的绝对值Δt₁,连续测量1 min,测得的Δt₁的最大值即为最终测试结果。由图 5可知,被测合并单元的对时误差最大为0.2 μs,小于规程DL/T 282-2012要求的1 μs。 2.3 2种测试方法比较

经现场测试比较,插值法与同步法试验结果一致且正确。具体优、缺点如下。

(1)插值法不依赖测试装置时钟,严格要求其等间隔脉冲采样以及精确的传变延时,测试装置根据传变延时和插值计算在同一时刻进行重采样,目前该种测试方法比较成熟,其误差主要来自算法的影响,但该测试方法合并单元与测试装置均需导入SCD文件,易受现场条件的限制^[11]。

(2)同步法放弃对采样处理环节延时精确性的限制,采用统一时钟协调合并单元与测试装置的采样脉冲,在同一时刻对数据进行标定,带同一标号的数据即为同一时刻的电流、电压,该方法受测试装置时钟的可靠性限制,易受外部干扰和衰耗的影响。 3 结语

通过对模拟量输入合并单元性能指标及现场测试进行分析,验证了插值法与同步法2种模拟量输入合并单元的现场测试方法的一致性和准确性。2种测试方法均可为智能变电站的现场调试与验收提供理论依据与测试依据。