2019, Vol. 37 
继电保护装置是保护电网安全稳定运行的重要设备，需要判断被保护元件是否处于正常工作状态，这就要求保护装置采集的电气量信息能够准确反映一次系统的实时状态[1]。
常规变电站中，保护装置采集的电压、电流是经一次互感器变换得到的，装置背板的交流插件已对采集回路内部互感器极性端做出标注，因此只需要检查一次电压、电流互感器的极性是否满足保护要求即可。智能变电站中，由合并单元采集电压、电流模拟量信号，再发布采样报文至保护装置[2-3]，发布的报文包含了模拟量的全部信息，且极性可通过生产厂家配置工具进行修改。如果发布的报文极性配置错误，保护装置采集的信息则会错误反映一次回路状态，容易引起保护装置误动或拒动。因此，为了保证保护装置动作正确性，需要对合并单元发送报文的极性配置进行校验。
本文介绍的采样报文极性校验方法借鉴了传统互感器极性校验采用的直流法，在合并单元交流插件的极性端直接施加1个直流电压激励，借助报文分析工具抓取并解析其发送的采样值报文，通过分析得到的采样值波形特征来确定其极性配置是否满足要求。
1 常规互感器极性分析 1.1 一次系统互感器极性图 1为电流互感器原理接线图[4]，如果在P1、P2施加正向直流源激励，在激励源施加的时刻，P1端流入的IP在铁心中感应产生Φ，由于铁心中磁通变化，副边绕组感应电流Is由S1端流出；当铁心中磁通稳定后，副边绕组不再产生感应电流；撤去激励源时，磁通再次发生变化，副边绕组的感应电流将由S1端流入，该极性测试方法称作直流法。在工程调试现场，可利用直流法定性判断互感器极性是否满足保护要求。
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图中：P1、P2—互感器原边抽头；S1、S2—互感器副边抽头；Zld—互感器二次回路阻抗；IP、Is—互感器原、副边电流；W1、W2—互感器原、副边绕组匝数；Φ—互感器铁心磁通 图 1 电流互感器原理接线图 |
电压互感器的一次绕组并联接于一次系统中，与电流互感器的原理相似（见图 2），也是利用电磁感应原理，将一次系统的高电压转换成二次系统的低电压。在现场同样可利用直流法对电压互感器极性进行定性判断。
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图中：U1、U2—电压互感器一、二次绕组电压；I10—流入一次绕组电流；W1、W2—原、副边绕组匝数；Φ—铁心磁通；e1、e2—铁心磁通在一、二次绕组产生的感应电动势 图 2 电压互感器原理接线图 |
二次回路中的电压、电流额定值一般为100 V/ 5 A或100 V/1 A，已经超出了保护装置采样回路中A/D芯片的量程范围。因此采样回路中设计了互感器模块，用以将二次回路中的高值模拟量转换为A/ D芯片量程范围内的低值模拟量，同时也可有效隔离二次回路和采样回路[5]。
图 3为保护装置采样回路结构示意图[6]，由于输入装置的电压、电流经过了一次装置内部互感器的变换，因此互感器极性也同样需要校验。一次互感器的极性可通过直流法定性判断，装置内部互感器的接线和极性已在设备出厂时设置好，无法更改。为了方便现场安装调试，图 3标出模拟量输入的二次回路对应装置交流插件的端子位置。在工程现场，保证一次互感器极性配置满足保护要求，并且二次回路接线正确，即可保证保护装置的采样能够准确反映一次系统状态。
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图 3 保护装置采样回路结构示意图 |
图 1电流互感器原理接线图合并单元主要功能是同步采集多路电压、电流信号，并可采用IEC 60044-8、IEC 61850-9-1或IEC 61850-9-2标准输出采样值报文，通过光纤与保护、测控装置传输数据信息[7-8]。采用IEC60044-8标准的合并单元用FT3格式编码，通信方式落后，通信速率低；采用IEC 61850-9-1标准的合并单元通信速率高，但跨间隔通信效率低；采用IEC 61850-9-2标准的合并单元，通信灵活可靠，是目前智能变电站主要采用的通信方式[9-10]，本文主要针对采用该标准的采样值报文进行分析。
合并单元的采样值报文集合了本间隔的电压、电流等模拟量信息，收发机制属于订制发送机制，即发送方将发送数据集的数据全部发送，而接收方根据需求订制接收内容，且接收可配置[11-12]。采样值报文、采样值序列按间隔配置，通道的结构示意如表 1所示[13-15]。可以看出，采样值序列的每1路数据共占有8个字节，前4个字节表示对应的采样值，后4个字节表示其品质位。通道的采样值为折算后的一次系统瞬时值，其中，保护电流和测量电流采样精度（最小单位）为1 mA，测量电压采样精度（最小单位）为10 mV。通过报文分析工具可提取每1帧报文传输的模拟量瞬时值，将一定时间内的采样值报文进行解析，就可以得到该段时间各个通道模拟量的连续波形图。
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表 1 采样值具体格式 |
合并单元交流采集回路设置了与图 3类似的电压互感器和电流互感器，可将二次侧电压、电流转换成系统可以处理的小信号。为了保证采集回路互感器极性选择正确，在合并单元的设计图册中明确标出了二次回路对应装置交流插件的端子位置。按设计图册正确接线，就可以保证装置内部互感器极性选择正确。
在工程应用中发现，某厂家生产的合并单元可对发布的采样值报文进行如下配置：
[Mu_SEND_IEC61850_0]
CommID=0//以太通信口需要，0-点对点网口
Protocol_type=0x92//0x92=(9-2)
Type_92=0//报文类型0-IEC61850-9-2LE
Mac_out_Dest=0x01 0x0c 0xcd 0x04 0x00 0x3f//目的地址
Mac_out_Src=0x02 0x0c 0xcd 0x04 0x00 0x03//源地址
Vlan_ID=0x00//虚拟局域网标识
APPID=0x403f//设备号
SVID=MS66Isf01MUnn01//设备名称
CNT_ADJ=0//默认0
SEND_DELAY=1250//发送固有延时
ROAD_NUMBER =24//输出模拟量通道数
Out_Polar=0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0//输出极性：0-正极性，1-反极性
……
通过修改Out_Polar参数，即可对采样值报文中任一通道的极性进行配置。这样即便装置交流采集回路的互感器极性接线正确，合并单元仍可对采样值报文中任意通道的模拟量进行负极性处理并发布。因此，在合并单元投入运行前，除了保证模拟量采集回路接线正确外，还需要对合并单元发布的采样值报文进行极性配置校验。
3 采样报文极性配置校验 3.1 极性校验特征量互感器主要靠电磁感应原理，将一次侧电气量信息传递至二次侧。以图 2所示电压互感器为例，互感器原边电流I10产生交变磁通Φ，Φ存在于铁心磁路内同时与一、二次绕组交链[16]。根据电磁感应定律，磁通Φ分别在一、二次绕组内感应电动势e1和e2。
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可以看出，互感器二次侧感应电动势的大小与绕组匝数和磁通变化率成正比，工程上常用的直流法检测互感器极性也基于该原理。当互感器一次侧极性端施加1个参考方向为正的直流激励时，铁心磁通增加，变化的磁通在二次侧感应出电动势，电动势正方向与磁通正方向满足右手螺旋定则，即二次侧感应出的电动势在极性端为正；当铁心中磁通稳定后，二次侧不再产生感应电动势。当撤去一次侧直流激励时，铁心磁通减小，二次侧极性端将感应出负极性的电动势。因此，在对互感器极性进行校验时，只需要在二次侧串接指针表，施加和撤去直流激励源时观察指针的摆向，就可定性分析互感器的极性。
图 4为参考了互感器极性测试的直流法，在Matlab中搭建的仿真模型，其中：断路器1设置在0.3 s时闭合，此时直流电源电压施加在ab两端；断路器2设置在0.7 s时闭合，闭合时ab两端被短路，模拟直流激励被撤去；测点1、2分别选取电流互感器的一、二次电流，并接入示波器。经仿真后，得到电流互感器一、二次侧电流波形如图 5所示。
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图 4 极性测试仿真模型 |
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图 5 电流互感器电流波形 |
可以看到，当直流电压施加在电流互感器一次侧时，二次侧会产生1突变电流，方向与一次侧参考方向相同；随着一次侧电流逐渐趋稳，其产生的磁通变化率变小，相应的二次侧感应的电流也在衰减；当一次侧电流稳定时，二次侧电流为零；当一次侧施加的直流电压撤去时，二次侧电流同样存在先增大后衰减的现象，而且电流方向与一次侧参考方向相反。
合并单元发布的采样值报文是数字量，无法直接用指针表进行观测，但是可借助报文分析工具解析一定时间内的报文观察模拟量波形特征，进而判定合并单元发布的采样值报文的极性配置是否满足要求。在对合并单元发布的采样值报文进行极性配置校验时，就可参考传统的直流法，即将直流电压接在合并单元电流采集端子的两端，并且保证流入合并单元的电流方向与其背板标注的正方向一致，然后抓取合并单元发布的采样值报文并解析，如果解析的电流波形先后出现一正一反2次突变，则说明此时合并单元发至保护装置的采样值报文为正极性，反之则为反极性。
电压互感器工作原理与电流互感器基本一样，因此也可借鉴该方法校验极性配置是否正确。
3.2 现场测试二次回路的电压、电流额定值通常比较小，选用3 V的直流电压作为直流激励即可清晰地观察到波形特征。图 6、图 7为选用干电池分别对合并单元的电流采集回路和电压采集回路进行测试后解析得到的采样值波形图。
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图 6 电流采集回路极性测试波形 |
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图 7 电压采集回路极性测试波形 |
可以看出，选用3 V干电池进行极性测试，得到的波形特征清晰、准确，能够直观地判断极性配置是否正确，完全满足现场测试要求。
4 结论（1） 当互感器一次侧有直流电压突变时，其二次侧会感应出1个瞬时电动势，电动势的参考方向与电压突变量以及互感器的极性有关。
（2） 在确定合并单元内部互感器极性时，用3 V干电池作为直流电压激励源，能够清晰观测到互感器二次侧的电流突变波形，现场试验完全满足测试要求。
（3） 通过报文分析工具对采样值报文进行解析，能够准确校验合并单元发送报文的极性配置。
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