智能变电站合并单元现状及发展方向

吴爱军

摘要：在智能电网背景下，智能变电站大规模发展，基于合并单元在站内故障率居高不下的现状，简单介绍了合并单元的软件和硬件结构，探索了合并单元在智能变电站中的应用，从合并单元的生产能力、合并单元与间隔层的通信、变电站中的实际运行情况、合并单元的性能测试等方面，分析了智能变电站合并单元的发展现状，并从合并单元的精度、速度和系统功能发展、合并单元的通信功能发展、接口规范完善、时钟同步功能、合并单元性能检测等方面，最后对合并单元的发展进行了展望。

关键词：智能变电站 合并单元 发展方向 规模发展

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（a）-0085-03

2009年，我国提出建设坚强智能电网的发展战略，揭开了电网发展的新篇章。智能变电站是未来电网发展的主流趋势，合并单元和智能终端等智能变电站相关设备不断增多，据统计，2013年国家电网公司智能变电站共有继电保护和相关设备4681台，智能终端1404台，合并单元1515台。在智能变电站中，合并单元的故障率一直居高不下，研究智能变电站合并单元的现状和发展方向，对推动智能变电站技术发展具有重要意义。

1 合并单元及其在智能变电站中的应用

1.1 合并单元简介

合并单元（Merging Unit，简称MU）是伴随智能变电站的兴起而出现的新设备，根据智能变电站的系统构建，可以将其分为控制层、过程层、间隔层，其中，过程层负责传输模拟量、开关量、跳闸等信号，合并单元是智能变电站过程层的核心设备之一，用来实现对变电站电流和电压等模拟量的同步采集和合并处理，然后进行合并处理，并按照IEC61850标准，传送给间隔层的保护设备，进行保护逻辑判断。

（1）合并单元的硬件结构。

以DSP与FPGA技术相结合实现的合并单元为例，合并单元接收电子互感器传来的多路串行信号，FPGA通过编程对接收的多路串行数据进行处理，进行IEC60044-8、IEC1588、IEC61850-9-2报文的硬件解码，并转换为多路并行信号；该合并单元的CPU采用32 bit的DSP，是合并单元的硬件核心，主要负责A/D采样以及采样量的处理，DSP定时读取和处理数据，将处理后的数据输出为符合IEC61850的帧格式，最终经过数据输出模块上送给间隔层的各种二次设备。

（2）合并单元的软件结构。

合并单元的软件结构主要包括装置同步、采样同步、输出、电压并列切换等模块，装置同步和采样同步主要实现合并单元最重要的时钟同步功能，确保合并单元采集和发送的报文在装置间是同步进行的。输出模块主要负责按照IEC61850规约输出采样信息，电压并列模块实现装置的电压切换，其它还包括一些采样存储、缓存、时間处理、后台调试等辅助功能。

1.2 合并单元在智能变电站中的作用

（1）与电子式互感器的接口功能。

合并单元可以同时接入常规互感器和电子互感器，包括GIS电子式互感器、光供电电子式互感器、传统互感器等。合并单元通过自身的转换器数据通道来完成对数据采集的转换，一台合并单元有12个转换器数据通道，每个通道能够连接一组数据流，例如一台110 kV电子式互感器的数据合并单元，一般合并发送1条线路间隔单元的三相电流和电压，并可以灵活扩展给多个保护和测控装置。

（2）与保护测控设备的接口功能。

在智能变电站中，保护设备的采样值传输、开关状态量获取、跳闸指令下达等都通过以太网数据帧形式，并以交换机及光纤为介质，由过程层网络执行通信。

当合并单元经过主时钟时间同步和对互感器的采样，将采样数据与目的地址、源地址打包后，组合成SV报文并上送订阅了该SV报文的保护测控设备。保护测控设备收到该SV报文后，进行内部逻辑判断，满足条件后保护动作并发GOOSE跳闸报文，订阅该GOOSE报文的智能开关收到命令后，将动作于一次开关的跳闸出口。

（3）模拟量高精度采样同步功能

高精度采样同步对电力系统保护具有非常重要的意义，采集到的三相电压和电流需要同步，实现三相平衡；统一间隔内的模拟量之间也需要同步，以计算功率和阻抗；不同间隔之间的电流也需要同步，以实现差动保护的功能。

合并单元的同步功能包括对接入合并单元的不同电子式互感器之间的同步以及合并单元之间的同步。其中，合并单元之间的同步有GPS同步时钟源法、网络时间协议（NTP）法、基于以太网通讯的IEEE 1588协议法等。

2 智能变电站合并单元的发展现状

2.1 合并单元的生产能力

合并单元最初是属于电子式互感器的一部分，后来随着合并单元的重要性不断增强而分离成属于过程层的单独设备。目前，国内外主流厂家包括ABB、AREVA、SIEMENS、南瑞、许继、南自等，均推出了基于IEC61850-9-1和IEC61850-9-2的合并单元，南瑞和许继等厂家都可以提供数字化变电站的整体解决方案。

2007年，国网南瑞科技股份有限公司生产出样机，最大网络延迟时间为 0.6 ms，平均延迟时间为 0.5 ms，可以满足二次保护控制单元对采样数据传输延迟时间的技术要求。南自新宁公司研制的与OET700系列电子式互感器配合使用的合并单元除了可接收并处理来自多个电子式互感器的数字信号外，还可以同时接收并处理传统电磁式互感器提供的模拟信号。南京南瑞继保电气有限责任公司生产出 的PCS-221 系列合并单元，与电子式互感器配合使用，具备数据采集发送单元，并支持计算及录波等功能。

基于我国智能变电站的发展需求，要求合并单元能够输出满足IEC61850-9协议、IEC60044-7/8的FT3协议的接口，并满足电网继电保护、测控、录波和计量需要。如果接入系统采用采样值组网传输的方式，则合并单元应该能够提供对应的以太网口；如果接入系统采用点对点传输的方式，则合并单元应该提供足够的输出接口模块。

2.2 合并单元与间隔层的通信

目前，合并单元与间隔层通讯的最大问题就是同步问题。由于合并单元是分布式采集各个间隔的电流，分布式采集的最大问题就是有延时，合并单元的延时与硬件和软件都有关系。

在接入传统电子互感器时，是经过电缆直接接入的，采样值的延时是固定的，而且相对较小，可以忽略不计，而经过光缆接入电子互感器时，模拟量经过合并单元转换后，在采样信号调制、A/D信号采用、MU的数据接收、数据处理、数据发送等方面都存在延时，不同厂家的合并单元产生的延时也不尽相同，尤其是电压量，因为经过了PT合并单元和线路合并单元的两级延时，所以更加難以确定。

此外，合并单元经过交换机时，还存在交换机的打包延时，报文传输延时、排队延时、解包延时等。这些延时结合起来，可能会对传递结果带来一定的影响。以采样率为一个周波20 ms采集80点为例，当合并单元同步的电流和电压有1 us的延时时，就会导致电角度0.018°的误差，给保护动作带来影响，例如影响距离保护的动作边界、母差保护因两侧电流不同步而误动或拒动。

2.3 变电站的实际运行情况

根据《2013年继电保护及自动化设备行业市场分析与发展》的研究报告，2013年，智能变电站保护装置和相关设备共发生了310次缺陷，按照系统电压分布情况统计如表1：

根据表1可见，与常规变电站相比，智能变电站的保护装置和相关设备缺陷率相对较高，尤其以合并单元为最多。2013年合并单元的缺陷占到了总缺陷数的54.19%，在合并单元的缺陷中，一般缺陷占45.83%，严重缺陷占48.81%，危急缺陷占5.36%。合并单元缺陷率在智能变电站中所占的比例已经过半，针对其缺陷频发的原因，进行合并单元的性能测试，完善合并单元的质量检验方法，积极寻求合并单元缺陷的改进措施，已经成为智能变电站在发展过程中亟待解决的问题。

3 智能变电站合并单元的发展方向

3.1 合并单元的精度、速度和系统功能不断发展

随着计算机信息技术的发展，FPGA、DSP芯片等构成合并单元的集成电力电子器件的数据处理能力不断提升，目前，FPGA的主频已经可以达到百MHz或GHz以上，合并单元数据采样和处理模块的速度得到巨大提升。与此同时，合并单元的系统结构也日渐复杂化，可能发展为嵌入式计算机系统，并进行功能拓展，能够通过可视化的图形界面来实时监测互感器的量值输出和合并单元的工作状态。

此外，目前合并单元在工程实践应用中面对的一系列问题，如过程层网络的组网和冗余配置、合并单元与间隔层设备之间的网络延时、采样报文帧格式中时间标签的获得等，都将随着现有技术的成熟和完善，而逐步得到解决。

3.2 合并单元的通信功能将成为技术发展重点

由于合并单元需要和电子式互感器和间隔层IED同时通信，一台合并单元需要同时接收很多路各自独立的数据，因此，对合并单元任务处理的并发功能要求较高，不允许数据在传输中发生畸变，导致产生错误数据。此外，由于合并单元接收到的模拟量信息是继电保护动作判据，因此，合并单元的接口通信处理速度直接影响到保护的动作时间。以目前国家标准对线路保护的动作时间要求为例，要求主保护的动作时间不超过30 ms，对于数字化保护，考虑到合并单元的数据处理延时，可以适当放宽7 ms，如果合并单元的数据传输速度大于7 ms，将势必给保护动作逻辑处理带来压力。在一个中等规模的智能变电站中，合并单元需要处理的接口信息流量较大，且信息多为周期性，有些接口的通信环境相对恶劣，都给合并单元的性能带来一定影响。因此，合并单元的通信功能将成为技术发展重点。

3.3 合并单元与外部设备的接口规范将日趋完善

近几年，国内外相关制造企业都将电子式互感器的数字接口作为主要的研究方向。目前，合并单元和电子互感器的信息交互尚无明确的规范和标准，这给二者之间的互联增加了一定的工作量。现行使用较多的是由国际电工委员会制定的电子互感器IEC60044-8串行数据接口标准，由于处理任务多，对实时性要求高，且通讯量大，合并单元和电子互感器之间的接口一般采用光纤通道，由特定编码组成高速信息帧。

在合并单元与保护测控设备的接口通信方面，既可以采用点对点通信，也可以使用交换机组网。目前，使用IEC61850-9-2方式已经成为主流趋势，虽然IEC 61850-9-2协议也支持点对点通信，但针对9-2模式下网络通信对GPS信号和交换机的依赖，今后国内很有可能明确要求在智能变电站中采用点对点的直采直跳方式。随着智能变电站技术的进一步发展，网络共享将是合并单元与保护测控装置通信的最终目标，根据IEC TC57-WG10制定的标准，过程层总线的相关标准，包括IEC61850-8-1和IEC61850-9已经被修改，IEC61850-9-1将不再使用，合并单元与外部设备接口规范的日趋完善，将带来智能变电站内部过程层设备模型映射方式的改变，并直接影响网络数据共享组网的方式。

3.4 合并单元同步方式将不断发展

目前，合并单元同步依然以变电站主时钟为主，采用全球定位系统（GPS）作为同步时钟源，使用GPS发送的秒脉冲作为时钟基准源的优点在于其误差较小，可以控制在1 us以内，同步较为准确。但是，使用外部GPS时，需要在智能变电站内增加一个光纤或光缆，全站铺设独立的秒脉冲光纤网，增加了硬件的复杂性，同时，一旦失去了外部GPS的秒脉冲信号，合并单元将面临随时失去同步的危险。

IEEE 1588发布于2002年，是用于自动化系统的高精度网络时钟同步协议，可以复用过程层网络，达到亚微秒级别的同步精度，适用于本地化、网络化的系统，尤其适合通过以太网实现，系统中的时钟可以工作在主时钟、从时钟、无源时钟三个状态。基于本地化和高精度的优点，IEEE 1588网络同步将是技术发展的主流趋势，具有良好的发展前景，但是，在IEEE 1588的硬件设计中，要求包括传感器、合并单元、保护测控单元等智能设备都支持这个协议，这些设备对它的支撑程度还需要通过实际工程的进一步验证。

3.5 合并单元性能检测将更加严格

合并单元的故障频发，也引起了电网公司的高度重视，2012年4月到2013年1月，国家电网公司就合并单元性能测试，组织了3次专门的入网测试，测试结果将作为国家电网公司招投标的依据。根据国家电网公司发布通过测试的企业公告，共9个合并单元厂家的38台产品参与测试，最后有6个厂家的24台产品通过了测试，通过率仅为63.2%。

目前，在合并单元的入网测试中，软件问题和电磁兼容是缺陷率最高的两项，硬件问题的缺陷率也相对较高。软件问题主要包括配置与规范不符、模拟量测试误差不合格、通信容错性测试不合格、网络流量测试不合格等；电磁兼容是合并单元硬件设计中的难点，集中体现了厂家的水平，电磁兼容的问题主要集中于电快速瞬变脉冲群、浪涌试验、高频干扰试验这三项，这与厂家电子元器件的抗干扰性能和多层印制板水平有极大关系；合并单元的硬件性能问题主要体现在合并單元对谐波、频率的测试误差较大，暂态特性试验中衰减时间常数测试不通过等。

4 结语

智能电网的发展呼唤电网技术的提升和相关设备的完善，作为智能化变电站的重要组成部分，合并单元的技术发展对电网安全稳定运行有着重要作用。针对目前合并单元在我国的发展现状分析可见，合并单元出厂前的厂内测试仅能暴露并修正一部分合并单元的常规问题，大量合并单元性能问题还需要通过大规模的入网测试，通过专业的性能测试工具进行。合并单元现场运行的高缺陷率，与此前相关的测试规范不明确以及性能测试和监管措施的缺失是有关系的。可以预见的是，为了电网的安全可靠运行，今后对合并单元的性能检测将更加严格。随着相关标准规范的不断完善、入网测试的不断严格，合并单元在速度、精度、通信、同步、接口方式等方面技术也将不断进步，为智能电网发展起到更好的支撑作用。

参考文献

[1] 殷志良，李敏，袁成，等.数字化变电站合并单元的应用和测试[J].供用电，2011，28（5）：37-39.

[2] 蔡泽祥，王海柱.智能变电站技术及其对继电保护的影响[J].机电工程技术，2012（5）：1-4.

[3] 王宾，董新洲，许飞，等.智能配电变电站集成保护控制信息共享分析[J].中国电机工程学报，2011（31）：1-6.

[4] 康健，夏玉林.数字化变电站中合并单元的研究现状[J].唐山学院学报，2010（11）：38-40.

[5] 胡国，唐成虹，徐子安，等.数字化变电站新型合并单元的研制[J].电力系统自动化，2010（12）：51-54.