无线二次核相仪器的研制与测试

闫奕璇刘文德闫勃达

(1.国网河北省电力有限公司平山县供电分公司,河北 石家庄 050400;2.中国南方电网广东电网有限责任公司越秀供电局,广东 广州 510030;3.国网河北省电力有限公司,河北 石家庄 050021)

1 概述

在新设备只带电压未带负荷前,需要对新设备的二次电压进行核相,以确保其二次电压与系统二次电压一致[12]。现阶段的核相方法是将新设备的二次电压与选定的变电站内某运行设备的二次电压进行对比[34],以检验交流电压二次回路是否正确,有误则不允许新设备带负荷接入系统。二次核相是新设备投入运行前检验二次电压正确与否的最后一道防线。

常规变电站内某设备的二次电压往往由电压互感器本体二次侧经电缆接入继电保护室内的电压转接屏,智能变电站内某设备的二次电压则经电缆就地接入布置在设备区内的与该设备配套的智能组件柜内。因此,不论常规站和智能站,二次核相工作通常在2个区域开展,距离通常在300 m 以内。

现阶段核相工作思路是根据新设备和选定运行设备同名相和异名相之间的压差幅值来判断新设备电压回路是否存在错误。获取压差则需要克服工作地点距离远的困难,现阶段采用的方法是在两面电压转接屏或两面智能组件柜之间临时放置电缆,通过电缆建立起电路上的关联。

据统计,2017-2019年,河北省南部电网所辖2座1 000 k V 特高压变电站和22座500 k V 超高压变电站内核相工作记录共计52 次,涉及设备109台,其中线路95 条,主变压器11 台,母线3组,累计派出工作人员207人。据统计,不同类型设备核相需要的时间和人力见表1所示。

表1 核相工作所需的时间和人数

综上,传统核相方法存在两方面问题,一是缺乏采样相位差的仪器,只能通过采样压差幅值的方法来间接核相,增加了工作流程;二是临时放置几百米长的电缆耗费了大量的人力和时间。

以下研制的无线二次核相仪器包含2台设备,一台采集新设备电压,另一台采集运行设备电压。2台设备之间通过无线连接共享信息,同时在2台设备上可分别显示出电压相位差,经测试能够显著的节约人力和时间。

2 无线二次核相仪器

本仪器所要解决的问题是采样相位差来代替幅值差,利用无线传输来代替放置电缆。本节从基本性能、整体方案和硬件、数据同步的原理组成三方面来介绍。

2.1 基本性能

无线二次核相仪器由主表和副表两部分组成,主副表间采用无线通信的方式共享信息;变电站内复杂的电磁环境下,主副表无线通信有效传输距离不低于300 m;在主副表电源打开时进行握手对时,并在核相过程中保证同步采样;主副表的量程为0～500 V;两表均能以运行设备电压为基准0度显示新设备和运行设备的电压向量图;主副表可以显示同步状态及信号的强弱,信号的强弱由实时的通信丢包率来计算。

2.2 整体方案和硬件组成

无线二次核相仪器的主表和副表的硬件构成和功能完全一致,在核相过程中地位平等,无主次之分,仅在习惯上将主表用于采集运行设备的电压,副表用于采集新设备的电压。无线二次核相仪器采用模块化的设计思路,主要包括如图1所示的模块。各模块功能如下:

a.互感器模块起到隔离和变换电压的作用,提供符合模拟量采集模块量程以内的电压;

b.模拟量采集模块负责采集模拟量电压,再进行滤波和模数转换后给MCU 单片机模块处理;

c.同步调制模块负责将本机采样的数据和经无线传输到本机的对侧数据进行同步整合,并将整合后的数据发送给MCU 模块进行处理。该模块需要根据模数转换和无线传输等环节引发的额定延时参数进行运算来达到数据同步的目的;

d.无线传输模块负责进行数据的发送和接收,并将数据传输至MCU 模块进行处理;

e.MCU 单片机模块作为最核心的模块,负责接收本机采集的电压和经无线传输模块传输至本机的对侧电压。MCU 将两侧电压发送至同步调制模块进行处理,接收同步调制模块处理后的电压,并经运算后通过屏幕以向量的形式显示。

图1 整体方案和硬件组成

2.3 数据同步的原理

主副表间采样是否同步会直接影响相位的偏差,所以,核相仪器对数据延时和采样同步要求高。

数据的同步功能在同步调制模块中实现,主表和副表之间实现无线传输和数据对比的先决条件是两表相对时间为零、主副表采样频率相同且每一个采样点对应的采样时刻也相同,这样两表采样的数据才有对比的意义,主表和副表之间的相位同步与继电保护中的光纤差动保护的同步原理类似。

主表和副表通过无线传输数据,只要主副表间连接稳定,其传输延时Td就是固定的常数,对时同步就是准确求取Td并在主副表采样数据比较时进行补偿。图2是获取Td的方法,图3是校正采样时刻同步的方法。

图2 通道延时测定

图3 采样时刻的同步

图2中的黑点表示采样时刻,相邻两点的间隔可表征采样频率,纵向相邻的2个黑点间则表示主副表的采样时间差ΔTs。主副表采样频率虽一致,鉴于两表开机时间不定,不可能做到采样时刻的同步,采样时刻同步的意义就是将图3中的ΔTs调整为零。主表端为参考端,副表端为调整端。

在同步过程中先测定通道传输延时Td。副表以本装置的相对时钟为基准在tss时刻向主表发送一帧报文,主表按照本装置的相对时钟为基准记录到该报文的接收时刻tmr,随后在下一个采样时刻tms将时间差tms-tmr作为报文内容传输给副表。副表再记录收到主表报文的时刻tsr,副表可求得无线传输延时Td。测得Td后,副表端可以结合时刻tsr求得ΔTs。随后副表对采样时刻作多次小步幅的调整,经过一段时间调整直到采样时间差ΔTs至零,两端同步采样。

3 仪器的初步测试

无线二次核相仪器界面如图4所示,主表和副表相同,能够满足2.1中的性能要求。首先在实验室进行了测试,确保装置可以完成所有的测试功能。

图4 无线二次核相仪器的界面

利用武汉市豪迈电力自动化技术有限责任公司生产的继保之星继电保护测试仪进行测试,其特点是可以输出两路三相电压,且所有通道输出的幅值、相位和频率可完全独立调节。试验过程中,实际输出两路独立的工频三相交流电压,其中第1路电压模拟新设备的电压,第2路电压模拟运行设备的电压。两路电压可随意设定同名相或异名相间的相角差,只要最终主副表显示的相位差与设定值相同,就能验证无线二次核相仪器核相的正确性。

为了模拟变电站内新设备和运行设备核相地点的距离,试验测试仪输出的两路三相电压分别经两卷电缆轴拉至距离300 m 的2个地点,无线二次核相仪器的主表和副表分别在2个地点接入试验电压,实验人员在继电保护测试仪上进行传统核相过程中的的拆接线操作,其他试验人员在主副表侧分别读取和记录相位差。

以Yd/11接线形式的主变压器低压侧与运行设备的核相过程为例。第1路输出的电压用来模拟主变低压侧电压,第2路输出的电压为模拟选定设备的电压。在继电保护测试仪上设定的两路工频电压值如表2所示。

表2 继电保护测试仪上设定的电压

以U 相核对为例,采用常规核相的操作习惯,主表固定采集第2路的U 相电压,副表逐相采集第1路三相电压,记录同名相和异名相位差,V 和W 相的核对方法与U 相一致,结果如表3所示,测试结果与设定值相符,核相准确无误。

表3 相位差试验结果

4 变电站内测试

2019年11 月,在石北站500 k V 忻石Ⅲ线投运和卧牛城站220 k V 卧门Ⅰ线路投运工作中进行了仪器的实际测试。其中500 k V 忻石Ⅲ线与相邻运行线路进行核相,220 k V 卧门Ⅰ线与220 k V 母线进行核相。实验结果正确无误。

测试完毕后,用传统方法再次进行核相,将两者在耗费的人力和时间两方面进行对比,结果见表4所示。可以看出,采用无线二次核相仪器核相可以有效的缩减人员和时间。

表4 2种方法对比结果

5 结论

a.不论核相设备的类别,无线二次核相仪器的使用可在保证核相结果正确的基础上,将工作人员数量缩减至2人,工作时间缩减至10 min以内,较传统方法有很大优势,具有良好的经济效益和推广价值。

b.当无线信号穿越带屏蔽性能的继电保护室墙壁或钢架密集、电磁环境复杂的设备区时,会导致主表和副表的连接信号变弱。为保证核相工作顺利开展,有些场合需要将主表和副表分别处于2个继电保护室门口位置以摆脱屏蔽墙的影响,为此,需要在电压转接屏和继电保护室门口之间放置短电缆,工作量有所提升,下一步需要研制抗干扰性能更好,传输距离更远的核相仪器。