一种智能变电站小电流接地选线系统实现

栾国军，王　涛，张　涛，王敬海，李兆峰

（1.国网山东省电力公司潍坊供电公司，山东　潍坊　261000；2.济南置真电气有限公司，济南　250013；3.华电淄博热电有限公司，山东　淄博　255000）

一种智能变电站小电流接地选线系统实现

栾国军1，王涛2，张涛1，王敬海1，李兆峰3

（1.国网山东省电力公司潍坊供电公司，山东潍坊261000；2.济南置真电气有限公司，济南250013；3.华电淄博热电有限公司，山东淄博255000）

配电网实现智能变电站化是未来的发展趋势，也是统一坚强智能电网的重要内容。实现配电网小电流接地选线的智能化接入，是实现智能配电网智能自愈控制的重要组成部分。介绍一种基于IEC-61850-2标准的智能变电站小电流接地故障监测系统，分析系统构成、工作原理及现场应用情况。系统结构合理，适用于110 kV及以下智能变电站，检测方法不受消弧线圈、不稳定电弧影响。

智能变电站；小电流接地；IEC-61850-2；暂态选线

0　引言

传统的变电站自动化技术已经逐渐被取代，基于IEC-61850标准的智能变电站技术正在快速发展，已经从500 kV、220 kV逐渐向110 kV、35 kV推进。对于发生概率最高的单相接地故障，及时准确地选出故障线路对提高供电可靠性具有重要意义。因此，如何快速选出故障线路并提出相应解决方案是变电站自动化系统中重要部分［1］。

在智能变电站中，小电流接地故障选线依然属于间隔层的一个组成部分，但是它的信息不是来源于单个间隔单元，而是一组间隔单元。基于不同的设计原理，在过程层和间隔层之间，尤其是110 kV及以下智能变电站中，存在几种不同的架构，这导致智能变电站的小电流接地选线的系统架构存在不同的技术方案［2］。

介绍一种基于IEC-61850-2标准的智能变电站小电流接地选线系统组成、关键技术及应用。对于小电流接地选线装置来说，选线装置只需要具备以太网口就可以获得数据。其数据接口模块的结构大大简化，极大地降低了选线装置的成本。

1　系统构成

1.1总体结构

基于IEC-61850-2标准的智能变电站选线系统结构的特点是各个间隔的合并单元得到电子式互感器采集到的电压和电流信号，转换成数字信号后通过光纤传送到交换机上，二次设备都通过交换机获取数据并进行处理［3］。系统结构如图1所示。

IEC61850把变电站分成三层，即变电站层、间隔层和过程层，其中变电站层包括监控设备、事件日志，告警设备等；间隔层包括继电保护设备、测控设备、向量测量设备等；过程层包括智能开关和数字互感器。各层之间通过网络相互联系。小电流接地选线装置分布在间隔层，通过过程层网获取合并单元采集的电子式互感器的电压电流信号。当发生小电流接地故障时，分布在间隔层的小电流接地选线装置启动，并根据获取的数据信息进行故障线路选择。并通过过程层网将选线结果上报给综自主站。

图1　基于IEC-61850-2标准的选线系统

1.2选线装置

由于所有电气量采集工作都已经由合并单元完成。所以包括选线装置在内的所有二次设备都可以通过过程层直接获取电气量的采样信息［4］。

从结构和功能上，如图2所示选线装置可分为中央处理单元、数字化接口单元、人机界面和电源等几部分。各部分采用插件式结构，装置扩展、更新和维护方便。由于会面临数据同步大量信息提取处理等问题，尤其数字化接口的设计采用了千兆网口，保证数据的可靠性、完整性。

图2　小电流接地故障选线装置硬件架构

中央处理单元是工业级主板模块，主要负责数据处理、算法计算、统计显示等内容。工业级主板通过板上总线接口与8.4英寸工业级彩色触摸屏联接，通过触摸屏显示人机界面，进行配置参数、波形显示等功能。数字化接口单元，主要是千兆网口、B码对时等。双千兆网口设计可以同步与间隔层网络和过程层网络连通，实时收取发送数据报文。故障数据可以存贮在SSD固态硬盘当中，也可以实时通过人机界面显示。

2　系统关键技术

2.1基本选线原理

小电流接地电网单相接地故障绝大部分发生在电压出现或接近峰值时，故障相电容放电以及非故障相电容充电，产生一个明显的暂态过程。故障选线原理主要利用接地故障后信号暂态分量信息，实现接地选线。故障信号的暂态分量相对于稳态分量具有如下特征：单相短路接地故障瞬间的故障电流是稳态的十几倍以上，并且故障线路高频分量的幅值最大、相位与稳态线路相反。此外，消弧线圈对电流影响小，利用暂态电流选线可以有效避免消弧线圈的干扰［5］。

2.2工作流程

正常时工作流程。如图3所示，小电流接地选线装置需要采集各个线路电流和母线电压，通过其双千兆网口从交换机上收取被监测线路的合并单元传输的数据包，实现采样值报文传输。装置软件在收到采样值数据后，进入故障启动判断流程。

图3　小电流接地故障选线装置正常工作流程

故障后处理流程。如图4所示，装置软件在判断故障发生后，进入选线算法模块。读取配置参数，根据配置文件进行相位幅值变比校正统一；启动相关的算法选择故障线路；存储相应参数和数据，选线结果；若故障持续时间超过一定范围就上报选线结果，否则就是瞬时性故障。

图4　小电流接地故障选线装置选线算法流程

选线结果上报。装置通过网络接口接入站控层，后台主站通过交换机获取上报结果，并转发至调度中心。

2.3模拟量同步

小电流接地故障选线是一种跨多间隔的系统，选线所需的量来自母线所连接的所有出线零序电流以及母线零序电压。因此，各间隔合并单元的同步采样是保证模拟量采样的信号完整性的关键。根据Nyquist采样定理，采样频率为特征频段上限的2倍以上，如果特征频段为150 Hz至3 kHz，那么采样频率至少为6 kHz即每周期120个采样点以上，一般可以选择每周期128个采样点。

对传统的选线装置来说，零序电流量和零序电压量都是通过二次电缆连接的，以电磁波的传输速度传送到选线装置，由选线装置统一进行采样，此时认为各通道的采样是完全同步的。但对智能变电站来说，各合并单元初始工作状态可能不同步，因此，必须通过某种方式来控制所有关联的间隔同时采样。

智能变电站一般采用2种同步方式：外部时钟同步方式和内部时钟同步方式。采用内部时钟同步方式时，同步设备与被同步设备间必须建立一对一的同步网络通道或复用原有的通信网络通道。外部时钟同步方式是通过外设的全站同步时钟源以固定间隔向全站需要同步的设备发出同步序列波形实现的。在同步时钟源中用硬件方式实现多路同步对时高速串口，通过点对点的方式与过程层合并单元的对时口相连接。

智能变电站各个间隔的合并单元一般来自同一个厂家，性能在一致性方面不会存在很大问题。合并单元初始工作状态可能存在不一致问题，但一般会通过外部时钟同步方式，如B码或者1588对时，采样数据包带有时间标签。智能变电站小电流选线装置在使用合并单元数据进行故障选线时，必须要根据时间标签进行同步再进行下一步的算法处理。

2.4选线装置建模

IEC-61850标准采用逻辑节点来描述设备的功能。故障选线模型的建立可以看做是一个的实例而标准采用逻辑节点来描述设备的功能。逻辑节点是交换数据的最小功能单元，所以可以把选线装置的每个功能定义为逻辑节点类的一个实例模型的建立首先要准确描述的功能将其抽象为若干个功能逻辑节点类［6］。

针对故障选线的功能要求和技术特点，结合智能变电站中逻辑节点模型的建立方法，可以将故障选线分解为以下几种功能：1）保护功能，即选线保护；2）测量功能，即母线电压，线路零序电流测量；3）控制功能，即故障告警；4）分析功能，即故障波形记录；5）接口功能，即阈值整定，输入输出，数据存储，日志记录等。

为了简化模型，基于暂态信号的小电流接地故障选线逻辑节点仅监测一段母线和该母线的出线，如果需要监测多段母线，可以采用多个分析选线功能的逻辑节点［7］。

3　系统主要特点及应用

基于IEC-61850-2标准的智能变电站小电流接地选线系统能够真正的实现“即插即用”设计思想。只需具备网络接口就可以收取数据信息，并上传选线结果。选线装置可采用工业级触摸屏显示，也可接入普通工业级宽屏显示器。装置软件采用可视化图形界面操作配置，方便用户维护。故障录波功能，可永久记录故障波形，实时显示录波波形、实时电气量，还可以手动录波。录波数据采用标准COMTRADE［8］格式存贮。故障数据可分类查询、打印输出统计报表。线路绝缘情况预警可以通过瞬时故障的频率和持续时间进行分析计算。

在现场应用中，由于110kV及以下智能变电站的过程层和间隔层架构不同，导致智能变电站的小电流接地选线的系统架构存在不同的技术方案。因此选线装置在智能变电站应用前应当充分对该变电站进行调研，以确定采用何种架构的选线系统。

暂态原理的选线方法对信号的采样精度、采样频率以及时间精度，都有很高的要求，必须与电子式互感器厂家、合并单元厂家等进行详细沟通，以保证选线的技术要求。

小电流接地故障选线装置变电站中常用的二次设备。但是在IEC-61850标准中缺乏相应的逻辑节点和设备模型，因此选线装置的61850规约建模必须与智能变电站后台综合自动化厂家进行充分的沟通，以保证双方对于规约的理解和解析完全一致。

4　结语

提出了一种基于IEC-61850-2标准的智能变电站小电流接地选线系统，选线装置只需要具备一个光纤接口或以太网口就可以获得数据并进行故障选线，极大地降低了选线装置的成本。对于推动IEC-61850标准在配电自动化中的应用和小电流接地故障选线装置在智能变电站重点的规范化应用都有积极的意义。

［1］齐郑，郭锐，杨以涵.基于数字化变电站的小电流接地故障选线实现方案［J］.电力系统自动化，2009，33（24）：54-57.

［2］陶利国，许云峰.采用数字技术的小电流接地选线和故障定位装置［J］.电力系统保护与控制，2010，38（7）：86-90.

［3］齐郑，白芮瑄，杨以涵.数字化变电站中小电流接地选线装置的设计［J］.电力系统自动化，2010，34（13）：88-90.

［4］施慎行，任立，刘泽宇，等.符合IEC61850标准的行波电流选线装置研制［J］.电力自动化设备，2011，31（3）：131-134.

［5］薛永端，冯祖仁，徐丙垠，等.基于暂态零序电流比较的小电流接地选线研究［J］.电力系统自动化，2003，27（9）：48-53.

［6］韩国政，徐丙垠.小电流接地故障选线和定位装置的IEC 61850信息建模［J］.电力系统自动化，2011，35（5）：57-60.

［7］贾清泉，石磊磊，田杰，等.数字化变电站中故障选线智能电子设备模型［J］，电力系统自动化，2011，35（8）：63-66.

［8］IEC 60255-24电力系统暂态数据交换（COMTRADE）公用格式［S］.2001.

Implementation of a Kind of Small Current Grounding Line Selection System in Intelligent Substation

LUAN Guojun1，WANG Tao2，ZHANG Tao1，WANG Jinghai1，LI Zhaofeng3
（1.State Grid Weifang Power Supply Company，Weifang 261000，China；2.Jinan Zenergy Electric Co.，Ltd.，Jinan 250013，China；3.Huadian Zibo Thermal Power Co.，Ltd.，Zibo 25500，China）

The realization of intelligent substation is the development trend of distribution network in the future and is also the important content of unified strong smart grid.To implement the intelligent access of small current grounding line selection of the distribution network is an important part of self-healing.A kind of intelligent substation based on IEC-61850-2 standard of small current grounding fault monitoring system structure is introduced，its working principle and field application case are analyzed.With the advantage of reasonable system structure，it can be applied in intelligent substations of 110 kV and below. The detection method is not influenced by arc suppression coil or by unstable arc.

intelligent substation；small current grounding；IEC-61850-2；transient line selection

TM762

B

1007-9904（2015）09-0019-04

2015-05-11

栾国军（1968），男，高级工程师，主要研究方向为电力系统配电网运行和管理；

王涛（1977），男，高级工程师，主要研究方向为电力系统配电网继电保护。