CN103840556A - 智能变电站多间隔暂态行波信号实时共享方法 - Google Patents

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Abstract

智能变电站多间隔暂态行波信号实时共享方法，各个合并单元实时采集量测线路的电压和电流信号；并采用边缘检测法对实时采样数据进行故障特征抽取；重构采样值报文信息，在应用服务数据单元（ASDU）中添加一组用于判断故障线路的行波特征值；同时合并单元降低报文传输频率，百兆以太网下行波报文传输频率降低到工频信号采样率1000Hz；保护控制IED设备接收合并单元发来的行波报文并解析，根据报文中包含的故障特征值判断出故障线路；本发明利用合并单元的数据处理能力实现对暂态行波信号的有效故障特征表达，实现了既充分利用故障全频带信息提高变电站保护控制系统的性能，又能够保证变电站过程层通信的实时性，具有很高的实用价值。

Description

智能变电站多间隔暂态行波信号实时共享方法
技术领域：
本发明属于电力系统技术领域，特别涉及智能变电站多间隔暂态行波信号实时共享方法。
背景技术：
目前实施的智能变电站过程层通信主要是基于IEC61850通信协议的点对点通信，但是毫无疑问智能变电站相比与传统变电站，主要优势体现在对跨间隔、全频带信息的共享、融合和有效利用。跨间隔信息共享，体现出了对过程层网络通信的要求；而全频带信息则更强调对从直流分量直至暂态行波整个故障信息频带的横向利用。暂态行波信号相比于工频信号对继电保护而言，具有不受系统振荡、过渡电阻、CT饱和、中性点接地方式等影响，具有显著的优势，目前在现场中已经得到了广泛的应用和证实。为了保证数据采集精度和有效性，行波信号采样率往往达到工频信号采样率的1000倍左右。对于基于过程层网络通信的智能变电站而言，如果不加选择地将暂态行波采样数据全部放到通信网上，不仅不能实现保护控制系统的性能提高，反而会引起通信阻塞，影响智能变电站的安全运行。
针对风电场、光伏电站等接入的配电变电站，基于暂态行波电流特性的故障选线技术最为典型，其采样暂态行波信号，采样率接近1MHz；需要同步采集多间隔的行波信号，而且为了解决低电压穿越问题，行波选线装置需要具备快速跳闸能力，对速动性的要求很高；以上特点对基于IEC61850协议的智能变电站过程层通信方案提出了严格的技术要求。
相关研究表明：基于OPNET Modeler软件仿真100Mbit/s以太网下信息共享的过程总线通信，采样率上升至每周期1000～1553点时，过程层网络只能保证单间隔数据的实时传输，当采样率更高时，通信网络性能将严重阻塞。而行波选线采样率一般在200kHz以上，达到了每周期4000点，而且过程层通信网络为多间隔数据传输，如果不对数据进行处理，通信网络将会出现严重阻塞的现象，导致变电站过程层通信网络实时性得不到满足。
发明内容：
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种智能变电站多间隔暂态行波信号实时共享方法，该方法综合考虑包含合并单元、过程层总线以及保护控制装置的整体通信系统性能，充分利用合并单元的数据处理能力实现对暂态行波信号的有效故障特征表达，从而实现了既充分利用故障全频带信息提高变电站保护控制系统的性能，又能够保证变电站过程层通信的实时性，具有很高的实用价值。
智能变电站多间隔暂态行波信号实时共享方法，包括以下步骤：
（1）合并单元实时采集变电站中量测线路的暂态行波电压和/或行波电流信号，即：
电压
Figure BDA0000481776690000021
和电流
Figure BDA0000481776690000022
其中为相别：A相、B相、C相或零序；n表示采样点数。
（2）合并单元采用边缘检测法对实时采样数据进行故障特征抽取计算，包括：首先对电压、电流采样信号求导得到信号的一阶导数
Figure BDA0000481776690000024
Figure BDA0000481776690000025
Figure BDA0000481776690000026
然后计算一阶导数的模极大值，得到其极性
Figure BDA0000481776690000027
和幅值
Figure BDA0000481776690000028
Figure BDA0000481776690000029
Figure BDA00004817766900000210
（3）合并单元重构采样值报文信息，在通信报文协议中的应用服务数据单元（ASDU）状态字2与采样计数器之间添加暂态行波信号一阶导数模极大值的极性和幅值，共4个字节数据信息。
ASDU具体报文定义如下表所示：
Figure BDA0000481776690000031
表中除了LNName、DataSetName数据集名称、采样频率和配置版本号以1个字节表示，其余都以2个字节表示；
（4）合并单元采用上述报文协议，基于工频信号采样频率，向以太网络中各个节点广播暂态行波报文信息，既实现了暂态行波信息的有效共享，又保证了变电站过程层通信的实时性；
（5）保护控制IED设备接收合并单元发来的行波报文并解析，根据报文中包含的故障特征值判断故障线路。
本发明的特点及技术效果：
本发明综合考虑包含合并单元、过程层总线以及保护控制装置的整体智能变电站通信系统性能，充分利用合并单元的数据预处理能力，采用故障特征抽取降低通信量，以及满足保护控制装置跳闸实时性降低报文传输频率的方法，实现了智能变电站多间隔暂态行波信息的实时共享利用，提高了保护控制系统的性能；本发明实用性强，不需要提升网络硬件性能，具有较好的经济性。
附图说明
图1为应用本发明的四间隔风电场并网智能变电站过程层通信网络拓扑结构图。
具体实施方式
应用本发明的风电场并网智能变电站过程层通信实例说明如下：
参照图1，系统相关参数如下：变压器电压等级为110kV/35kV；变压器一次侧阻抗为1.07Ω+j38.8652mH，二次侧阻抗为0.1083Ω+j0.96mH；线路电阻值0.46Ω/km，电抗值0.3119Ω/km，110kV并网输电线路长度为2km，35kV馈线长度自图1中从上到下分别为20km、20km、10km和40km，最底端线路在10ms时发生单相（C相）接地短路。
(1)、合并单元以采样率500kHz采集故障发生后10ms各条线路的零序电流行波信号i0(n)如表1所示（其中0-227ms电流值为0A，表中未列出）；
表1零序电流行波信号的采样值
Figure BDA0000481776690000041
Figure BDA0000481776690000051
2、合并单元对采样值数据采用边缘检测法提取出可以判断出故障线路的特征值，例如在228ms时刻的计算值如下：
Y0(1)=u0(1)-u0(0)=47.2612(A/2ms)
其他时刻的计算值详见附表2。
表2故障线路零序电流行波信号的一阶导数
Figure BDA0000481776690000061
Figure BDA0000481776690000071
Figure BDA0000481776690000081
计算表2数据一阶导数模极大值幅值及极性如表3所示：
表3各线路零序电流行波一阶导数的模极大值
Figure BDA0000481776690000082
3、合并单元重构采样值报文信息，在通信报文协议中的应用服务数据单元（ASDU）状态字2与采样计数器之间添加暂态行波信号一阶导数模极大值的极性和幅值，共4个字节数据信息。
ASDU具体报文定义如下表所示：
Figure BDA0000481776690000083
表中除了LNName、DataSetName数据集名称、采样频率和配置版本号以1个字节表示，其余都以2个字节表示，例如A相电压的采样值由第29和30字节ASDU数字信息表示；
根据IEC61850-9-2帧结构定义并添加行波信号特征值后，SV报文包括：7字节以太网帧前导码、1字节帧开始符、12字节MAC首部、4字节优先级标记、2字节以太网类型（Type）、8字节以太网类型PDU、50字节基本数据集ASDU（加入暂态行波信号特征值：一阶导数模极大值的极性和幅值）以及4字节帧校验序列（FCS），共88字节。
合并单元采用此报文格式，向以太网络中输出报文。
（4）合并单元采用上述报文协议，基于工频信号采样频率，向以太网络中各个节点广播暂态行波报文信息，既实现了暂态行波信息的有效共享，又保证了变电站过程层通信的实时性；
（5）保护控制IED设备接收合并单元发来的行波报文并解析，根据报文中包含的故障特征值判断故障线路。

Claims (1)

1.智能变电站多间隔暂态行波信号实时共享方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）合并单元实时采集变电站中量测线路的暂态行波电压和/或行波电流信号，即：
电压
Figure FDA0000481776680000011
和电流其中
Figure FDA0000481776680000013
为相别：A相、B相、C相或零序；n表示采样点数。
（2）合并单元采用边缘检测法对实时采样数据进行故障特征抽取计算，包括：首先对电压、电流采样信号求导得到信号的一阶导数
Figure FDA0000481776680000016
然后计算一阶导数的模极大值，得到其极性
Figure FDA0000481776680000017
和幅值
Figure FDA0000481776680000018
Figure FDA0000481776680000019
Figure FDA00004817766800000110
（3）合并单元重构采样值报文信息，在通信报文协议中的应用服务数据单元（ASDU）状态字2与采样计数器之间添加暂态行波信号一阶导数模极大值的极性和幅值，共4个字节数据信息。
ASDU具体报文定义如下表所示：
Figure FDA0000481776680000021
表中除了LNName、DataSetName数据集名称、采样频率和配置版本号以1个字节表示，其余都以2个字节表示；
（4）合并单元采用上述报文协议，基于工频信号采样频率，向以太网络中各个节点广播暂态行波报文信息，既实现了暂态行波信息的有效共享，又保证了变电站过程层通信的实时性；
（5）保护控制IED设备接收合并单元发来的行波报文并解析，根据报文中包含的故障特征值判断故障线路。
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