CN105785144A - 一种无线分布式变电站电气量整站检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线分布式变电站电气量整站检测系统及方法，通过两级无线网络完成系统内部各模块的同步和全站数据的收集汇总，通过就地分散布置的检测终端同步采集全站电流、电压量，并转换为数字量进行传输，检测主站计算同一时刻全站电流、电压的基波和谐波值，然后进行幅值、相位比较，完成全站的电压核相、电流带负荷测试，无需长电缆，也无需更换接线即可完成全站的电气量测试工作，提升了测试效率，避免了测试工作中的安全隐患，而且进行基波和谐波分析，可以提升测试工作的准确性，具有良好的应用前景。

Description

一种无线分布式变电站电气量整站检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种无线分布式变电站电气量整站检测系统及方法，属于变电站测试领域。

背景技术

变电站中电流、电压回路的正确性直接关系到继电保护、测量、计量等二次系统的正确运行，也直接关系到变电站的可靠运行。因此，变电站投产过程中必须开展电流、电压等电气量的测试工作，主要包括电压回路的核相、电流回路的带负荷测试，验证变电站前期设计、施工、调试的正确性，也为变电站后期的安全、可靠运行提供必要条件。

目前，变电站投产过程中，电压回路的核相工作是通过万用表或相位表测量被校电压回路与参考电压回路之间的幅值差和相位差，以验证系统一次接线及电压二次回路接线的正确性，一般都是单个回路进行，工作效率较低。而且核相过程中需要用长电缆将电压回路接入万用表或相位表，当对不同小室或不同地点的电压回路进行核相时，甚至需要在开关场地临时铺设200m以上的长电缆，这给核相工作带来了安全风险。电流回路带负荷测试工作是通过相位表测量电流的幅值大小以及电流与相关电压之间的相位关系，以验证电流互感器的变比、极性以及回路接线的正确性。但是目前的相位表一般都只计算真有效值，当电流中存在较大的谐波分量时，无法正确测量出电流与电压的相位，给电流带负荷测试带来一定困难。特高压变电站中小室距离都很远、智能变电站中电压核相点可能分布在就地，这些使得电压远距离核相的需求越来越突出。随着电网中电力电子器件的增多、电铁等非对称负荷的接入，电流的谐波含量也逐步增加，这些对核相准确度要求越来越高。因此，随着电网多元化发展，变电站投产过程中的试验遇到了新问题。

因此，随着电网的发展和建设步伐的加快，迫切需要一种新的试验工具，可针对变电站投产试验的需求，可通过简单的接线，高效完成全站的电压远距离核相和电流准确带负荷试验，提升测试的效率和准确性，降低测试过程中的风险。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无线分布式变电站电气量整站检测系统及方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种无线分布式变电站电气量整站检测系统，包括检测主站，所述检测主站通过一级无线网络连接有多个区域子站，每个区域子站通过二级无线网络连接有多个检测终端；所述检测主站包括对时模块和数据计算分析模块，所述区域子站包括对时模块和数据汇集模块，所述检测终端包括对时模块和采集模块；所述检测主站的对时模块、区域子站的对时模块以及检测终端的对时模块实现三者的对时同步，所述检测终端通过采集模块就地同步采集电流、电压量，进行模数转换，并将转换后的电流、电压量封装为IEC61850-9-2报文，发送至区域子站，所述区域子站接收与其连接的多个检测终端的IEC61850-9-2报文，通过数据汇集模块解析采样值数据，将多个检测终端同一时刻的采样值数据重新组合为新的IEC6150-9-2报文，并将新的IEC61850-9-2报文发送至检测主站，所述检测主站接收所有区域子站的IEC61850-9-2报文，通过数据计算分析模块解析IEC61850-9-2报文，并进行傅里叶计算，计算出同一时刻的电流的基波幅值和相位、电压的基波幅值和相位、电流的谐波幅值和相位、电压的谐波幅值和相位，比较不同电压通道间的基波幅值差和相位差，完成电压核相工作，比较相关电流和电压通道间的基波相位差，完成电流带负荷工作，同时分析电流、电压的谐波含量，实现变电站投产过程中电流、电压的检测。

检测终端分散布置于电流、电压二次回路附近，采集多组电流和电压量，每组均包含A、B、C三相。

检测主站与区域子站之间通过一级WLAN无线网络连接，区域子站与检测终端之间通过二级WLAN无线网络连接，一级WLAN无线网络和二级WLAN无线网络的模式相同。

一种基于上述无线分布式变电站电气量整站检测系统的检测方法，包括以下步骤，

步骤1，检测主站和区域子站通过对时模块实现两者的时间同步，区域子站和检测终端通过对时模块实现两者的时间同步；

步骤2，所述检测终端通过采集模块就地同步采集电流、电压量，进行模数转换，并将转换后的电流、电压量封装为IEC61850-9-2报文，发送至区域子站；

步骤3，区域子站接收与其连接的多个检测终端的IEC61850-9-2报文，通过数据汇集模块解析采样值数据，将多个检测终端同一时刻的采样值数据重新组合为新的IEC6150-9-2报文，并将新的IEC61850-9-2报文发送至检测主站；

步骤4，检测主站接收所有区域子站的IEC61850-9-2报文，通过数据计算分析模块解析IEC61850-9-2报文，并进行傅里叶计算，计算出同一时刻的电流的基波幅值和相位、电压的基波幅值和相位、电流的谐波幅值和相位、电压的谐波幅值和相位，比较不同电压通道间的基波幅值差和相位差，完成电压核相工作，比较相关电流和电压通道间的基波相位差，完成电流带负荷工作，同时分析电流、电压的谐波含量，实现变电站投产过程中电流、电压的检测。

两个对时同步的过程相同，其中检测主站和区域子站对时同步的过程为，

A1)，检测主站正常运行后，向一级无线网络发送同步对时报文；同步对时报文的时间信息由对时模块产生；

A2)，区域子站自动订阅同步对时报文，通过组播MAC地址过滤接收检测主站发送的同步对时报文；

A3)，区域子站与检测主站进行同步对时报文的交互，计算报文的环回延时时间；

A4)，区域子站的对时模块对同步对时报文中的时间样本进行数字滤波，获取修正后的时间样本，并对自身时钟进行频率和环回延时时间的校正，当区域子站的时钟与检测主站的时钟频率一致且延时收敛小于阀值后，完成区域子站与检测主站的时间同步。

所述检测终端具备时域跟随能力，当二级无线网络不稳定时，继续跟随所属区域的区域子站的时钟，时域跟随流程包括以下步骤：

B1)，检测终端与所属区域的区域子站完成对时同步后，按校准后的时钟频率定频产生内部同步脉冲；

B2)，检测终端的内部同步脉冲周期随校准时钟频率变化而变化；

B3)，检测终端通过内部晶振对同步脉冲计数，观察同步脉冲的离散度，当同步脉冲离散度超过测量误差阀值时，认为时钟同步异常，检测终端的时钟进入时域跟随模式；

B4)，检测终端的时钟进入时域跟随模式后，通过回溯同步脉冲计数模拟所属区域的区域子站的时钟频率，继续保证检测终端的时钟与所属区域的区域子站的时钟一致性。

本发明所达到的有益效果：本发明通过两级无线网络完成系统内部各模块的同步和全站数据的收集汇总，通过就地分散布置的检测终端同步采集全站电流、电压量，并转换为数字量进行传输，检测主站计算同一时刻全站电流、电压的基波和谐波值，然后进行幅值、相位比较，完成全站的电压核相、电流带负荷测试，无需长电缆，也无需更换接线即可完成全站的电气量测试工作，提升了测试效率，避免了测试工作中的安全隐患，而且进行基波和谐波分析，可以提升测试工作的准确性，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图。

图2为本发明的检测流程图。

图3为对时同步的流程图。

图4为时域跟随的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种无线分布式变电站电气量整站检测系统，包括检测主站，检测主站通过一级WLAN无线网络连接有多个区域子站，每个区域子站通过二级WLAN无线网络连接有多个检测终端，检测终端分散布置于电流、电压二次回路附近，包括就地电流、电压汇控柜和含有电流、电压二次回路的二次装置屏柜，采集多组电流和电压量，每组均包含A、B、C三相。

一级WLAN无线网络和二级WLAN无线网络的模式相同，基于支持IEEE802.11x标准的无线局域网多点数据传输技术，无线信号频率2.4G，无线信号功率100mW，数据传输速率可达100Mb/s；为确保WLAN无线网络中数据交换的安全性，采用了禁止SSID广播、MAC过滤、WEP加密等信息安全措施；同时，组网时可根据现场已有2.4G频道情况，选择合适频道，减小其它信号对数据传输的干扰；通过两级WLAN无线网络实现数据中继转发，确保数据传输的稳定性及无线覆盖范围。

上述检测主站包括对时模块和数据计算分析模块，区域子站包括对时模块和数据汇集模块，检测终端包括对时模块和采集模块。

检测主站的对时模块、区域子站的对时模块以及检测终端的对时模块实现三者的对时同步。检测终端通过采集模块就地同步采集电流、电压量，进行模数转换，并将转换后的电流、电压量封装为IEC61850-9-2报文，发送至区域子站，区域子站接收与其连接的多个检测终端的IEC61850-9-2报文，并解析采样值数据，将多个检测终端同一时刻的采样值数据重新组合为新的IEC6150-9-2报文，并将新的IEC61850-9-2报文发送至检测主站，所述检测主站接收所有区域子站的IEC61850-9-2报文，通过数据计算分析模块解析IEC61850-9-2报文，并进行傅里叶计算，计算出同一时刻的电流的基波幅值和相位、电压的基波幅值和相位、电流的谐波幅值和相位、电压的谐波幅值和相位，比较不同电压通道间的基波幅值差和相位差，完成电压核相工作，比较相关电流和电压通道间的基波相位差，完成电流带负荷工作，同时分析电流、电压的谐波含量，实现变电站投产过程中电流、电压的检测。

如图2所示，上述系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，检测主站和区域子站通过对时模块实现两者的时间同步，区域子站和检测终端通过对时模块实现两者的时间同步。

如图2所示，两个对时同步的过程相同，其中检测主站和区域子站对时同步的过程如下：

A1)，检测主站正常运行后，向一级无线网络发送同步对时报文；同步对时报文的时间信息由对时模块产生；

A2)，区域子站自动订阅同步对时报文，通过组播MAC地址过滤接收检测主站发送的同步对时报文；

A3)，区域子站与检测主站进行同步对时报文的交互，计算报文的环回延时时间；

A4)，区域子站的对时模块对同步对时报文中的时间样本进行数字滤波，获取修正后的时间样本，并对自身时钟进行频率和环回延时时间的校正，当区域子站的时钟与检测主站的时钟频率一致且延时收敛小于阀值后，完成区域子站与检测主站的时间同步。

时间样本进行数字滤波过程为：基于WLAN无线网络信号稳定时数据传输延迟的突变边界限定，对相邻两次时间传输延迟样本数据T_n和T_n+1的变化率进行判别，若连续样本数据偏差值超出最大偏差，则判定为干扰信息，应剔除该样本数据并使用前次数据替代；若小于最大偏差值，则认为样本数据正常。具体判据如下：

$\left\{\begin{array}{cc}T=T_n& |T_n-T_{n-1}|\≤K\\ T=T_{n-1}& |T_n-T_{n-1}|>K\end{array}\right.$

式中：T为本次使用的时间样本，T_n-1为前次获取的时间样本，T_n为本次获取的时间样本，K为相邻时间样本的最大偏差值。

时钟频率校正过程为：通过测量平均路径延时来调整区域子站时钟与检测主站时钟的频率偏差，检测主站时钟以固定频率向区域子站时钟发送同步报文，区域子站时钟记录到达报文频率，计算频率修正系数并对自身时钟频率进行离散点修正，频率修正系数计算公式如下：

$C_n=\frac{{T_n}^{\′}-{T_{n-1}}^{\′}}{T_n-T_{n-1}}$

式中：C_n为本次频率修正系数，T_n′为本次获取的报文到达时刻，T_n-1′为前次获取的报文到达时刻，T_n为本次报文发送时刻，T_n-1为前次报文发送时刻。

时钟环回延时时间校正过程为：通过测量无线数据传输延时量并计算时钟偏移来实现时间同步，假设区域子站时钟同步报文的发送时间为T₁，检测终端接收到时钟同步报文的时间为T₂，检测终端时钟的延迟请求报文发送时间为T₃，区域子站时钟接收到延迟请求报文的时间为T₄，则区域子站时钟与检测终端时钟间传输延迟为：

$T_d=\frac{(T_4-T_3)+(T_2-T_1)}{2}$

式中：T_d为传输延迟，T₁为同步报文的发送时间，T₂为同步报文的接收时间，T₃为延迟请求报文的发送时间，T₄为延迟请求报文接收时间；

检测主站时钟与区域子站时钟间的时间偏差为：

T₀＝T₂-T₁-T_d

式中：T₀为时间偏差。

通过计算得到的时钟偏差值，循环反复对检测终端时间进行修正，可实现检测终端时钟与区域子站时钟的收敛性同步。

如图4所示，检测终端具备时域跟随能力，当二级无线网络不稳定时，继续跟随所属区域的区域子站的时钟，时域跟随流程包括以下步骤：

B1)，检测终端与所属区域的区域子站完成对时同步后，按校准后的时钟频率定频产生内部同步脉冲；

B2)，检测终端的内部同步脉冲周期随校准时钟频率变化而变化；

B3)，检测终端通过内部晶振对同步脉冲计数，观察同步脉冲的离散度，当同步脉冲离散度超过测量误差阀值时，认为时钟同步异常，检测终端的时钟进入时域跟随模式；

B4)，检测终端的时钟进入时域跟随模式后，通过回溯同步脉冲计数模拟所属区域的区域子站的时钟频率，继续保证检测终端的时钟与所属区域的区域子站的时钟一致性。

步骤2，检测终端通过采集模块就地同步采集电流、电压量，进行模数转换，并将转换后的电流、电压量封装为IEC61850-9-2报文，发送至区域子站。

具体过程为：

C1)，检测终端通过钳形表接入电流，通过并接方式接入电压；

C2)，检测终端依据同步后的内部时钟产生采样脉冲；

C3)，检测终端依据采样脉冲控制采集模块采集接入的电流和电压量，并进行模数转换；

C4)，检测终端将转换后的数字量封装为IEC61850-9-2报文，并标以报文序号，且整秒时刻采集的电流、电压量标为0号报文；

C5)，检测终端通过无线收发模块将IEC61850-9-2报文发送至二级WLAN无线网络。

步骤3，区域子站接收与其连接的多个检测终端的IEC61850-9-2报文，通过数据汇集模块解析采样值数据，将多个检测终端同一时刻的采样值数据重新组合为新的IEC6150-9-2报文(即将同一报文序号的IEC61850-9-2报文中的电流、电压值重新封装为新的IEC61850-9-2报文，报文序号不变)，并将新的IEC61850-9-2报文发送至检测主站。

步骤4，检测主站接收所有区域子站的IEC61850-9-2报文，通过数据计算分析模块解析IEC61850-9-2报文，并进行傅里叶计算，计算出同一时刻的电流的基波幅值和相位、电压的基波幅值和相位、电流的谐波幅值和相位、电压的谐波幅值和相位，比较不同电压通道间的基波幅值差和相位差，完成电压核相工作，比较相关电流和电压通道间的基波相位差，完成电流带负荷工作，同时分析电流、电压的谐波含量，实现变电站投产过程中电流、电压的检测。

综上所述，本发明通过两级无线网络完成系统内部各模块的同步和全站数据的收集汇总，通过就地分散布置的检测终端同步采集全站电流、电压量，并转换为数字量进行传输，检测主站计算同一时刻全站电流、电压的基波和谐波值，然后进行幅值、相位比较，完成全站的电压核相、电流带负荷测试，无需长电缆，也无需更换接线即可完成全站的电气量测试工作，提升了测试效率，避免了测试工作中的安全隐患，而且进行基波和谐波分析，可以提升测试工作的准确性，具有良好的应用前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无线分布式变电站电气量整站检测系统，其特征在于：包括检测主站，所述检测主站通过一级无线网络连接有多个区域子站，每个区域子站通过二级无线网络连接有多个检测终端；

所述检测主站包括对时模块和数据计算分析模块，所述区域子站包括对时模块和数据汇集模块，所述检测终端包括对时模块和采集模块；

所述检测主站的对时模块、区域子站的对时模块以及检测终端的对时模块实现三者的对时同步，所述检测终端通过采集模块就地同步采集电流、电压量，进行模数转换，并将转换后的电流、电压量封装为IEC61850-9-2报文，发送至区域子站，所述区域子站接收与其连接的多个检测终端的IEC61850-9-2报文，通过数据汇集模块解析采样值数据，将多个检测终端同一时刻的采样值数据重新组合为新的IEC6150-9-2报文，并将新的IEC61850-9-2报文发送至检测主站，所述检测主站接收所有区域子站的IEC61850-9-2报文，通过数据计算分析模块解析IEC61850-9-2报文，并进行傅里叶计算，计算出同一时刻的电流的基波幅值和相位、电压的基波幅值和相位、电流的谐波幅值和相位、电压的谐波幅值和相位，比较不同电压通道间的基波幅值差和相位差，完成电压核相工作，比较相关电流和电压通道间的基波相位差，完成电流带负荷工作，同时分析电流、电压的谐波含量，实现变电站投产过程中电流、电压的检测。

2.根据权利要求1所述的一种无线分布式变电站电气量整站检测系统，其特征在于：检测终端分散布置于电流、电压二次回路附近，采集多组电流和电压量，每组均包含A、B、C三相。

3.根据权利要求1所述的一种无线分布式变电站电气量整站检测系统，其特征在于：检测主站与区域子站之间通过一级WLAN无线网络连接，区域子站与检测终端之间通过二级WLAN无线网络连接，一级WLAN无线网络和二级WLAN无线网络的模式相同。

4.基于权利要求1所述的一种无线分布式变电站电气量整站检测系统的检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，检测主站和区域子站通过对时模块实现两者的时间同步，区域子站和检测终端通过对时模块实现两者的时间同步；

步骤2，所述检测终端通过采集模块就地同步采集电流、电压量，进行模数转换，并将转换后的电流、电压量封装为IEC61850-9-2报文，发送至区域子站；

步骤3，区域子站接收与其连接的多个检测终端的IEC61850-9-2报文，通过数据汇集模块解析采样值数据，将多个检测终端同一时刻的采样值数据重新组合为新的IEC6150-9-2报文，并将新的IEC61850-9-2报文发送至检测主站；

步骤4，检测主站接收所有区域子站的IEC61850-9-2报文，通过数据计算分析模块解析IEC61850-9-2报文，并进行傅里叶计算，计算出同一时刻的电流的基波幅值和相位、电压的基波幅值和相位、电流的谐波幅值和相位、电压的谐波幅值和相位，比较不同电压通道间的基波幅值差和相位差，完成电压核相工作，比较相关电流和电压通道间的基波相位差，完成电流带负荷工作，同时分析电流、电压的谐波含量，实现变电站投产过程中电流、电压的检测。

5.根据权利要求1所述的一种无线分布式变电站电气量整站检测系统的检测方法，其特征在于：两个对时同步的过程相同，其中检测主站和区域子站对时同步的过程为，

A1)，检测主站正常运行后，向一级无线网络发送同步对时报文；同步对时报文的时间信息由对时模块产生；

A2)，区域子站自动订阅同步对时报文，通过组播MAC地址过滤接收检测主站发送的同步对时报文；

A3)，区域子站与检测主站进行同步对时报文的交互，计算报文的环回延时时间；

A4)，区域子站的对时模块对同步对时报文中的时间样本进行数字滤波，获取修正后的时间样本，并对自身时钟进行频率和环回延时时间的校正，当区域子站的时钟与检测主站的时钟频率一致且延时收敛小于阀值后，完成区域子站与检测主站的时间同步。

6.根据权利要求5所述的一种无线分布式变电站电气量整站检测系统的检测方法，其特征在于：所述检测终端具备时域跟随能力，当二级无线网络不稳定时，继续跟随所属区域的区域子站的时钟，时域跟随流程包括以下步骤：

B1)，检测终端与所属区域的区域子站完成对时同步后，按校准后的时钟频率定频产生内部同步脉冲；

B2)，检测终端的内部同步脉冲周期随校准时钟频率变化而变化；

B3)，检测终端通过内部晶振对同步脉冲计数，观察同步脉冲的离散度，当同步脉冲离散度超过测量误差阀值时，认为时钟同步异常，检测终端的时钟进入时域跟随模式；

B4)，检测终端的时钟进入时域跟随模式后，通过回溯同步脉冲计数模拟所属区域的区域子站的时钟频率，继续保证检测终端的时钟与所属区域的区域子站的时钟一致性。