CN108445323A - 一种手持式智能变电站继电保护调试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手持式智能变电站继电保护调试装置，本发明能够基于变电站SCD文件和故障波形数据智能生成待调试继电保护装置的调试配置文件，避免了重复手工配置；本发明采用数据压缩模块，基于波形周期性特性的前后波形差分压缩算法，具有低功耗、计算量小、压缩比例高的特点，有较好的波形数据压缩效果，较大幅度的降低继电保护故障录制以及回放系统的制造成本；本发明分别从各故障录波文件中提取故障时刻前后一段时间的故障波形数据，以一次设备元件为单位，进行各一次设备元件的故障特征量的计算，形成中间数据，克服了故障录波文件本身的限制；本发明从多个角度分析波形数据，将录波采样信息用不同维度的特征量进行了数字化和量化处理，得到了多个维度的故障特征量，能够保证可靠性和快速性。
Description
所属技术领域
本发明涉及继电保护领域，具体涉及一种手持式智能变电站继电保护调试装置。
背景技术
近年来，智能变电站(Intelligent substation)的相关专业技术取得了长足发展。电子式互感器、合并单元、智能终端等智能电子设备(Intelligent ElectronicDevice，简称IED)大量应用，智能电子设备的布置也由二次小室向户外柜和预制舱等就地化布置方式过渡，就地化继电保护逐步得到重视。
但相关技术中，就地化继电保护装置的安装调试存在例如，速动性、系统稳定性及可靠性降低、故障率高、现场调试及检修复杂、安调及停电时间长、异常之后检修更换调试过程复杂繁琐等问题，严重影响继电保护运维检修人员的工作。随着电力行业的不断发展，目前国内使用的继电保护调试装置种类繁多，但是由于继电保护调试装置自身的性能直接影响着对继电保护装置的评价，因此调试装置的工作性能和稳定性尤为重要。
故障录波在电力系统发生故障时，自动地、准确地记录电力系统故障前、后过程的各种电气量(主要数字量，比如开关状态变化，模拟量，主要是电压、电流数值)的变化情况，通过这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平的作用。
故障波形数据是高速采样的，对不同装置产生的波形数据进行综合分析便对时钟精度提出了很高的要求，对进行深层次的分析造成了障碍。
发明内容
本发明提供一种手持式智能变电站继电保护调试装置，本发明能够基于变电站SCD文件和故障波形数据智能生成待调试继电保护装置的调试配置文件，避免了重复手工配置；本发明采用数据压缩模块，基于波形周期性特性的前后波形差分压缩算法，具有低功耗、计算量小、压缩比例高的特点，有较好的波形数据压缩效果，较大幅度的降低继电保护故障录制以及回放系统的制造成本；本发明分别从各故障录波文件中提取故障时刻前后一段时间的故障波形数据，以一次设备元件为单位，进行各一次设备元件的故障特征量的计算，形成中间数据，克服了故障录波文件本身的限制；本发明从多个角度分析波形数据，将录波采样信息用不同维度的特征量进行了数字化和量化处理，得到了多个维度的故障特征量，能够保证可靠性和快速性。
为实现上述目的，本发明的一种手持式智能变电站继电保护调试装置，该系统包括智能检测仪和分析及调试系统；
该智能检测仪包括：
检测模块，用于实时获取继电保护装置的波形信息；
数据转换模块，用于实时将波形信息转换成波形数据；
数据压缩模块，用于将波形数据进行压缩；
检测数据发送模块，用于通过无线通信网络将压缩后的波形数据发送给分析及调试系统；
终端控制模块，并用于智能检测仪中的各模块工作；
所述分析及调试系统包括：
检测数据接收模块，用于接收智能终端发送过来的波形数据；
检测数据分析模块，用于分析所述波形数据，得到故障波形数据；
展示回放模块，用于回放故障波形数据；
配置文件生成模块，用于根据故障波形数据和所在变电站的SCD文件，生成继电保护装置的配制文件；
中控模块，用于协调控制整个继电保护故障回放系统。
优选的，所述配置文件生成模块包括：
变电站SCD文件导入单元，用于导入待调试继电保护装置所在变电站的SCD文件；
SCD文件解析及展示单元，解析并提取全站所有IED设备并展示；
配置文件智能生成单元，结合SCD文件中被测保护装置的虚链接信息，包括该保护装置的GOOSE输出模型信息、与该装置相连接的合并单元和智能终端模型信息，以及故障波形数据，智能生成新的配置文件并保存配置文件。
优选的，数据压缩模块包括：
周期性特征提取单元，用于提取所压缩的电流、电压信号具备周期性的特征，允许包含干扰信号，所述的电流、电压信号在压缩过程中会产生前后周期的差值；
数据封装单元，将所述电流、电压信号在整个时间轴上的波形数据按照周期特征封装为多个独立的数据单元，每个数据单元配置数据头。
优选的，数据压缩模块在压缩过程采用多种子算法依次实验的方式，获得最优的压缩比例。
具体的，数据压缩模块采用以下算法进行数据压缩：
对于故障指示器录取的波形，采用前后波形相减的方式，将后一个波形中的某一个数据点减去前一个波形的相应的同一个数据点，以获得更小的差分数据，此差分数据通过最高位是否为1来区分正负。
将时间轴上的波形数据按照其周期时间分为多个子数据单元，每个子数据单元先按照前后波形差分的方式，得到当前波形与前一个波形的差值，并将差值进行位宽压缩。
在进行前后波形差分的过程中，每个数据单元被简化为相比于前一个波形的差值表示；搜索波形差值的最大偏差量，记录最大偏差量位数作为基准，进行位宽压缩，其差分最大位数包括表示正负的符号位。
对于首个波形作为后续波形的差分参照波形，采用两种压缩算法，一种为传统的位宽压缩算法，一种为带符号的位宽压缩算法，两种算法各统计压缩完后的数据字节数，选取数据字节数最少的作为首个波形的压缩方式。
优选的，采用多个已存在的子算法的组合，通过对子算法的最优选择，达到最大压缩比例。
所述检测数据分析模块包括：
一次设备模型建立单元，用于基于故障波形数据，建立一次设备模型；
录波分析模型建立单元，用于将一次设备模型与故障录波文件中的录波通道进行关联，得到录波分析模型；
数据提取单元，用于从波形数据中提取故障时刻前后一段时间的故障波形数据；
故障特征量计算单元，用于根据所提取的故障时刻前后一段时间内的故障波形数据，计算各一次设备元件的故障特征量；
存储单元，用于存储录波分析模型和故障特征量，供故障诊断和事故分析使用。
优选的，所述检测数据分析模块还包括：
波形对齐单元，用于在故障发生时，通过遍历波形数据找到该突变点，进行多故障波形数据的波形对齐。
优选的，故障特征量计算单元，具体用于：
在故障前到故障后一段时间内，每间隔10ms取一个点，根据该点的故障波形数据，计算该点的故障前后各一次设备对应的电压电流有效值、5-15次谐波值、直流分量及时间衰减常数、序分量、差流值、线路测量阻抗、频率特征量、故障测距特征量、保护动作特征量和断路器动作特征量；
接着在重合闸时刻到重合后时间范围内，每间隔10ms取一个点，根据该点的故障录波数据，计算该点的故障前后各一次设备对应的电压电流有效值、5-15次谐波值、直流分量及时间衰减常数、序分量、差流值、线路测量阻抗、频率特征量、故障测距特征量、保护动作特征量和断路器动作特征量。
本发明的技术方案具有如下优点：
(1)本发明能够基于变电站SCD文件和故障波形数据智能生成待调试继电保护装置的调试配置文件，避免了重复手工配置；
(2)本发明采用数据压缩模块，基于波形周期性特性的前后波形差分压缩算法，具有低功耗、计算量小、压缩比例高的特点，有较好的波形数据压缩效果，较大幅度的降低继电保护故障录制以及回放系统的制造成本。
(3)本发明从多个角度分析波形数据，将录波采样信息用不同维度的特征量进行了数字化和量化处理，得到了多个维度的故障特征量，能够保证可靠性和快速性。
附图说明
图1示出了本发明的一种手持式智能变电站继电保护调试装置的框图；
图2示出了本发明的一种智能变电站继电保护调试方法。
具体实施方式
图1示出了本发明的一种手持式智能变电站继电保护调试装置，该系统包括智能检测仪1和分析及调试系统2；
该智能检测仪1包括：
检测模块11，用于实时获取继电保护装置的波形信息；
数据转换模块12，用于实时将波形信息转换成波形数据；
数据压缩模块13，用于将波形数据进行压缩；
检测数据发送模块15，用于通过无线通信网络将压缩后的波形数据发送给分析及调试系统；
终端控制模块14，并用于智能检测仪中的各模块工作；
所述分析及调试系统2包括：
检测数据接收模块21，用于接收智能终端发送过来的波形数据；
检测数据分析模块22，用于分析所述波形数据，得到故障波形数据；
展示回放模块23，用于回放故障波形数据；
配置文件生成模块24，用于根据故障波形数据和所在变电站的SCD文件，生成继电保护装置的配制文件；
中控模块25，用于协调控制整个继电保护故障回放系统。
数据压缩模块13包括：
周期性特征提取单元，用于提取所压缩的电流、电压信号具备周期性的特征，允许包含干扰信号，所述的电流、电压信号在压缩过程中会产生前后周期的差值；
数据封装单元，将所述电流、电压信号在整个时间轴上的波形数据按照周期特征封装为多个独立的数据单元，每个数据单元配置数据头。
优选的，数据压缩模块13在压缩过程采用多种子算法依次实验的方式，获得最优的压缩比例。
具体的，数据压缩模块13采用以下算法进行数据压缩：
对于故障指示器录取的波形，采用前后波形相减的方式，将后一个波形中的某一个数据点减去前一个波形的相应的同一个数据点，以获得更小的差分数据，此差分数据通过最高位是否为1来区分正负。
将时间轴上的波形数据按照其周期时间分为多个子数据单元，每个子数据单元先按照前后波形差分的方式，得到当前波形与前一个波形的差值，并将差值进行位宽压缩。
在进行前后波形差分的过程中，每个数据单元被简化为相比于前一个波形的差值表示；搜索波形差值的最大偏差量，记录最大偏差量位数作为基准，进行位宽压缩，其差分最大位数包括表示正负的符号位。
对于首个波形作为后续波形的差分参照波形，采用两种压缩算法，一种为传统的位宽压缩算法，一种为带符号的位宽压缩算法，两种算法各统计压缩完后的数据字节数，选取数据字节数最少的作为首个波形的压缩方式。
优选的，采用多个已存在的子算法的组合，通过对子算法的最优选择，达到最大压缩比例。
所述检测数据分析模块22包括：
一次设备模型建立单元，用于基于故障波形数据，建立一次设备模型；
录波分析模型建立单元，用于将一次设备模型与故障录波文件中的录波通道进行关联，得到录波分析模型；
数据提取单元，用于从波形数据中提取故障时刻前后一段时间的故障波形数据；
故障特征量计算单元，用于根据所提取的故障时刻前后一段时间内的故障波形数据，计算各一次设备元件的故障特征量；
存储单元，用于存储录波分析模型和故障特征量，供故障诊断和事故分析使用。
优选的，所述检测数据分析模块22还包括：
波形对齐单元，用于在故障发生时，通过遍历波形数据找到该突变点，进行多故障波形数据的波形对齐。
优选的，故障特征量计算单元，具体用于：
在故障前到故障后一段时间内，每间隔10ms取一个点，根据该点的故障波形数据，计算该点的故障前后各一次设备对应的电压电流有效值、5-15次谐波值、直流分量及时间衰减常数、序分量、差流值、线路测量阻抗、频率特征量、故障测距特征量、保护动作特征量和断路器动作特征量；
接着在重合闸时刻到重合后时间范围内，每间隔10ms取一个点，根据该点的故障录波数据，计算该点的故障前后各一次设备对应的电压电流有效值、5-15次谐波值、直流分量及时间衰减常数、序分量、差流值、线路测量阻抗、频率特征量、故障测距特征量、保护动作特征量和断路器动作特征量。
图2示出了本发明的一种智能变电站继电保护调试方法，所述方法包括以下步骤：
S1.检测继电保护装置波形，并转化成波形数据；
S2.压缩所述波形数据；
S3.分析所述波形数据，得到故障波形数据；
S4.生成继电保护装置配制文件。
优选的，所述步骤S4具体包括如下步骤：
S41.导入待调试继电保护装置所在变电站的SCD文件；
S42.解析并提取全站所有IED设备并展示；
S43.结合SCD文件中被测保护装置的虚链接信息，包括该保护装置的GOOSE输出模型信息、与该装置相连接的合并单元和智能终端模型信息，以及故障波形数据，智能生成新的配置文件并保存配置文件。
优选的，在S43中，具体流程如下：根据SCD文件中与该装置相连接的合并单元模型信息以及已有SV配置，智能生成选中的待调试保护装置的SV配置；根据SCD文件中与该装置相连接的智能终端模型信息以及已有GOOSE订阅配置，智能生成选中的待测保护装置的GOOSE订阅配置；根据SCD文件中该装置GOOSE输出模型信息以及已有GOOSE发布配置，智能生成选中的待测保护装置的GOOSE发布配置。
优选的，所述步骤S2具体包括如下步骤：
S21.提取所压缩的电流、电压信号具备周期性的特征，允许包含干扰信号；所述的电流、电压信号在压缩过程中会产生前后周期的差值；
S22.将步骤S21的电流、电压信号在整个时间轴上的波形数据按照周期性封装为多个独立的数据单元，每个数据单元配置数据头；
S23.压缩过程采用多种子算法依次实验的方式，获得最优的压缩比例。
具体的，数据压缩模块13采用以下算法进行数据压缩：
对于故障指示器录取的波形，采用前后波形相减的方式，将后一个波形中的某一个数据点减去前一个波形的相应的同一个数据点，以获得更小的差分数据，此差分数据通过最高位是否为1来区分正负。
将时间轴上的波形数据按照其周期时间分为多个子数据单元，每个子数据单元先按照前后波形差分的方式，得到当前波形与前一个波形的差值，并将差值进行位宽压缩。
在进行前后波形差分的过程中，每个数据单元被简化为相比于前一个波形的差值表示；搜索波形差值的最大偏差量，记录最大偏差量位数作为基准，进行位宽压缩，其差分最大位数包括表示正负的符号位。
对于首个波形作为后续波形的差分参照波形，采用两种压缩算法，一种为传统的位宽压缩算法，一种为带符号的位宽压缩算法，两种算法各统计压缩完后的数据字节数，选取数据字节数最少的作为首个波形的压缩方式。
优选的，采用多个已存在的子算法的组合，通过对子算法的最优选择，达到最大压缩比例。
优选的，对电流电压的采样精度按照12位AD采样，每组波形包含960个采样点，共12个波形，第一步是将12个波形分为12个数据单元，每个数据单元增加数据头，每个数据单元内容有压缩类型、压缩后单点数据位宽和所压缩数据采样点数；
第二步是对12个波形中的首个波形进行压缩：在压缩时选用两种压缩方式，位宽压缩与前后点差分压缩，在进行位宽压缩时，采用12Bit的压缩方式，压缩比例为1/4；在进行前后采样点差分压缩时，将差分值最大值位宽加上符号位作为参照位宽；比较两种压缩方式，选用压缩后位宽最小的压缩算法作为首个波形的压缩方式。
第三步是取后续11个波形中的第n个波形，设波形中采样数据点表示为Pn，i，n＝[2，3，..，12]，i＝[1，2，..，80]，则对于波形Wn可表达为Wn＝{Pn，i}，i＝[1，2，..，80]；根据
其中n＝[2，3，..，11]，i＝[1，2，..，80]；
则全波形数据可做如下等价：
压缩后的波形数据单元位宽若小于等于12位，则执行n＝n+1，回到重复第三步执行；若压缩后的位宽大于12位，执行下述的第四步；
第四步，对于前后波形差分压缩算法非最优的情况，则使用前后采样点差分压缩算法，对于波形单元Wn，n＝[2，3，..，12]，Pn可做如下等效
当压缩后的波形数据单元位宽小于等于12位时，则执行n＝n+1，重复第三步；当压缩后的位宽大于12位，则执行下述的第五步；
第五步，对于前后采样点差分压缩算法非最优的情况，则使用12Bit位宽压缩方式，执行n＝n+1，回到重复第三步执行。
优选的，所述步骤S3具体包括如下步骤：
S31.基于波形数据，建立电力系统一次设备模型，将一次设备模型与故障录波文件中的录波通道进行关联，得到录波分析模型；
S32.提取故障时刻前后一段时间内的故障波形数据，计算各一次设备元件的故障特征量；
S33.将录波分析模型和故障特征量存入数据库，供故障诊断和事故分析使用。
优选的，所述步骤S31中，基于故障波形数据，建立电力系统一次设备模型，将一次设备模型与智能检测仪的录波通道进行关联，得到录波分析模型，包括：
S311.基于各故障的波形数据，建立电力系统一次设备模型；
S322.在一次设备模型中增加各波形数据中对应的多个模拟量通道号和多个开关量通道的通道号，形成录波分析模型。
优选的，所述录波分析模型包括母线模型、输电线路模型、变压器模型、断路器模型和保护装置模型；
其中，所述母线模型包括母线名称、母线编号、电压等级、相关的保护装置编号、相关的断路器设备编号和对应波形数据中的电压通道号；
所述输电线路模型包括线路名称、线路编号、电压等级、线路阻抗参数、线路长度、相关的保护装置编号、相关的断路器设备编号、对应波形数据中的电流通道号；
所述变压器模型包括变压器名称、变压器编号、二或三侧变压器卷、相关的保护装置编号；
所述断路器模型包括对应故障波形数据中开关量通道号和开关量所属信号类型；
所述保护装置模型包括对应故障波形数据中开关量通道号和开关量所属信号类型。
优选的，得到录波分析模型后，在故障发生时，通过遍历波形数据得到电流突变点，根据电流突变点进行多故障波形数据的波形对齐。
优选的，所述故障特征量包括故障前后电压电流有效值、5-15次谐波值、直流分量及时间衰减常数、序分量、差流值、线路测量阻抗、频率特征量、故障测距特征量、保护动作特征量、断路器动作特征量和波形数据；一次设备元件包括母线、输电线路、变压器和断路器。
优选的，提取故障时刻前后一段时间内的故障波形数据，计算各一次设备元件故障前后电压电流有效值、5-15次谐波值、直流分量及时间衰减常数、序分量、差流值、线路测量阻抗、频率特征量、故障测距特征量、保护动作特征量和断路器动作特征量，包括：
从各故障录波文件中提取故障时刻前后一段时间的故障波形数据；
在故障前到故障后一段时间内，每间隔10ms取一个点，根据该点的故障波形数据，计算该点故障前后各一次设备对应的电压电流有效值、5-15次谐波值、直流分量及时间衰减常数、序分量、差流值、线路测量阻抗、频率特征量、故障测距特征量、保护动作特征量和断路器动作特征量；
在重合闸时刻到重合后时间范围内，每间隔10ms取一个点，根据该点的故障波形数据，计算该点故障前后各一次设备对应的电压电流有效值、5-15次谐波值、直流分量及时间衰减常数、序分量、差流值、线路测量阻抗、频率特征量、故障测距特征量、保护动作特征量和断路器动作特征量。
优选的，提取故障时刻前后一段时间内的故障波形数据，计算各一次设备元件故障前后波形数据，包括：
分别从各故障录波文件中提取母线对应的三相电压的波形数据、线路对应的三相电压和三相电流的波形数据、变压器各侧及中性点对应的三相电压和三相电流的波形数据以及断路器对应的三相电流的波形数据；
将提取到的波形数据进行统一归一化处理，并计算各一次设备元件故障前3周波波形数据、故障后10周波波形数据和重合闸后10周波波形数据一次值；
按照COMTRADE文件格式存储各一次设备元件故障前3周波波形数据、故障后10周波波形数据和重合闸后10周波波形数据一次值。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种手持式智能变电站继电保护调试装置，该系统包括智能检测仪和分析及调试系统；
该智能检测仪包括：
检测模块，用于实时获取继电保护装置的波形信息；
数据转换模块，用于实时将波形信息转换成波形数据；
数据压缩模块，用于将波形数据进行压缩；
检测数据发送模块，用于通过无线通信网络将压缩后的波形数据发送给分析及调试系统；
终端控制模块，并用于智能检测仪中的各模块工作；
所述分析及调试系统包括：
检测数据接收模块，用于接收智能终端发送过来的波形数据；
检测数据分析模块，用于分析所述波形数据，得到故障波形数据；
展示回放模块，用于回放故障波形数据；
配置文件生成模块，用于根据故障波形数据和所在变电站的SCD文件，生成继电保护装置的配制文件；
中控模块，用于协调控制整个继电保护故障回放系统。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述配置文件生成模块包括：
变电站SCD文件导入单元，用于导入待调试继电保护装置所在变电站的SCD文件；
SCD文件解析及展示单元，解析并提取全站所有IED设备并展示；
配置文件智能生成单元，结合SCD文件中被测保护装置的虚链接信息，包括该保护装置的GOOSE输出模型信息、与该装置相连接的合并单元和智能终端模型信息，以及故障波形数据，智能生成新的配置文件并保存配置文件。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，数据压缩模块包括：
周期性特征提取单元，用于提取所压缩的电流、电压信号具备周期性的特征，允许包含干扰信号，所述的电流、电压信号在压缩过程中会产生前后周期的差值；
数据封装单元，将所述电流、电压信号在整个时间轴上的波形数据按照周期特征封装为多个独立的数据单元，每个数据单元配置数据头。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，数据压缩模块在压缩过程采用多种子算法依次实验的方式，获得最优的压缩比例；
具体的，数据压缩模块采用以下算法进行数据压缩：
对于故障指示器录取的波形，采用前后波形相减的方式，将后一个波形中的某一个数据点减去前一个波形的相应的同一个数据点，以获得更小的差分数据，此差分数据通过最高位是否为1来区分正负；
将时间轴上的波形数据按照其周期时间分为多个子数据单元，每个子数据单元先按照前后波形差分的方式，得到当前波形与前一个波形的差值，并将差值进行位宽压缩；
在进行前后波形差分的过程中，每个数据单元被简化为相比于前一个波形的差值表示；搜索波形差值的最大偏差量，记录最大偏差量位数作为基准，进行位宽压缩，其差分最大位数包括表示正负的符号位；
对于首个波形作为后续波形的差分参照波形，采用两种压缩算法，一种为传统的位宽压缩算法，一种为带符号的位宽压缩算法，两种算法各统计压缩完后的数据字节数，选取数据字节数最少的作为首个波形的压缩方式。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述检测数据分析模块包括：
一次设备模型建立单元，用于基于故障波形数据，建立一次设备模型；
录波分析模型建立单元，用于将一次设备模型与故障录波文件中的录波通道进行关联，得到录波分析模型；
数据提取单元，用于从波形数据中提取故障时刻前后一段时间的故障波形数据；
故障特征量计算单元，用于根据所提取的故障时刻前后一段时间内的故障波形数据，计算各一次设备元件的故障特征量；
存储单元，用于存储录波分析模型和故障特征量，供故障诊断和事故分析使用。
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