CN109557401A - 一种智能变电站二次回路延时特性的分析方法 - Google Patents

Abstract

一种智能变电站二次回路延时特性分析方法，所述分析方法包括根据二次回路中传输的信息差异，将二次回路延时检测分为二次值传输延时和间隔内动作延时两类，分别检测这两部分延时，计算得到智能变电站二次回路的总延时。本申请充分考虑智能变电站二次回路整组延时的测试及延时对继电保护影响，能够切实地测量二次回路中单个装置的延时以及回路整体延时，供工作人员从整体把握智能变电站运行维护。本申请适用于智能变电站二次回路延时测试。本申请技术成熟、可靠性高。

Description

一种智能变电站二次回路延时特性的分析方法

技术领域

本发明属于电气工程，尤其是智能电网技术领域，涉及一种智能变电站二次回路延时特性的分析方法，以智能变电站二次回路的整组性能为研究对象，从电子式互感器或传统互感器采集，经合并单元、保护装置、智能终端等装置传输，到断路器跳闸的数据流进行分析，从而得出每个环节的延时特性以及二次回路的整组性能。

背景技术

智能变电站相对传统式变电站，其二次回路结构复杂、装置增多，跳闸回路的延时环节相应增加，以及组网的通讯模式，使二次回路中的延时不确定性增加，这些因素对继电保护产生着不可忽视的影响。

智能变电站是统一坚强智能电网的重要组成部分和关键环节，采用先进的传感、信息、通信、控制、人工智能等技术，建立全站所有信息采集、传输、分析、处理的数字化统一应用的平台，实现变电站的信息化、自动化、互动化。相对于传统变电站二次回路一对一的信号传输模式，智能变电站二次回路的传输环节增多、网络资源竞争和信息分布采样的特点反而降低了其综合性能。目前，对智能变电站二次回路的测试多面向单个的智能装置，而对智能变电站二次回路整组延时的测试却相对较少，延时对继电保护影响的研究就更少了。

本申请首先分析智能变电站二次回路中所存在的延时环节，再针对二次回路中信息传输的形式提出对整个回路延时的检测方法和实验方案。该实验方案不仅可以实现对二次回路整体延时特性的测试，还能完成对单个装置的检测，且测试仪器利用GPS同步时钟校时，不依赖站内时钟，时钟精度高，测量准确。最后给出一组采用本申请实验方法的测试仪器的测量结果，实验表明测试仪器能够完成对智能变电站内单个装置、多个装置以整条回路的精密测量。本申请提出的二次回路延时检测方案，测量精度高、操作简单、易于实现，对二次回路中装置的运行维护具有一定的指导意义。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本申请以智能变电站二次回路的整组性能为研究对象，提出对智能变电站二次回路延时问题的测试方案。该方案将从电子式互感器或传统互感器采集，经合并单元、保护装置、智能终端等装置传输，到断路器跳闸的数据流进行分析，从而得出每个环节的延时特性以及二次回路的整组性能。

为实现上述发明目的，本申请的技术方案如下：

一种智能变电站二次回路延时特性分析方法，其特征在于：

所述分析方法包括根据二次回路中传输的信息差异，将二次回路延时检测分为二次值传输延时和间隔内动作延时两类，分别检测这两部分延时，并通过应用测试来验证其可行性。

根据权利要求1所述的智能变电站二次回路延时特性分析方法，其特征在于，所述智能变电站二次回路延时特性分析方法包括以下步骤：

步骤1：监测二次值在二次回路中的传输延时；在二次回路中，对模拟量的采集和对数字报文的接收后，各个环节中二次值均为带有时间信息的离散值，按时间顺序将其电流/电压波形进行还原，再比较回路中各处电流/电压波形的相位差，计算出二次回路中传输延时；

步骤2：监测二次回路在间隔内的动作延时；对于间隔内的动作延时，通过互感器测试仪给电子式互感器加故障量或通过光数字继电保护测试仪给合并单元或保护装置发送故障报文，对模拟量或报文中故障点时刻和开关量或报文中断路器状态跳变时刻进行比较，从而得出回路中各处动作的时延；

步骤3：当电子式互感器接收到合并单元(MU)的同步采样信号，经调理和A/D转换后将采样值数据发送至合并单元，合并单元接收多路同步采样值并进行相位差补偿、内同步以及打时标处理，最后按报文格式将数据组帧发往交换机，采样值报文经交换机处理并按照通信规约在网络中传播，保护装置从网络上获得数据包并进行解包操作及数据分析，再将含有跳闸命令的GOOSE报文发给交换机，最终智能终端从交换机网络中获取所需的含动作命令的GOOSE报文。

本发明进一步包括以下优选方案：

在步骤1中，二次值以模拟量和数字报文的形式在二次回路的不同环节中传输；

其中，模拟量为电网中连续的工频正弦电流/电压信号，而数字报文包括FT3报文、SV报文，为一连串离散的采样值报文，在每一帧采样值报文中记录着同一时间断面的多路电流/电压采样值，每路采样值是通过电子式互感器或合并单元对电网中工频的交流模拟量信号进行等时间间隔的采集、A/D转换得到的数字量。

在步骤2中，对于间隔内的动作延时，通过互感器测试仪给电子式互感器加故障量或通过光数字继电保护测试仪给合并单元或保护装置发送故障报文，对模拟量或报文中故障点时刻和开关量或报文中断路器状态跳变时刻进行比较，从而得出回路中各处动作的时延。

本申请的有益效果如下：

1、首先分析智能变电站二次回路中所存在的延时环节，再针对二次回路中信息传输的形式提出对整个回路延时的检测方法和实验方案。

2、该实验方案不仅可以实现对二次回路整体延时特性的测试，还能完成对单个装置的检测，且测试仪器利用GPS同步时钟校时，不依赖站内时钟，时钟精度高，测量准确。

3、本申请提出的二次回路延时检测方案，技术成熟、可靠性高，对二次回路中装置的运行维护具有一定的指导意义。

附图说明图1为传统变电站二次回路示意图；

图2为智能变电站二次回路示意图；

图3为本申请智能变电站二次回路延时特性分析方法流程示意图；

图4为本申请智能变电站二次回路延时特性分析方法中的相位差延时计算原理；

图5为零号包延时计算原理图；

图6为间隔内动作信号延时计算原理图；

图7为本发明二次回路延时测试装置的原理结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

传统变电站采用电磁式互感器输出的模拟量采样值经电缆直接并行送入二次设备，如附图1所示，由保护设备完成多路模拟量的同步采样，采样值传输延时固定且数值很小。智能变电站采用电子式互感器，其输出为数字采样值，二次回路从信号采样到智能终端(IED)接收到动作信号，其数据流所要经历的环节如下：当电子式互感器接收到合并单元(MU)的同步采样信号，经调理和A/D转换后将采样值数据发送至合并单元，合并单元接收多路同步采样值并进行相位差补偿、内同步以及打时标等处理，最后按报文格式将数据组帧发往交换机，采样值(Sampled Value，SV)报文经交换机处理并按照通信规约在网络中传播，保护装置从网络上获得数据包并进行解包操作及数据分析，再将含有跳闸命令的GOOSE报文发给交换机，最终智能终端从交换机网络中获取所需的含动作命令的GOOSE报文。

智能变电站二次回路结构如附图2所示：与传统变电站相比，智能变电站二次回路中增加了很多数据转换和信息传输的环节，这在实现信息共享的同时牺牲了信息传输的实时性。A/D转换、光电信号转换、以太网信息交换的竞争等待、报文的编码与解码、交换机的报文接收与转发都存在着一定的延时。此外，交换机网络的竞争机制导致了信息传输延时的不确定性。特别是在电网故障或系统规模扩大时，交换机网络的负载率过高，将会出现报文超时到达，甚至报文丢失，不能保证时延的确定性。

破坏电力系统正常运行的最常见的原因就是各种类型的短路故障。在发生短路时，故障点的阻抗变得很小，电流在瞬间升高，产生很大电动力和高温，破坏电力系统元件；且短路时电压骤降将严重影响电力设备的运行，严重时甚至会导致电力系统瘫痪。所以在电力系统发生故障时，要求能够在极短的时间内将故障切除，尽可能将损失降到最低。

目前国家电网公司对智能变电站内装置规定了其技术指标，对智能变电站保护装置的动作时间规定有：线路纵联保护装置的动作时间不大于30ms、母差保护装置动作时间不大于30ms、变压器保护装置差动速断保护装置动作时间不大于20ms等，对于其他相关设备的延时特性，中国国家电网公司有着如下的规定：

1)对于电子式互感器，其额定延时不大于2T_s即两个采样周期；

2)MU采样值报文采样延时应小于2ms，点对点采样值发送最大时间差不应大于10μs；

3)智能终端动作延时不大于7ms；

4)交换机交换实验小于10μs。

而对于智能变电站二次回路保护整组动作时间T(ms)只给出如下式所示的定义，并未提出明确的性能指标。

T＝t_sm+t_t1+t_p+t_t2+t_st (1)

式中：

t_sm为采样延时，t_t1为合并单元MU到保护装置传输时间，t_p为保护装置动作时间，t_t2为保护装置到智能终端传输时间，t_st为智能终端动作时间。

对于上述装置在运行使用中能否达到国家规定的技术指标，二次回路中各个环节数据传输延时大小，以及会对电网运行产生什么结果，运行维护人员并不能确切掌握。随着智能电网规模的扩大，站内装置的增多，即使对各装置规定了时延的指标，但由此造成二次回路整体延时的不确定性也就更大。由于信息传输的延时，智能变电站中保护装置可能会出现拒动、误动等，对电网、用户造成不可预计的损失，所以对二次回路的综合性能开展客观的分析和定量的测试很有必要。

为此，本申请公开了一种智能变电站二次回路延时特性分析方法，如附图3所示，所述智能变电站二次回路延时特性分析方法包括以下步骤：

在智能变电站二次回路的延时测试中，根据二次回路中传输的信息差异，可将二次回路延时检测分为二次值传输延时和间隔内动作延时两类，通过不同的实验方法检测这两部分延时。

在智能变电站中，二次值主要以模拟量、FT3报文、SV报文的形式在二次回路的不同环节中传输。模拟量为电网中连续的工频正弦电流/电压信号，而数字报文为一连串离散的采样值报文，在每一帧采样值报文中记录着同一时间断面的多路电流/电压采样值，每路采样值是通过电子式互感器或合并单元对电网中工频的交流模拟量信号进行等时间间隔的采集、A/D转换得到的数字量。参见附图4，通过测试仪对模拟量的采集和对数字报文的接收后，各个环节中二次值均为带有时间信息的离散值，可按时间顺序将其电流/电压波形进行还原，再比较回路中各处电流/电压波形的相位差，从而计算出二次回路中传输延时。

对于电网波形的相位差测量，常用的处理方法主要有：过零点法、相关法、频谱分析法等，其中频谱分析法利用离散傅立叶变换(discrete Fourier transform，DFT)原理将时域信号变换到频域，再根据相频特性来确定两个信号的相位差，具有较强的抗干扰能力，在电力系统相位差研究中具有较广泛的应用。在采用频谱分析法计算交流信号的相位差时，数据采集系统采集交流信号时的同步性对分析结果有着决定性的影响，而在实际测量中，由于硬件设备的限制以及电网信号频率的缓慢波动，使得理想的同步采样很难实现。在非同步采样条件下，利用DFT算法对信号分析时会出现长、短范围的频谱泄漏，造成测量误差。因此在采用DFT算法的同时，通常加入合适的窗函数来减小频谱泄漏，并使用插值法来消除栅栏效应引起的误差。

此外，对于合并单元的延时也可以计算零号包的方法获得。合并单元在外同步时，SV报文的零号包将在每秒的0时刻发出，所以合并单元的延时可由零号包的接收时刻得到。零号包延时计算原理如附图5所示。

动作信号延时计算原理如附图6所示。间隔内动作延时的分析需通过在二次值中引入故障量，可通过OMICRON测试仪给电子式互感器加故障量或通过光数字继电保护测试仪给合并单元或保护装置发送故障报文，从而测试智能变电站二次回路的动作延时。动作延时的计算可对模拟量或报文中故障点时刻和开关量或报文中断路器状态跳变时刻进行比较，从而得出回路中各处动作的时延。

如附图7所示，本申请还公开了一种根据智能变电站二次回路性能分析方法的二次回路延时测试装置。

本测试装置的功能模块包括处理器、CT回路状态监测单元、二次回路传输延时单元、间隔内动作延时单元、二次回路检测结果输出单元。

该测试仪具有多种接口，可同时接收多路模拟量、开关量、FT3报文、SV报文以及GOOSE报文，并具备对数据处理、存储、分析的能力。在接收模拟量、开关量以及数字报文的同时，测试仪利用数据处理实时性很高的FPGA芯片对其打“时间戳”，确保后续波形还原和数据分析的准确性。测试仪通过接收GPS接收机传来的IRIG-B码维护内部时钟，并采用一定的补偿算法，提高装置时间信息的精确性。

采用上述智能变电站二次回路测试仪对一未投运的智能站二次回路实地测试，表1为其中一个间隔的延时测试结果，该间隔包含合并单元、保护装置和智能终端三个装置，结构简单，延时环节较少，通过对间隔内信息的采集与分析，得到其延时特性如下表所示。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种智能变电站二次回路延时特性分析方法，其特征在于：

所述分析方法包括根据二次回路中传输的信息差异，将二次回路延时检测分为二次值传输延时和间隔内动作延时两类，分别检测这两部分延时，并通过应用测试来验证其可行性。

2.根据权利要求1所述的智能变电站二次回路延时特性分析方法，其特征在于，所述智能变电站二次回路延时特性分析方法包括以下步骤：

步骤1：监测二次值在二次回路中的传输延时；在二次回路中，对模拟量的采集和对数字报文的接收后，各个环节中二次值均为带有时间信息的离散值，按时间顺序将其电流/电压波形进行还原，再比较回路中各处电流/电压波形的相位差，计算出二次回路中传输延时；

步骤2：监测二次回路在间隔内的动作延时；对于间隔内的动作延时，通过互感器测试仪给电子式互感器加故障量或通过光数字继电保护测试仪给合并单元或保护装置发送故障报文，对模拟量或报文中故障点时刻和开关量或报文中断路器状态跳变时刻进行比较，从而得出回路中各处动作的时延；

步骤3：当电子式互感器接收到合并单元(MU)的同步采样信号，经调理和A/D转换后将采样值数据发送至合并单元，合并单元接收多路同步采样值并进行相位差补偿、内同步以及打时标处理，最后按报文格式将数据组帧发往交换机，采样值报文经交换机处理并按照通信规约在网络中传播，保护装置从网络上获得数据包并进行解包操作及数据分析，再将含有跳闸命令的GOOSE报文发给交换机，最终智能终端从交换机网络中获取所需的含动作命令的GOOSE报文。

3.根据权利要求2所述的智能变电站二次回路延时特性分析方法，其特征在于：

在步骤1中，二次值以模拟量和数字报文的形式在二次回路的不同环节中传输；

其中，模拟量为电网中连续的工频正弦电流/电压信号，而数字报文包括FT3报文、SV报文，为一连串离散的采样值报文，在每一帧采样值报文中记录着同一时间断面的多路电流/电压采样值，每路采样值是通过电子式互感器或合并单元对电网中工频的交流模拟量信号进行等时间间隔的采集、A/D转换得到的数字量。

4.根据权利要求2所述的智能变电站二次回路延时特性分析方法，其特征在于：

在步骤2中，对于间隔内的动作延时，通过互感器测试仪给电子式互感器加故障量或通过光数字继电保护测试仪给合并单元或保护装置发送故障报文，对模拟量或报文中故障点时刻和开关量或报文中断路器状态跳变时刻进行比较，从而得出回路中各处动作的时延。