淺談數(shù)字化變電站信號(hào)傳輸整周期延時(shí)檢測(cè)方法研究

王煒，宋樹(shù)宏，王偉恒，王佳錚，于雷，于同偉，周博

（1.國(guó)網(wǎng)沈陽(yáng)供電公司；2．國(guó)網(wǎng)遼寧省有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

隨著低碳生活的興起以及可再生能源的利用，電力系統(tǒng)進(jìn)行了全方位的優(yōu)化，數(shù)字化電網(wǎng)開(kāi)始在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。數(shù)字化變電站是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵，集信息采集、傳輸、處理以及輸出于一體，采用網(wǎng)絡(luò)化的通信系統(tǒng)、智能化的設(shè)備以及自動(dòng)化的運(yùn)行管理方式，是當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。數(shù)字化變電站在信號(hào)處理和傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的延遲，造成數(shù)倍工頻周期的延時(shí)，進(jìn)而引發(fā)繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)和拒動(dòng)。現(xiàn)有的延時(shí)檢測(cè)故障裝置在識(shí)別數(shù)字化變電站信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，因此，需要針對(duì)數(shù)字變電站延時(shí)故障研究一種延時(shí)檢測(cè)方法。本文通過(guò)分析數(shù)字化變電站采集系統(tǒng)絕對(duì)延時(shí)中調(diào)整周期延遲的產(chǎn)生機(jī)理，探究準(zhǔn)確檢測(cè)電子式互感器絕對(duì)延時(shí)的方式，以解決延時(shí)識(shí)別、延時(shí)檢測(cè)精準(zhǔn)度以及延時(shí)計(jì)算精確等問(wèn)題。

1 絕對(duì)傳輸延時(shí)組成

數(shù)字化變電站絕對(duì)傳輸延遲是特定電氣量從出現(xiàn)到接受設(shè)備之間的絕對(duì)時(shí)間差。在數(shù)字化變電站中，數(shù)字信號(hào)通過(guò)光纖和以太網(wǎng)傳輸，相對(duì)傳統(tǒng)變電站使用電纜傳輸信號(hào)，數(shù)字化變電站信號(hào)傳播的介質(zhì)以及傳播方式有了顛覆性的改變。在信號(hào)傳輸過(guò)程中，數(shù)模轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)都會(huì)導(dǎo)致絕對(duì)延時(shí)。

絕對(duì)傳輸延遲主要由電子式互感器固有延遲tET、合并單元處理延時(shí)tMU以及網(wǎng)絡(luò)延時(shí)tInt三部分組成。tET主要有采樣器延時(shí)、采集數(shù)據(jù)互感器采樣相位偏移φor、高壓側(cè)傳感頭的采樣反應(yīng)延時(shí)、模/數(shù)（A/D）采樣器、電/光轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理延時(shí)tds、采集模塊數(shù)據(jù)發(fā)送及傳輸延時(shí)tdt1等組成；tMU主要由單元數(shù)據(jù)組及合并單元間時(shí)鐘同步延時(shí)ta、數(shù)字處理延時(shí)tdc、故障延時(shí)tf組成。tMU一般被認(rèn)為是固定在毫秒級(jí)別，而tInt主要由交換機(jī)延時(shí)Tdl、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)Tcs構(gòu)成，屬于不確定的、可變化延時(shí)，一般可達(dá)到毫秒級(jí)別。

2 延時(shí)現(xiàn)象及其成因分析

數(shù)字化變電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要在過(guò)程層和間隔層，包括電子互感器、合并單元、交換機(jī)、過(guò)程總線等設(shè)備。在正常情況下，數(shù)字化變電站絕對(duì)傳輸延時(shí)必須小于3ms，工頻周期延時(shí)一定會(huì)小于20ms。數(shù)字信號(hào)在傳輸時(shí)，如果處理邏輯以及算法設(shè)計(jì)存在故障，會(huì)導(dǎo)致邏輯循環(huán)或者誤判等現(xiàn)象發(fā)生，造成延時(shí)故障。數(shù)字化變電站電氣設(shè)備為了監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)以及分析故障，會(huì)配置一定的緩存區(qū)進(jìn)行錄波儲(chǔ)存，該緩存區(qū)域的空間的大小一般為多個(gè)周期。設(shè)備在工作過(guò)程中出現(xiàn)邏輯判斷錯(cuò)誤，會(huì)導(dǎo)致緩存區(qū)數(shù)據(jù)重復(fù)讀取，進(jìn)而導(dǎo)致整周期延時(shí)發(fā)生。例如，緩存區(qū)域空間為五個(gè)周期，會(huì)產(chǎn)生100ms的延時(shí)。由于延時(shí)會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)和拒動(dòng)，引發(fā)停電事故。工頻電流為正弦波，正弦波的周期性和對(duì)稱性使整周期延時(shí)具有較強(qiáng)的隱蔽性，常規(guī)手段無(wú)法檢測(cè)。由于邏輯循環(huán)或者誤判引發(fā)的整周期延時(shí)，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)比較完整，一般方法無(wú)法進(jìn)行識(shí)別和解決，為了保證繼電保護(hù)裝置的正常運(yùn)行，需要對(duì)傳輸系統(tǒng)的整周期延遲進(jìn)行深入的研究，以準(zhǔn)確地檢測(cè)整周期延時(shí)。

3 基于數(shù)字化編碼波形的整周期延時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)

穩(wěn)態(tài)正弦固有波有對(duì)稱性和周期性的特點(diǎn)，現(xiàn)有的檢測(cè)方法在檢測(cè)整周期延遲時(shí)需要額外配置時(shí)鐘，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)要求比較高，在操作上具有非常大的局限性。整周期延時(shí)檢測(cè)對(duì)象是一定規(guī)律排列的非連續(xù)正弦波，對(duì)正弦信號(hào)燈周期以及零信號(hào)周期定義，按照一定的邏輯預(yù)設(shè)編碼，可以對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)每個(gè)周期的正弦波進(jìn)行順序編碼，以便識(shí)別整周期延時(shí)。整周期延時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)有數(shù)字化編碼源、合并模塊、交換機(jī)、控制工作站以及模擬信號(hào)采集系統(tǒng)構(gòu)成。整周期延時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)利用電力電子變流技術(shù)，通過(guò)控制工作站對(duì)正弦波進(jìn)行邏輯編碼，輸出非連續(xù)正弦電壓/電流。

檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理：在數(shù)字化編碼波形的基礎(chǔ)上，整周期延時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)利用控制工作站設(shè)定電流或者電壓波形編碼序列并下發(fā)到數(shù)字化編碼電源；控制工作站下發(fā)指令后，編碼電源輸出預(yù)定電流和電壓信號(hào)，并啟動(dòng)采集系統(tǒng)；預(yù)設(shè)波形輸出完全后，控制工作站就可以接受到合并單元發(fā)出的采樣結(jié)果；通過(guò)和控制工作站采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，利用特點(diǎn)判斷法對(duì)延遲進(jìn)行判斷。

4 整周期延時(shí)檢測(cè)方法

在數(shù)字化變電站中，以數(shù)字編碼波行作為測(cè)試源，可以識(shí)別偏離位置，對(duì)每個(gè)周波進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)整周期延時(shí)的檢測(cè)。延時(shí)分析模塊配置有偏置位置儲(chǔ)存器，在識(shí)別偏置位置可以采用查表法，標(biāo)準(zhǔn)采樣量的區(qū)間編碼序列所有偏置按順序存儲(chǔ)在該存儲(chǔ)器中，生成相應(yīng)的偏置量和偏置序列的對(duì)應(yīng)表。為了避免不同的偏置量和偏置序列出現(xiàn)重復(fù)，測(cè)試源編碼序列應(yīng)該采用偽隨機(jī)序列。波形圖中的波峰和波谷對(duì)應(yīng)的編碼，可以作為特征量判定的依據(jù)，對(duì)所有存在的偏置順序進(jìn)行儲(chǔ)存。

在檢測(cè)整周期延時(shí)過(guò)程中，工作站時(shí)鐘是判斷模塊編碼的基準(zhǔn)，設(shè)定采樣率為4k/s，以40個(gè)采樣點(diǎn)為判斷單元，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采樣量和待測(cè)數(shù)字量對(duì)單元特征量進(jìn)行判斷，從而得到標(biāo)準(zhǔn)采樣量和待測(cè)采樣量判斷單元的特征量，進(jìn)而得到連接相應(yīng)的波形圖中波峰和波谷的編碼值，根據(jù)編碼值就可以對(duì)整周期延時(shí)進(jìn)行計(jì)算。假定幅值為50%為判斷限值X，由于采樣點(diǎn)具有離散型，當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)大于X記為1，小于X則記為0，得到采樣點(diǎn)編碼，然后，根據(jù)三個(gè)區(qū)間內(nèi)編碼的上升或者下降變化，得到相應(yīng)的區(qū)間編碼。測(cè)量所得的區(qū)間編碼就是標(biāo)準(zhǔn)采樣序列的半周期編碼，經(jīng)過(guò)若干半周期偏置的序列。

當(dāng)接收到的待測(cè)序列與所有的偏置序列同時(shí)運(yùn)行，根據(jù)偏置量表查到和序列相匹配的偏置值τ，偏置量τ是整周期偽隨機(jī)序列獲得半周期延遲后的偏置值。根據(jù)三相電源綜合儀器T可計(jì)算得到整周期延時(shí)t：

其中[]為取整符號(hào)，T為工頻周期。

5 智能變電站整周期延時(shí)檢測(cè)案例概述

國(guó)網(wǎng)沈陽(yáng)供電公司在線損指標(biāo)整治中，發(fā)現(xiàn)線損嚴(yán)重超標(biāo)，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)某變電站主變損耗超過(guò)3%，66kV線路負(fù)損耗。在排除設(shè)備故障時(shí)，應(yīng)用RTDS建模對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，對(duì)中性點(diǎn)電壓偏移進(jìn)行理論和仿真分析。相電壓在上述原因不平衡的情況下，采用三相四線和三相三線制計(jì)算電能量無(wú)差別，排除了電能表問(wèn)題；由于所有數(shù)字表均出現(xiàn)問(wèn)題，可以排除單間隔電流問(wèn)題；由于電壓均取自母線具備全局影響的條件，因此重點(diǎn)懷疑信號(hào)傳輸正周期延時(shí)是造成線損的主要原因。

數(shù)字化變電站的電壓取自母線，母線合并單元（PCS-221N）將電壓送給每個(gè)間隔，間隔電流合并單元將收到的電壓與電流進(jìn)行同步后發(fā)送給其他設(shè)備。應(yīng)用電子式互感器測(cè)試儀，對(duì)變母線合并單元進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果為采樣延時(shí)558us，表明角比差均合格。對(duì)電壓經(jīng)母線合并單元及間隔合并單元輸出進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果為角差4度，意味著此次結(jié)果嚴(yán)重超差，做到對(duì)問(wèn)題的定位和發(fā)現(xiàn)。后續(xù)用相位表測(cè)量實(shí)際電壓電流相位差，再次確定了問(wèn)題。

在對(duì)其他間隔進(jìn)行測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)電壓和電流同步的配置存在明顯誤差，經(jīng)與專業(yè)和技術(shù)人員交流，重新調(diào)整參數(shù)后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試解決了問(wèn)題。由于設(shè)置參數(shù)和采樣延時(shí)有著直接的關(guān)聯(lián)，因此，各合并單元檢測(cè)調(diào)整的參數(shù)存在差異，利用電容器間隔驗(yàn)證后，將參數(shù)修改后角差小于1分。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)整過(guò)程中，必須進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，最后以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)傳輸整周期延時(shí)檢測(cè)方法的有效應(yīng)用。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，技術(shù)與數(shù)字化編碼非連續(xù)正弦延遲信號(hào)的整周期延時(shí)，以編碼波對(duì)波形進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，可以對(duì)整周期延時(shí)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，同時(shí)，采用獨(dú)立存儲(chǔ)，對(duì)延時(shí)進(jìn)行計(jì)算，該方法連線簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，在數(shù)字化變電站點(diǎn)對(duì)點(diǎn)絕對(duì)傳輸延時(shí)的檢測(cè)中發(fā)揮著巨大的作用。