淺談數字化變電站信號傳輸整周期延時檢測方法研究

王煒，宋樹宏，王偉恒，王佳錚，于雷，于同偉，周博

（1.國網沈陽供電公司；2．國網遼寧省有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110000）

隨著低碳生活的興起以及可再生能源的利用，電力系統進行了全方位的優化，數字化電網開始在電力系統中發揮著越來越重要的作用。數字化變電站是智能電網的關鍵，集信息采集、傳輸、處理以及輸出于一體，采用網絡化的通信系統、智能化的設備以及自動化的運行管理方式，是當前電力系統發展的趨勢。數字化變電站在信號處理和傳輸時會產生一定的延遲，造成數倍工頻周期的延時，進而引發繼電保護裝置的誤動和拒動。現有的延時檢測故障裝置在識別數字化變電站信號時會產生較大的誤差，因此，需要針對數字變電站延時故障研究一種延時檢測方法。本文通過分析數字化變電站采集系統絕對延時中調整周期延遲的產生機理，探究準確檢測電子式互感器絕對延時的方式，以解決延時識別、延時檢測精準度以及延時計算精確等問題。

1 絕對傳輸延時組成

數字化變電站絕對傳輸延遲是特定電氣量從出現到接受設備之間的絕對時間差。在數字化變電站中，數字信號通過光纖和以太網傳輸，相對傳統變電站使用電纜傳輸信號，數字化變電站信號傳播的介質以及傳播方式有了顛覆性的改變。在信號傳輸過程中，數模轉換、光電轉換、數據處理以及數據傳輸等環節都會導致絕對延時。

絕對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tMU以及網絡延時tInt三部分組成。tET主要有采樣器延時、采集數據互感器采樣相位偏移φor、高壓側傳感頭的采樣反應延時、模/數（A/D）采樣器、電/光轉換器的轉換等數據處理延時tds、采集模塊數據發送及傳輸延時tdt1等組成；tMU主要由單元數據組及合并單元間時鐘同步延時ta、數字處理延時tdc、故障延時tf組成。tMU一般被認為是固定在毫秒級別，而tInt主要由交換機延時Tdl、網絡延時Tcs構成，屬于不確定的、可變化延時，一般可達到毫秒級別。

2 延時現象及其成因分析

數字化變電站數據采集系統主要在過程層和間隔層，包括電子互感器、合并單元、交換機、過程總線等設備。在正常情況下，數字化變電站絕對傳輸延時必須小于3ms，工頻周期延時一定會小于20ms。數字信號在傳輸時，如果處理邏輯以及算法設計存在故障，會導致邏輯循環或者誤判等現象發生，造成延時故障。數字化變電站電氣設備為了監測運行狀態以及分析故障，會配置一定的緩存區進行錄波儲存，該緩存區域的空間的大小一般為多個周期。設備在工作過程中出現邏輯判斷錯誤，會導致緩存區數據重復讀取，進而導致整周期延時發生。例如，緩存區域空間為五個周期，會產生100ms的延時。由于延時會導致繼電保護裝置的誤動和拒動，引發停電事故。工頻電流為正弦波，正弦波的周期性和對稱性使整周期延時具有較強的隱蔽性，常規手段無法檢測。由于邏輯循環或者誤判引發的整周期延時，數據幀結構比較完整，一般方法無法進行識別和解決，為了保證繼電保護裝置的正常運行，需要對傳輸系統的整周期延遲進行深入的研究，以準確地檢測整周期延時。

3 基于數字化編碼波形的整周期延時檢測系統

穩態正弦固有波有對稱性和周期性的特點，現有的檢測方法在檢測整周期延遲時需要額外配置時鐘，對現場要求比較高，在操作上具有非常大的局限性。整周期延時檢測對象是一定規律排列的非連續正弦波，對正弦信號燈周期以及零信號周期定義，按照一定的邏輯預設編碼，可以對正弦信號進行測試。對每個周期的正弦波進行順序編碼，以便識別整周期延時。整周期延時檢測系統有數字化編碼源、合并模塊、交換機、控制工作站以及模擬信號采集系統構成。整周期延時檢測系統利用電力電子變流技術，通過控制工作站對正弦波進行邏輯編碼，輸出非連續正弦電壓/電流。

檢測系統的工作原理：在數字化編碼波形的基礎上，整周期延時檢測系統利用控制工作站設定電流或者電壓波形編碼序列并下發到數字化編碼電源；控制工作站下發指令后，編碼電源輸出預定電流和電壓信號，并啟動采集系統；預設波形輸出完全后，控制工作站就可以接受到合并單元發出的采樣結果；通過和控制工作站采集數據進行對比，利用特點判斷法對延遲進行判斷。

4 整周期延時檢測方法

在數字化變電站中，以數字編碼波行作為測試源，可以識別偏離位置，對每個周波進行定位，實現對整周期延時的檢測。延時分析模塊配置有偏置位置儲存器，在識別偏置位置可以采用查表法，標準采樣量的區間編碼序列所有偏置按順序存儲在該存儲器中，生成相應的偏置量和偏置序列的對應表。為了避免不同的偏置量和偏置序列出現重復，測試源編碼序列應該采用偽隨機序列。波形圖中的波峰和波谷對應的編碼，可以作為特征量判定的依據，對所有存在的偏置順序進行儲存。

在檢測整周期延時過程中，工作站時鐘是判斷模塊編碼的基準，設定采樣率為4k/s，以40個采樣點為判斷單元，根據標準采樣量和待測數字量對單元特征量進行判斷，從而得到標準采樣量和待測采樣量判斷單元的特征量，進而得到連接相應的波形圖中波峰和波谷的編碼值，根據編碼值就可以對整周期延時進行計算。假定幅值為50%為判斷限值X，由于采樣點具有離散型，當采樣點數據大于X記為1，小于X則記為0，得到采樣點編碼，然后，根據三個區間內編碼的上升或者下降變化，得到相應的區間編碼。測量所得的區間編碼就是標準采樣序列的半周期編碼，經過若干半周期偏置的序列。

當接收到的待測序列與所有的偏置序列同時運行，根據偏置量表查到和序列相匹配的偏置值τ，偏置量τ是整周期偽隨機序列獲得半周期延遲后的偏置值。根據三相電源綜合儀器T可計算得到整周期延時t：

其中[]為取整符號，T為工頻周期。

5 智能變電站整周期延時檢測案例概述

國網沈陽供電公司在線損指標整治中，發現線損嚴重超標，通過檢測發現某變電站主變損耗超過3%，66kV線路負損耗。在排除設備故障時，應用RTDS建模對中性點不接地系統，對中性點電壓偏移進行理論和仿真分析。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算電能量無差別，排除了電能表問題；由于所有數字表均出現問題，可以排除單間隔電流問題；由于電壓均取自母線具備全局影響的條件，因此重點懷疑信號傳輸正周期延時是造成線損的主要原因。

數字化變電站的電壓取自母線，母線合并單元（PCS-221N）將電壓送給每個間隔，間隔電流合并單元將收到的電壓與電流進行同步后發送給其他設備。應用電子式互感器測試儀，對變母線合并單元進行測試，其結果為采樣延時558us，表明角比差均合格。對電壓經母線合并單元及間隔合并單元輸出進行測試，結果為角差4度，意味著此次結果嚴重超差，做到對問題的定位和發現。后續用相位表測量實際電壓電流相位差，再次確定了問題。

在對其他間隔進行測試后，發現電壓和電流同步的配置存在明顯誤差，經與專業和技術人員交流，重新調整參數后，現場測試解決了問題。由于設置參數和采樣延時有著直接的關聯，因此，各合并單元檢測調整的參數存在差異，利用電容器間隔驗證后，將參數修改后角差小于1分。在現場實際調整過程中，必須進行實際測量，最后以實際測試為準，實現對信號傳輸整周期延時檢測方法的有效應用。

6 結語

綜上所述，技術與數字化編碼非連續正弦延遲信號的整周期延時，以編碼波對波形進行準確的定位，可以對整周期延時進行精準檢測，同時，采用獨立存儲，對延時進行計算，該方法連線簡單，對環境適應能力強，在數字化變電站點對點絕對傳輸延時的檢測中發揮著巨大的作用。