高采样率数字化变电站电能质量监测系统研究与应用.pdf

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高采样率数字化变电站电能质量监测系统研究与应用1 高采样率数字化变电站电能质量监测系统研究与应用2 高采样率数字化变电站电能质量监测系统研究与应用3 高采样率数字化变电站电能质量监测系统研究与应用4 高采样率数字化变电站电能质量监测系统研究与应用5 高采样率数字化变电站电能质量监测系统研究与应用6 高采样率数字化变电站电能质量监测系统研究与应用7
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第42卷第4期2014年2月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVlo1.42No.4Feb.16.2014高采样率数字化变电站电能质量监测系统研究与应用王玲,徐柏榆,盛超,赵艳军,王昕,张涛,王新华,叶李花(1.广东电网公司电力科学研究院,广东广州510080;2.深圳市中电电力技术股份有限公司,广东深圳518040)摘要:为解决目前数字化变电站中应用的数字式互感器和合并单元的采样特性无法满足高次谐波和电压暂态事件监测分析等难题,提出了一种具有512点/周波高采样率的数字化变电站电能质量在线监测系统。该系统采用新型高采样率电子式互感器、合并单元和数字式电能质量监测装置,从过程层互感器层面解决采样率低的问题,同时解决了电子式互感器和传统互感器的同时接入、采样率提高后海量数据处理、数字式电能质量监测装置IEC61850建模、合并单元和数字式电能质量监测装置全自动校准等问题。校准试验表明该系统满足电能质量监测功能和准确度标准要求,并且在实际工程中取得良好的效果。关键词:数字化变电站;高采样率;电能质量;在线监测Researchandapplicationofdigitalsubstationpowerqualitymonitoringsystemwithhighsamplingrate—WANGLing,XUBaiyu,SHENGChao,ZHAOYan-jun,WANGXin,ZHANGTao,WANGXin.hua,YELi.hua2(1.ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCorporation,Guangzhou510080,China;2.CEIECShenzhenElectricTechnologyInc.,Shenzhen518040,China)Abstract:InordertosolvetheproblemthatcurrentsamplingcharacteristicsofEVCTandMUcannotfulfillthepracticaldemandof—powerqualityanalysissuchashighfrequencyharmonicsandvoltagetransientsindigitalsubstations,thispaperproposesanewpowerqualitymonitoring(PQM)systemfordigitalsubstationwithhighsamplingrateof512points/cycle.Byuseofnew——highsamplingratedEVCT,MUandPQMequipment,theproblemoflowsamplingrateissolvedfromthebeginningofEVCTinprocessleve1.OtherproblemssuchasretrievingdatafrombothEVCTandtraditionaltransformer,massdataprocessingderivedfromhighsamplingrate,IEC61850modelingofdigitalPQMequipment,automaticcalibrationofMUandPQMequipmentareanalyzedandsolvedatthesametime.Calibrationresultshowsthatthissystemcanmeetthefunctionandaccuracystandardandpracticalapplicationofthissystemhasachievedgoodresults.—Keywords:digitalsubstation;highsamplingrate;powerquality;onlinemonitoring中图分类号:TM76文献标识码:A—文章编号:1674-3415(2014)04一O110070引言近年来,随着IEC61850标准的推广和数字式互感器的应用,数字化变电站概念已在工程实践中得到验证。基于IEC61850的数字化变电站已成为建设智能电网的基石和不可逆转的发展趋势u~l。但是由于受到负荷非线性、冲击性、风能等随机电源和交直流电网运行方式等因素的影响,数字化变电站同样存在谐波、电压波动与闪变、三相平衡度及暂态电压事件等电能质量问题。数字化变电站作为电网重要组成部分,随着其数量和覆盖范围增加,将其纳入各级电网公司电能质量管理系统的需求也越来越强烈。但是在我国数字化变电站发展过程中,其技术研究和设备研制均一直侧重于满足继电保护以及变电站综合自动化系统需要,而没有考虑到电能质量在线监测的需求,由此导致目前市场上的电子式/光电式互感器、合并Ⅳ单元等设备采样率低且非2的次方,并且采样过程没有频率跟踪,这些特性导致合并单元输出的信号无法直接用于电能质量监测分析。另一方面,电能质量监测装置的IEC61850模型建立尤其是日志模型和事件记录模型存在困难。多种因素使得数字化变电站的电能质量监测仍是相对较新的研究课题,但目前大多数研究主要集中于数字化变电站电能质量检测算法研究、电能质量IEC61850模型研究和软硬件产品研制方面L4J。本文从电能质量管理的实际需求出发,基于对数字化变电站现状、设备厂家的调研和技术研究,电力系统保护与控制用电感分压原理,电流互感器采用罗科夫斯基(Rogowski)线圈和低功率线圈(Lowpowercurrenttransformer,LPCT)组合,采样频率由采样信号发送模块控制。为提高电子式互感器采样率至512点/周波,通过增加一套独立于原有保护、计量、测控等采样线圈的采样信号发送模块以及一组专用于电能质量的低功率线圈,并提高该采样信号发送模块中采样系统的截止频率至2.5kHz。这种架构设计同时避免电能质量监测功能对原有保护、计量、测控等功能产生影响。①②互感器CT室(包含铝制顶部及高压电流接线端);复合绝缘③④⑤子;铝制底座;电流互感器采集信号发送模块;电流瓦感⑥器线圈;(包含罗科夫斯基线圈和LPCT线圈)用于分压的串⑦⑧联组合的电感线圈;电压互感器采集信号发送模块;电流互⑨⑩感器信号输出光纤;电压互感器信号输出光纤;固体绝缘结构(采用聚氨酯填充)。图2高采样率电子式互感器结构图Fig.2StructureofEVCTwithhighsamplingrate数字式互感器的采样率提高到5l2点/周波之后,能完全满足数字式电能质量监测装置的数据分析需要,同时无需再采用特殊算法对采样值信号进行修正。但采样率提高也带来高速编解码和数据完整性等额外技术问题。2.2高速编解码和数据完整性问题电能质量监测系统本身是一个海量数据系统}1。数字式电能质量监测装置直接从合并单元获取采样信号进行数据处理,必须考虑高采样率情况下海量数据的高速编解码问题,以免造成数据丢失或测量—精度下降。依据IEC61850.92,单个报文最大长度为:26字节以太网报头+4字节优先权标记+8字节以太网型PDU+2字节ASN.1标记/长度十2字节块的数目+46字节通用数据集+23字节状态量=111字节×8位=888位+96位帧间隔=984位。因此在合并单元提供512点/周波采样信号的情况下其带宽至少应该是:×=(512X50)×984bit=24.023Mb/s式中:表示采样速率;表示最大报文长度。在512点/周波采样率下,每两个相邻采样点之间的时间间隔为39.0625LLs,则每个IEC61850.9.2报文需要在40us内解码完成,否则可能会有采样值信号缺失。同时考虑到电能质量监测装置内部海量数据计算工作量,因此庞大数据量以及高速编解码要求对合并单元和数字式电能质量监测装置提出很高的架构要求。本文提出采用多CPU架构来分解任务流,以数字式电能质量监测装置为例,可设计:①针对每1~2回路采样信号输入,设置一个数据采②集CPU;针对每一个数据采集CPU,设置一个数③据处理CPU;设计一个主CPU,用于控制和调度各数据处理CPU并负责内部数据缓存、通信等事务。图3是一个支持8个合并单元接入的数字式电能质量监测装置的硬件框架示意图。{———+台井丁cF以太01_1兰:!兰::;:lL屏CPU一9-2议单元::lI....................1....................一-:光纤以A刚7一——处理单兀4}+l聚集中)C4_{匝光纤以爪嘲8l对时脉冲l_一I.......................__jI.......................——一卜夏匦图3数字式电能质量监测装置硬件框架示意图Fig.3Hardwarediagramofdigitalpowerqualitymonitoringequipment2.3数字式电能质量监测装置的IEC61850建模基于IEC61850标准模型可将电能质量监测装置快速接入不同后台系统,降低系统复杂性,减少接入工作的开发调试成本。国家电网公司于2010年制订的《电能质量监测终端技术规范》制订了电能质量监测装置IEC61850模型,但该模型的部分细节需要完善,例如:1)数据集划分太细,实时数据与历史数据均分多个数据集,导致控制块过多,增加硬件资源要求;2)没有实现日志功能,无法实现数据追补;3)电压暂态扰动采用分相捕捉算法,难以通过IEC61000.4.30计算暂态扰动特征值;4)并非基于IEC61850ED2,仍采用ED2已废止的MSTA逻辑节点。数字式电能质量监测装置的IEC61850模型设计需要考虑到变电站实际运行情况以及电能质量实际应用需求J,例如装置停电以及通信故障等数据缺失原因的记录、数据缺失后的数据追补机制等。针对数据追补问题,IEC61850提供了日志功能(LOG)[16-181,可通过日志和缓存报告结合予以解决。图4是数字式电能质量监测装置的IEC61850模型原理图。王玲,等高采样率数字化变电站电能质量监测系统研究与应用.113.采非缓存报告模型—+洲(M)测X髅U,逻lHAI,MSQI ̄…一点洋值嚣QVVIU ̄I)■l日匕—+波形记录类逻辑ICOMTRAD ̄L二节点(RDRE等)l其他基础逻辑节点l(LPHD、LLNO等)l图4数字式电能质量监测装置的IEC61850模型原理图Fig.4IEC61850modelofdigitalpowerqualitymonitoringequipment2.4数字互感器和传统互感器同时接入问题数字化变电站电能质量监测系统需要考虑处理数字化变电站内普遍存在数字互感器和传统互感器的实际情况。考虑到经济性、通信规约以及采样同步等因素,可将传统互感器经数据采集卡接入合并单元再接入数字式电能质量监测装置,数据采集卡同时实现A/D转换功能。合并单元将数字互感器和传统互感器的输入—信号按照IEC618509.2组帧并传输给电能质量监测装置。为简化合并单元接口,数据采集卡输出数据采用与数字互感器相同的通信规约IEC60044。合并单元同时还要考虑数字互感器的激光供能和采样过程同步等问题。2.5合并单元和数字式电能质量监测装置的校准为验证合并单元和数字式电能质量监测装置的测量准确度以及对IEC61850的支持程度,数字化变电站电能质量监测系统需设计开发校准系统。校准系统采用全自动闭环控制,实现自动控制标准源输出、自动采集电能质量监测装置监测数据、自动计算误差和自动输出校准报告等,并支持校准过程的人工控制。以针对数字式电能质量监测装置校准为例,其校准项包括:1)IEC61850一致性检测,验证IEC61850—语法和功能模型是否满足IEC61850.73/4ED2规定。2)接入测试,验证通信规约是否满足IEC61850.8.1规定;3)准确度测试,验证测量准确度满足((GB/T19862.2005电能质量监测设备通用要求》规定。全自动校准系统的功能框架如图5。标准源可采用OMICRON、Fluke6100A等常用电能质量标准源,由专用检测人员自动控制输出。数据采集程序支持IEC61850.8和IEC61850.9.2通信规约,分别实现针对数字式电能质量监测装置和合并单元的校准。检测报告采用模板方式自动生成。图5电能质量全自动校准系统功能框架图Fig.5Functionaldiagramofpowerqualityauto・calibrationsystem3系统应用基于本文所提出的数字化变电站电能质量监测系统方案,已研制出512点/周波电子式电压电流互感器、5l2点/周波合并单元、数据采集卡、数字式多通道电能质量监测装置、以及电能质量管理平台。为验证数字式电能质量监测装置的测量准确度,采用2.5节提出的全自动校准对其进行准确度校准,每个校准项均有多次测试,由于篇幅限制,表1、表2仅给出部分校准结果。表1、表2所示的校准项包括基波电压、基波电流、频率、短时闪变、电压不平衡度、电流不平衡度、谐波电压含有率,结果均满足标准规定的误差限。表1校准结果Table1Calibrationresults一114一电力系统保护与控制HRUI8~HRUz2=8%,HRU230Uz5=20%。经校准合格之后,该成套系统在广东电网110kV岩前变电站投入应用,其中电子式电压电流互感器安装在110kV间隔并接入合并单元,一个10kV间隔传统互感器通过数据采集卡接入到合并单元,合并单元将采样信号送到数字式电能质量监测装置,再以IEC61850'8将处理后电能质量指标经网络传输到省级电能质量管理平台。根据变电站实际情况,数据采集卡、合并单元和数字式电能质量监测装置采用集中组屏方式安装。系统投运后各设备一直正常稳定运行,主站端电能质量监测数据完整无缺失。表3~表6所示为采用该系统对岩前变10kV侧PPC点的监测结果,监测时间为24h,统计数据为95%概率值。表3基本电能参数与电压不平衡度Table3Basicpowerp ̄ametersandvoltageunbalancefactor量笪±塑笪量堕±塑笪垦堕塑焦0.670.530.630.540.640.54表5谐波电压含有率95%概率统计值Table595%probabilityvalueofharmonicvoltageratio%4结语数字化变电站电能质量监测问题是电能质量监测的新问题。由于国内数字化变电站发展过程一直侧重于继电保护和综合自动化系统,目前数字化变电站中的数字互感器和合并单元无法提供满足电能王玲,等高采样率数字化变电站电能质量监测系统研究与应用质量分析需求的高采样率原始数据。从完善电能质量管理角度出发,广东电科院组织数字化变电站考察和设备厂家调研,并最终提出了一套完整的、覆盖间隔层、过程层和变电站层的数字化变电站电能质量监测系统,通过从过程层互感器源头出发提高采样率彻底解决采样率问题,并对采样率提高导致的高速编解码和海量数据处理问题、电能质量监测装置的IEC61850建模问题、数字互感器和传统互感器同时接入等问题提出了解决方案。基于本文所提出解决方案开发的数字化变电站电能质量监测系统已经开发完毕并投入落点应用,运行效果良好。参考文献[6][7][1]王璐,王步华,宋丽君,等.基于IEC61850的数字化变电站的研究与应用[J].电力系统保护控制,2008,—36(24):90100.L8jWANGLu,WANGBu-hua,SONGLi-jun,eta1.ResearchandapplicationofdigitalsubstationsbasedonIEC61850[J].PowerSystemProtectionandControl,—2008,36(24):90100.[2]鞠阳.数字化变电站的网络通信模式[J].电力系统保护与控制,2010,38(1):92.95.JUYang.Modesofwebcommunicationofdigital[9]substation[J].PowerSystemProtectionandControl,—2010,38(1):9295.[3]宋丽君,王若醒,狄军峰,等.GOOSE机制分析、实现及其在数字化变电站中的应用[JJ.电力系统保护与控制,2009,37(14):32.35.[1O]—SONGLi-jun,WANGRuo-xing,DIJunfeng,eta1.AnalysisandimplementationofGOOSEmechanismanditsapplicationindigitalsubstation[J].PowerSystem—ProtectionandControl,2009,37(14):3235.[4]常三磊,肖勇,杨劲锋,等.基于IEC61850和PQDIF的电能质量监测装置研究与设计[J].电力系统保护与[儿]控制,2012,40(20):135-139.—CHANGSanlei,XIAOYong,YANGJing-feng,eta1.StudyanddesignofpowerqualitymonitoringdevicesbasedonIEC61850andPQDIF[J].PowerSystem—ProtectionandControl,2012,40(20):135139.[5]段义隆.适用于数字化变电站的电能质量检测算法的研究[D】.北京:华北电力大学,2011.[12]—DUANYilong.Researchonpowerqualitydetectionalgorithmfordigitalsubstation[D].Beijing:NoahChinaElectricPowerUniversity,2011.张玉杰.数字化变电站环境下电能质量测量技术的研究与实现[D】.北京:北京交通大学,2009.ZHANGYu 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庸梦人
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