浅谈数字化变电站信号传输整周期延时检测方法研究

王炜，宋树宏，王伟恒，王佳铮，于雷，于同伟，周博

（1.国网沈阳供电公司；2．国网辽宁省有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110000）

随着低碳生活的兴起以及可再生能源的利用，电力系统进行了全方位的优化，数字化电网开始在电力系统中发挥着越来越重要的作用。数字化变电站是智能电网的关键，集信息采集、传输、处理以及输出于一体，采用网络化的通信系统、智能化的设备以及自动化的运行管理方式，是当前电力系统发展的趋势。数字化变电站在信号处理和传输时会产生一定的延迟，造成数倍工频周期的延时，进而引发继电保护装置的误动和拒动。现有的延时检测故障装置在识别数字化变电站信号时会产生较大的误差，因此，需要针对数字变电站延时故障研究一种延时检测方法。本文通过分析数字化变电站采集系统绝对延时中调整周期延迟的产生机理，探究准确检测电子式互感器绝对延时的方式，以解决延时识别、延时检测精准度以及延时计算精确等问题。

1 绝对传输延时组成

数字化变电站绝对传输延迟是特定电气量从出现到接受设备之间的绝对时间差。在数字化变电站中，数字信号通过光纤和以太网传输，相对传统变电站使用电缆传输信号，数字化变电站信号传播的介质以及传播方式有了颠覆性的改变。在信号传输过程中，数模转换、光电转换、数据处理以及数据传输等环节都会导致绝对延时。

绝对传输延迟主要由电子式互感器固有延迟tET、合并单元处理延时tMU以及网络延时tInt三部分组成。tET主要有采样器延时、采集数据互感器采样相位偏移φor、高压侧传感头的采样反应延时、模/数（A/D）采样器、电/光转换器的转换等数据处理延时tds、采集模块数据发送及传输延时tdt1等组成；tMU主要由单元数据组及合并单元间时钟同步延时ta、数字处理延时tdc、故障延时tf组成。tMU一般被认为是固定在毫秒级别，而tInt主要由交换机延时Tdl、网络延时Tcs构成，属于不确定的、可变化延时，一般可达到毫秒级别。

2 延时现象及其成因分析

数字化变电站数据采集系统主要在过程层和间隔层，包括电子互感器、合并单元、交换机、过程总线等设备。在正常情况下，数字化变电站绝对传输延时必须小于3ms，工频周期延时一定会小于20ms。数字信号在传输时，如果处理逻辑以及算法设计存在故障，会导致逻辑循环或者误判等现象发生，造成延时故障。数字化变电站电气设备为了监测运行状态以及分析故障，会配置一定的缓存区进行录波储存，该缓存区域的空间的大小一般为多个周期。设备在工作过程中出现逻辑判断错误，会导致缓存区数据重复读取，进而导致整周期延时发生。例如，缓存区域空间为五个周期，会产生100ms的延时。由于延时会导致继电保护装置的误动和拒动，引发停电事故。工频电流为正弦波，正弦波的周期性和对称性使整周期延时具有较强的隐蔽性，常规手段无法检测。由于逻辑循环或者误判引发的整周期延时，数据帧结构比较完整，一般方法无法进行识别和解决，为了保证继电保护装置的正常运行，需要对传输系统的整周期延迟进行深入的研究，以准确地检测整周期延时。

3 基于数字化编码波形的整周期延时检测系统

稳态正弦固有波有对称性和周期性的特点，现有的检测方法在检测整周期延迟时需要额外配置时钟，对现场要求比较高，在操作上具有非常大的局限性。整周期延时检测对象是一定规律排列的非连续正弦波，对正弦信号灯周期以及零信号周期定义，按照一定的逻辑预设编码，可以对正弦信号进行测试。对每个周期的正弦波进行顺序编码，以便识别整周期延时。整周期延时检测系统有数字化编码源、合并模块、交换机、控制工作站以及模拟信号采集系统构成。整周期延时检测系统利用电力电子变流技术，通过控制工作站对正弦波进行逻辑编码，输出非连续正弦电压/电流。

检测系统的工作原理：在数字化编码波形的基础上，整周期延时检测系统利用控制工作站设定电流或者电压波形编码序列并下发到数字化编码电源；控制工作站下发指令后，编码电源输出预定电流和电压信号，并启动采集系统；预设波形输出完全后，控制工作站就可以接受到合并单元发出的采样结果；通过和控制工作站采集数据进行对比，利用特点判断法对延迟进行判断。

4 整周期延时检测方法

在数字化变电站中，以数字编码波行作为测试源，可以识别偏离位置，对每个周波进行定位，实现对整周期延时的检测。延时分析模块配置有偏置位置储存器，在识别偏置位置可以采用查表法，标准采样量的区间编码序列所有偏置按顺序存储在该存储器中，生成相应的偏置量和偏置序列的对应表。为了避免不同的偏置量和偏置序列出现重复，测试源编码序列应该采用伪随机序列。波形图中的波峰和波谷对应的编码，可以作为特征量判定的依据，对所有存在的偏置顺序进行储存。

在检测整周期延时过程中，工作站时钟是判断模块编码的基准，设定采样率为4k/s，以40个采样点为判断单元，根据标准采样量和待测数字量对单元特征量进行判断，从而得到标准采样量和待测采样量判断单元的特征量，进而得到连接相应的波形图中波峰和波谷的编码值，根据编码值就可以对整周期延时进行计算。假定幅值为50%为判断限值X，由于采样点具有离散型，当采样点数据大于X记为1，小于X则记为0，得到采样点编码，然后，根据三个区间内编码的上升或者下降变化，得到相应的区间编码。测量所得的区间编码就是标准采样序列的半周期编码，经过若干半周期偏置的序列。

当接收到的待测序列与所有的偏置序列同时运行，根据偏置量表查到和序列相匹配的偏置值τ，偏置量τ是整周期伪随机序列获得半周期延迟后的偏置值。根据三相电源综合仪器T可计算得到整周期延时t：

其中[]为取整符号，T为工频周期。

5 智能变电站整周期延时检测案例概述

国网沈阳供电公司在线损指标整治中，发现线损严重超标，通过检测发现某变电站主变损耗超过3%，66kV线路负损耗。在排除设备故障时，应用RTDS建模对中性点不接地系统，对中性点电压偏移进行理论和仿真分析。相电压在上述原因不平衡的情况下，采用三相四线和三相三线制计算电能量无差别，排除了电能表问题；由于所有数字表均出现问题，可以排除单间隔电流问题；由于电压均取自母线具备全局影响的条件，因此重点怀疑信号传输正周期延时是造成线损的主要原因。

数字化变电站的电压取自母线，母线合并单元（PCS-221N）将电压送给每个间隔，间隔电流合并单元将收到的电压与电流进行同步后发送给其他设备。应用电子式互感器测试仪，对变母线合并单元进行测试，其结果为采样延时558us，表明角比差均合格。对电压经母线合并单元及间隔合并单元输出进行测试，结果为角差4度，意味着此次结果严重超差，做到对问题的定位和发现。后续用相位表测量实际电压电流相位差，再次确定了问题。

在对其他间隔进行测试后，发现电压和电流同步的配置存在明显误差，经与专业和技术人员交流，重新调整参数后，现场测试解决了问题。由于设置参数和采样延时有着直接的关联，因此，各合并单元检测调整的参数存在差异，利用电容器间隔验证后，将参数修改后角差小于1分。在现场实际调整过程中，必须进行实际测量，最后以实际测试为准，实现对信号传输整周期延时检测方法的有效应用。

6 结语

综上所述，技术与数字化编码非连续正弦延迟信号的整周期延时，以编码波对波形进行准确的定位，可以对整周期延时进行精准检测，同时，采用独立存储，对延时进行计算，该方法连线简单，对环境适应能力强，在数字化变电站点对点绝对传输延时的检测中发挥着巨大的作用。