智能变电站中电子式互感器运行的关键技术研究

摘要

国家“坚强智能电网”中智能变电站建设，对电力设备的智能化、运行的可靠稳定性提出了更高的要求。电子式互感器是智能变电站过程层重要的设备之一，其数字化输出和网络化接线使得电力系统运行更安全、更利于一次电器乃至整个输配电系统的智能化。
　　随着科技发展的持续推动及电力科技工作者的不懈努力，有源电子式互感器取得了实用化的进展。跟踪已经通过性能检测的电子式互感器，人们发现在智能变电站运行过程中仍然存在传感精度差及抗干扰能力弱等问题。主要原因是挂网运行前的电子式互感器性能检测为离线校验，不能有效模拟电子式互感器挂网运行的工作条件，在长期稳定运行及测量信息的准确度（传感特性）等方面存在一些问题，包括电子式互感器输出的数字同步问题、高准确度在线检验问题及挂网后的系统运行稳定性问题。本文立足于物理实验，从理论方面系统研究了数字积分、信号传输时延补偿、时钟补偿机制对数字同步的影响;电网波形频率波动、谐波及间谐波对电子式互感器在线校验的影响;电子式互感器挂网后线路丢包率对系统运行稳定性的影响，最终找到解决上述问题的途径。
　　首先，基于分布式采样值控制块的设计原理，搭建电子式互感器合并单元服务器模型，解决智能变电站中电子式互感器采样值报文传输的数据通信灵活性问题。提出通用SMV MMS(Sampled Measurement Values,SMV;Microsoft Media Server,MMS)服务器的应用模式，把分布式系统之间的数据传输协议对应关联到以太网链路层，实现了通用SMV MMS服务器的智能电子装置(Intelligent Electric Device，IED)对象模型的搭建，为电子式互感器在智能变电站进行实时通信奠定基础。基于IEC61850通信规约的过程总线，具体实现了智能变电站过程层设备之间的数据传输。
　　其次，设计智能变电站全站遵循的时钟同步系统，将主时钟设置为主备模式，首要考虑应用北斗二代授时系统，进而接入IEEE1588网络时钟信号源。针对智能变电站数据传输过程中，由于正向和反向通信路径的不完全对称引起的通信通道的数据队列延迟不同的问题，基于QIA补偿机制（Queue-Induced Asymmetry,QIA）进行补偿。由采集单元产生的采样值数据传输时延，基于相位补偿技术和重采样抽取滤波器，采用二次拉格朗日插值计算输出同步采样脉冲，实现数据传输同步性。
　　第三，在高压电子式互感器工程化方面，采用FPGA(Field—Programmable Gate Array)芯片进行了合并单元数据处理模块设计，结合专业SMV芯片以实现接口通信。在采集系统运行时间较长状况下，为解决被测电流与ECT输出信号之间出现的较大暂态误差，提出了一种VFC(Voltage-to-Frequency Converter，VFC)与脉冲计数器相结合的模数转换处理方法，实现了积分功能。针对隔离开关操作状态下采样电路中所产生的高频干扰信号，对其进行电磁暂态仿真分析，搭建隔离开关分合测试模型，根据高频信号过电压过电流波形特点，提出TVS管和RC低通滤波器共用的抑制措施，以提高电子式互感器的电磁抗干扰能力，保证了电子式互感器输出精度满足0.2S级要求。
　　第四，电子式互感器在线运行时，受变电站复杂环境下的多种影响因素，谐波叠加且频率变化几乎无规律可循，主要针对频率波动、频谱泄漏和高次谐波及间谐波对信号输出结果的影响，提出一种对传统离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)算法进行数据预处理及主频谱修正的改进算法，实现了电子式互感器在线校验高精度测量。
　　最后，电子式互感器并网的系统运行稳定性分析方面，基于数据通信的电子式互感器挂网于智能电网，建立网络化控制系统(Networked Control System，NCS)模型。应用电子式互感器测量电力系统线路功率信号，考虑通信网络中的丢包率问题，网络化控制模型对丢包后的信号进行准确估计，进而通过执行机构对其进行灵活快速补偿。系统网络通过数字接口建立与发电机连接，以发电机转子角摇摆曲线表征系统运行特性。通过搭建的系统网络控制框架，为电力系统在不同工作状态下保持运行稳定性及阻尼裕度，在数据传输质量方面探寻一种计算网络通信数据传输率最低要求的有效方法。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 有源电子式互感器测量原理

1．2．1 有源电子式电流互感器传感原理

1．2．2 有源电子式电压互感器分压原理

1．3 高压传变型电子式互感器研究历程

1．3．1 国外研究历程

1．3．2 国内研究历程

1．4 电子式互感器运行关键技术研究现状

1．4．1 数字积分特性研究现状

1．4．2 隔离开关操作的电磁抗干扰研究现状

1．4．3 数据同步处理研究现状

1．4．4 在线检验处理算法研究现状

1．4．5 基于电子式互感器数据传输的系统稳定性研究现状

1．5 本文主要研究内容

2 电子式互感器分布式控制块采样设计

2．1 引言

2．2 IEC61850标准的合并单元服务器模型搭建

2．3 基于IEC61850-9-2标准的分布式采样值控制块

2．3．1 合并单元采样值控制块

2．3．2 基于ASN．1 的采样值编码

2．3．3 分布式采样值控制块模型映射

2．3．4 通信接口一致性测试

2．4 智能变电站通用SMV MMS服务器模型

2．4．1 通用SMV MMS服务器模型搭建

2．4．2 基于链表与数组并用的数据结构

2．4．3 基于SMV MMS服务器的合并单元通信参数配置

2．5 智能变电站过程层设备通信规约实现

2．5．1 基于IEC62271标准的数字通信

2．5．2 基于IEC61850标准的过程层设备数据通信

2．6 本章小结

3 智能变电站过程总线同步算法的实现

3．1 引言

3．2 IEC61850-9-2标准的以太网过程总线

3．3 智能变电站授时技术与时间同步系统

3．3．1 直流IRIG-B码对时

3．3．2 IEEE1588(IEC61588)对时

3．4 基于IEEE1588V2的时钟对时

3．4．1 基于信道路径不对称的时延补偿机制

3．4．2 过程层数据传输同步组网设计

3．5 基于OPNET应用QIA补偿算法的性能仿真

3．6 电子式互感器采样值报文同步算法的实现

3．6．1 采样值报文传输时延分析

3．6．2 采样信号相位补偿

3．6．3 重采样同步

3．7 本章小结

4 220kV电子式互感器系统实现与测试

4．1 引言

4．2 ECT采集单元低功耗设计

4．3 合并单元系统机构模块设计

4．4 电子式电流互感器积分特性分析

4．4．1 基于VFC和脉冲计数器的模数转换原理分析

4．4．2 VFC-ADI仿真分析

4．5 220kV电子式互感器准确度测试

4．5．1 基本准确度测试

4．5．2 温度循环测试

4．6 隔离开关操作下的电子式电流互感器电磁抗干扰分析

4．6．1 特快速暂态过电压产生机理分析

4．6．2 电子式互感器测试模型及仿真分析

4．6．3 罗氏线圈模型搭建及仿真分析

4．6．4 隔离开关操作的电子式互感器电磁抗干扰性能测试

4．7 本章小结

5 电子式互感器在线校验技术研究

5．1 引言

5．2 非线性负荷下在线校验研究

5．2．1 电子式互感器数字量输出误差分析

5．2．2 基于数据预处理的改进校正算法

5．2．3 改进算法的仿真测试

5．2．4 在线校验系统性能测试

5．3 本章小结

6 基于电子式互感器的网络化控制系统数据分析

6．2 网络化控制模型搭建

6．2．1 基于网络化控制的电力系统构成

6．2．2 电子式互感器及执行机构

6．3 数据丢包模型搭建

6．4 网络化控制闭环系统稳定性分析

6．5 实例分析(16机5区域网络化控制系统电网)

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介