CN105870970B - 适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网方法和装置，该方法和装置可实现数字化和常规模拟电压量、开关量信号的采集，并将采集的数据处理计算后，将电压压差、频率差和相角差反映到同步表盘上。在手动模式下，满足压差、频差、相角差在预先整定的范围内，同时检测到合闸开关量信号时，通过数字化量和继电器输出合闸指令；自动模式下，当满足合闸条件时，根据设定的导前时间，通过数字化量和继电器输出合闸指令。本发明对现有仪表盘和准同期并网装置单一功能进行改进，保留了操作人员对手动和自动准同期的需求，且能适应常规站、数字化站、常规和数字化混合站的功能要求，减少运行维护人员的工作量。

Description

适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网方法和装置

技术领域

本发明属于电力***技术领域，涉及一种电力***同期并网的准同期并网方法，尤其涉及一种同时适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网方法和装置。

背景技术

电力***中经常遇到同期并网操作，如发电机组和电网的同期并网、变电站母线和线路并列运行等。同期并网操作不当会对发电机造成严重损害，甚至影响电网的稳定运行。为保证同期并网操作的顺利进行，目前较常见的方法有：

(1)由操作人员结合相关规程和经验借助各种仪表手动完成同期过程；

(2)借助具备采集电压模拟量和开关位置辅助接点，并有继电器出口的常规自动准同期并网装置完成同期过程；

(3)借助具备数字量采集和数字量出口传送的数字化自动准同期并网装置完成同期过程。

(4)专利CN201256299Y公开了一种手自一体同期装置，该装置采用开关量输入和继电器输出，对象主要是常规站。

上述方法存在一定的局限性。

方法(1)增加了操作人员工作量，对操作人员技术水平要求较高，且存在误操作等安全隐患。

方法(2)一般需要装置具备电压互感器，调速、调压和合闸继电器等，通过电缆传输各类电气量信号。一方面长距离的电缆铺设成本较高，维护困难；另一方面由于弱电信号难以长距离传输，可靠性较低。

方法(3)在国家电网公司开启坚强智能电网研究实践工作后发展较快，但由于各地区数字化建设进度不一，相当数量的地区还处于常规站或常规和数字化混合站(简称半数字化站)状态，短期内数字化装置难以替代常规装置。

方法(4)采用开关量输入回路、继电器输出回路和串口通讯回路，在数字化或半数字化站应用范围有限。

由于用户的使用习惯和实际场合不同，不同同期装置和方法的混用无疑增大了运行维护人员的工作量，且对于长距离的常规或半数字化站往往要借助辅助设施实现准同期功能，因此，研究一种能适应常规和数字化的手自一体准同期并网装置和方法是值得探讨的。

发明内容

本发明的目的为，提出一种适应常规和数字化站的手自一体准同期并网方法和装置，对现有仪表盘和准同期并网装置单一功能进行改进，保留了操作人员对手动和自动准同期的需求，解决数字化和模拟量同时采集和数据同步处理问题，以便能适应常规站、数字化站、常规和数字化混合站的功能要求，减少运行维护人员的工作量。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网方法，该方法包含数字化电压采集模块、电压互感器和A/D转换模块、数据同步处理、GOOSE和硬接点开关量输入通道、GOOSE和空接点信号输出、同步表盘等。

本发明的解决方案和步骤是：

(1)数字化和常规模拟电压量信号的采集。

模拟量侧采用电压互感器经A/D转换后完成采样，数字化侧采用支持数字化电压采集协议的模块采集，经数据同步处理后完成电压采样。

(2)通过数字量输入或硬接点输入完成开关量信号的采集，其中开关量信号包含手动模式，自动模式，开关位置接点，确认，升压，降压，加速，减速，合闸等开关量。数字量输入和硬接点输入二者是或的关系。

(3)对电压采样信号和开关量信号进行数据处理，计算出待并侧和***侧间的电压压差、频率差和相角差，通过同步表盘实时展现出来。

(4)通过数字量输出和空接点信号输出进行调频、调压及合闸操作。数字量输出和空接点信号输出是与的关系，二者同时输出。

进一步地，上述步骤(1)中数字化电压采集协议模块，可为IEC61850-9-2或IEC60044-7标准模块。

进一步地，上述步骤(2)和步骤(4)中，数字量输入和数字量输出分别为GOOSE输入和GOOSE输出。

进一步地，上述步骤(1)中，对于数字电压量采集，为保证采样的准确性，尤其是待并侧和***侧一侧为模拟量输入，另一侧为数字化输入时，需要对数字化电压进行数据同步处理，数据同步处理详细内容为同步信号控制和算法插值，其中同步信号控制使准同期并网装置和其他合并单元在时钟信号作用下同步，然后针对网络延时，以及模拟量和数字量每周期采样数可能不同的问题，使用算法插值，完成数字化电压处理。

同步信号控制可使用GPS对时、网络对时等对时方法，算法插值可使用改进的Lagrange算法。

设f_s为合并单元的采样频率，u_MU为处理前的数字电压，同期装置的抽取采样频率为f_s'，u_PRB(λ)为采样电压的抽取序列(λ＝1，2，3，…)，令采样序号l为小于m的最大整数，可使用如下改进的Lagrange插值算法：

u_PRB(λ)＝0.5(m-l)(m-l-1)u_MU(l+2)-(m-l)(m-l-2)u_MU(l+1)+0.5(m-l-1)(m-l-2)u_MU(l)

进一步地，上述步骤(3)中同步表盘采用多个灯组成一圆圈表示角差灯，在多个角差灯组成的圆圈内置三个灯，分别为频差，压差和同步灯，频差灯与实时频差相关联，压差灯与实时压差相关联，为了减少灯的数量，同时便于直观区分，频差和压差可以采用多色LED灯，以便用不同颜色表示压差、频差状态，其中：

角差灯点亮方法是：待并侧和***侧实时相角差的值在某一角差灯附近时，点亮该角差灯，熄灭其余的角差灯；

频差灯点亮方法是：待并侧和***侧实时频率差的值高于预先设定的第一阈值时显示第一种颜色，低于预先设定的第二阈值时显示第二种颜色，在预先设定的第一范围内时显示第三种颜色；

压差灯点亮方法是：待并侧和***侧实时压差的值高于预先设定的第一阈值时显示第一种颜色，低于预先设定的第二阈值时显示第二种颜色，在预先设定的第二范围内时显示第三种颜色；

同步灯点亮方法是：待并侧和***侧实时相角差、压差、频差都在预先设定第三的范围内时点亮，否则熄灭。

进一步地，为能更精确的显示0°角附近相角差，同时起到强调作用，圆圈上的角差灯可呈不均匀分布，在0°附近灯更密集，角度分辨率更高。

典型的，同步表盘圆圈上设置32个角差灯，设0°处为灯1，按顺时针方向，依次为灯2～灯32，待并侧和***侧间的电压相角差为Δδ，点亮角差灯m的方法如下：

其中，m为自然数，取值范围为1至32。

为了美观和便于区分、强调，不同处的角差灯可用不同的颜色显示，如附图2中0°处的灯用绿色灯，±15°内其它灯用黄色灯，大于15°及小于-15°的灯为红色灯。

进一步地，上述步骤(4)中，调频、调压及合闸操作方法是：

手动模式下，只有在检测到升压(或降压)开关量信号时，GOOSE和继电器才输出升压(或降压)指令；只有在检测到加速(或减速)开关量信号时，GOOSE和继电器才输出加速(或减速)指令；为了防止手动模式下误合闸操作，只有满足压差、频差、相角差在预先整定的范围内，同时检测到合闸开关量信号时，GOOSE和继电器才输出合闸指令。

自动模式下，当压差、频差不满足预先整定的范围时，若待并侧电压低于预先整定范围，GOOSE输出升压指令，同时升压继电器闭合；若待并侧电压高于预先整定范围，GOOSE输出降压指令，同时降压继电器闭合；若待并侧频率低于预先整定范围，GOOSE输出加速指令，同时加速继电器闭合；若待并侧频率高于预先整定范围，GOOSE输出减速指令，同时减速继电器闭合；当满足合闸条件时，根据预先设定的导前时间，通过GOOSE和继电器输出合闸指令。

为能快速和准确的实现调速和调压，GOOSE输出和继电器输出时间为周期性的方波，输出脉宽和周期时间可预先整定。

为增强合闸的可靠性，减少误操作的可能，当压差、频差任一不满足预先整定的范围时，不开放合闸允许信号(标志)。带导前时间的准同期信号和检测当前条件的检同期信号采用不同的算法计算，分别对应同期合闸信号(或合闸出口)和合闸允许信号(或合闸允许出口)。

使用常规继电器接点输出时，合闸允许信号可为合闸允许继电器，只有在压差、频差、相角差均在预先整定的范围内时，合闸允许继电器才闭合，合闸允许继电器和合闸继电器串联接入输出回路。

本发明还提供一种适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网装置，其特征在于包括：采集模块、输入模块、数据处理模块、显示模块、输出模块。

所述的采集模块包括支持数字化电压采集协议的模块、数据同步模块、电压互感器和A/D转换模块、数字量和硬接点开关量采集模块；

所述的输入模块包括装置定值整定、显示画面切换等功能；

所述的显示模块包括同步表盘、装置界面显示等；

所述的输出模块包括数字量输出模块和继电器输出模块；

所述的数据处理模块对信号、数据、人机界面进行处理和逻辑计算。

进一步地，所述的支持数字化电压采集协议的模块，可为使用IEC61850-9-2或IEC60044-7标准的模块。

进一步地，所述的数字量输入模块和数字量输出模块分别为GOOSE输入模块和GOOSE输出模块。

进一步地，所述继电器输出模块包含合闸允许继电器和合闸继电器，合闸允许继电器和合闸继电器串联接入输出回路。合闸允许继电器的开合与合闸继电器的开合采用不同的控制方法。

进一步地，所述同步表盘采用多个灯组成一圆圈，圆圈内设置频差，压差和同步灯；圆圈上灯与待并侧和***侧实时相角差相关联，呈不均匀分布，在0°附近灯更密集，频差灯与实时频差相关联，压差灯与实时压差相关联，同步灯在同时满足压差、频差、相角差时点亮。

进一步地，不同处的灯可用不同的颜色显示，如附图2中0°处的灯用绿色灯，±15°内其它灯用黄色灯，大于15°及小于-15°的灯为红色灯。在多个灯组成的圆圈内置三个灯，分别为频差，压差和同步灯，其中频差和压差采用多色LED灯，用不同颜色表示压差、频差状态。如可用黄色表示低于预先设定下限值，红色表示高于预先预定上限值，绿色表示在预先设定值范围内。同步灯采用绿色灯，当频差、压差和相角差都在预先设定的范围内时点亮。

采用上述方案后，准同期并网装置可以实现数字化和常规量的输入和输出，以便适应常规和数字化站的功能需求。另外，装置支持手动或自动同期，且自带的同步表盘可以精确直观的指示当前压差、频差和相角差状态，方便操作人员进行手动同期，减少运行维护人员的工作量。

附图说明

图1是本发明实施例的自动准同期并网方法工作示意图。

图2是本发明实施例的同期表盘示意图。

图3是本发明实施例逻辑流程图。

图4是本发明实施例的自动准同期并网装置结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明实施例提供一种适应常规和数字化站的手自一体准同期并网方法，包括如下步骤：

(1)完成数字化和常规模拟电压量信号的采集。

当待并侧和***侧均为模拟量输入时，采用电压互感器，经A/D转换后完成电压采样；当待并侧和***侧均为数字化输入时，采用IEC61850-9-2或IEC60044-7标准，完成电压采样；当待并侧和***侧一侧为模拟量输入，另一侧为数字化输入时，模拟量侧采用电压互感器经A/D转换后完成采样，数字化侧采用IEC61850-9-2或IEC60044-7标准，经数据同步处理后完成电压采样。

具体地，附图1中，采集模块包含数字化模块和常规模拟量采集模块，对于数字化电压量，采用IEC61850-9-2或IEC60044-7标准采集；对于常规的模拟电压量，使用电压互感器和A/D转换，完成采样。

对于数字电压量采集，为保证采样的准确性，对数字化电压进行数据同步处理，数据同步处理方法为同步信号控制和软件算法插值，其中同步信号控制使准同期并网装置和其他合并单元在时钟信号作用下同步，同步信号控制可通过GPS对时或网络对时完成。

针对网络延时，以及模拟量和数字量每周期采样数可能不同，使用软件算法插值进行处理，插值算法采用改进的Lagrange插值算法，设f_s为合并单元的采样频率，u_MU为处理前的数字电压，u_PRB(λ)为采样电压的抽取序列(λ＝1，2，3，…)，同期装置的抽取采样频率为f_s'，令采样序号l为小于m的最大整数，插值算法如下：

u_PRB(λ)＝0.5(m-l)(m-l-1)u_MU(l+2)-(m-l)(m-l-2)u_MU(l+1)+0.5(m-l-1)(m-l-2)u_MU(l)

(2)通过GOOSE或硬接点输入完成开关量信号的采集，其中开关量信号包含手动模式，自动模式，开关位置接点，确认，升压，降压，加速，减速，合闸等开关量。

具体地，附图1中，开关量信号可以为GOOSE输入，也可以为硬接点输入，在数据处理时，二者为或的关系。采集的开关量信号需包含手动模式，自动模式，开关位置接点，确认，升压，降压，加速，减速，合闸等开关量。

在同期开始之前，需要进行同期确认，通过判断手动模式和自动模式开关量判断是手动方式还是自动方式。升压，降压，加速，减速，合闸开关量在手动模式下参与逻辑判断。

具体的，附图3中，同期开始时间根据确认开关信号来判断；手动模式下的人工升压、降压、加速、减速、合闸命令，分别对应升压、降压、加速、减速、合闸开关量信号。

(3)经数据处理，计算出待并侧和***侧间的电压压差、频率差和相角差，实时显示在同步表盘上。

具体地，对采集的电压和开关量进行数据处理，其中电压压差计算公式为：

其中待并侧和***侧二次电压采样值，为根据采集的数据计算出的电压有效值；待并侧和***侧PT一次额定值、PT二次额定值为可整定的定值，根据现场PT变比情况整定；待并侧和***侧电压一次额定值、电压二次额定值为可整定的定值，为正常运行情况下的电压值。

同步表盘采用多个灯组成一圆圈，圆圈内设置频差，压差和同步灯；圆圈上灯与待并侧和***侧实时相角差相关联，呈不均匀分布，在0°附近灯更密集，频差灯与实时频差相关联，压差灯与实时压差相关联，同步灯在同时满足压差、频差、相角差时点亮。

具体地，附图2中，同步表盘采用32个多色灯组成，其中在±15°范围之内采用11个灯，每个灯分辨率为3°，其余的每个灯分辨率为15°。为了美观和便于区分，0°处的灯用绿色灯，±15°内其它灯用黄色灯，大于15°及小于-15°的灯为红色灯。

设0°处为灯1，按顺时针方向，依次为灯2～灯32，待并侧和***侧间的角差为Δδ，点亮角差灯m的算法如下：

在32个灯组成的圆圈内置三个灯，分别为频差，压差和同步灯，其中频差和压差采用多色LED灯，用不同颜色表示压差、频差状态。实施例中用黄色表示低于预先设定下限值，红色表示高于预先预定上限值，绿色表示在预先设定值范围内。同步灯采用绿色灯，当频差、压差和相角差都在预先设定的范围内时点亮。

(4)通过GOOSE和空接点信号输出进行调频、调压及合闸操作。

具体地，附图3中，手动模式下，只有在检测到升压(或降压)开关量信号时，GOOSE和继电器才输出升压(或降压)指令；只有在检测到加速(或减速)开关量信号时，GOOSE和继电器才输出加速(或减速)指令；为了防止手动模式下误合闸操作，只有满足压差、频差、相角差在预先整定的范围内，同时检测到合闸开关量信号时，GOOSE和继电器才输出合闸指令。

自动模式下，当压差、频差不满足预先整定的范围时，若待并侧电压低于预先整定范围，GOOSE输出升压指令，同时升压继电器闭合；若待并侧电压高于预先整定范围，GOOSE输出降压指令，同时降压继电器闭合；若待并侧频率低于预先整定范围，GOOSE输出加速指令，同时加速继电器闭合；若待并侧频率高于预先整定范围，GOOSE输出减速指令，同时减速继电器闭合；当满足合闸条件时，根据预先设定的导前时间，通过GOOSE和继电器输出合闸指令。

附图3实施例中自动模式下还增加了自动调节控制字，允许用户在自动模式下也不自动调节。

为能快速和准确的实现调速和调压，GOOSE输出和继电器输出时间为周期性的方波，输出脉宽和周期时间可预先整定。为方便调节，周期可整定为输出脉宽的整数倍，如周期整定为2s，脉宽整定为500ms。

为增强合闸的可靠性，减少误操作的可能，当压差、频差任一不满足预先整定的范围时，不开放合闸允许信号。带导前时间的准同期信号和检测当前条件的检同期信号采用不同的算法计算，分别对应同期合闸信号(出口)和合闸允许信号(出口)。如同期合闸信号使用软件判断，合闸允许信号使用硬件判断；或均使用软件算法，但算法校验机制不完全相同。使用常规继电器接点输出时，合闸允许信号可为合闸允许继电器，只有在压差、频差、相角差均在预先整定的范围内时，合闸允许继电器才闭合，合闸允许继电器和合闸继电器串联接入输出回路。

本发明实施例还提供一种适应常规和数字化站的手自一体准同期并网装置，该装置包括采集模块、输入模块、数据处理模块、显示模块、输出模块。

如附图4所示，实施例中采集模块包括数字化电压采集模块、数据同步模块、电压互感器和A/D转换模块、GOOSE和硬接点开关量采集模块；输入模块包含装置定值整定、显示画面切换功能；数据处理模块对采集模块采集的信号和数据、对输入模块的定值操作和人机界面指令进行处理，在经过逻辑计算后，将结果输出给输出模块和显示模块；显示模块具备同步表盘和显示功能；输出模块包括GOOSE输出模块和继电器输出模块，其中继电器输出模块包含加速、减速、升压、减压、合闸允许、合闸继电器。

具体地，数字化电压采集模块支持IEC61850-9-2和IEC60044-7标准，可采集支持IEC61850-9-2和IEC60044-7标准的数字化电压；数据同步模块支持装置在时钟信号作用下同步，支持GPS对时或网络对时；

开关量采集模块包含采集手动模式、自动模式、开关位置接点、确认、升压、降压、加速、减速、合闸等开关量。

如附图2所示，同步表盘采用多个灯组成一圆圈，圆圈内设置频差，压差和同步灯；圆圈上灯与待并侧和***侧实时相角差相关联，呈不均匀分布，在0°附近灯更密集，频差灯与实时频差相关联，压差灯与实时压差相关联，同步灯在同时满足压差、频差、相角差时点亮。

附图2实施例中，同步表盘采用32个灯组成，其中在±15°范围之内采用11个灯，每个灯分辨率为3°，其余的每个灯分辨率为15°。

同步表盘不同处的灯用不同的颜色显示，0°处的灯用绿色灯，±15°内其它灯用黄色灯，大于15°及小于-15°的灯为红色灯。

在多个灯组成的圆圈内置三个灯，分别为频差，压差和同步灯，其中频差和压差采用多色LED灯，用黄绿红三种颜色表示压差、频差的不同状态。其中黄色表示低于预先设定下限值，红色表示高于预先预定上限值，绿色表示在预先设定值范围内。同步灯采用绿色灯，当频差、压差和相角差都在预先设定的范围内时点亮。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网方法，其特征在于,包含如下步骤：

步骤(1)对模拟量采用电压互感器并经A/D转换后完成采样；对数字量采用支持数字化电压采集协议的模块完成采样；将上述采样经同步信号控制和算法插值处理后完成电压采样；

所述的算法插值处理使用改进的Lagrange算法，具体插值算法为：

u_PRB(λ)＝0.5(m-l)(m-l-1)u_MU(l+2)-(m-l)(m-l-2)u_MU(l+1)+0.5(m-l-1)(m-l-2)u_MU(l)；

其中，f_s为合并单元的采样频率，u_MU为处理前的数字电压，u_PRB(λ)为采样电压的抽取序列，λ＝1，2，3，…，f_s'为同期装置的抽取采样频率，采样序号l为小于m的最大整数；

步骤(2)通过数字量输入或硬接点输入完成开关量信号的采集；

步骤(3)对电压采样信号和开关量信号进行数据处理，通过同步表盘实时展现电压压差、频率差和相角差状态；

步骤(4)通过数字量输出和空接点信号输出进行调频、调压及合闸操作。

2.如权利要求1所述的一种适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网方法，其特征是:所述的数字化电压采集协议的模块为采用IEC61850-9-2或IEC60044-7标准的模块；所述的数字量输入和数字量输出分别为GOOSE输入和GOOSE输出。

3.如权利要求1所述的一种适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网方法，其特征在于：所述同步表盘采用多个角差灯组成一个圆圈表示待并侧和***侧实时相角差，在多个角差灯组成的圆圈内置三个灯，分别为频差灯，压差灯和同步灯，其中：

角差灯点亮方法是待并侧和***侧实时相角差的值在预先设定好的范围内时，点亮该角差灯，熄灭其余的角差灯；

频差灯点亮方法是待并侧和***侧实时频率差的值大于设定的第一阈值时显示第一种颜色，低于设定的第二阈值值时显示第二种颜色，在预先设定的第一范围内时显示第三种颜色；

压差灯点亮方法是待并侧和***侧实时压差的值高于预先设定的第三阈值时显示第一种颜色，低于预先设定的第二阈值时显示第二种颜色，在预先设定的第二范围内时显示第三种颜色；

同步灯点亮方法是待并侧和***侧实时相角差、压差、频差都在预先设定的第三范围内时点亮，否则熄灭。

4.如权利要求1或3所述的一种适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网方法，其特征在于：所述同步表盘设置32个角差灯,设0°处为灯1，按顺时针方向，依次为灯2～灯32，待并侧和***侧间的电压相角差为Δδ，点亮灯n的算法如下：

其中，n为自然数，取值范围为1至32。

5.如权利要求1所述的一种适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网方法，其特征在于：带导前时间的准同期信号和检测当前条件的检同期信号采用不同的算法计算，分别对应同期出口的合闸信号和合闸允许信号。

6.一种适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网装置，其特征在于：包括采集模块、输入模块、数据处理模块、显示模块、输出模块，其中：

采集模块包括支持数字化电压采集协议的模块、数据同步模块、电压互感器和A/D转换模块、数字量输入模块和硬接点开关量采集模块；

输入模块包括装置定值整定模块、显示画面切换模块；

显示模块包括同步表盘、装置界面显示模块；输出模块包括数字量输出模块和继电器输出模块；

数据处理模块对采集模块采集的信号和数据、对输入模块的定值操作和人机界面指令进行处理，将结果输出给输出模块和显示模块；

同步表盘采用多个灯组成一圆圈，圆圈上灯呈不均匀分布，在0°附近灯更密集，圆圈内设置频差灯、压差灯和同步灯，且频差灯和压差灯采用多色LED灯，同步灯在压差、频差、相角差都在预先设定的范围内时点亮。

7.如权利要求6所述的一种适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网装置，其特征在于：所述的支持数字化电压采集协议的模块，为使用IEC61850-9-2或IEC60044-7标准的模块；所述的数字量输入模块和数字量输出模块分别为GOOSE输入模块和GOOSE输出模块。

8.如权利要求6所述的一种适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网装置，其特征在于：所说继电器输出模块包含合闸允许继电器和合闸继电器，合闸允许继电器和合闸继电器串联接入输出回路。

9.如权利要求6所述的一种适用于常规和数字化站的手自一体准同期并网装置，其特征在于：所述同步表盘采用32个灯组成一圆圈,在-15°～15°间每隔3°设置一个灯，在15°～180°和-15°～-180°间每隔30°设置一个灯。