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变电站综合自动化原理,第二章 变电站综合自动化信息的测量和采集,第二章 变电站综合自动化信息的测量和采集,河南理工大学电气学院,3,若想实现变电站综合自动化，必须掌握变电站的运行状况，即首先要测量出表征变电运行及设备工作状态的信息。,2.1 变电站综合自动化信息,包括由模拟量、开关量、脉冲量以及设备状态等。,河南理工大学电气学院,4,模拟量信息主要包括：,联络线的有功功率、无功功率和有功电能；线路及旁路的有功功率、无功功率和电流；不同电压等级母线各段的线电压及相电压；三绕组变压器三侧或高压、中压侧的有功功率、无功功率及电流，两绕组变压器两侧或高压侧的有功功率、无功功率及电流；直流母线的电压；所用变低压侧电压；母联电流、分段电流、分支断路器电流；出线的有功功率或电流；并联补偿装置电流；变压器上层油温等。,2.1 变电站综合自动化信息,河南理工大学电气学院,5,开关量信息主要包括：,变电站事故总信号；线路、母联、旁路和分段断路器位置信号；变压器中性点接地隔离开关位置信号；线路及旁联重合闸动作信号；变压器的断路器位置信号；线路及旁联保护动作信号；枢纽母线保护动作信号；重要隔离开关位置信号；断路器失灵保护动作信号；有关过压、过负荷越限信号；有载调压变压器分接头位置信号；变压器保护动作总信号；断路器事故跳闸总信号；直流系统接地信号；控制方式由遥控转为当地控制信号；断路器闭锁信号等。,2.1 变电站综合自动化信息,河南理工大学电气学院,6,设备异常和故障预告信息主要包括：,有关控制回路断线总信号；有关操作机构故障总信号；变压器油温过高、绕组温度过高总信号；轻瓦斯动作信号；变压器或变压器调压装置油温过低总信号；继电保护系统故障总信号；距离保护闭锁信号；高频保护闭锁信号；消防报警信号；大门打开信号；站内UPS交流电源消失信号；通信线路故障信号等。,2.1 变电站综合自动化信息,河南理工大学电气学院,7,变电站综合自动化系统采集的数字量主要指系统频率信号和电能脉冲信号，前者主要出现在保护和低频减负荷装置中，电能脉冲量则主要用于远方对系统电能的计量。,2.1 变电站综合自动化信息,河南理工大学电气学院,8,交流电压U、交流电流I、有功功率P、无功功率Q、变压器油温T等U、I、P、Q可从变电站二次回路中取得信号，通过二次测量得到。测量方法：直流采样（变送器）均值、有效值 交流采样 瞬时值,2.2 模拟量的变送器测量及采集,河南理工大学电气学院,9,2.2 模拟量的变送器测量及采集,交流,直流,传感器是能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器。在综自系统中，主要有电流变送器、电压变送器、三相有功功率变送器、三相无功功率变送器及温度变送器等。从二次回路中获取信号，通过电子变换电路，输出与被测电气量成正比的电流/电压信号。,河南理工大学电气学院,10,插针式直流电压传感器,交流电压传感器,霍尔电流传感器,单相功率传感器,三相四线制有功功率传感,2.2 模拟量的变送器测量及采集,河南理工大学电气学院,11,交流电流的测量,从交流电流到测量机构的方框图如下：两级测量,2.2 模拟量的变送器测量及采集,河南理工大学电气学院,12,电流变送器的基本原理：,中间电流互感器将数安培的输入电流按比例变换为毫安级的交流电流，经过电阻R1转换为交流电压；精密交流、直流转换电路将输入信号变换为绝对值信号后，经低通滤波成直流电压信号全波整流；恒压输出电路实际上是一个电压跟随器，其输出直流电压既符合标准输出范围，又具有良好的电压源特性（强带载能力）；电压/电流变换电路将直流电压变换成直流电流，并具有良好的带负载能力。,2.2 模拟量的变送器测量及采集,河南理工大学电气学院,13,电流变送器的基本原理：,2.2 模拟量的变送器测量及采集,测量交流电流采用的是有效值的平均值测量算法，输出直流电压U0与线路电流有效值I2成正比。,河南理工大学电气学院,14,霍尔电流变送器的基本原理：,霍尔电流传感器是应用霍尔效应和磁平衡原理开发的磁平衡式霍尔电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流，且具有较宽的频响特性，线性度高，输出为电流信号。霍尔效应是磁电效应的一种，当电流垂直于外磁场通过导体时，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力（洛伦兹力），从而在导体的两端产生电压差。,2.2 模拟量的变送器测量及采集,河南理工大学电气学院,15,霍尔电流变送器的基本原理：,当原边导线经过电流传感器时，原边电流IP会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS；其输出计算式为：NP*IP=NS*IS 其中IP：初级电流，NP：初级匝数，IS：次级电流，NS：次级匝数。,2.2 模拟量的变送器测量及采集,河南理工大学电气学院,16,交流电压的测量：,从交流电压到测量机构的方框图如下：,2.2 模拟量的变送器测量及采集,河南理工大学电气学院,17,电压变送器的结构与电流变送器类似，差别在于输入级采用的是中间电压互感器，并省去电流转变为电压的电阻。,2.2 模拟量的变送器测量及采集,交流电压的测量：,河南理工大学电气学院,18,三相功率的测量：功率变送器就是用来测量交流电路中有功功率和无功功率的仪器。,单相有功功率测量元件：有功功率是瞬间功率在一个周期内的平均值，故有功功率也称平均功率。若能从瞬间功率中去除其正弦分量，即能得到有功功率。,在交流电路中，单相有功功率P定义为：,由瞬时功率的基本定义可变形为：,2.2 模拟量的变送器测量及采集,瞬时功率是有功功率与正弦分量的代数和若从瞬时功率中去除其正弦分量，也就得到了有功功率,河南理工大学电气学院,19,单相有功功率测量的原理图：由一个模拟乘法器和低通滤波器组成。,模拟乘法器实现电压u(t)和电流i(t)的乘积，从而构成瞬间功率p(t)；低通滤波器滤去p(t)中的正弦分量。剩下直流分量UIcos，即为有功功率P。功率测量元件的输出电压与输入二次功率的平均值成正比测量单相有功功率实际上主要采用模拟乘法器和低通滤波器两个单元电路，其中模拟乘法器是其核心。,单相功率传感器,2.2 模拟量的变送器测量及采集,河南理工大学电气学院,20,单相有功功率测量元件原理框图如下所示：,2.2 模拟量的变送器测量及采集,河南理工大学电气学院,21,三相有功功率变送器：,三相功率定义：P=3UPIPcos,Q=3UPIPsin,三相有功功率变送器由单相有功功率元件构成。根据三相电路的特点，按功率变送器含有有功功率元件的个数不同，三相有功功率变送器有单元件式、两元件式、三元件式等几种。其中：单元件式三相有功功率变送器适用于电压对称、负载平衡的对称三相电路功率测量；两元件式三相有功功率变送器适用于三相三线制系统中三相功率的测量；三元件式三相有功功率变送器适用于零序电流不为零的三相四线制系统中三相有功功率的测量。,2.2 模拟量的变送器测量及采集,三相功率变送器输出电压与被测线路三相功率成正比,河南理工大学电气学院,22,三相有功功率变送器：,三相四线制有功功率传感器,三相四线制无功功率传感器,三相四线制功率因数传感器,三相三线制有功功率传感器,三相三线制无功功率传感器,三相三线制功率因数传感器,2.2 模拟量的变送器测量及采集,河南理工大学电气学院,23,直流采样技术是从二次回路中获取信号，通过电子变换电路，输出与某电气量成正比的直流模拟信号，其缺点有：第一、每个变送器只能测取一个或两个电气量，变电站中必须使用较多的变送器，投资大、占用空间大；第二、变送器输出的模拟信号是滤波后的平均值，不能反应实际的波形变化情况；第三、这些电量变送器都是电力互感器二次回路的负载，接入变送器越多，二次回路负载越重，互感器的实际变换误差就越大。,2.2 交流采样技术及其应用,河南理工大学电气学院,24,交流采样技术，就是通过对互感器二次回路中的交流电压信号和交流电流信号直接采样（瞬时值）。根据一组采样值，通过对其模/数变换将其变换为数字量，再对数字量进行计算，从而获得电压、电流、功率、电能等电气量值。,2.3 交流采样技术及其应用,优点是可以由同一组采样得到的数字量得到多个计算结果，并能提高计算精度，在需要反应实际波形的地方更有直流采样不可替代的优点。,采样（保持）,A/D转换,计算（算法）,河南理工大学电气学院,25,2.3 交流采样技术及其应用,对一个信号采样就是测取该信号的瞬时值，可由一个采样器来完成。,工作原理：采样器按定时或不定时的方式将开关瞬间接通，使输入的连续信号 f(t)转变为离散信号 f*(t)输出。设采样开关按周期Ts瞬间接通，则采样得到的离散信号为：,采样主要目的是为了使之易于处理或借助更好的工具对其进行处理。信号经过采样后，不应改变原始连续信号所包含的本质特性。采样得到的离散信号 f*(t)能够完全复现（重构）f(t)的所有本质信息。（不失真采样）从直观上来看，采样周期越短，即采样频率越高，fh(t)越接近 f(t)。,一、采样及采样频率的确定,河南理工大学电气学院,26,香农采样定理：为了对连续信号f(t)进行不失真的采样，采样频率s应不低于f(t)所包含最高频率max的两倍。频率混叠(aliasing):以采样频率fs对一个信号进行采样时，信号中大于fs/2的频率成分将对称的映射到fs/2以下的频带中，并且和fs/2以下的原有频率成分叠加起来，使得复原信号失真。,2.3 交流采样技术及其应用,河南理工大学电气学院,27,2.3 交流采样技术及其应用,采样定理是选择采样频率的理论依据在实际应用中，采样频率总要选得比已知被采样信号最高频率高两倍以上。采样交流工频信号时，采样频率一般为工频的810倍及以上，以便使信号中35次谐波分量在采样信号中反映出来。,频率混叠是数字信号处理中的特有现象，是数字信号处理中离散采样引起的。,河南理工大学电气学院,28,二、电气量交流采样算法：,交流电压、电流的有效值U和I的公式为：,2.3 交流采样技术及其应用,有效值的计算主要包括两个部分，即积分运算和开方运算,1、有效值算法2、三相有功功率算法3、三相无功功率算法4、电能量的计算方法,设f(t)是一个周期信号，其周期为T，最大值为Am，则f(t)的有效值A为：,河南理工大学电气学院,29,2.3 交流采样技术及其应用,在计算机中，运算的对象是离散的数字量。因此，计算机的积分运算必须离散化。积分的几何意义：曲线包围面积,若用宽为t、高为f 2(k t)的矩形脉冲面积f 2(kt)t近似相应时间宽度内f 2(t)与时间轴围成的面积，有：,将积分区间0,T 等分为N个子区间，每个子区间tT/N，即在时刻kt 时的被积函数值就是 f 2(kt),fk f 2(kt)，可由f(t)在一个周期内等间隔采样得到,连续积分运算离散化,河南理工大学电气学院,30,2.3 交流采样技术及其应用,f(t)为标准正弦信号时，在积分离散化过程中，N取多大才能使上式成为严格的等式呢？,当N3时，正弦信号在一个周期内的方均值与经过N等分离散化的方均值相等。,连续积分离散化等式,河南理工大学电气学院,31,如果f(t)是正弦交流电压或正弦交流电流：,则当N3时，有：,uk、ik为电压、电流在一周期内N次采样中的第k次采样值。,2.3 交流采样技术及其应用,若采样信号是线电压或线电流，则按公式计算得到的就是线电压和线电流；若采样的信号是相电压或相电流，则按公式得到的就是相电压或相电流。,结论：,河南理工大学电气学院,32,2、三相有功功率的算法：三相三线制电路有功功率的算法 三相负载的瞬时功率都等于各相功率之和，有：,2.1.1已知各相电压、相电流，三相有功功率的算法为：,将连续积分运算离散化，可得三相有功功率的算法为：,2.3 交流采样技术及其应用,河南理工大学电气学院,33,2.3 交流采样技术及其应用,对于三相对称电路：,若考虑到：,仅需测量两相相电压或相电流,河南理工大学电气学院,34,2.1.2已知相关线电压或相电流，三相有功功率的算法：三相三线制中，考虑三相电流的瞬时值之和为0，由此可以推出其三相有功功率的公式为：,将连续积分运算离散化，可得三相有功功率的算法为：,同理可得：,2.3 交流采样技术及其应用,三相三线制电路有功功率的算法,河南理工大学电气学院,35,在三相四线制电路中，设中性线电流为IN，且有iA+iB+iCiN三相负载的瞬时功率p仍然等于各相瞬时功率的代数和，即：,上式也可以写成以下三种表述方式：,2.3 交流采样技术及其应用,三相四线制电路有功功率的算法,其离散化后三相有功功率的计算公式为：,河南理工大学电气学院,36,在单相交流电路中，无功功率Q的定义为：QUIsin 在三相电路中，三相无功功率Q应是各相无功功率的代数和，即：,与三相有功功率算法相对应，可推出三相无功功率的离散计算公式如下：,2.3 交流采样技术及其应用,3、三相无功功率的算法：,iA(k+N/4)为第k+N/4次电流采样值；当k+N/4大于N时，iA(k+N/4)取为iA(k3N/4),河南理工大学电气学院,37,在对称三相电路中，按三相无功功率的定义和900跨相法可构造出下列三相无功功率的算法，即：,2.3 交流采样技术及其应用,河南理工大学电气学院,38,在交流采样技术中，电能量W的计算比较简单。根据定义有：,M电能计量时间起点至时刻t经过的正弦信号周期数，即MT t(M+1)TP(k)第k个周期内的平均功率。,由于电力系统线路的电压或电流的周期随时间会发生波动，因此电能量计算公式应改为：,2.3 交流采样技术及其应用,4、电能量的计算算法：,河南理工大学电气学院,39,三、交流采样的硬件与软件概述：,2.3 交流采样技术及其应用,1、交流采样硬件：在变电站综合自动化系统中，交流采样装置一般由单片微机为核心的硬件构成。它由中间电压互感器、中间电流互感器、多路模拟开关、采样/保持器、A/D转换器、单片微机以及频率跟踪等电路组成。,河南理工大学电气学院,40,1、交流采样硬件：,2.3 交流采样技术及其应用,(2)采样保持器：采样保持器是在逻辑电平控制下，处于“采样”或“保持”两种状态的电路器件。在采样状态下，输出跟随输入的变化而变化；在保持状态下，输出等于输入保持状态时输入的瞬时值。,它由电子模拟开关AS、保持电容器Ch及两个阻抗变换器组成。Ch的作用是记忆AS闭合时刻的电压，并在AS打开后保持该电压。,(1)信号选择：交流采样信号取自二次回路。多路模拟开关的功能是根据输入的地址信号，选择其中的一路作为输出信号。,阻抗变换器I提供低阻抗，使得Ch电压建立迅速；阻抗变换器II提供高阻抗，使得Ch衰减缓慢。,(3)A/D转换器：是将输入模拟信号转换成数字量的器件。其主要的特性有：量化误差与分辨率、转换精度、转换时间。,2.3 交流采样技术及其应用,河南理工大学电气学院,42,(1)多条线路轮换采样：,2.3 交流采样技术及其应用,2、几个需要考虑的问题：,(2)交流采样的同时性：,(3)交流采样的等间隔性：,需要测量各条进线、出线及变压器上的U、I采用轮换的方式分时对每条线路采样，N个周期多路模拟开关,按照功率的定义，一条线路上的交流电压、电流的采样应当同时测取。同时性的实现一般用采样保持器来完成。按相电压、相电流测取功率，至少需6个采样/保持器；线电压、线电流，需要4个,每个模拟量通道都使用一个A/D？,交流信号的频率随时间变化，因此采样频率应随之变化频率跟踪,河南理工大学电气学院,43,3、交流采样软件概述：,2.3 交流采样技术及其应用,主要包括两个部分：一是交流信号的采样控制软件；二是交流采样数据的处理软件。,河南理工大学电气学院,44,交流信号采样控制是在A/D中断服务程序中完成的。,2.3 交流采样技术及其应用,A/D中断服务程序框图：,河南理工大学电气学院,45,采样数据处理软件是将采样数据经格式变换、计算等处理，转换成适合于远传和当地监视的数据结构。其中包括：数据预处理；将数据按公式进行电气量计算；标度变换；将电气量进行二十进制转换等。,2.3 交流采样技术及其应用,河南理工大学电气学院,46,变电站综合自动化所需要采集的温度量包括：变压器油温、变电站控制室温度等。测温常用的元件（传感器）有：热电偶、热电阻、热敏电阻等，在变电站中由于温度范围不高，常用的测温器件有热电阻和热敏电阻。,铠装热电偶,装配式热电阻,热敏电阻,2.4 变压器油温的测量和采集,河南理工大学电气学院,47,2.4 变压器油温的测量和采集,两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在。,1 热电偶测温原理是热电效应：,热端,冷端,两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。,这种现象早在1821年首先由西拜克（See-back）发现,所以又称西拜克效应。,河南理工大学电气学院,48,2.4 变压器油温的测量和采集,热电偶传感器特点：热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便结构简单，测量范围宽：测温范围-501600，通常用来测量300以上的高温。,目前工业上常用的有四种标准化热电偶 1.铂铑10-铂(S型）2.镍铬-考铜(E型)3.镍铬-镍铝(K型)4.铂铑30-铂铑6（B型）,1铂铂铑热电偶(S型)正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300、短期：1600。特点 材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。在高温还原性气体中（如气体中含CO、H2等）易被侵蚀，需用保护套管。材料属贵金属，成本较高。,2.4 变压器油温的测量和采集,2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型)正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。测量温度：长期1000，短期1300。特点 价格比较便宜，在工业上广泛应用。高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。复现性好，热电势大。,2.4 变压器油温的测量和采集,3镍铬考铜热电偶(E型)正极：镍铬合金 负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。测量温度：长期600，短期800。特点：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。,2.4 变压器油温的测量和采集,4铂铑30铂铑6热电偶(B型)正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600，短期可达1800。特点：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。成本高。,2.4 变压器油温的测量和采集,河南理工大学电气学院,53,2.4 变压器油温的测量和采集,2 热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性来测量温度。测温范围-200500，常用于中、低温区的测量。,3 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度变化而显著变化的原理测量温度。测温范围-50300。,阻值与温度的关系非线性严重；元件的一致性差，互换性差；元件易老化，稳定性较差；,变电站温度测量大多采用热电阻作为一次元件应用较广泛的热电阻材料：铂和铜；低温测量采用铟、锰等,河南理工大学电气学院,54,热电阻作为温度测量的一次元件，它仅将温度高低转变为电阻值的大小，只有测量出电阻值的大小才能推知温度的高低。在变电站综自系统中，用热电阻测量的温度信号要远传到变电站控制室，所以应采用温度变送器将温度变化引起的电阻值变化变换成统一的电信号。热电阻测温电路常用的是电桥电路,2.4 变压器油温的测量和采集,用热电阻测量温度：,+,-,U0,河南理工大学电气学院,55,变电站中的状态量信息主要包括传统概念的遥信信息和自动化系统设备运行状态信息等。,2.5 变电站状态量信息的采集,一、遥信信息及其来源：遥信信息用来传送断路器、隔离开关的位置状态，传送继电保护、自动装置的动作状态，以及系统、设备等运行状态信号。,1断路器状态信息的采集：断路器的分、合闸位置信号通过其辅助触点引出，与断路器的位置一一对应。2继电保护动作状态信息的采集：采集继电保护出口继电器的触点状态信息，并记录动作时间。3事故总信号的采集：采集事故总信号出口继电器的触点状态信息。发电厂任一断路器发生事故跳闸，将启动事故总信号，用于区分正常操作与事故跳闸。4其他信号的采集：通常采集对应元件、装置的触点状态完成。,遥信信息的采集最终都可以转化为对辅助触点或信号继电器触点位置信号的采集,河南理工大学电气学院,56,遥信信号,二、遥信采集电路,遥信触点,2.5 变电站状态量信息的采集,为了防止干扰，在二次回路的触点信息输入时要采取隔离措施，目前常用光电耦合器件来实现内外的电气隔离。,河南理工大学电气学院,57,三、遥信输入的几种形式：1、采用定时扫查方式的遥信输入：在变电站综合自动化系统中，采用定时扫查的方式读入遥信状态信息，128个遥信输入电路如下图所示。遥信定时扫查工作在实时时钟中断服务程序中进行，每5ms执行一次。一旦发现有遥信变位，则更新遥信数据区，同时，记录遥信变位时间，以便完成SOE信息的发送。,2.5 变电站状态量信息的采集,16选1多路选择开关,地址选择输入端,8片74150,河南理工大学电气学院,58,三、遥信输入的几种形式：2、循环扫描输入遥信：,2.5 变电站状态量信息的采集,按定时扫描输入遥信，只要时间间隔合适，完全能满足遥信变位分辨率的要求，输入以外的时间，CPU尚可完成其他工作。（老式系统）目前投运的新型综自系统，由智能子模块来完成遥信量状态的采集和处理工作。CPU有更多的时间，以循环的方式对遥信量状态进行更短周期的采集，以提高站内遥信变位的分辨率。,河南理工大学电气学院,59,将读入的当前遥信状态值与存储的历史遥信状态值进行异或运算：结果为0则没有遥信变位，否则有遥信变位，且对应为“1”的位表征的遥信量有变化。,2.5 变电站状态量信息的采集,遥信变位的鉴别和处理,河南理工大学电气学院,60,遥信采集中的误遥信及其克服,2.5 变电站状态量信息的采集,状态量采集系统在实际运行中会产生不真实的遥信变位信号，给运行人员的控制决策带来误导。误遥信可分为两类：,第一类：一个真实的遥信信号变位后紧接着几个假遥信读数，最终遥信稳定到真实变位后的状态原因：遥信信号变位时，继电器不能一次性闭合，其抖动信号经光耦后成为连续几个遥信信号解决方法：可采取“延时重测”的方法加以克服；,河南理工大学电气学院,61,遥信采集中的误遥信及其克服,2.5 变电站状态量信息的采集,第二类：某些遥信不定时的出现抖动，往往由遥信回路中的电磁干扰，特别是尖峰干扰脉冲造成误遥信解决方法：提高电源电压，采用站用220V直流电源代替24V电源、同时加入适当的电阻限流来克服。,世界时国际原子时协调世界时闰秒,2.6 变电站实时时钟的建立和应用,几个时间术语,世界时(GMT),2.6 变电站实时时钟的建立和应用,世界各地都有各地的地方时间。如果对国际上某一重大事情，用地方时间来记录，就会感到复杂不便统一以格林尼治的地方时间为标准。以平子夜作为0时开始的格林尼治（英国伦敦南郊原格林尼治天文台的所在地，它又是世界上地理经度的起始点-本初子午线）平太阳时，就称为世界时（UT）。北京时间以地球自转为基础的时间计量系统。地球自转的角度可用地方子午线相对于天球上的基本参考点的运动来度量。两个基本参考点：春分点和平太阳，由此确定的时间分别称为恒星时和平太阳时。将一年中每日平均长短的186400确定为1秒世界时是以地球自转为基础建立起来的，由于地球自转的不均匀性，作为计时其准确度只能达到10-8数量级。,国际原子时(TAI),2.6 变电站实时时钟的建立和应用,用铯原子钟来计时可以达到相当高准确度，准确度可达10-1410-15。需要2000万年计时才差一秒钟（NIST-F1）。,原子时间计量标准在1967年正式取代了天文学意义上秒长的定义新秒长规定为：位于海平面上的铯Cs133原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡9 192 631 770个周期所持续的时间为一个原子时秒，我们称之为国际原子时（TAI）。另外规定原子时起点在1958年1月1日0时（UT），即在这一瞬间，原子时和世界时重合。,协调世界时(UTC),2.6 变电站实时时钟的建立和应用,相对于以地球自转为基础的世界时来说，原子时是均匀的计量系统，这对于测量时间间隔非常重要。但世界时时刻反映了地球在空间的位置，并对应于春夏秋冬、白天黑夜的周期，是我们熟悉且在日常生活中必不可少的时间。为兼顾这两种需要，引入了协调世界时（UTC）系统。UTC在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定要和原子时秒长相等，只是在时刻上，通过人工干预，尽量靠近世界时。,闰秒,2.6 变电站实时时钟的建立和应用,UTC在秒长上使用原子时秒，但是在时刻上，需要通过人工干预，使其尽量靠近世界时。这就需要对UTC进行“闰秒操作”，即每当UTC与世界时UT时刻之差接近或超过0.9秒时，在当年的6月底或12月底的UTC时刻上增加一秒或减少一秒。,河南理工大学电气学院,67,时钟同步的概念：,2.6 变电站实时时钟的建立和应用,时间同步也称为“对钟”，是通过时刻比对，将分布在不同地方的时钟的钟面时刻值调整到一定的准确度或一定的符合度。前者为绝对时间同步，后者为相对时间同步。时钟同步技术是现代分布式系统的重要支撑技术之一，其目的就是要维护一个全局的、统一的物理或逻辑时间，以便使得系统中的各种消息、事件及节点等与时间相关的过程或行为有一个全局一致的、统一的解释和标记，从而确保系统中各个节点运行时在时间和逻辑上具有正确性、协调性及可追溯性。数字化变电站自动化系统的时钟同步就是要将变电站内变电站层监控主机、间隔层IED以及过程层电子式互感器、智能开关、断路器等设备的时钟时刻统一到一个外部时间基准上(如UTC)，以保证站内乃至广域的各自动化功能的正确运行及事后运行故障原因分析等。,河南理工大学电气学院,68,变电站时钟同步的意义：,2.6 变电站实时时钟的建立和应用,1故障录波、事件顺序记录通过收集分散在各个变电站的故障录波数据和事件顺序记录，可以在全网内更好地复现事故发生发展的过程，监视系统的运行状态。对故障录波和事件顺序记录来说，对时精度不宜低于1 ms。2故障定位电网故障定位系统可以通过检测各变电站接收到故障反馈信号的精确时间、对比不同站点的时差关系来定位故障发生的位置。理论上，对时精度达到1us时，测距精度可以达到300 m。,河南理工大学电气学院,69,变电站时钟同步的意义：,2.6 变电站实时时钟的建立和应用,3电子式互感器的同步采样电子式互感器输出的是采样处理后的数字信号，各相电流和电压互感器输出的信号必须同步，才能为继电保护和其它装置使用。例如母线保护要求所有间隔的电流采样信号必须同步，而线路差动保护则需要两个变电站之间保持同步。该应用要求对时精度达到1us(用于计量)和4us(用于输电线路保护)。4在自动控制中的应用目前，在电力系统中有许多控制都采用定时控制策略，如自动无功电压控制，调度根据预测的负荷曲线，制定主变分接头调整计划和电容器组投退计划，然后将这些时间表整定到实现无人值班变电所的自动装置中，由这些装置根据自身的时间来进行自动调节。,2.6 变电站实时时钟的建立和应用,1、实时时钟的建立2、实时时钟的统一对时,变电站对时系统,河南理工大学电气学院,71,在变电站综合自动化系统中，重要的状态量变化均需带上时标信息，因此，必须建立实时时钟，这个时钟的分辨率应达到ms级。电网内实时时钟的核心问题是要求统一，即要求各厂站与调度中心之间的实时时钟相一致。为了实现时间的一致性，各厂站测控系统若能接收同一授时源的时钟，一致性问题便可迎刃而解了。在我国电力系统中，通常以GPS时间信号作为外部时间基准信号，精度高，与UTC保持高度同步，误差仅为110ns,2.6 变电站实时时钟的建立和应用,1、实时时钟的建立,河南理工大学电气学院,72,在变电站综自系统中，选择民用定时型GPS接收器来获得精确的授时信号。这种接收器由接收模块和天线构成，其内部硬件电路和处理软件通过对接收到的信号进行解码，从中提取两种时间信号：一是间隔为1s的脉冲信号1PPS，其脉冲前沿与UTC时间的同步误差不超过1us 二是经RS-232串行口输出的与1PPS脉冲前沿对应的国际标准时间和日期代码。,2.6 变电站实时时钟的建立和应用,1 外部时钟源-GPS系统时间,GPS提供的1PPS信号是以秒为计时单位的其精确度高，为1us,河南理工大学电气学院,73,2.6 变电站实时时钟的建立和应用,2 装置内时钟的建立,GPS只提供精确到us的秒级时间，电网系统内每一套测控或监控系统本身需建立毫秒级实时时钟毫秒级的内部时钟+利用GPS提供的以秒为单位的精确时间信号对其进行对时或修正微机化测控或监控系统内的实时时钟：专用定时/计数器 Intel8253,实时时钟实际上分成两个部分：两字节的ms级时钟，由CPU中断累加计数高位7个字节组成的秒级时钟，由GPS对时钟发进位标志,ms级时钟只作为ms级的计数，不允许其进位，并由秒级对时脉冲将其清零,河南理工大学电气学院,74,第一是变电站内需要时标的测控装置有多个，不可能每个单元都设置实时时钟接收装置。往往采用一个实时时钟接收装置得到的实时时钟对每个需要实时时钟的单元进行对时，实现时钟的统一；第二是调度中心（或集控中心）与变电站之间的对时；第三是调度中心之间的对时。,2.6 变电站实时时钟的建立和应用,2、实时时钟的统一对时,电力系统中实时时钟的对时包括：,上述三种上级对下级的对时能确保真正意义下的全网统一时钟,河南理工大学电气学院,75,2.6 变电站实时时钟的建立和应用,对时原理：,当被对时站（子站）开始工作后，对时站（主站）首先将自身的时钟通过报文下达到子站，子站接收后写入子站时钟区，建立子站时钟。经过一定时间(5min)后，主站发出召唤子站时钟命令，并记录当前时间Tm2；子站接收到命令后，将子站时间Ts2以及等待发送时间T0报告主站；主站根据接收到的子站时钟和当前时间Tm3，计算出对子站时钟的校正量C，并将C传送到子站，由子站将C加到当前时钟上，从而实现对时。,河南理工大学电气学院,76,2.6 变电站实时时钟的建立和应用,对时原理：,C=Tm2+T2+t1-Ts2 t=(Tm3-Tm2-T2-T3-T0)C=(Tm3+Tm2+T2-T3-T0)-Ts2,河南理工大学电气学院,77,同步时钟系统在变电站综自中的应用,The End！,