光纖差動保護在智能變電站中的數(shù)據(jù)同步算法
陳新美，劉園偉
（許昌開普檢測技術(shù)有限公司）
Fiber Differential Protection in Smart Substation Data Synchronization
CHEN xinmei，LIU yuanwei
(Xuchang Ketop Testing Technology Co.，Ltd.)
摘要：光纖差動保護在電力線路中的應(yīng)用較為廣泛，是電力線路中較為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。隨著智能變電站的大面積推廣，光纖差動保護裝置的同步采樣方式有了很大的變化，傳統(tǒng)的同步采樣方式已經(jīng)不適用于智能變電站了。本文重點介紹了插值法在光纖差動保護同步中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：光纖差動；智能變電站；數(shù)據(jù)同步
ABSTRACT:Fiber differential protection are more widely application in the electric power line，is the key of a power line。With the widespread popularization of smart substation,fiber differential protection device of synchronous sampling methods have changed a lot, traditional way of synchronous sampling has been used in smart substation.This paper mainly introduces the interpolation method in the application of the fiber differential protection synchronously.
KEY WORDS:Fiber Differential；Smart Substation；Data Synchronization
1.引言
智能變電站的建設(shè)充分體現(xiàn)了一次設(shè)備智能化和二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的特點。一次設(shè)備智能化的重點是電子式互感器和智能斷路器的應(yīng)用，電子式互感器的應(yīng)用解決了電流互感器飽和導(dǎo)致差動保護動作行為不正確的問題，加上光纖電流差動保護自身的優(yōu)點，使光纖電流差動保護成為高電壓等級智能變電站輸電線路的主保護。
2.基本原理
光纖差動保護是在電流差動保護的基礎(chǔ)上演化而來，利用專用光纖通道實時地向?qū)?cè)傳遞采樣數(shù)據(jù)，同時接收對側(cè)的采樣數(shù)據(jù)，通過計算線路兩端的電流，能簡單、可靠地判斷出區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。光纖差動保護的原理如圖1所示
圖1光纖差動保護原理
Fig. 1Fiber differential protection principle
設(shè)流過兩側(cè)保護的電流以母線流向本保護線路的方向為其正方向，則動作電流
，制動電流
。
（式1）
（式2）
式中：Idq為差動繼電器啟動電流；Kr為比率自動系數(shù)。同時滿足上述兩個條件，差動保護動作。比率制動特性如圖2所示。
圖2 比率制動特性
Fig. 2 Ratio braking characteristics
為躲過外部故障不平衡電流，通常還采用比率制動特性原理的電流繼電器，當(dāng)動作電流與制動電流對應(yīng)的工作點位于比率制動特性曲線動作區(qū)內(nèi)，判為區(qū)內(nèi)故障，差動繼電器動作跳閘。當(dāng)工作點落在非動作區(qū)內(nèi)，判為區(qū)外故障，繼電器不動作。
3.同步算法
線路光纖差動保護裝置的一個關(guān)鍵性技術(shù)就是線路兩側(cè)保護裝置采樣數(shù)據(jù)的同步問題。
智能變電站中采用電子式互感器，其輸出為離散的數(shù)字量，通過光數(shù)字信號形式經(jīng)合并單元傳輸給間隔層保護設(shè)備，這個采樣數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)倪^程存在比較明顯的延時，一般為50μs～500μs，有的甚至超過1000μs，這種數(shù)據(jù)采集的延時對差動保護來說是不可忽略的，而且線路兩側(cè)的變電站中傳輸給間隔層保護設(shè)備釆樣數(shù)據(jù)的合并單元也存在著不同的延時，這給智能變電站線路差動保護兩側(cè)數(shù)據(jù)同步帶來新的問題。
對常規(guī)變電站差動保護裝置兩側(cè)數(shù)據(jù)的同步，目前已經(jīng)有了很多種具體實用的方法，由于智能變電站與常規(guī)變電站中差動保護裝置的數(shù)據(jù)采樣的方式已經(jīng)不同，這些方法已不再適用新的要求，需要改進或者研究新原理的兩側(cè)數(shù)據(jù)同步方法。目前國內(nèi)外主流繼電保護廠家的同步方法不盡相同，但大致可以分為一下幾種方案：采樣數(shù)據(jù)修正同步法、釆樣時刻調(diào)整同步法、時鐘校正數(shù)據(jù)同步法、參考相量數(shù)據(jù)同步法、GPS數(shù)據(jù)同步法以及虛擬同步釆樣中斷技術(shù)的同步方法等。
智能變電站的線路差動保護裝置采樣數(shù)據(jù)的方式和常規(guī)變電站的線路差動保護裝置采樣數(shù)據(jù)的方式有很大的差別，由于采樣延時的存在，前面介紹的幾種常規(guī)模式下的數(shù)據(jù)同步方式已經(jīng)不能直接使用。例如:由于IEC-60044-7和IEC-60044-8不允許間隔層設(shè)備向合并單元發(fā)送指令，這樣采樣時刻調(diào)整數(shù)據(jù)同步法就不能使用了。另外由于智能變電的建設(shè)剛剛起步，數(shù)量有限，對于線路兩側(cè)數(shù)據(jù)的采集，現(xiàn)在處于多種方式，既有兩側(cè)都是常規(guī)方式的，又有全是數(shù)字采集方式的，還有常規(guī)數(shù)字兩者混合的，這就使的本身復(fù)雜的數(shù)據(jù)同步問題變得更加復(fù)雜。我們必須改進以前的數(shù)據(jù)同步方法或者來用新的數(shù)據(jù)同步方法。
4．基于9-2協(xié)議的插值同步法
9-2協(xié)議中規(guī)定了合并單元輸出的數(shù)據(jù)要通過過程層網(wǎng)絡(luò)再輸入到保護裝置，這種傳輸延時是不固定的。智能變電站中的線路差動保護裝置和合并單元都使用相同時鐘信號，輸電線路兩側(cè)變電站的時鐘信號可以不相同不同步。
9-2協(xié)議中規(guī)定合并單元輸出的釆樣數(shù)據(jù)幀中含有以下數(shù)據(jù)：
1.釆樣數(shù)據(jù)；
2.電子式電流互感器的額定延時；
3.釆樣標(biāo)號SmpCnt。
可以利用數(shù)據(jù)傾中的電子式電流互感器的額定延時和采樣標(biāo)號SmpCnt，得到適用于9-2協(xié)議的智能變電站線路差動保護裝置的插值數(shù)據(jù)同步法。
如圖3所示，設(shè)電子式電流互感器的釆樣間隔ts，輸電線路兩側(cè)的合并單元和線路差動保護裝置都有自己的高頻率高穩(wěn)定的晶振進行走時計時。變電站的時鐘源每整秒發(fā)出秒脈沖信號，站內(nèi)的合并單元和差動保護裝置收到秒脈沖信號的上升沿時，把各自的釆樣計數(shù)器清零，然后按各自自己的晶振走時，并給電子式互感器按一定的采樣頻率發(fā)送釆樣指令，發(fā)送指令后采樣計數(shù)器就加一，合并單元發(fā)給差動保護裝置的數(shù)據(jù)中即含這個釆樣計數(shù)器(Smpcnt)。下面以M側(cè)為例來介紹這種方法數(shù)據(jù)同步的處理過程。
將SmpCnt的采樣計數(shù)值設(shè)為M1，那么從合并單元到保護裝置的延時的計算公式如式3：
(式3)
圖3 基于9-2協(xié)議的插值同步法示意圖
Fig. 3 9-2 schematic synchronization method based on interpolation protocol
M側(cè)采樣數(shù)據(jù)從電子式互感器到差動保護裝置之間的總延時為:
(式4)
M側(cè)差動保護裝置在tm1”時刻收到合并單元的釆樣數(shù)據(jù)后將其發(fā)送給N側(cè)差動保護裝置。經(jīng)過通道延時Td后N側(cè)差動保護裝置在時刻收到M側(cè)差動保護裝置發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)幀。再經(jīng)△t延時后到發(fā)送中斷時向M側(cè)差動保護裝置發(fā)送一幀既包含本側(cè)的采樣數(shù)據(jù)，又包含這個△t和N側(cè)采樣數(shù)據(jù)從電子式互感器到差動保護裝置之間的總延時為tb的數(shù)據(jù)幀。M側(cè)差動保護裝置經(jīng)過Td通道延時后在tmr時刻收到N側(cè)保護裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，這樣我們可以得出通道延時Td的計算公式式5:
(式 5)
將tn2”對應(yīng)到N側(cè)合并單元和電子式電流互感器的采樣時刻分別為tn2’、tn2，對應(yīng)到M側(cè)的差動保護裝置應(yīng)該為tmn”時刻，同一個變電站的合并單元和差動保護裝置已經(jīng)經(jīng)同一秒脈沖實現(xiàn)時鐘同步，因此tmn”時刻就是tmn’時刻，所以M、N兩側(cè)的合并單元之間存在的時間差tα=tm1’-tmn’。我們再通過拉格朗日二次插值法，按照tα的時間值在tm1’采樣點前、后選取合適的釆樣點數(shù)據(jù)進行插值計算，在M側(cè)就能實現(xiàn)兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)的同步。同理也利用拉格朗日插值法在N側(cè)也能實現(xiàn)兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)的同步。
很明顯該方法既適用于兩側(cè)都是9-2協(xié)議智能變電站的線路差動保護裝置數(shù)據(jù)同步，還適用于一側(cè)為常規(guī)變電站的線路差動保護。
釆用拉格朗日插值法按基于9-2協(xié)議的數(shù)據(jù)同步法進行輸電線路兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)的同步，眾所周知，由于插值余項的存在和插值計算過程中本身的計算誤差，導(dǎo)致擬合波形和實際波形肯定有幅值和角度的誤差。這種誤差的多少和采用的插值的次數(shù)有不小的關(guān)系。釆用拉格朗日二次插值肯定要比其一次差值誤差小，在實際的工程應(yīng)用中一般都采用二次插值。
5.總結(jié)
本首先介紹了常規(guī)模式下和智能變電站模式下的幾種差動數(shù)據(jù)同步法。分析了智能變電站中的差動保護不能使用常規(guī)模式下差動數(shù)據(jù)同步方法的原因。其次分析了適合于9-2協(xié)議的拉格朗日插值數(shù)據(jù)同步方法，并對其計算誤差對進行了探討，結(jié)果說明拉格朗日二次插值法能滿足智能站9-2協(xié)議下的差動保護同步計算誤差的要求。本文的設(shè)計就是使用以上方法，并驗證其是滿足現(xiàn)場要求的。
參考文獻：
[1] 張兆云，劉宏君，張潤超．?dāng)?shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站間光纖縱差保護研究．電力系統(tǒng)保護與控制，2010，8(3)：58-60
[2] 劉宏君，孫一民，李延新．?dāng)?shù)字化變電站光纖縱差保護性能分析．電力系統(tǒng)自動化，2008，32 (17)：72 -74
[3] 曹團結(jié)，俞拙非，吳崇昊．電子式互感器接入的光纖差動保護數(shù)據(jù)同步方法．電力系統(tǒng)自動化，2009，33(23)：65 -68
[4] 曹團結(jié)，陳建玉，黃國方．基于IEC61850 -9的光纖差動保護數(shù)據(jù)同步方法．電力系統(tǒng)自動化，2009，33(24)：58 -60
[5] 鄭新才，施魯寧，楊光等．IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下采樣值傳輸規(guī)范9 -1、9-2的對比和分析．電力系統(tǒng)保護與控制，2008，36(18)：47 -50
作者簡介：1、陳新美（1970-），女，河南許昌，主任檢測工程師，主要從事繼電保護標(biāo)準(zhǔn)的研究；
2、劉園偉（1981-），男，河南許昌，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護專業(yè)測試工作。- 上一篇：2017年春節(jié)放假的通知 2017/1/24
- 下一篇：2016年國慶節(jié)放假的通知 2016/9/28
