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1.引言

智能變電站的建設充分體現了一次設備智能化和二次設備網(wǎng)絡(luò )化的特點(diǎn)。一次設備智能化的重點(diǎn)是電子式互感器和智能斷路器的應用，電子式互感器的應用解決了電流互感器飽和導致差動(dòng)保護動(dòng)作行為不正確的問(wèn)題，加上光纖電流差動(dòng)保護自身的優(yōu)點(diǎn)，使光纖電流差動(dòng)保護成為高電壓等級智能變電站輸電線(xiàn)路的主保護。

2.基本原理

光纖差動(dòng)保護是在電流差動(dòng)保護的基礎上演化而來(lái)，利用專(zhuān)用光纖通道實(shí)時(shí)地向對側傳遞采樣數據，同時(shí)接收對側的采樣數據，通過(guò)計算線(xiàn)路兩端的電流，能簡(jiǎn)單、可靠地判斷出區內、區外故障。光纖差動(dòng)保護的原理如圖1所示

圖1光纖差動(dòng)保護原理

Fig. 1Fiber differential protection principle

設流過(guò)兩側保護的電流以母線(xiàn)流向本保護線(xiàn)路的方向為其正方向，則動(dòng)作電流，制動(dòng)電流。

    （式1）

   （式2）

式中：Idq為差動(dòng)繼電器啟動(dòng)電流；Kr為比率自動(dòng)系數。同時(shí)滿(mǎn)足上述兩個(gè)條件，差動(dòng)保護動(dòng)作。比率制動(dòng)特性如圖2所示。

圖2 比率制動(dòng)特性

Fig. 2 Ratio braking characteristics

為躲過(guò)外部故障不平衡電流，通常還采用比率制動(dòng)特性原理的電流繼電器，當動(dòng)作電流與制動(dòng)電流對應的工作點(diǎn)位于比率制動(dòng)特性曲線(xiàn)動(dòng)作區內，判為區內故障，差動(dòng)繼電器動(dòng)作跳閘。當工作點(diǎn)落在非動(dòng)作區內，判為區外故障，繼電器不動(dòng)作。

3.同步算法

線(xiàn)路光纖差動(dòng)保護裝置的一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)就是線(xiàn)路兩側保護裝置采樣數據的同步問(wèn)題。

智能變電站中采用電子式互感器，其輸出為離散的數字量，通過(guò)光數字信號形式經(jīng)合并單元傳輸給間隔層保護設備，這個(gè)采樣數據處理、傳輸的過(guò)程存在比較明顯的延時(shí)，一般為50μs～500μs，有的甚至超過(guò)1000μs，這種數據采集的延時(shí)對差動(dòng)保護來(lái)說(shuō)是不可忽略的，而且線(xiàn)路兩側的變電站中傳輸給間隔層保護設備釆樣數據的合并單元也存在著(zhù)不同的延時(shí)，這給智能變電站線(xiàn)路差動(dòng)保護兩側數據同步帶來(lái)新的問(wèn)題。

對常規變電站差動(dòng)保護裝置兩側數據的同步，目前已經(jīng)有了很多種具體實(shí)用的方法，由于智能變電站與常規變電站中差動(dòng)保護裝置的數據采樣的方式已經(jīng)不同，這些方法已不再適用新的要求，需要改進(jìn)或者研究新原理的兩側數據同步方法。目前國內外主流繼電保護廠(chǎng)家的同步方法不盡相同，但大致可以分為一下幾種方案：采樣數據修正同步法、釆樣時(shí)刻調整同步法、時(shí)鐘校正數據同步法、參考相量數據同步法、GPS數據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(xiàn)路差動(dòng)保護裝置采樣數據的方式和常規變電站的線(xiàn)路差動(dòng)保護裝置采樣數據的方式有很大的差別，由于采樣延時(shí)的存在，前面介紹的幾種常規模式下的數據同步方式已經(jīng)不能直接使用。例如:由于IEC-60044-7和IEC-60044-8不允許間隔層設備向合并單元發(fā)送指令，這樣采樣時(shí)刻調整數據同步法就不能使用了。另外由于智能變電的建設剛剛起步，數量有限，對于線(xiàn)路兩側數據的采集，現在處于多種方式，既有兩側都是常規方式的，又有全是數字采集方式的，還有常規數字兩者混合的，這就使的本身復雜的數據同步問(wèn)題變得更加復雜。我們必須改進(jìn)以前的數據同步方法或者來(lái)用新的數據同步方法。

4．基于9-2協(xié)議的插值同步法

9-2協(xié)議中規定了合并單元輸出的數據要通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò )再輸入到保護裝置，這種傳輸延時(shí)是不固定的。智能變電站中的線(xiàn)路差動(dòng)保護裝置和合并單元都使用相同時(shí)鐘信號，輸電線(xiàn)路兩側變電站的時(shí)鐘信號可以不相同不同步。

9-2協(xié)議中規定合并單元輸出的釆樣數據幀中含有以下數據：

1.釆樣數據；

2.電子式電流互感器的額定延時(shí)；

3.釆樣標號SmpCnt。

可以利用數據傾中的電子式電流互感器的額定延時(shí)和采樣標號SmpCnt，得到適用于9-2協(xié)議的智能變電站線(xiàn)路差動(dòng)保護裝置的插值數據同步法。

如圖3所示，設電子式電流互感器的釆樣間隔t_s，輸電線(xiàn)路兩側的合并單元和線(xiàn)路差動(dòng)保護裝置都有自己的高頻率高穩定的晶振進(jìn)行走時(shí)計時(shí)。變電站的時(shí)鐘源每整秒發(fā)出秒脈沖信號，站內的合并單元和差動(dòng)保護裝置收到秒脈沖信號的上升沿時(shí)，把各自的釆樣計數器清零，然后按各自自己的晶振走時(shí)，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)送指令后采樣計數器就加一，合并單元發(fā)給差動(dòng)保護裝置的數據中即含這個(gè)釆樣計數器(Smpcnt)。下面以M側為例來(lái)介紹這種方法數據同步的處理過(guò)程。

將SmpCnt的采樣計數值設為M₁，那么從合并單元到保護裝置的延時(shí)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側采樣數據從電子式互感器到差動(dòng)保護裝置之間的總延時(shí)為:

     (式4)

M側差動(dòng)保護裝置在t_m1”時(shí)刻收到合并單元的釆樣數據后將其發(fā)送給N側差動(dòng)保護裝置。經(jīng)過(guò)通道延時(shí)T_d后N側差動(dòng)保護裝置在時(shí)刻收到M側差動(dòng)保護裝置發(fā)送的采樣數據幀。再經(jīng)△t延時(shí)后到發(fā)送中斷時(shí)向M側差動(dòng)保護裝置發(fā)送一幀既包含本側的采樣數據，又包含這個(gè)△t和N側采樣數據從電子式互感器到差動(dòng)保護裝置之間的總延時(shí)為t_b的數據幀。M側差動(dòng)保護裝置經(jīng)過(guò)T_d通道延時(shí)后在t_mr時(shí)刻收到N側保護裝置發(fā)送的數據幀，這樣我們可以得出通道延時(shí)T_d的計算公式式5:

    (式 5)

將t_n2”對應到N側合并單元和電子式電流互感器的采樣時(shí)刻分別為t_n2’、t_n2，對應到M側的差動(dòng)保護裝置應該為t_mn”時(shí)刻，同一個(gè)變電站的合并單元和差動(dòng)保護裝置已經(jīng)經(jīng)同一秒脈沖實(shí)現時(shí)鐘同步，因此t_mn”時(shí)刻就是t_mn’時(shí)刻，所以M、N兩側的合并單元之間存在的時(shí)間差t_α=t_m1’-t_mn’。我們再通過(guò)拉格朗日二次插值法，按照t_α的時(shí)間值在t_m1’采樣點(diǎn)前、后選取合適的釆樣點(diǎn)數據進(jìn)行插值計算，在M側就能實(shí)現兩側采樣數據的同步。同理也利用拉格朗日插值法在N側也能實(shí)現兩側采樣數據的同步。

很明顯該方法既適用于兩側都是9-2協(xié)議智能變電站的線(xiàn)路差動(dòng)保護裝置數據同步，還適用于一側為常規變電站的線(xiàn)路差動(dòng)保護。

釆用拉格朗日插值法按基于9-2協(xié)議的數據同步法進(jìn)行輸電線(xiàn)路兩側采樣數據的同步，眾所周知，由于插值余項的存在和插值計算過(guò)程中本身的計算誤差，導致擬合波形和實(shí)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(shí)際的工程應用中一般都采用二次插值。

5.總結

本首先介紹了常規模式下和智能變電站模式下的幾種差動(dòng)數據同步法。分析了智能變電站中的差動(dòng)保護不能使用常規模式下差動(dòng)數據同步方法的原因。其次分析了適合于9-2協(xié)議的拉格朗日插值數據同步方法，并對其計算誤差對進(jìn)行了探討，結果說(shuō)明拉格朗日二次插值法能滿(mǎn)足智能站9-2協(xié)議下的差動(dòng)保護同步計算誤差的要求。本文的設計就是使用以上方法，并驗證其是滿(mǎn)足現場(chǎng)要求的。

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作者簡(jiǎn)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準的研究；