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光纖差動保護在智能變電站中的數據同步算法

2016/10/25 8:59:06 點擊:

陳新美(mei),劉園偉

(許昌開(kai)普檢(jian)測技術有限公(gong)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用較為廣泛,是電(dian)力(li)線(xian)路中(zhong)較為(wei)關鍵的一個環節。隨(sui)著智能(neng)變(bian)電站的(de)(de)大面積推廣,光纖差(cha)動保護(hu)裝(zhuang)置的(de)(de)同步采樣方式有了很(hen)大的(de)(de)變(bian)化,傳(chuan)統的(de)(de)同步采樣方式已經不(bu)適(shi)用于智能(neng)變(bian)電站了。本文重點(dian)介(jie)紹了(le)插值法在(zai)光纖差(cha)動保護同(tong)步中的(de)應用(yong)。

關(guan)鍵詞:光纖差(cha)動;智能變(bian)電站;數據同步

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(zhi)能(neng)變電(dian)(dian)(dian)站的(de)(de)建設(she)充(chong)分體現(xian)了一次設(she)備智(zhi)能(neng)化(hua)(hua)和二次設(she)備網絡化(hua)(hua)的(de)(de)特點(dian)。一次設(she)備智(zhi)能(neng)化(hua)(hua)的(de)(de)重點(dian)是電(dian)(dian)(dian)子(zi)式(shi)互感器(qi)和智(zhi)能(neng)斷路(lu)器(qi)的(de)(de)應(ying)用(yong),電(dian)(dian)(dian)子(zi)式(shi)互感器(qi)的(de)(de)應(ying)用(yong)解決了電(dian)(dian)(dian)流(liu)互感器(qi)飽和導致差動保護動作行(xing)為不(bu)正確的(de)(de)問題(ti),加上光纖電(dian)(dian)(dian)流(liu)差動保護自身的(de)(de)優點(dian),使光纖電(dian)(dian)(dian)流(liu)差動保護成(cheng)為高(gao)電(dian)(dian)(dian)壓等(deng)級智(zhi)能(neng)變電(dian)(dian)(dian)站輸(shu)電(dian)(dian)(dian)線路(lu)的(de)(de)主(zhu)保護。


2.基本原理

光纖差(cha)動(dong)保護是在電流差(cha)動(dong)保護的基礎(chu)上演化而(er)來,利用專(zhuan)用光纖通道實時地向對側傳遞采樣(yang)(yang)數據,同時接收對側的采樣(yang)(yang)數據,通過(guo)計算線路兩(liang)端的電流,能簡單(dan)、可靠地判斷出區(qu)內、區(qu)外故障。光纖差(cha)動(dong)保護的原理如圖(tu)1所示

1光纖差動保護原(yuan)理

Fig. 1Fiber differential protection principle

設流(liu)過兩側保護(hu)的(de)電流(liu)以母(mu)線(xian)(xian)流(liu)向(xiang)本(ben)保護(hu)線(xian)(xian)路的(de)方向(xiang)為其正方向(xiang),則動作電流(liu),制動(dong)電(dian)流

    (式1)

   (式2)

式中:Idq為差動(dong)(dong)(dong)繼電(dian)器(qi)啟動(dong)(dong)(dong)電(dian)流;Kr為比(bi)率自動(dong)(dong)(dong)系數。同(tong)時滿足上(shang)述兩個(ge)條件,差動(dong)(dong)(dong)保護動(dong)(dong)(dong)作。比(bi)率制動(dong)(dong)(dong)特性(xing)如圖2所(suo)示。

2 比率制動特性

Fig. 2 Ratio braking characteristics

為躲過外(wai)(wai)部故(gu)障不(bu)(bu)平衡電(dian)流(liu)(liu),通(tong)常還采(cai)用比率制動(dong)特性(xing)原理(li)的(de)電(dian)流(liu)(liu)繼(ji)電(dian)器,當(dang)動(dong)作電(dian)流(liu)(liu)與制動(dong)電(dian)流(liu)(liu)對應的(de)工作點位于比率制動(dong)特性(xing)曲線動(dong)作區(qu)內,判(pan)為區(qu)內故(gu)障,差動(dong)繼(ji)電(dian)器動(dong)作跳閘(zha)。當(dang)工作點落在非動(dong)作區(qu)內,判(pan)為區(qu)外(wai)(wai)故(gu)障,繼(ji)電(dian)器不(bu)(bu)動(dong)作。


3.同步算法

線路光纖差動保護裝(zhuang)置(zhi)的一個關鍵性技(ji)術就是線路兩側保護裝(zhuang)置(zhi)采樣(yang)數據的同(tong)步問題。

智能(neng)變(bian)電(dian)(dian)站(zhan)中采(cai)用電(dian)(dian)子式(shi)互感器,其(qi)輸(shu)出為離散的數(shu)字量,通(tong)過光(guang)數(shu)字信號形式(shi)經合并單(dan)元傳(chuan)輸(shu)給(gei)間(jian)隔層保護(hu)(hu)設備,這個(ge)采(cai)樣數(shu)據(ju)處(chu)理、傳(chuan)輸(shu)的過程存在比較明(ming)顯(xian)的延(yan)時(shi),一般(ban)為50μs~500μs,有的甚至超過1000μs,這種數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)的延(yan)時(shi)對差(cha)動(dong)保護(hu)(hu)來(lai)說是不可忽(hu)略(lve)的,而且線路兩側(ce)的變(bian)電(dian)(dian)站(zhan)中傳(chuan)輸(shu)給(gei)間(jian)隔層保護(hu)(hu)設備釆樣數(shu)據(ju)的合并單(dan)元也存在著不同的延(yan)時(shi),這給(gei)智能(neng)變(bian)電(dian)(dian)站(zhan)線路差(cha)動(dong)保護(hu)(hu)兩側(ce)數(shu)據(ju)同步帶(dai)來(lai)新的問題。

對(dui)常規變(bian)電(dian)(dian)站(zhan)差動保(bao)護(hu)裝置(zhi)兩(liang)側(ce)數(shu)(shu)據(ju)(ju)的(de)(de)同(tong)步(bu),目前已經有了(le)很(hen)多種(zhong)具體(ti)實用的(de)(de)方(fang)(fang)法(fa)(fa),由于智能變(bian)電(dian)(dian)站(zhan)與常規變(bian)電(dian)(dian)站(zhan)中差動保(bao)護(hu)裝置(zhi)的(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)(ju)采樣的(de)(de)方(fang)(fang)式已經不同(tong),這些(xie)方(fang)(fang)法(fa)(fa)已不再適用新的(de)(de)要求(qiu),需(xu)要改進或者(zhe)研究新原理(li)的(de)(de)兩(liang)側(ce)數(shu)(shu)據(ju)(ju)同(tong)步(bu)方(fang)(fang)法(fa)(fa)。目前國內(nei)外主流(liu)繼電(dian)(dian)保(bao)護(hu)廠家的(de)(de)同(tong)步(bu)方(fang)(fang)法(fa)(fa)不盡相(xiang)同(tong),但大致(zhi)可以分為一下幾種(zhong)方(fang)(fang)案(an):采樣數(shu)(shu)據(ju)(ju)修正(zheng)同(tong)步(bu)法(fa)(fa)、釆樣時刻調(diao)整同(tong)步(bu)法(fa)(fa)、時鐘校正(zheng)數(shu)(shu)據(ju)(ju)同(tong)步(bu)法(fa)(fa)、參考相(xiang)量(liang)數(shu)(shu)據(ju)(ju)同(tong)步(bu)法(fa)(fa)、GPS數(shu)(shu)據(ju)(ju)同(tong)步(bu)法(fa)(fa)以及虛擬同(tong)步(bu)釆樣中斷技術的(de)(de)同(tong)步(bu)方(fang)(fang)法(fa)(fa)等。

智能(neng)(neng)(neng)變(bian)電站的(de)(de)(de)(de)線(xian)路差動保護(hu)裝(zhuang)置(zhi)采(cai)(cai)樣(yang)(yang)數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)的(de)(de)(de)(de)方(fang)式(shi)(shi)和常(chang)(chang)規變(bian)電站的(de)(de)(de)(de)線(xian)路差動保護(hu)裝(zhuang)置(zhi)采(cai)(cai)樣(yang)(yang)數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)的(de)(de)(de)(de)方(fang)式(shi)(shi)有很大的(de)(de)(de)(de)差別,由于(yu)采(cai)(cai)樣(yang)(yang)延時的(de)(de)(de)(de)存在,前(qian)面介紹(shao)的(de)(de)(de)(de)幾種常(chang)(chang)規模式(shi)(shi)下(xia)的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)同(tong)步(bu)方(fang)式(shi)(shi)已經不(bu)能(neng)(neng)(neng)直接使用(yong)。例如:由于(yu)IEC-60044-7和IEC-60044-8不(bu)允許間隔(ge)層設備(bei)向合并單元(yuan)發送指令,這(zhe)樣(yang)(yang)采(cai)(cai)樣(yang)(yang)時刻調(diao)整數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)同(tong)步(bu)法(fa)就(jiu)(jiu)不(bu)能(neng)(neng)(neng)使用(yong)了。另外由于(yu)智能(neng)(neng)(neng)變(bian)電的(de)(de)(de)(de)建設剛剛起步(bu),數(shu)(shu)(shu)(shu)量有限,對于(yu)線(xian)路兩側數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)的(de)(de)(de)(de)采(cai)(cai)集,現在處于(yu)多種方(fang)式(shi)(shi),既有兩側都是常(chang)(chang)規方(fang)式(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de),又有全(quan)是數(shu)(shu)(shu)(shu)字采(cai)(cai)集方(fang)式(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de),還有常(chang)(chang)規數(shu)(shu)(shu)(shu)字兩者混(hun)合的(de)(de)(de)(de),這(zhe)就(jiu)(jiu)使的(de)(de)(de)(de)本身復雜(za)的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)同(tong)步(bu)問題變(bian)得更加復雜(za)。我們必須(xu)改進以(yi)前(qian)的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)同(tong)步(bu)方(fang)法(fa)或者來用(yong)新的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)同(tong)步(bu)方(fang)法(fa)。


4.基于9-2協議的插值同步法

9-2協(xie)議中規定了(le)合并單元輸(shu)出的(de)(de)數據要(yao)通(tong)過(guo)過(guo)程層網(wang)絡再(zai)輸(shu)入到保(bao)護裝置,這種傳輸(shu)延時是不(bu)固定的(de)(de)。智能變電站中的(de)(de)線路差動(dong)保(bao)護裝置和合并單元都使用相(xiang)同時鐘(zhong)信號(hao),輸(shu)電線路兩(liang)側變電站的(de)(de)時鐘(zhong)信號(hao)可以(yi)不(bu)相(xiang)同不(bu)同步。

9-2協議中規定合并單(dan)元輸出的釆樣數(shu)據幀中含有以下數(shu)據:

1.釆樣數(shu)據;

2.電(dian)子式電(dian)流(liu)互感器的額定延時;

3.釆樣標(biao)號SmpCnt。

可以利用(yong)(yong)數(shu)據傾中的(de)電(dian)子(zi)式(shi)電(dian)流互感器的(de)額(e)定延時(shi)和采(cai)樣標號SmpCnt,得到適用(yong)(yong)于9-2協議的(de)智(zhi)能(neng)變(bian)電(dian)站(zhan)線路差動(dong)保(bao)護(hu)裝置的(de)插值(zhi)數(shu)據同(tong)步法。

如圖3所示,設電子式電流互感器的釆樣間隔ts,輸電線(xian)路(lu)兩側的(de)(de)合并(bing)(bing)單元(yuan)(yuan)和線(xian)路(lu)差動(dong)保護(hu)裝(zhuang)置(zhi)都(dou)有(you)自己的(de)(de)高頻率高穩定(ding)(ding)的(de)(de)晶振(zhen)(zhen)進行走時(shi)計(ji)時(shi)。變電站(zhan)(zhan)的(de)(de)時(shi)鐘源每(mei)整秒發(fa)出秒脈沖信號,站(zhan)(zhan)內的(de)(de)合并(bing)(bing)單元(yuan)(yuan)和差動(dong)保護(hu)裝(zhuang)置(zhi)收到秒脈沖信號的(de)(de)上升沿(yan)時(shi),把(ba)各自的(de)(de)釆(bian)樣(yang)計(ji)數(shu)器(qi)清(qing)零,然后按各自自己的(de)(de)晶振(zhen)(zhen)走時(shi),并(bing)(bing)給電子式互感器(qi)按一(yi)定(ding)(ding)的(de)(de)采(cai)樣(yang)頻率發(fa)送釆(bian)樣(yang)指(zhi)令(ling),發(fa)送指(zhi)令(ling)后采(cai)樣(yang)計(ji)數(shu)器(qi)就加一(yi),合并(bing)(bing)單元(yuan)(yuan)發(fa)給差動(dong)保護(hu)裝(zhuang)置(zhi)的(de)(de)數(shu)據(ju)中即(ji)含這個釆(bian)樣(yang)計(ji)數(shu)器(qi)(Smpcnt)。下面以(yi)M側為例來介紹這種方法數(shu)據(ju)同步的(de)(de)處(chu)理過程。

將SmpCnt的(de)采(cai)樣(yang)計數值設為M1,那么從合并單元到保護(hu)裝(zhuang)置的延時的計算(suan)公式(shi)如式(shi)3:

   (式3)

 

3 基于9-2協議的插(cha)值同步法示意圖

Fig. 3 9-2 schematic synchronization method based on interpolation protocol

M側(ce)采樣(yang)數(shu)據從電子(zi)式互感(gan)器到差動(dong)保護(hu)裝置之間的(de)總延時(shi)為:

     (式4)

M側差(cha)動保護裝置在tm1”時刻(ke)收到合并單元的釆樣數據后將(jiang)其發送(song)給N側差動保護裝置。經(jing)過(guo)通(tong)道延時Td后N側差動(dong)保護(hu)裝置(zhi)在時(shi)刻(ke)收到M側差動(dong)保護(hu)裝置(zhi)發(fa)送的采(cai)樣數(shu)(shu)據幀。再經△t延時(shi)后到發(fa)送中斷時(shi)向M側差動(dong)保護(hu)裝置(zhi)發(fa)送一幀既(ji)包(bao)含(han)本側的采(cai)樣數(shu)(shu)據,又包(bao)含(han)這個△t和N側采(cai)樣數(shu)(shu)據從電子式互感器到差動(dong)保護(hu)裝置(zhi)之間的總延時(shi)為tb的數據幀。M側差動保護裝(zhuang)置(zhi)經過Td通道延時后在(zai)tmr時(shi)刻收到N側保護裝置發(fa)送的數據幀,這樣我們可以(yi)得出(chu)通(tong)道(dao)延時(shi)Td的(de)計(ji)算公(gong)式(shi)式(shi)5:

    (式(shi) 5)

將tn2”對應(ying)到(dao)N側合(he)并單元和電(dian)子式電(dian)流互(hu)感器的(de)采樣(yang)時(shi)刻分別為tn2’、tn2,對應到M側的差動保(bao)護裝(zhuang)置(zhi)應該為tmn”時刻(ke),同(tong)一個變電站的(de)合并單元和差動保護裝置已經經同(tong)一秒(miao)脈沖實現時鐘同(tong)步,因此tmn”時刻就(jiu)是(shi)tmn’時刻,所以M、N兩側(ce)的合并單元之間(jian)存在的時間(jian)差(cha)tα=tm1’-tmn’。我們再通過拉格朗(lang)日二次插值法,按(an)照tα的時間值(zhi)在(zai)tm1’采(cai)樣(yang)(yang)點(dian)前、后選取合適的釆樣(yang)(yang)點(dian)數(shu)據(ju)進行插值(zhi)計算,在(zai)(zai)M側就能實(shi)現兩側采(cai)樣(yang)(yang)數(shu)據(ju)的同步。同理也利(li)用拉格朗日插值(zhi)法在(zai)(zai)N側也能實(shi)現兩側采(cai)樣(yang)(yang)數(shu)據(ju)的同步。

很(hen)明(ming)顯(xian)該方(fang)法既適(shi)(shi)用于(yu)兩(liang)側都(dou)是9-2協議智能(neng)變電站的線(xian)路差動(dong)保護(hu)裝置數據同(tong)步(bu),還適(shi)(shi)用于(yu)一側為常規變電站的線(xian)路差動(dong)保護(hu)。

釆用拉(la)格朗(lang)日插(cha)(cha)值(zhi)(zhi)(zhi)法按基于9-2協議的(de)(de)數據(ju)(ju)同步(bu)法進行輸電線路(lu)兩側采(cai)樣(yang)數據(ju)(ju)的(de)(de)同步(bu),眾所周(zhou)知,由于插(cha)(cha)值(zhi)(zhi)(zhi)余項的(de)(de)存在和(he)插(cha)(cha)值(zhi)(zhi)(zhi)計算(suan)過(guo)程(cheng)中本(ben)身的(de)(de)計算(suan)誤(wu)差(cha)(cha),導(dao)致擬合波(bo)形和(he)實(shi)際波(bo)形肯定有幅(fu)值(zhi)(zhi)(zhi)和(he)角(jiao)度的(de)(de)誤(wu)差(cha)(cha)。這種誤(wu)差(cha)(cha)的(de)(de)多(duo)少和(he)采(cai)用的(de)(de)插(cha)(cha)值(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)次(ci)數有不(bu)小的(de)(de)關系。釆用拉(la)格朗(lang)日二(er)次(ci)插(cha)(cha)值(zhi)(zhi)(zhi)肯定要比其一次(ci)差(cha)(cha)值(zhi)(zhi)(zhi)誤(wu)差(cha)(cha)小,在實(shi)際的(de)(de)工程(cheng)應用中一般(ban)都采(cai)用二(er)次(ci)插(cha)(cha)值(zhi)(zhi)(zhi)。


5.總結

本(ben)(ben)首先介紹了(le)(le)(le)常規模式下和智能變電站模式下的幾種差(cha)(cha)動(dong)數據同步法。分析了(le)(le)(le)智能變電站中(zhong)的差(cha)(cha)動(dong)保護不能使用(yong)常規模式下差(cha)(cha)動(dong)數據同步方法的原因。其次分析了(le)(le)(le)適合于9-2協議的拉(la)格(ge)朗(lang)日插(cha)值數據同步方法,并對其計算(suan)誤差(cha)(cha)對進(jin)行了(le)(le)(le)探討,結果說(shuo)明拉(la)格(ge)朗(lang)日二(er)次插(cha)值法能滿(man)足智能站9-2協議下的差(cha)(cha)動(dong)保護同步計算(suan)誤差(cha)(cha)的要(yao)求。本(ben)(ben)文的設計就(jiu)是使用(yong)以上方法,并驗證其是滿(man)足現場要(yao)求的。

 

參考(kao)文獻:

[1] 張兆云,劉宏君,張潤超(chao).數字化變電(dian)站與傳統變電(dian)站間光(guang)纖縱差保護(hu)(hu)研究.電(dian)力系統保護(hu)(hu)與控制,2010,8(3):58-60

[2] 劉宏君,孫(sun)一民,李延新.數字化(hua)變電站(zhan)光纖縱差(cha)保(bao)護(hu)性能分析.電力系統(tong)自(zi)動化(hua),2008,32 (17):72 -74

[3] 曹團結,俞拙非,吳崇昊.電子(zi)式互(hu)感器接入的光纖差動保(bao)護數據同步方法.電力系統自動化,2009,33(23):65 -68

[4] 曹團結(jie),陳(chen)建玉,黃(huang)國方(fang).基(ji)于IEC61850 -9的光纖差動保(bao)護(hu)數據(ju)同步(bu)方(fang)法.電力(li)系(xi)統自(zi)動化,2009,33(24):58 -60

[5] 鄭新(xin)才,施魯寧,楊光等.IEC61850標準下采樣值傳輸(shu)規范(fan)9 -1、9-2的對比和分析.電力系統保護與控制,2008,36(18):47 -50

 

作者簡介(jie):1、陳新美(1970-),女,河南(nan)許(xu)昌,主任檢測工程師,主要從(cong)事繼電保護標(biao)準(zhun)的研(yan)究;

2、劉園偉(1981-),男,河(he)南許昌,工(gong)程師,主(zhu)要(yao)從事電(dian)力系統(tong)繼電(dian)保護(hu)專業測試工(gong)作(zuo)。