智能變電站組網(wǎng)傳輸采樣值光纖差動保護同步方案研究

李寶偉，倪傳坤，唐艷梅，席穎穎，鄧茂軍，周東杰

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

差動保護具有原理簡單、動作速度快、可靠性高等優(yōu)點，同時差動保護也存在實施難度較大的缺點，尤其對于輸電線路，差動保護需要同時獲取線路兩端的采樣數(shù)據(jù)，而且要解決兩端采樣數(shù)據(jù)同步的問題。近年來，電子式互感器（Electronic Instrument Transformer）因其良好的性能，已經(jīng)開始在電力系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用，電子式互感器已經(jīng)從研發(fā)階段逐漸進入到了實用階段電子式互感器的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)繼電保護裝置的電氣量采集方式[1-3]。文獻[4]提出了一種光纖差動采樣同步方法，但此方法依賴于變電站的同步時鐘源，大大降低了繼電保護的可靠性；文獻[5]提出了一種解決基于采樣值（Sampled Value,SV）直采方式，一側(cè)是傳統(tǒng)變電站、另一側(cè)是數(shù)字化變電站差動保護同步方案，在兩側(cè)均為智能變電站或采樣SV組網(wǎng)方式的情況下并不適用。

本文闡述了智能變電站中組網(wǎng)傳輸采樣值的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了基于組網(wǎng)方式傳輸采樣值的電子式互感器采樣時序及站內(nèi)采樣同步的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于組網(wǎng)傳輸采樣值的縱聯(lián)光纖差動保護同步方案，并對采樣同步誤差進行了分析，最后給出了具體的實施方案。

1 基于電子式互感器的采樣系統(tǒng)

1.1 組網(wǎng)傳輸采樣值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能變電站的數(shù)據(jù)源來自電子式互感器，經(jīng)合并單元（Merging Unit,MU）同步處理后發(fā)送給間隔IED[6]。MU到保護裝置之間采用IEC61850規(guī)約傳輸數(shù)字量采樣值，為以太網(wǎng)報文，其傳輸方式可采用組網(wǎng)傳輸模式或點對點傳輸模式[7]。組網(wǎng)模式是指，MU將處理之后的采樣值報文發(fā)送至過程層網(wǎng)絡(luò)，間隔層IED設(shè)備從過程層網(wǎng)絡(luò)獲取所需要的采樣數(shù)據(jù)。

圖1為一種基于組網(wǎng)傳輸采樣值方式的變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。綜合接口單元完成的功能主要有：采集安裝點的模擬量信息和開關(guān)量信息；對信息進行簡單處理；與間隔層設(shè)備上傳信息接收來自間隔層設(shè)備的命令信息；據(jù)接收的命令信息執(zhí)行跳、和開關(guān)的操作。

圖1 組網(wǎng)傳輸采樣值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System structure of sampled value transmit by network

1.2 基于電子式互感器的采樣系統(tǒng)

為設(shè)計縱聯(lián)光纖差動保護采樣同步方案，首先要對基于電子式互感器的采樣系統(tǒng)進行深入的研究?；陔娮邮交ジ衅鞯牟蓸酉到y(tǒng)，其采樣流程為：電子式互感器對模擬量信號進行采集，輸出的數(shù)字量采樣信號經(jīng)過合并單元數(shù)據(jù)同步之后供保護裝置使用。采樣時序如圖2所示。

采集器到合并單元之間采用IEC60044-8 FT3規(guī)約傳輸數(shù)字量采樣值，由于FT3為串口通信，傳輸延時固定，電子互感器各自獨立采樣，并將采樣的 一次電流或電壓數(shù)據(jù)以固定延時時間發(fā)送至MU，MU采用同步插值法完成各采集器間的采樣同步[8]。

圖2 基于電子式互感器采樣的時序Fig.2 Time sequence of electronic instrument transformer sampling

合并單元到保護裝置之間采用組網(wǎng)模式傳輸采樣值報文，合并單元輸出的數(shù)字量采樣值信號經(jīng)以太網(wǎng)交換機共享至過程層總線，傳輸延時不穩(wěn)定[9]，所以應(yīng)由過程層合并單元實現(xiàn)全站采樣數(shù)據(jù)時間同步，間隔層保護裝置僅需要對齊采樣序號即可完成采樣的同步。

因此，基于電子式互感器的保護裝置站內(nèi)采樣同步包含兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

a）合并單元的重采樣同步；

b）保護裝置接收采樣值報文的序號同步。

圖3為MU重采樣同步示意圖。MU記錄接收到電子式互感器采樣值報文的時刻，再根據(jù)電子式互感器的采樣值報文額定延時對接收時刻進行修正，得出采樣值報文對應(yīng)一次模擬量信號的時刻，MU根據(jù)全站統(tǒng)一的對時信號對各電子式互感器的數(shù)字量采樣值報文進行重采樣同步。合并單元所發(fā)樣本計數(shù)為零的采樣值報文中所帶數(shù)字量采樣值為同步脈沖產(chǎn)生時刻的一次模擬量信號[10]。

圖3 合并單元重采樣時序Fig.3 Time sequence of merge unit resample

當MU失去外部同步信號后采用內(nèi)部時鐘進行重采樣，雖然與其他間隔MU之間不再同步，但仍可保證本MU內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)的同步。

由于全站的過程層MU均基于同一時鐘進行重采樣，所以不同MU發(fā)送相同樣本計數(shù)的數(shù)字量采樣值是同步的。

間隔層IED設(shè)備依據(jù)MU的樣本計數(shù)對各MU的采樣值報文進行同步。如圖4所示，間隔層IED設(shè)備僅需將接收到各MU采樣值報文按照樣本計數(shù)進行對齊即可完成采樣同步。當檢測到某個MU失去同步后，此MU采樣值報文不再與其他MU進行序號對齊，按其采樣值報文中的樣本計數(shù)依次存儲，仍可保證單間隔采樣數(shù)據(jù)的同步。

圖4 多間隔合并單元數(shù)據(jù)同步時序Fig.4 Time sequence of multiple merge unit resample

1.3 MU 級聯(lián)采樣同步

合并單元不但要對采集器的數(shù)據(jù)，某些情況下還需進行合并單元級聯(lián)的采樣同步。配置母線電壓合并單元。母線電壓合并單元可接收至少2組電壓互感器數(shù)據(jù)，并支持向其他合并單元提供母線電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)需要提供電壓并列功能。各間隔合并單元所需母線電壓量通過母線電壓合并單元轉(zhuǎn)發(fā)。

如圖5所示為220 kV雙母線接線母線電壓采集示意圖。母線合并單元將電壓采集器采樣數(shù)據(jù)同步之后經(jīng)FT3轉(zhuǎn)發(fā)至間隔合并單元，間隔合并單元經(jīng)過電壓切換之后與電流采集器數(shù)據(jù)一起進行重采樣同步。合并單元級聯(lián)采樣同步不需要外部對時脈沖。

2 光纖差動采樣同步方案

關(guān)于站間保護裝置之間的采樣同步方法，目前常用的有數(shù)據(jù)調(diào)整法、采樣時刻調(diào)整法、時鐘校正法、參考相量法以及GPS同步法等[11]。以往站間保護裝置之間采樣同步均在間隔層IED設(shè)備中完成，由于采用SV組網(wǎng)方式，采樣同步本質(zhì)上是在MU中完成的，且合并單元按間隔配置，所以本文提出將站間采樣同步下發(fā)至合并單元中完成。

圖5 合并單元級聯(lián)采樣同步Fig.5 Merge unit cascade sample synchronization

2.1 采樣同步流程

常規(guī)的合并單元僅完成間隔內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的同步功能，需在原合并單元功能基礎(chǔ)之上增加獨立功能模塊以完成站間采樣同步功能。圖6為合并單元采樣同步功能結(jié)構(gòu)圖。合并單元內(nèi)部站內(nèi)采樣同步和站間采樣同步基于同一時鐘信號。由于合并單元與保護裝置的采樣率不盡相同，站間采樣同步需進行單獨重采樣。其具體流程如下：

1）直接對采集器的數(shù)據(jù)進行重采樣以獲取所需采樣頻率的數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)發(fā)送給對側(cè)保護的同時存入采樣緩存區(qū)。

2）實時進行同步計算以求出兩側(cè)的采樣偏差。如果對側(cè)為常規(guī)變電站或SV直采方式時，直接調(diào)整對側(cè)的采樣時刻，完成兩側(cè)采樣的同步，本文不再深入討論。

3）將接收到的對側(cè)采樣數(shù)據(jù)也存入采樣緩存區(qū)。

圖6 合并單元采樣同步結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of merge unit sample synchronization

4）依據(jù)計算出的兩端采樣偏差對對側(cè)采樣值進行重采樣，完成站間采樣的同步。

5）將重采樣之后的對側(cè)數(shù)據(jù)以IEC61850-9-2規(guī)約發(fā)送至保護裝置。

合并單元發(fā)送的本側(cè)和對側(cè)采樣值報文相同樣本計數(shù)的采樣值為同一時刻本側(cè)和對側(cè)的采樣數(shù)據(jù)。保護裝置根據(jù)樣本計數(shù)完成站間采樣同步。

站間采樣數(shù)據(jù)同步由三個部分組成：本側(cè)數(shù)據(jù)重采樣、站間采樣偏差計算和對側(cè)數(shù)據(jù)重采樣同步。

2.2 本側(cè)數(shù)據(jù)重采樣

為保證MU本身功能與站間同步功能相互獨立，同時保護裝置與MU的采樣率可能不相同，向?qū)?cè)發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)獨立采樣。為了保證數(shù)據(jù)同步，MU重采樣和站間采樣同步重采樣基于相同的時鐘信號，同時在整秒時刻采樣序號均為0。

本文站間采樣同步重采樣頻率以1 200 Hz、MU重采樣頻率以4 000 Hz為例進行討論。圖7為站間采樣同步重采樣示意圖，T1為MU重采樣間隔，T2為站間同步的重采樣間隔。重采樣之后的采樣數(shù)據(jù)和重采樣時刻按序號依次存入采樣緩存區(qū)，同時立即發(fā)送給對側(cè)。

圖7 MU 多頻率重采樣時序Fig.7 Time sequence of MU multi-frequency resample

2.3 采樣偏差計算

使用乒乓算法計算通道延時及站間的通道延時Td、采樣偏差ΔTs、采樣序號差ΔNum為

其中：y為接收前最近的并且已經(jīng)發(fā)送的采樣序號；x為對側(cè)反饋的序號；N為對側(cè)序號；t1為接收時刻與y點時刻之差；t2為對側(cè)接收與發(fā)送時間差；T為采樣時間間隔。

2.4 對側(cè)數(shù)據(jù)重采樣同步

接收到對側(cè)采樣數(shù)據(jù)后，根據(jù)其自身的采樣序號、計算出的序號差ΔNum計算出與其對應(yīng)的本側(cè)采樣序號，取出本側(cè)數(shù)據(jù)的重采樣時標，減去計算出的兩端采樣偏差ΔTs，得到對側(cè)采樣的時刻，將對側(cè)數(shù)據(jù)和對側(cè)采樣時刻存入采樣緩存區(qū)。圖8 為同步計算示意圖。依據(jù)對側(cè)采樣時刻對其采樣數(shù)據(jù)進行重采樣，同步脈沖產(chǎn)生時刻重采樣樣本計數(shù)為零。重采樣之后相同樣本計數(shù)的本側(cè)和對側(cè)采樣數(shù)據(jù)為相同時刻的模擬量信號。將重采樣之后的對側(cè)數(shù)據(jù)以IEC61850-9 規(guī)約發(fā)送至過程層網(wǎng)絡(luò)。圖9為對側(cè)數(shù)據(jù)重采樣同步示意圖。

圖8 同步計算示意圖Fig.8 Synchronous calculation schemes

圖9 對側(cè)數(shù)據(jù)重采樣同步Fig.9 Resample synchronization of opposite data

站間采樣同步功能和MU本身的功能基于同一時鐘信號，當MU失去外部對時信號時，采用內(nèi)部時鐘工作，所以當MU失去外部對時信號時線路差動保護仍然可以正常工作。

3 同步誤差分析

采樣誤差主要為幅值誤差和相位誤差。下面分別分析站間采樣同步產(chǎn)生的幅值偏差和相位偏差。

3.1 幅值偏差

幅值誤差主要取決于本側(cè)數(shù)據(jù)和對側(cè)數(shù)據(jù)重采樣引入的誤差。為了降低重采樣誤差，重采樣均采用拋物線插值算法。圖10 為拋物線插值算法在各次諧波下的誤差分布。由仿真可知，在工頻下拋物線插值算法誤差遠小于0.01%，其誤差對保護的影響可以忽略。

圖10 拋物線插值算法誤差分布Fig.10 Parabolic interpolation algorithm error distribution

3.2 相位偏差

相位偏差主要取決于同步計算誤差，為提高同步計算精度，乒乓算法中兩側(cè)的收、發(fā)時標采用FPGA 記錄，可保證同步計算誤差在1 μs 之內(nèi)[12]。

4 方案具體實施

站間采樣同步功能僅線路間隔需要，為不影響MU 本側(cè)數(shù)據(jù)處理功能，將站間同步模塊設(shè)置為合并單元的一個組件，每個組件完成兩端的采樣同步功能。

4.1 硬件結(jié)構(gòu)

帶站間同步功能的MU 硬件結(jié)構(gòu)如圖11所示。站間采樣同步功能使用獨立的插件完成，本側(cè)數(shù)據(jù)由MU 完成數(shù)據(jù)對齊之后通過FT3 方式發(fā)送至站間采樣同步插件，其同步方法與1.3 節(jié)中MU 級聯(lián)采樣同步相同；時鐘信號位于MU 插件，通過背板接至站間同步插件。此硬件結(jié)構(gòu)靈活，當需要雙端采樣同步功能時裝設(shè)一個組件，當需要多端采樣同步比如T 型接線線路保護完成三端差動時，對應(yīng)裝設(shè)兩個組件。

圖11 采樣同步硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Hardware structure of sample synchronization

4.2 對外接口

站間采樣同步組件為完成采樣同步功能，不僅要對外交換采樣數(shù)據(jù)，而且需要外部對其設(shè)置通信參數(shù)，同時為完成站間差動保護功能，還需要交換狀態(tài)量數(shù)據(jù)。分采樣數(shù)據(jù)、定值參數(shù)和狀態(tài)量數(shù)據(jù)三種類型定義對外接口方式。

a) 采樣數(shù)據(jù)

站間采樣同步插件接收MU 插件本側(cè)采樣數(shù)據(jù)采用標準IEC60044-8 FT3 規(guī)約，發(fā)送對側(cè)采樣數(shù)據(jù)采用標準的IEC61850 規(guī)約，模擬量采樣值通過IEC61850-9-2 規(guī)約傳輸。

b) 定值參數(shù)

一種面向通用對象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event,GOOSE）支持由數(shù)據(jù)集DATA-SET 組織的公共數(shù)據(jù)交換，由于GOOSE報文的核心內(nèi)容（DATA-SET）可自由靈活地定義，不僅可傳輸狀態(tài)信息，還可傳輸定值參數(shù)信息。因此光纖通道定值及參數(shù)由保護裝置通過GOOSE 下發(fā)。

c) 狀態(tài)量數(shù)據(jù)

狀態(tài)量數(shù)據(jù)交互使用GOOSE 方式傳輸。

站間采樣同步對外接口全為通用的標準接口，通用性很強，可以實現(xiàn)不同設(shè)備制造廠家之間的互相配合。

5 結(jié)論

本文提出一種基于組網(wǎng)傳輸采樣的光纖差動保護采樣數(shù)據(jù)同步新方案。該方案將光纖差動采樣同步下放至合并單元中完成，首先通過乒乓算法計算出兩側(cè)采樣偏差，進一步根據(jù)計算出的采樣偏差和本側(cè)重采樣時標對對側(cè)采樣數(shù)據(jù)進行重采樣，最終在合并單元中完成兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)的同步，并將對側(cè)數(shù)據(jù)以IEC61850-9-2 方式發(fā)送至過程層網(wǎng)絡(luò)。合并單元本側(cè)采樣同步和兩側(cè)采樣同步基于同一時鐘信號，當合并單元失去外部對時信號后光纖差動保護仍然可以正常工作。通過理論分析和仿真驗證可知，該方案具有較高的同步精度。該方案同步精度高、運算量小、易于實現(xiàn)、并具備工程應(yīng)用靈活及兼容性強的優(yōu)點，有著廣泛推廣的現(xiàn)實意義。

利用本方案研制的合并單元和光纖差動保護裝置已在某智能變電站投運，運行情況良好。

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