基于GPS對(duì)時(shí)的分散采樣差動(dòng)保護(hù)同步測(cè)試方法研究

卜強(qiáng)生，宋亮亮，張道農(nóng)，袁宇波，高 磊，黃浩聲

（1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211113；2.華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司,北京 100120）

0 引言

差動(dòng)保護(hù)作為220 kV及以上電壓等級(jí)線路、主變壓器、母線等一次設(shè)備的主保護(hù)，其性能對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。差動(dòng)保護(hù)中涉及多個(gè)間隔的電流量采集，數(shù)據(jù)采樣的同步性直接影響保護(hù)的動(dòng)作行為。線路差動(dòng)保護(hù)涉及兩個(gè)變電站的電流量采集，其數(shù)據(jù)同步性是通過保護(hù)裝置之間的乒乓算法解決的[1]。對(duì)于線路差動(dòng)保護(hù)的采樣數(shù)據(jù)同步性，在工程應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)由于條件限制一般不進(jìn)行測(cè)試。

智能變電站中普遍采用電子式互感器或模擬量輸入合并單元實(shí)現(xiàn)就地分散數(shù)字化采樣[2]。這種方式給采樣環(huán)節(jié)帶來了一定的延時(shí)，而且不同間隔的采樣延時(shí)可能不同，尤其是不同變電站之間由于采樣方式不同導(dǎo)致采樣延時(shí)相差甚大[3]，這就給差動(dòng)保護(hù)帶來了采樣不同步的問題。本文提出了一種基于GPS精確對(duì)時(shí)的遠(yuǎn)程同步測(cè)試方法，解決線路差動(dòng)保護(hù)、智能化變壓器差動(dòng)保護(hù)、智能化母線差動(dòng)保護(hù)等這類分散采樣差動(dòng)保護(hù)同步性在現(xiàn)場(chǎng)難以測(cè)試的問題。

1 差動(dòng)保護(hù)同步性

1.1 同步問題的由來

差動(dòng)保護(hù)需要同步采集多個(gè)間隔的電流量才能正確計(jì)算出差流來快速保護(hù)一次設(shè)備。常規(guī)變電站電流在電纜中傳輸延時(shí)可忽略，主變壓器、母線差動(dòng)保護(hù)裝置采用集中采樣方式可實(shí)現(xiàn)電流量的同步采集。

線路差動(dòng)保護(hù)采樣環(huán)節(jié)分散在線路兩端保護(hù)裝置內(nèi)，兩端裝置需配合工作，通過差動(dòng)通道的乒乓算法調(diào)整保護(hù)的采樣時(shí)刻，最終達(dá)到線路兩端采樣同步的目的。線路差動(dòng)保護(hù)的采樣同步性與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的差動(dòng)通道性能密切相關(guān)。當(dāng)線路兩端都為智能變電站或僅一端為智能變電站時(shí)，線路兩端采樣環(huán)節(jié)及延時(shí)不同，線路差動(dòng)保護(hù)需要在乒乓算法的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮延時(shí)的影響[4]，如圖1(a)所示。如果延時(shí)或乒乓算法處理不恰當(dāng)，對(duì)于線路上的穿越性電流將會(huì)產(chǎn)生一定大小的差流。

智能變電站采用電子式互感器或模擬量輸入合并單元實(shí)現(xiàn)采樣的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化[5]，采樣環(huán)節(jié)獨(dú)立于保護(hù)裝置，且分散布置，導(dǎo)致不同間隔之間采樣不同步。由于電子式互感器或模擬量輸入合并單元采樣需要經(jīng)過采集、等待、數(shù)據(jù)同步、網(wǎng)絡(luò)組包等多個(gè)環(huán)節(jié)處理，采樣值從輸入到輸出具有一定延時(shí)[6]，而且不同間隔處理的數(shù)據(jù)不同或不同廠家產(chǎn)品的處理方式不同，導(dǎo)致不同間隔的采樣環(huán)節(jié)具有不同的延時(shí)[7]。智能變電站這種數(shù)字化分散采樣方式的延時(shí)達(dá)到毫秒級(jí)，延時(shí)帶來的影響不可忽略。因此，差動(dòng)保護(hù)接收到不同間隔采樣值的時(shí)刻不同，而且可能是不同步的，如圖1(b)所示。如果智能化差動(dòng)保護(hù)計(jì)算時(shí)不進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，對(duì)于穿越性電流將會(huì)產(chǎn)生一定大小的差流。

圖1 差動(dòng)保護(hù)采樣示意圖Fig. 1 Schematic of differential protection sampling

1.2 同步測(cè)試必要性

線路差動(dòng)保護(hù)的乒乓算法原理成熟，但其準(zhǔn)確性與具體的通道參數(shù)有關(guān)[8]，具體工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)線路差動(dòng)保護(hù)的采樣同步性進(jìn)行驗(yàn)證。涉及智能變電站的線路差動(dòng)保護(hù)，采樣同步性還與數(shù)字化采樣延時(shí)以及保護(hù)與合并單元之間配合有關(guān)，因此現(xiàn)場(chǎng)有必要對(duì)線路差動(dòng)保護(hù)以及整個(gè)采樣環(huán)節(jié)開展采樣同步性驗(yàn)證。

智能變電站內(nèi)的數(shù)字化分散采樣差動(dòng)保護(hù)，采樣數(shù)據(jù)的同步性由前端采樣環(huán)節(jié)、傳輸環(huán)節(jié)以及保護(hù)裝置共同決定，任一環(huán)節(jié)變化都會(huì)影響差動(dòng)保護(hù)的數(shù)據(jù)同步性。智能變電站電子式互感器、合并單元、保護(hù)裝置的許多參數(shù)都由配置文件決定，而這些配置文件在調(diào)試過程中經(jīng)常需要修改，這就有可能影響到差動(dòng)保護(hù)采樣同步性。因此，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試最后階段應(yīng)對(duì)差動(dòng)保護(hù)的采樣同步性進(jìn)行系統(tǒng)性驗(yàn)證。

2 基于GPS對(duì)時(shí)的同步測(cè)試方案

2.1 基于GPS同步測(cè)試可行性

線路差動(dòng)保護(hù)的電流量分別位于兩個(gè)變電站，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行采樣同步試驗(yàn)時(shí)必須給分散在兩個(gè)站的采樣環(huán)節(jié)施加同步的電流量。智能變電站中主變壓器、母線差動(dòng)保護(hù)的采樣值由分布在就地的電子式互感器或合并單元提供，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行采樣同步性驗(yàn)證時(shí)需要從就地施加同步電流量，而差動(dòng)保護(hù)涉及的就地設(shè)備可能相距較遠(yuǎn)。因此，分散采樣的差動(dòng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行同步性測(cè)試的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程施加多個(gè)同步的電氣量。

GPS是一種以人造地球衛(wèi)星為載體的全球覆蓋、全天候工作的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航、定位和授時(shí)。GPS的時(shí)間唯一，且具有很高的頻率精度和時(shí)間精度，時(shí)間精度在幾十納秒至1 μs以內(nèi)[9]。因此，GPS給不同裝置授時(shí)后，可實(shí)現(xiàn)被授時(shí)裝置的時(shí)間同步。由于GPS具有對(duì)時(shí)精度高，不受地理位置限制等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的對(duì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)變電站乃至整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)二次設(shè)備工作時(shí)標(biāo)的統(tǒng)一。

目前，繼電保護(hù)測(cè)試儀大部分都具有GPS對(duì)時(shí)功能，且可根據(jù)GPS時(shí)間觸發(fā)輸出電流、電壓量，因此可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)變電站間或站內(nèi)不同間隔遠(yuǎn)程同步施加模擬量的目的。不同模擬量之間的同步誤差取決于繼電保護(hù)測(cè)試儀的GPS對(duì)時(shí)精度和GPS觸發(fā)模擬量輸出準(zhǔn)確度?，F(xiàn)場(chǎng)開展差動(dòng)保護(hù)采樣同步性測(cè)試時(shí)，采用具有GPS高精度對(duì)時(shí)功能的測(cè)試儀直接給保護(hù)裝置或模擬量輸入合并單元施加同步的電流量即可。

本文研究的同步測(cè)試方法主要針對(duì)線路差動(dòng)保護(hù)以及采用模擬了輸入合并單元的智能變電站各類分散采樣的差動(dòng)保護(hù)。智能變電站若采用電子式互感器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采樣，必須在多個(gè)電子式互感器一次側(cè)同步施加較大的模擬量才能進(jìn)行數(shù)據(jù)同步性測(cè)試，只能在實(shí)驗(yàn)室采用一次升流的方式進(jìn)行同步性測(cè)試[10]。

2.2 測(cè)試方案實(shí)現(xiàn)

基于 GPS對(duì)時(shí)的采樣同步測(cè)試必須要求繼電保護(hù)測(cè)試儀具備精確的GPS對(duì)時(shí)功能，且能夠根據(jù)GPS時(shí)間信號(hào)精準(zhǔn)觸發(fā)模擬量輸出?；贕PS對(duì)時(shí)的線路差動(dòng)保護(hù)采樣同步性遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 基于GPS對(duì)時(shí)的線路差動(dòng)保護(hù)同步測(cè)試系統(tǒng)Fig. 2 Line differential protection synchronization testing system based on GPS time

線路差動(dòng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)開展采樣同步性試驗(yàn)時(shí)，采用兩臺(tái)具有對(duì)時(shí)觸發(fā)輸出模擬量功能的測(cè)試儀分別在變電站M和N側(cè)施加電流模擬量。兩臺(tái)測(cè)試儀都與GPS精確對(duì)時(shí)同步，并以GPS時(shí)間為基準(zhǔn)觸發(fā)電流模擬量輸出，同時(shí)控制電流的相位，如圖 2所示。對(duì)于線路智能化側(cè)，電流由測(cè)試儀輸出至模擬量輸入合并單元，然后通過9-2形式傳輸給差動(dòng)保護(hù)裝置。對(duì)于線路常規(guī)側(cè)，電流由測(cè)試儀直接輸出至保護(hù)裝置。線路差動(dòng)保護(hù)根據(jù)采樣延時(shí)tdM、tdN以及差動(dòng)通道的傳輸延時(shí)td進(jìn)行兩側(cè)采樣值的時(shí)間補(bǔ)償，然后計(jì)算兩側(cè)電流的大小、相位關(guān)系以及差流[11]。最終比較線路差動(dòng)保護(hù)上兩側(cè)電流的相位差或與兩臺(tái)測(cè)試儀基于GPS時(shí)間輸出模擬量的相位差 Dj的關(guān)系，同時(shí)結(jié)合保護(hù)裝置上差流的大小即可判斷線路差動(dòng)保護(hù)以及整個(gè)采樣回路數(shù)據(jù)同步性能。理論上，保護(hù)裝置兩側(cè)電流相位差與兩臺(tái)測(cè)試儀輸出電流相位差之間應(yīng)滿足

圖2所示基于GPS對(duì)時(shí)的線路差動(dòng)保護(hù)采樣同步性遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)適用于兩側(cè)都是常規(guī)變電站、其中一側(cè)是智能變電站、兩側(cè)都是智能變電站的線路差動(dòng)保護(hù)，只是采樣環(huán)節(jié)及保護(hù)裝置處理采樣延時(shí)方式不同。圖2所示系統(tǒng)同樣也適用于智能變電站中數(shù)字化分散采樣的主變壓器、母線差動(dòng)保護(hù)同步性試驗(yàn)，只是將兩臺(tái)或多臺(tái)測(cè)試儀置于同一變電站不同間隔。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)誤差分析

圖2所示測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)采樣同步性測(cè)試時(shí)，要求測(cè)試儀具有較高的對(duì)時(shí)精度和精準(zhǔn)的模擬量輸出控制。測(cè)試儀的GPS對(duì)時(shí)精度一般都能優(yōu)于1 μs，而模擬量輸出控制的精準(zhǔn)度較難實(shí)現(xiàn)，目前最優(yōu)的能達(dá)到5 μs以內(nèi)。測(cè)試過程中，為了精確控制模擬量輸出時(shí)間和相位，測(cè)試儀一般采用狀態(tài)序列方式輸出，如圖3所示。

圖3 測(cè)試儀同步輸出序列Fig. 3 Sequence of the instrument synchronous output

為了便于不同測(cè)試儀能同時(shí)觸發(fā)輸出模擬量，一般采用整分時(shí)間觸發(fā)輸出模式，且模擬量輸出之前，測(cè)試儀應(yīng)已與GPS精確同步。測(cè)試儀采用自身已同步的時(shí)間序列觸發(fā)模擬量輸出，模擬量輸出應(yīng)滯后時(shí)間序列，若控制模擬量輸出時(shí)刻與測(cè)試儀時(shí)間序列上升沿的時(shí)間誤差在5 μs以內(nèi)，而時(shí)間序列上升沿與GPS時(shí)間誤差在1 μs以內(nèi)，則模擬量輸出時(shí)刻與GPS時(shí)間誤差在6 μs以內(nèi)，而且滯后GPS時(shí)間。由于GPS時(shí)間統(tǒng)一，分散在不同位置的兩臺(tái)測(cè)試儀輸出模擬量之間時(shí)間差在6 μs以內(nèi)，造成的相位差約為 6′，這對(duì)保護(hù)計(jì)算差流和采樣值相位的影響較小，可滿足保護(hù)采樣同步性測(cè)試要求。

3 工程應(yīng)用

某500 kV智能變電站采用模擬量輸入合并單元實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采樣，其對(duì)側(cè)為常規(guī)變電站。該智能變電站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段采用上述基于GPS對(duì)時(shí)的同步測(cè)試方法對(duì)500 kV線路差動(dòng)保護(hù)以及站內(nèi)主變壓器差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行了采樣同步性能測(cè)試。測(cè)試儀的GPS對(duì)時(shí)精度為1 μs，模擬量輸出時(shí)間精度不大于5 μs。

3.1 線路差動(dòng)保護(hù)

該智能變電站線路兩端的保護(hù)采樣模式不同，一側(cè)為數(shù)字化采樣，另一側(cè)為常規(guī)采樣，線路差動(dòng)保護(hù)需要處理兩側(cè)不同的采樣延時(shí)及通道延時(shí)，以達(dá)到采樣數(shù)據(jù)的同步。線路兩側(cè)互感器二次額定值都為1 A?，F(xiàn)場(chǎng)差動(dòng)通道聯(lián)調(diào)時(shí)，采用基于GPS對(duì)時(shí)的遠(yuǎn)程同步測(cè)試方法，智能化側(cè)的保護(hù)測(cè)試儀將電流量輸出至就地的模擬量合并單元，常規(guī)側(cè)的保護(hù)測(cè)試儀將電流量直接輸出至保護(hù)裝置。同步測(cè)試時(shí)，兩側(cè)測(cè)試儀由GPS整分時(shí)間觸發(fā)輸出的電流初相位分別為 0°和 180°，模擬穿越性電流流過線路，實(shí)際測(cè)得A、B兩套線路差動(dòng)保護(hù)的兩側(cè)電流相位差及差流大小分別如表1和表2所示。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，兩套線路差動(dòng)保護(hù)的差流大小隨兩側(cè)電流增大的變化情況相似。當(dāng)線路電流在額定值及以下情況時(shí)，保護(hù)的差流非常小，基本小于0.01 A；在5倍額定電流時(shí)，差流也不大，在0.12 A左右。從差流大小和兩側(cè)電流大小可推算出線路兩側(cè)保護(hù)中電流相位差在180°±1.5°以內(nèi)。兩臺(tái)測(cè)試儀施加同步模擬量誤差在0.1°以內(nèi)，因此線路差動(dòng)保護(hù)及整個(gè)采樣回路的數(shù)據(jù)同步性誤差在1.5°以內(nèi)，滿足差動(dòng)保護(hù)的性能要求。

表2 線路差動(dòng)保護(hù)B差流Table 2 Differential current of line protection B

3.2 變壓器保護(hù)

該智能變電站的主變壓器為自耦變，進(jìn)行變壓器差動(dòng)保護(hù)采樣同步性測(cè)試時(shí)，采用兩側(cè)加量方式分別對(duì)高-中壓側(cè)、高-低壓側(cè)、高-公共繞組側(cè)進(jìn)行測(cè)試，下面以高-中壓側(cè)為例說明測(cè)試過程。

兩臺(tái)測(cè)試儀施加數(shù)據(jù)如表3所示，都輸出合并單元的額定電流1 A，且反向，模擬穿越性電流，電壓作為相位的參考量。

表3 測(cè)試儀施加數(shù)據(jù)Table 3 Instrument output data

為了簡(jiǎn)化變壓器各側(cè)電流的折算，將主變壓器保護(hù)參數(shù)中高、中壓側(cè)的電壓及CT變比修改為相同值。高-中壓側(cè)采樣同步測(cè)試結(jié)果如表 4所示，高-中壓側(cè)電流相位差為178°，差流很小，整個(gè)采樣回路同步性誤差為 2°。規(guī)范要求，保護(hù)用 CT相角誤差不大于1°，則兩個(gè)保護(hù)CT之間相角誤差不大于2°。因此，主變壓器差動(dòng)保護(hù)高-中壓側(cè)的采樣同步性也滿足要求。

表4 高-中壓側(cè)同步測(cè)試數(shù)據(jù)Table 4 Synchronization testing data of high-middle voltage side

4 結(jié)語(yǔ)

差動(dòng)保護(hù)的采樣同步性是一個(gè)重要指標(biāo)，調(diào)試過程中應(yīng)保證各類差動(dòng)保護(hù)的采樣同步性滿足要求。本文提出的基于GPS精確對(duì)時(shí)的差動(dòng)保護(hù)同步測(cè)試方法適用于線路差動(dòng)保護(hù)，可在兩個(gè)變電站之間開展遠(yuǎn)程同步測(cè)試。同時(shí)此方法也適用于智能變電站中采用模擬量輸入合并單元進(jìn)行數(shù)字化分散采樣的差動(dòng)保護(hù)同步性測(cè)試，為現(xiàn)場(chǎng)開展差動(dòng)保護(hù)采樣同步性測(cè)試提供了有效的手段。此方法已應(yīng)用于智能變電站實(shí)際工程中線路差動(dòng)保護(hù)、主變壓器差動(dòng)保護(hù)的采樣同步性測(cè)試，效果良好。

[1]朱國(guó)防, 陸于平. 扇環(huán)型制動(dòng)區(qū)差動(dòng)保護(hù)算法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(11): 172-177.ZHU Guo-fang, LU Yu-ping. A novel differential protection with sector-ring restraint region[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2009,24(11): 172-177.

[2]王業(yè), 陸于平, 徐以超, 等. 一種用于差動(dòng)保護(hù)的新型重采樣方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 27(11): 239-247.WANG Ye, LU Yu-ping, XU Yi-chao, et al. A novel resampling method for differential protection[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2012,27(11): 239-247.

[3]李文正, 李寶偉, 倪傳坤, 等. 智能變電站光纖差動(dòng)保護(hù)同步方案研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012,40(16): 136-140.LI Wen-zheng, LI Bao-wei, NI Chuan-kun, et al. Study on synchronization method of optical differential protection in smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(16): 136-140.

[4]張兆云, 劉宏君, 張潤(rùn)超. 數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站間光纖差動(dòng)保護(hù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010, 38(3): 58-60.ZHANG Zhao-yun, LIU Hong-jun, ZHANG Run-chao.Research on optical-fiber line differential protection between digitized substation and traditional substation[J].Power System Protection and Control, 2010, 38(3):58-60.

[5]朱林, 段獻(xiàn)忠, 蘇盛, 等. 基于證據(jù)理論的數(shù)字化變電站繼電保護(hù)容錯(cuò)方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2010, 25(3):154-161.ZHU Lin, DUAN Xian-zhong, SU Sheng, et al. Evidence theory based fault-tolerant method for protective relays in digital substations[J]. Power System Technology, 2010,25(3): 154-161.

[6]魯挺, 趙爭(zhēng)鳴, 張穎超, 等. 采樣延遲和誤差對(duì)三電平PWM 整流直接功率控制性能的影響及其抑制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2010, 25(3): 66-72.LU Ting, ZHAO Zheng-ming, ZHANG Ying-chao, et al.Effect of sampling delay and error on direct power control performance of three-level PWM rectifier and its restraining method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(3): 66-72.

[7]黃燦, 肖馳夫, 方毅, 等. 智能變電站中采樣值傳輸延時(shí)的處理[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2011, 35(1): 5-10.HUANG Can, XIAO Chi-fu, FANG Yi, et al. A method deal with packet transfer delay of sampled value in smart substation[J]. Power System Technology, 2011, 35(1):5-10.

[8]李鋼, 馮辰虎, 孫集偉, 等. 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步技術(shù)及通道切換時(shí)數(shù)據(jù)交換的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(22): 141-145.LI Gang, FENG Chen-hu, SUN Ji-wei, et al. Research in data synchronization technology and data exchange while channel switching of current differential protection[J].Power System Protection and Control, 2010, 38(22):141-145.

[9]高厚磊, 厲吉文, 文鋒, 等. GPS及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 1995, 19(9): 41-44.GAO Hou-lei, LI Ji-wen, WEN Feng, et al. GPS and its potential application to power system[J]. Automation of Electric Power Systems, 1995, 19(9): 41-44.

[10]王洪帥, 徐青山, 袁宇波, 等. 智能變電站非對(duì)稱式光纖差動(dòng)保護(hù)同步性測(cè)試方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011, 35(18): 77-80.WANG Hong-shuai, XU Qing-shan, YUAN Yu-bo, et al.Synchronization test method of asymmetric optical fiber differential protection for smart substation[J].Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(18):77-80.

[11]李寶偉, 倪傳坤, 唐艷梅, 等. 智能變電站組網(wǎng)傳輸采樣值光纖差動(dòng)保護(hù)同步方案研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(9): 142-147.LI Bao-wei, NI Chuan-kun, TANG Yan-mei, et al.Research of the sample synchronization scheme for optical differential protection based on sampled value transmit by network in smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(9): 142-147.