基于網(wǎng)絡(luò)同步的方向過(guò)流保護(hù)采樣值計(jì)算

朱重陽(yáng)，張華

（國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 211100）

基于網(wǎng)絡(luò)同步的方向過(guò)流保護(hù)采樣值計(jì)算

朱重陽(yáng)，張華

（國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 211100）

目前，配電網(wǎng)中不依賴(lài)于電壓，通過(guò)電流的采樣值來(lái)計(jì)算方向過(guò)流的方法，對(duì)于采樣值兩端的同步提出了很高的要求。提出通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)調(diào)整電流采樣值的同步算法，進(jìn)而計(jì)算電流兩端相位差，同時(shí)起到方向過(guò)流保護(hù)的作用。該方案不僅能夠很好地解決采樣值的同步性，準(zhǔn)確判斷過(guò)流相位，而且避免硬件設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，減少方向過(guò)流元器件的使用。此方案已在雙回線配電系統(tǒng)中得以驗(yàn)證。

采樣值同步；方向過(guò)流保護(hù)；相位差；相位同步；相位失步

0 引言

目前，配電網(wǎng)電流保護(hù)廣泛采用時(shí)間配合的方式。當(dāng)饋線發(fā)生故障時(shí)，整條線路將被切掉，不但不利于配電網(wǎng)供電的可靠性，而且其依賴(lài)于時(shí)間延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性，會(huì)導(dǎo)致由于某些故障的切除時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而影響設(shè)備壽命。傳統(tǒng)的方向過(guò)流保護(hù)接線復(fù)雜，投資較大，存在死區(qū)。尤其是分布式電源（DG）的引入使得三段式電流保護(hù)、熔斷器保護(hù)及自動(dòng)重合閘保護(hù)的靈敏度降低，甚至誤動(dòng)或不動(dòng)，因此迫切需要提高含DG的配電網(wǎng)中繼電保護(hù)裝置的響應(yīng)速度并擴(kuò)大保護(hù)的范圍。本文通過(guò)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，利用網(wǎng)絡(luò)同步的方法模擬計(jì)算兩點(diǎn)之間電流的相位差［1］，從而提出一種行之有效的方向過(guò)流保護(hù)方案。

1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)通過(guò)2臺(tái)饋線遠(yuǎn)方終端（FTU）對(duì)同一線路不同的兩點(diǎn)進(jìn)行電流采樣，保護(hù)測(cè)試儀輸出的A相和B相電流可用來(lái)模擬同一線路中的不同的兩點(diǎn)電流采樣位置，2臺(tái)FTU之間通過(guò)交換機(jī)與筆記本電腦組成局域網(wǎng)，筆記本電腦運(yùn)行后臺(tái)軟件，可查看實(shí)時(shí)電流遙測(cè)值和相位角，試驗(yàn)方案如圖1所示。

2 采樣值同步和相位差計(jì)算

對(duì)線路保護(hù)而言，最為有效的方式當(dāng)屬分相電流差動(dòng)保護(hù)。其中采樣值同步又是其中關(guān)鍵技術(shù)。本文通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信的模式，首先建立雙方通信握手報(bào)文，報(bào)文中帶有發(fā)送方的發(fā)送時(shí)間、發(fā)送方的三相相位角及通信握手過(guò)程的狀態(tài)位，接收方收到該報(bào)文后，把接收時(shí)間填充進(jìn)該報(bào)文，接收方回發(fā)該報(bào)文給發(fā)送方，發(fā)送方根據(jù)收到的報(bào)文解析出發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間算出網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)插值計(jì)算出接收對(duì)端的采樣值序列，在通信報(bào)文里面解析出對(duì)端相角，即可計(jì)算出雙方相位差［2-3］。通信協(xié)議幀格式見(jiàn)表1。

圖1 系統(tǒng)示意

表1 協(xié)議幀格式

“狀態(tài)位”：報(bào)文的狀態(tài)標(biāo)志。0：握手開(kāi)始幀；1：握手確認(rèn)幀。

“發(fā)送時(shí)間”：自身發(fā)送報(bào)文時(shí)的時(shí)間（tm1）。

“對(duì)端發(fā)送時(shí)間”：自身收到遠(yuǎn)端報(bào)文時(shí)，解析報(bào)文中的發(fā)送時(shí)間，填充進(jìn)“對(duì)端發(fā)送時(shí)間”，即對(duì)端發(fā)送報(bào)文時(shí)的時(shí)間（tn2）。

“收發(fā)時(shí)間差”：對(duì)端收到報(bào)文與發(fā)送報(bào)文的時(shí)間差（t）。

以#1 FTU為自身發(fā)起，#2 FTU為對(duì)端接收為例，利用時(shí)間同步過(guò)程中握手時(shí)刻計(jì)算時(shí)間同步示意圖如圖2所示，圖中：tm1，tm2為#1 FTU采樣時(shí)刻，時(shí)間間隔為625μs；tn1，tn2為#2 FTU采樣時(shí)刻，時(shí)間間隔為625μs；網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

圖2 時(shí)間同步示意

#1 FTU在tm1時(shí)刻發(fā)送握手起始報(bào)文，#2 FTU在tn1′時(shí)刻收到握手起始報(bào)文，#2 FTU在下一個(gè)采樣時(shí)刻tn2發(fā)送握手確認(rèn)報(bào)文，#1 FTU在tm1′時(shí)刻收到握手確認(rèn)報(bào)文，至此握手過(guò)程結(jié)束。#1 FTU可以根據(jù)報(bào)文中帶有的時(shí)間，計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。#2 FTU每1min開(kāi)始時(shí)刻都進(jìn)行握手網(wǎng)絡(luò)延時(shí)計(jì)算，實(shí)時(shí)更新網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的時(shí)間。#2 FTU的握手過(guò)程和#1 FTU一樣。

本系統(tǒng)以50Hz周期進(jìn)行每周波32點(diǎn)采樣，采樣間隔625μs，利用快速傅里葉變換（FFT）算法，計(jì)算三相電流值及相位角。#1 FTU根據(jù)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和三相電流采樣值序列，可計(jì)算出#2 FTU對(duì)應(yīng)本地FTU的采樣時(shí)間軸的三相電流采樣值序列，根據(jù)采樣值序列可計(jì)算三相電流值及相位角［4］。以A相為例，計(jì)算過(guò)程如下：

#1 FTU A相電流采樣值序列

映射到#2 FTU A相電流采樣值序列

Ln序列和Rn序列是#1 FTU和#2 FTU同一時(shí)刻的采樣值序列；根據(jù)這兩組序列，可計(jì)算出#1 FTU三相電流相位角和映射到#2 FTU時(shí)間軸上的三相電流相位角，兩者之差即可計(jì)算出相位差。

A相相位差

式中：θla為#1 FTU A相相位角；θra為#2 FTU的映射A相相位角；Φa為同一時(shí)刻#1 FTU和#2 FTU的A相相位差，B，C相計(jì)算原理相同。在電流故障狀態(tài)下，根據(jù)Φa的角度值可判斷出過(guò)流的方向性，即Φa＞0為正向過(guò)流，Φa＜0為反向過(guò)流。

3 驗(yàn)證方案可行性

利用保護(hù)測(cè)試儀模擬線路電流，保護(hù)儀同時(shí)輸出兩路電流至#1 FTU和#2 FTU，兩路電流大小相同，相位相異。2臺(tái)FTU通過(guò)采樣計(jì)算出各自的電流值及相位，利用筆記本電腦后臺(tái)監(jiān)控軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。正常工作模式下，監(jiān)測(cè)其中#1 FTU的自身和映射#2 FTU的遙測(cè)及相位差變化。時(shí)間同步正常后，#1 FTU的自身和映射的兩組相位差的值一致，當(dāng)把#1 FTU和#2 FTU之間網(wǎng)線拔掉后，兩組相位差立即出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，即相位失步；當(dāng)把網(wǎng)線插上后，時(shí)間又會(huì)自動(dòng)同步，相位差隨之呈現(xiàn)一致，即相位同步，此時(shí)說(shuō)明時(shí)間同步功能正常。

根據(jù)圖1的接線方法，模擬方向過(guò)流故障，用保護(hù)測(cè)試儀給#1 FTU，#2 FTU分別送出相同大小的電流（本次試驗(yàn)?zāi)M電流為6 A）、不同的相位角。采樣值相位差試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，本次試驗(yàn)準(zhǔn)確度高，試驗(yàn)誤差最大為4.0‰，最小僅為0.3‰，完全能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)過(guò)流保護(hù)的方向判斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，對(duì)于帶方向判斷的過(guò)流保護(hù)，需要電壓值來(lái)判斷故障電流方向。本方案設(shè)計(jì)采用不依賴(lài)電壓的方向過(guò)流保護(hù)，詳細(xì)解析了采樣值同步技術(shù)及計(jì)算過(guò)程，并對(duì)該方案進(jìn)行了模擬仿真，驗(yàn)證了此保護(hù)方案的正確性。該方案僅采樣電流回路即可判斷保護(hù)故障的方向性，但該方案還有待進(jìn)一步驗(yàn)證完善，以便滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行要求。

［1］李英明，鄭拓夫，周水斌，等.一種智能變電站合并單元關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（11）：93-98.

［2］蔡超，陸于平，黃濤，等.基于插值和時(shí)標(biāo)變換的智能變電站保護(hù)數(shù)據(jù)重采樣算法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（19）：80-85.

［3］朱超，梅軍，黃燦，等.測(cè)量用電子式互感器的延時(shí)補(bǔ)償設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（21）：184-189.

［4］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.

（本文責(zé)編：劉炳鋒）

TM 733

B

1674-1951（2016）12-0037-02

朱重陽(yáng)（1980—），男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統(tǒng)配網(wǎng)自動(dòng)化軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作（E-mail：chongyang-zhu＠sac-china.com）。

2016-11-17；

2016-12-05

張華（1981—），男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統(tǒng)配網(wǎng)自動(dòng)化硬件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作（E-mail：hua-zhang＠sac-china.com）。