基于同步相量的多端電流差動保護

徐曉春 李 奔 談 浩 趙青春

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

近年來，風電和光伏等新能源建設(shè)加速，發(fā)展迅猛，因線路走廊、變電間隔和土地資源的限制，新能源并網(wǎng)以多端線路方式接入電網(wǎng)的要求逐漸迫切[1-2]。多端線路的特點是不同的分支線路共同連接在同一條聯(lián)網(wǎng)線路上，對保護的可靠性、靈敏性提出了更高的要求。由于多端線路結(jié)構(gòu)的特殊性，線路上任何位置發(fā)生故障都會影響整條線路的正常運行，一旦出現(xiàn)故障就要求快速隔離故障；常規(guī)的后備保護（距離保護、零序保護等）因定值整定配合困難，無法滿足速動性和選擇性的要求。多端差動保護是此類線路的最佳配置方案，可以解決目前分布式新能源電力送出線路繼電保護配置的難題[3-8]。

多端線路的差動保護涉及的通信節(jié)點多、通信結(jié)構(gòu)復雜，采用傳統(tǒng)的乒乓原理進行同步的方案復雜、對通道的要求高，且需要耗費大量的專用通信資源，成為制約多端差動保護應用的重要因素。

1 多端線路的應用場景分析

典型的多端線路如圖1所示，主要具備以下特征：

圖1 典型多端線路

1）不同的節(jié)點連接在同一條聯(lián)網(wǎng)線路上。

2）線路的連接方式不固定，可能會出現(xiàn)節(jié)點新增或者減少的情況，保護裝置需要能夠適應線路拓撲改變的情況。

3）傳統(tǒng)的后備保護由于原理的限制，存在無法整定配合的問題，不能滿足靈敏性和可靠性的要求。

電流差動保護具有天然的區(qū)間隔離和選相能力，成為多端線路保護的首選。目前，國內(nèi)外針對高電壓等級的多端差動研究和實際應用較少，隨著近幾年新能源推廣，出現(xiàn)了大量的新能源廠站T接入原有輸電線路的應用需求。目前，現(xiàn)有的多端差動保護實現(xiàn)方案主要基于主從式的通信拓撲架構(gòu)，從機將本側(cè)的采樣數(shù)據(jù)通過光纖傳遞給主機，主機進行差動邏輯計算，并將計算結(jié)果反饋給從機，執(zhí)行跳閘命令。電流差動保護之間采用專用的通信通道進行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)同步，對通信通道的可靠性和收發(fā)路由的一致性需要達到最高要求。在實際應用中，特別是新能源線路T接入原有線路的應用場景中，可能出現(xiàn)“無通道可用”的情況。

為合理有效利用站間通信資源，基于IEC 61850-90-5通信協(xié)議，本文提出一種基于同步相量的多端電流差動保護，在保障差動保護可靠性的前提下，降低多端電流差動保護對通道路由一致性的要求[9-12]。

2 同步相量及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

IEC 61850-90-5對同步相量做出定義，對于周期性信號定義為

其對應的同步相量為

為了統(tǒng)一初始相位，對deg的定義作統(tǒng)一規(guī)定，如圖2所示，當x(t)信號的正極大值與秒脈沖（pulse per second, PPS）重合時，同步相量的角度為0°；當x(t)信號從負半軸穿越正半軸的過零點與秒脈沖重合時，同步相量的角度為-90°。

圖2 同步相量相角統(tǒng)一規(guī)定

IEC 61850-90-5采用網(wǎng)絡(luò)報文實現(xiàn)可路由協(xié)議，并使用IP優(yōu)先級標識來提升傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。為了與智能變電站內(nèi)部的采樣值（sampled value, SV）協(xié)議區(qū)別，IEC 61850-90-5將可路由的SV協(xié)議定義為R-SV。R-SV報文結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 R-SV報文結(jié)構(gòu)

同步相量包含三相電壓和三相電流的幅值和相角。同時報文中增加了時標屬性，可以計算出任一幀同步相量的時標，從而完成同步信息提取，使數(shù)據(jù)同步成為可能。

將IEC 61850-90-5 R-SV及同步相量的概念應用于多端差動保護，實現(xiàn)了通道數(shù)據(jù)信息的可路由傳輸，滿足變電站之間的通信要求，定義電流差動保護的虛端子信息如圖4所示。

圖4 電流差動保護R-SV虛端子

IEC 61850為實現(xiàn)站間通信，新增系統(tǒng)交換描述（system exchange description, SED）文件，可以跨變電站實現(xiàn)各側(cè)裝置的虛端子連線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能。SED示意圖如圖5所示。

圖5 SED示意圖

3 基于同步相量的多端差動保護實現(xiàn)

由于同步相量具備統(tǒng)一的時標體系，解決了多端差動保護的同步問題。各側(cè)以統(tǒng)一時鐘源（北斗或GPS）實現(xiàn)電氣量的同步測量，在簡化通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的同時，滿足了多端差動保護對于數(shù)據(jù)同步的要求，能夠簡化多端電流差動保護的應用條件。

3.1 基于光纖通信的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架方法

對于采用同步相量的多端差動保護，僅需保證通道連接的可靠性即可，對通道收發(fā)路由的一致性沒有要求。由于傳輸報文基于以太網(wǎng)協(xié)議，為了提高通道連接的可靠性，在常規(guī)的點對點傳輸?shù)幕A(chǔ)上，可以采用高可用無縫環(huán)網(wǎng)（high-availability seamless ring, HSR）協(xié)議進行可靠性保障，當某一通道異常時，差動保護仍然能夠正常運行。

對于光纖通道，以一個四端的線路保護為例，通過HSR網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的環(huán)網(wǎng)方案如圖6所示。

圖6 專用光纖的多端HSR網(wǎng)絡(luò)

該網(wǎng)絡(luò)對通道的收發(fā)路由一致性沒有要求，可以采用專用光纖，也可以采用公網(wǎng)路由。基于HSR交換機環(huán)網(wǎng)的通信架構(gòu)，實現(xiàn)了多端電流差動保護的數(shù)據(jù)冗余和站間信息共享功能，當任一通道異常時，多端電流差動保護仍然能夠正常運行，提高了系統(tǒng)的運行可靠性。

3.2 基于5G的無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

5G通信技術(shù)的發(fā)展契合了輸電線路縱聯(lián)保護對提升通信方式多樣性、冗余性和靈活性的要求；其高速率、低時延、高可靠性、高授時精度等特點能較好地滿足輸電線路縱聯(lián)保護在速動性、可靠性、采樣同步等方面的高要求。

由于本文提出的基于同步相量的差動保護對于通道沒有收發(fā)時延一致性的要求，因此可以通過5G無線網(wǎng)絡(luò)進行通信方案擴展。

考慮到5G通信模塊和保護裝置的獨立性，各側(cè)的保護裝置通過自研的工業(yè)級高防護客戶前置設(shè)備（customer premise equipment, CPE）連接基站，從而實現(xiàn)各側(cè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)收發(fā)?；?G網(wǎng)絡(luò)的通信如圖7所示。

圖7 基于5G網(wǎng)絡(luò)的通信

3.3 數(shù)據(jù)安全

由于涉及站間的數(shù)據(jù)傳輸，支持光纖網(wǎng)絡(luò)及無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，本文從以下幾個方面進行了數(shù)據(jù)安全加固。

1）光纖通信在物理層具備其可靠性。對于5G無線網(wǎng)絡(luò)方式，5G通信在進行數(shù)據(jù)處理時相比于4G提供了增強、差異化網(wǎng)絡(luò)安全方案，通過在空口加密、采用切片技術(shù)等方式保障數(shù)據(jù)安全性。

2）傳輸環(huán)節(jié)增加基于密鑰的數(shù)據(jù)加固。在進行站間報文傳輸時電氣量數(shù)據(jù)采用R-SV報文的方式，由于涉及站間傳輸，IEC 61850-90-5標準本身即加強了網(wǎng)絡(luò)安全方面的規(guī)定，在數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)通過密鑰實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密。本文考慮到保護裝置的應用場景及多端系統(tǒng)的復雜性，采用對稱密鑰的加密方式，在數(shù)據(jù)握手階段，認證雙方的身份和密碼協(xié)商；在應用階段采用對稱加密傳輸，保障數(shù)據(jù)的有效性和防篡改性。

3）在數(shù)據(jù)應用層具備數(shù)據(jù)有效性校驗，數(shù)據(jù)應用層增加了傳輸數(shù)據(jù)的循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check, CRC）和正反校驗，能夠有效提升數(shù)據(jù)的有效性。

綜上所述，在物理層、傳輸層和應用層均有數(shù)據(jù)有效性和防篡改的校驗措施，能夠滿足實際應用的需求。

3.4 時鐘同步方案

基于IEC 61850-90-5傳輸?shù)耐较嗔?，只要保證在輸電線路各側(cè)的保護裝置采用統(tǒng)一時鐘源，即可完成各測量點的信息同步，在進行差動保護計算時，選取同一時刻的同步相量數(shù)據(jù)進行差動保護計算即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。

對于采用光纖通道進行通信的應用場景，推薦的對時方案是各側(cè)差動保護裝置均接入本地的站內(nèi)時鐘，當站內(nèi)不具備對時源時，在保證通道收發(fā)路由一致的情況下，可以采用1588協(xié)議進行站間對時。

當采用無線通信方式時，對應的保護裝置可以直接采用5G網(wǎng)絡(luò)的對時信號，完成時鐘同步。

3.5 電流差動保護動作條件

當保護裝置收到各側(cè)的同步相量后，進行基于相量的差動電流和制動電流計算。

定義差動制動方程為

式中：CDIΦ為差動電流，即為各側(cè)電流相量和的幅值，i為系統(tǒng)端數(shù)；RIΦ為制動電流，考慮到多端系統(tǒng)可能存在電流汲出的情況，定義制動電流RIΦ=，其中maxI為各側(cè)電流幅值中最大的電流，為除maxI以外的各側(cè)電流相量和。各側(cè)保護裝置均能夠單獨實現(xiàn)差動計 算功能，進行邏輯判斷，提升了系統(tǒng)的整體可靠性。

4 仿真驗證

為驗證本文提出的多端差動保護的性能，按照某一實際四端線路搭建實時數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）測試系統(tǒng)，驗證基于同步相量的的多端差動保護的正確性，在RTDS 平臺搭建仿真模型如圖8所示。

圖8 RTDS仿真模型

圖8中，M側(cè)為系統(tǒng)，N側(cè)為小電源，S和T為負荷端，其中各段線路的阻抗和系統(tǒng)阻抗均能根據(jù)需要進行調(diào)整。

參照GB/T 26864—2011《電力系統(tǒng)繼電保護產(chǎn)品動模試驗》的要求，對多端線路進行完整的數(shù)字動模試驗，包括區(qū)內(nèi)外金屬性故障、區(qū)內(nèi)外經(jīng)過渡電阻故障、轉(zhuǎn)換性故障、系統(tǒng)振蕩及電流互感器（CT）斷線、CT飽和、對時異常等。

此外，分別對基于光纖網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)（SA）進行了性能對比測試，重點考察不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對動作時間的影響。在不同位置模擬金屬性故障時，對兩種方式的動作時間進行了對比。區(qū)內(nèi)金屬性故障動作時間對比見表1。

表1 區(qū)內(nèi)金屬性故障動作時間對比

在采用5G無線通信網(wǎng)絡(luò)方式時，平均時延在15ms左右，考慮到通道抖動的問題，對接收數(shù)據(jù)進行了緩沖處理，因此采用5G網(wǎng)絡(luò)作為傳輸介質(zhì)時，動作時間會偏長。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，以及通道質(zhì)量的提升，基于5G網(wǎng)絡(luò)的保護裝置動作時間會得到一定程度的提升。綜合測試結(jié)果表明，模擬線路在不同運行方式下，當線路任意一側(cè)裝置出現(xiàn)同步時鐘異常時，保護裝置能夠可靠閉鎖差動保護并發(fā)出告警信號；當線路各側(cè)的對時系統(tǒng)均正常時，發(fā)生區(qū)外故障時，差動保護裝置能夠可靠不動作，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，差動保護裝置能夠可靠快速動作。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于同步相量的多端電流差動保護方案，實現(xiàn)了站間通信協(xié)議的標準化和網(wǎng)絡(luò)化。利用同步相量采樣時刻的一致性，實現(xiàn)了多端電流差動保護方法的新拓展，相比于現(xiàn)有的技術(shù)方案具有以下技術(shù)特征：

1）擴大了應用場景，提升了多端差動的實施可行性。本文提出的差動保護方法，對網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的形式和通道的時延一致性不敏感，在實際應用中可以采用光纖通道或者5G無線通道進行數(shù)據(jù)傳輸。

2）采用光纖通道組成HSR環(huán)網(wǎng)時，能夠形成通道保護，提高通道的可靠性。

3）基于同步相量的多端差動保護，采用基于R-SV標準報文協(xié)議，使不同制造廠家的互通成為可能。

4）各側(cè)的保護裝置均能采集到完整數(shù)據(jù)進行差動計算，提高了差動保護計算的冗余性，提升了系統(tǒng)的整體可靠性。