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光纤差动保护在智能变电站中的数据同步算法

2016/10/25 8:59:06 点击:

陈新美,刘园伟

(许昌开普检测技术有限公司)

Fiber Differential Protection in Smart Substation Data Synchronization

CHEN xinmei,LIU yuanwei

(Xuchang Ketop Testing Technology Co.,Ltd.)

摘要:光纤差动保护在电力线路中的应用较为广泛,是电力线路中较为关键的一个环节。随着智能变电站的大面积推广,光纤差动保护装置的同步采样方式有了很大的变化,传统的同步采样方式已经不适用于智能变电站了。本文重点介绍了插值法在光纤差动保护同步中的应用。

关键词:光纤差动;智能变电站;数据同步

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

智能变电站的建设充分体现了一次设备智能化和二次设备网络化的特点。一次设备智能化的重点是电子式互感器和智能断路器的应用,电子式互感器的应用解决了电流互感器饱和导致差动保护动作行为不正确的问题,加上光纤电流差动保护自身的优点,使光纤电流差动保护成为高电压等级智能变电站输电线路的主保护。


2.基本原理

光纤差动保护是在电流差动保护的基础上演化而来,利用专用光纤通道实时地向对侧传递采样数据,同时接收对侧的采样数据,通过计算线路两端的电流,能简单、可靠地判断出区内、区外故障。光纤差动保护的原理如图1所示

1光纤差动保护原理

Fig. 1Fiber differential protection principle

设流过两侧保护的电流以母线流向本保护线路的方向为其正方向,则动作电流,制动电流

    (式1)

   (式2)

式中:Idq为差动继电器启动电流;Kr为比率自动系数。同时满足上述两个条件,差动保护动作。比率制动特性如图2所示。

2 比率制动特性

Fig. 2 Ratio braking characteristics

为躲过外部故障不平衡电流,通常还采用比率制动特性原理的电流继电器,当动作电流与制动电流对应的工作点位于比率制动特性曲线动作区内,判为区内故障,差动继电器动作跳闸。当工作点落在非动作区内,判为区外故障,继电器不动作。


3.同步算法

线路光纤差动保护装置的一个关键性技术就是线路两侧保护装置采样数据的同步问题。

智能变电站中采用电子式互感器,其输出为离散的数字量,通过光数字信号形式经合并单元传输给间隔层保护设备,这个采样数据处理、传输的过程存在比较明显的延时,一般为50μs~500μs,有的甚至超过1000μs,这种数据采集的延时对差动保护来说是不可忽略的,而且线路两侧的变电站中传输给间隔层保护设备釆样数据的合并单元也存在着不同的延时,这给智能变电站线路差动保护两侧数据同步带来新的问题。

对常规变电站差动保护装置两侧数据的同步,目前已经有了很多种具体实用的方法,由于智能变电站与常规变电站中差动保护装置的数据采样的方式已经不同,这些方法已不再适用新的要求,需要改进或者研究新原理的两侧数据同步方法。目前国内外主流继电保护厂家的同步方法不尽相同,但大致可以分为一下几种方案:采样数据修正同步法、釆样时刻调整同步法、时钟校正数据同步法、参考相量数据同步法、GPS数据同步法以及虚拟同步釆样中断技术的同步方法等。

智能变电站的线路差动保护装置采样数据的方式和常规变电站的线路差动保护装置采样数据的方式有很大的差别,由于采样延时的存在,前面介绍的几种常规模式下的数据同步方式已经不能直接使用。例如:由于IEC-60044-7和IEC-60044-8不允许间隔层设备向合并单元发送指令,这样采样时刻调整数据同步法就不能使用了。另外由于智能变电的建设刚刚起步,数量有限,对于线路两侧数据的采集,现在处于多种方式,既有两侧都是常规方式的,又有全是数字采集方式的,还有常规数字两者混合的,这就使的本身复杂的数据同步问题变得更加复杂。我们必须改进以前的数据同步方法或者来用新的数据同步方法。


4.基于9-2协议的插值同步法

9-2协议中规定了合并单元输出的数据要通过过程层网络再输入到保护装置,这种传输延时是不固定的。智能变电站中的线路差动保护装置和合并单元都使用相同时钟信号,输电线路两侧变电站的时钟信号可以不相同不同步。

9-2协议中规定合并单元输出的釆样数据帧中含有以下数据:

1.釆样数据;

2.电子式电流互感器的额定延时;

3.釆样标号SmpCnt。

可以利用数据倾中的电子式电流互感器的额定延时和采样标号SmpCnt,得到适用于9-2协议的智能变电站线路差动保护装置的插值数据同步法。

如图3所示,设电子式电流互感器的釆样间隔ts,输电线路两侧的合并单元和线路差动保护装置都有自己的高频率高稳定的晶振进行走时计时。变电站的时钟源每整秒发出秒脉冲信号,站内的合并单元和差动保护装置收到秒脉冲信号的上升沿时,把各自的釆样计数器清零,然后按各自自己的晶振走时,并给电子式互感器按一定的采样频率发送釆样指令,发送指令后采样计数器就加一,合并单元发给差动保护装置的数据中即含这个釆样计数器(Smpcnt)。下面以M侧为例来介绍这种方法数据同步的处理过程。

将SmpCnt的采样计数值设为M1,那么从合并单元到保护装置的延时的计算公式如式3:

   (式3)

 

3 基于9-2协议的插值同步法示意图

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

M侧采样数据从电子式互感器到差动保护装置之间的总延时为:

     (式4)

M侧差动保护装置在tm1”时刻收到合并单元的釆样数据后将其发送给N侧差动保护装置。经过通道延时Td后N侧差动保护装置在时刻收到M侧差动保护装置发送的采样数据帧。再经△t延时后到发送中断时向M侧差动保护装置发送一帧既包含本侧的采样数据,又包含这个△t和N侧采样数据从电子式互感器到差动保护装置之间的总延时为tb的数据帧。M侧差动保护装置经过Td通道延时后在tmr时刻收到N侧保护装置发送的数据帧,这样我们可以得出通道延时Td的计算公式式5:

    ( 5)

将tn2”对应到N侧合并单元和电子式电流互感器的采样时刻分别为tn2’、tn2,对应到M侧的差动保护装置应该为tmn”时刻,同一个变电站的合并单元和差动保护装置已经经同一秒脉冲实现时钟同步,因此tmn”时刻就是tmn’时刻,所以M、N两侧的合并单元之间存在的时间差tα=tm1’-tmn’。我们再通过拉格朗日二次插值法,按照tα的时间值在tm1’采样点前、后选取合适的釆样点数据进行插值计算,在M侧就能实现两侧采样数据的同步。同理也利用拉格朗日插值法在N侧也能实现两侧采样数据的同步。

很明显该方法既适用于两侧都是9-2协议智能变电站的线路差动保护装置数据同步,还适用于一侧为常规变电站的线路差动保护。

釆用拉格朗日插值法按基于9-2协议的数据同步法进行输电线路两侧采样数据的同步,众所周知,由于插值余项的存在和插值计算过程中本身的计算误差,导致拟合波形和实际波形肯定有幅值和角度的误差。这种误差的多少和采用的插值的次数有不小的关系。釆用拉格朗日二次插值肯定要比其一次差值误差小,在实际的工程应用中一般都采用二次插值。


5.总结

本首先介绍了常规模式下和智能变电站模式下的几种差动数据同步法。分析了智能变电站中的差动保护不能使用常规模式下差动数据同步方法的原因。其次分析了适合于9-2协议的拉格朗日插值数据同步方法,并对其计算误差对进行了探讨,结果说明拉格朗日二次插值法能满足智能站9-2协议下的差动保护同步计算误差的要求。本文的设计就是使用以上方法,并验证其是满足现场要求的。

 

参考文献:

[1] 张兆云,刘宏君,张润超.数字化变电站与传统变电站间光纤纵差保护研究.电力系统保护与控制,2010,8(3):58-60

[2] 刘宏君,孙一民,李延新.数字化变电站光纤纵差保护性能分析.电力系统自动化,2008,32 (17):72 -74

[3] 曹团结,俞拙非,吴崇昊.电子式互感器接入的光纤差动保护数据同步方法.电力系统自动化,2009,33(23):65 -68

[4] 曹团结,陈建玉,黄国方.基于IEC61850 -9的光纤差动保护数据同步方法.电力系统自动化,2009,33(24):58 -60

[5] 郑新才,施鲁宁,杨光等.IEC61850标准下采样值传输规范9 -1、9-2的对比和分析.电力系统保护与控制,2008,36(18):47 -50

 

作者简介:1、陈新美(1970-),女,河南许昌,主任检测工程师,主要从事继电保护标准的研究;

2、刘园伟(1981-),男,河南许昌,工程师,主要从事电力系统继电保护专业测试工作。

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