光纖差動保護(hù)在智能變電站中的數(shù)據(jù)同步算法
陳新美,劉園偉
(許昌開普檢測技術(shù)有限公司)
Fiber Differential Protection in Smart Substation Data Synchronization
CHEN xinmei,LIU yuanwei
(Xuchang Ketop Testing Technology Co.,Ltd.)
摘要:光纖差動保護(hù)在電力線路中的應(yīng)用較為廣泛,是電力線路中較為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。隨著智能變電站的大面積推廣,光纖差動保護(hù)裝置的同步采樣方式有了很大的變化,傳統(tǒng)的同步采樣方式已經(jīng)不適用于智能變電站了。本文重點(diǎn)介紹了插值法在光纖差動保護(hù)同步中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:光纖差動;智能變電站;數(shù)據(jù)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
智能變電站的建設(shè)充分體現(xiàn)了一次設(shè)備智能化和二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)。一次設(shè)備智能化的重點(diǎn)是電子式互感器和智能斷路器的應(yīng)用,電子式互感器的應(yīng)用解決了電流互感器飽和導(dǎo)致差動保護(hù)動作行為不正確的問題,加上光纖電流差動保護(hù)自身的優(yōu)點(diǎn),使光纖電流差動保護(hù)成為高電壓等級智能變電站輸電線路的主保護(hù)。
2.基本原理
光纖差動保護(hù)是在電流差動保護(hù)的基礎(chǔ)上演化而來,利用專用光纖通道實(shí)時地向?qū)?cè)傳遞采樣數(shù)據(jù),同時接收對側(cè)的采樣數(shù)據(jù),通過計(jì)算線路兩端的電流,能簡單、可靠地判斷出區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。光纖差動保護(hù)的原理如圖1所示
圖1光纖差動保護(hù)原理
Fig. 1Fiber differential protection principle
設(shè)流過兩側(cè)保護(hù)的電流以母線流向本保護(hù)線路的方向?yàn)槠湔较颍瑒t動作電流,制動電流。
(式1)
(式2)
式中:Idq為差動繼電器啟動電流;Kr為比率自動系數(shù)。同時滿足上述兩個條件,差動保護(hù)動作。比率制動特性如圖2所示。
圖2 比率制動特性
Fig. 2 Ratio braking characteristics
為躲過外部故障不平衡電流,通常還采用比率制動特性原理的電流繼電器,當(dāng)動作電流與制動電流對應(yīng)的工作點(diǎn)位于比率制動特性曲線動作區(qū)內(nèi),判為區(qū)內(nèi)故障,差動繼電器動作跳閘。當(dāng)工作點(diǎn)落在非動作區(qū)內(nèi),判為區(qū)外故障,繼電器不動作。
3.同步算法
線路光纖差動保護(hù)裝置的一個關(guān)鍵性技術(shù)就是線路兩側(cè)保護(hù)裝置采樣數(shù)據(jù)的同步問題。
智能變電站中采用電子式互感器,其輸出為離散的數(shù)字量,通過光數(shù)字信號形式經(jīng)合并單元傳輸給間隔層保護(hù)設(shè)備,這個采樣數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)倪^程存在比較明顯的延時,一般為50μs~500μs,有的甚至超過1000μs,這種數(shù)據(jù)采集的延時對差動保護(hù)來說是不可忽略的,而且線路兩側(cè)的變電站中傳輸給間隔層保護(hù)設(shè)備釆樣數(shù)據(jù)的合并單元也存在著不同的延時,這給智能變電站線路差動保護(hù)兩側(cè)數(shù)據(jù)同步帶來新的問題。
對常規(guī)變電站差動保護(hù)裝置兩側(cè)數(shù)據(jù)的同步,目前已經(jīng)有了很多種具體實(shí)用的方法,由于智能變電站與常規(guī)變電站中差動保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)采樣的方式已經(jīng)不同,這些方法已不再適用新的要求,需要改進(jìn)或者研究新原理的兩側(cè)數(shù)據(jù)同步方法。目前國內(nèi)外主流繼電保護(hù)廠家的同步方法不盡相同,但大致可以分為一下幾種方案:采樣數(shù)據(jù)修正同步法、釆樣時刻調(diào)整同步法、時鐘校正數(shù)據(jù)同步法、參考相量數(shù)據(jù)同步法、GPS數(shù)據(jù)同步法以及虛擬同步釆樣中斷技術(shù)的同步方法等。
智能變電站的線路差動保護(hù)裝置采樣數(shù)據(jù)的方式和常規(guī)變電站的線路差動保護(hù)裝置采樣數(shù)據(jù)的方式有很大的差別,由于采樣延時的存在,前面介紹的幾種常規(guī)模式下的數(shù)據(jù)同步方式已經(jīng)不能直接使用。例如:由于IEC-60044-7和IEC-60044-8不允許間隔層設(shè)備向合并單元發(fā)送指令,這樣采樣時刻調(diào)整數(shù)據(jù)同步法就不能使用了。另外由于智能變電的建設(shè)剛剛起步,數(shù)量有限,對于線路兩側(cè)數(shù)據(jù)的采集,現(xiàn)在處于多種方式,既有兩側(cè)都是常規(guī)方式的,又有全是數(shù)字采集方式的,還有常規(guī)數(shù)字兩者混合的,這就使的本身復(fù)雜的數(shù)據(jù)同步問題變得更加復(fù)雜。我們必須改進(jìn)以前的數(shù)據(jù)同步方法或者來用新的數(shù)據(jù)同步方法。
4.基于9-2協(xié)議的插值同步法
9-2協(xié)議中規(guī)定了合并單元輸出的數(shù)據(jù)要通過過程層網(wǎng)絡(luò)再輸入到保護(hù)裝置,這種傳輸延時是不固定的。智能變電站中的線路差動保護(hù)裝置和合并單元都使用相同時鐘信號,輸電線路兩側(cè)變電站的時鐘信號可以不相同不同步。
9-2協(xié)議中規(guī)定合并單元輸出的釆樣數(shù)據(jù)幀中含有以下數(shù)據(jù):
1.釆樣數(shù)據(jù);
2.電子式電流互感器的額定延時;
3.釆樣標(biāo)號SmpCnt。
可以利用數(shù)據(jù)傾中的電子式電流互感器的額定延時和采樣標(biāo)號SmpCnt,得到適用于9-2協(xié)議的智能變電站線路差動保護(hù)裝置的插值數(shù)據(jù)同步法。
如圖3所示,設(shè)電子式電流互感器的釆樣間隔ts,輸電線路兩側(cè)的合并單元和線路差動保護(hù)裝置都有自己的高頻率高穩(wěn)定的晶振進(jìn)行走時計(jì)時。變電站的時鐘源每整秒發(fā)出秒脈沖信號,站內(nèi)的合并單元和差動保護(hù)裝置收到秒脈沖信號的上升沿時,把各自的釆樣計(jì)數(shù)器清零,然后按各自自己的晶振走時,并給電子式互感器按一定的采樣頻率發(fā)送釆樣指令,發(fā)送指令后采樣計(jì)數(shù)器就加一,合并單元發(fā)給差動保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)中即含這個釆樣計(jì)數(shù)器(Smpcnt)。下面以M側(cè)為例來介紹這種方法數(shù)據(jù)同步的處理過程。
將SmpCnt的采樣計(jì)數(shù)值設(shè)為M1,那么從合并單元到保護(hù)裝置的延時的計(jì)算公式如式3:
(式3)
圖3 基于9-2協(xié)議的插值同步法示意圖
Fig. 3 9-2 schematic synchronization method based on interpolation protocol
M側(cè)采樣數(shù)據(jù)從電子式互感器到差動保護(hù)裝置之間的總延時為:
(式4)
M側(cè)差動保護(hù)裝置在tm1”時刻收到合并單元的釆樣數(shù)據(jù)后將其發(fā)送給N側(cè)差動保護(hù)裝置。經(jīng)過通道延時Td后N側(cè)差動保護(hù)裝置在時刻收到M側(cè)差動保護(hù)裝置發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)幀。再經(jīng)△t延時后到發(fā)送中斷時向M側(cè)差動保護(hù)裝置發(fā)送一幀既包含本側(cè)的采樣數(shù)據(jù),又包含這個△t和N側(cè)采樣數(shù)據(jù)從電子式互感器到差動保護(hù)裝置之間的總延時為tb的數(shù)據(jù)幀。M側(cè)差動保護(hù)裝置經(jīng)過Td通道延時后在tmr時刻收到N側(cè)保護(hù)裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)幀,這樣我們可以得出通道延時Td的計(jì)算公式式5:
(式 5)
將tn2”對應(yīng)到N側(cè)合并單元和電子式電流互感器的采樣時刻分別為tn2’、tn2,對應(yīng)到M側(cè)的差動保護(hù)裝置應(yīng)該為tmn”時刻,同一個變電站的合并單元和差動保護(hù)裝置已經(jīng)經(jīng)同一秒脈沖實(shí)現(xiàn)時鐘同步,因此tmn”時刻就是tmn’時刻,所以M、N兩側(cè)的合并單元之間存在的時間差tα=tm1’-tmn’。我們再通過拉格朗日二次插值法,按照tα的時間值在tm1’采樣點(diǎn)前、后選取合適的釆樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算,在M側(cè)就能實(shí)現(xiàn)兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)的同步。同理也利用拉格朗日插值法在N側(cè)也能實(shí)現(xiàn)兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)的同步。
很明顯該方法既適用于兩側(cè)都是9-2協(xié)議智能變電站的線路差動保護(hù)裝置數(shù)據(jù)同步,還適用于一側(cè)為常規(guī)變電站的線路差動保護(hù)。
釆用拉格朗日插值法按基于9-2協(xié)議的數(shù)據(jù)同步法進(jìn)行輸電線路兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)的同步,眾所周知,由于插值余項(xiàng)的存在和插值計(jì)算過程中本身的計(jì)算誤差,導(dǎo)致擬合波形和實(shí)際波形肯定有幅值和角度的誤差。這種誤差的多少和采用的插值的次數(shù)有不小的關(guān)系。釆用拉格朗日二次插值肯定要比其一次差值誤差小,在實(shí)際的工程應(yīng)用中一般都采用二次插值。
5.總結(jié)
本首先介紹了常規(guī)模式下和智能變電站模式下的幾種差動數(shù)據(jù)同步法。分析了智能變電站中的差動保護(hù)不能使用常規(guī)模式下差動數(shù)據(jù)同步方法的原因。其次分析了適合于9-2協(xié)議的拉格朗日插值數(shù)據(jù)同步方法,并對其計(jì)算誤差對進(jìn)行了探討,結(jié)果說明拉格朗日二次插值法能滿足智能站9-2協(xié)議下的差動保護(hù)同步計(jì)算誤差的要求。本文的設(shè)計(jì)就是使用以上方法,并驗(yàn)證其是滿足現(xiàn)場要求的。
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作者簡介:1、陳新美(1970-),女,河南許昌,主任檢測工程師,主要從事繼電保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的研究;
2、劉園偉(1981-),男,河南許昌,工程師,主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)專業(yè)測試工作。- 上一篇:2017年春節(jié)放假的通知 2017/1/24
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