李寶偉，倪傳坤，唐艷梅，席穎穎，鄧茂軍，周東杰

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

差動(dòng)保護(hù)具有原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)差動(dòng)保護(hù)也存在實(shí)施難度較大的缺點(diǎn)，尤其對(duì)于輸電線路，差動(dòng)保護(hù)需要同時(shí)獲取線路兩端的采樣數(shù)據(jù)，而且要解決兩端采樣數(shù)據(jù)同步的問(wèn)題。近年來(lái)，電子式互感器（Electronic Instrument Transformer）因其良好的性能，已經(jīng)開(kāi)始在電力系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用，電子式互感器已經(jīng)從研發(fā)階段逐漸進(jìn)入到了實(shí)用階段電子式互感器的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的電氣量采集方式[1-3]。文獻(xiàn)[4]提出了一種光纖差動(dòng)采樣同步方法，但此方法依賴于變電站的同步時(shí)鐘源，大大降低了繼電保護(hù)的可靠性；文獻(xiàn)[5]提出了一種解決基于采樣值（Sampled Value,SV）直采方式，一側(cè)是傳統(tǒng)變電站、另一側(cè)是數(shù)字化變電站差動(dòng)保護(hù)同步方案，在兩側(cè)均為智能變電站或采樣SV組網(wǎng)方式的情況下并不適用。

本文闡述了智能變電站中組網(wǎng)傳輸采樣值的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了基于組網(wǎng)方式傳輸采樣值的電子式互感器采樣時(shí)序及站內(nèi)采樣同步的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于組網(wǎng)傳輸采樣值的縱聯(lián)光纖差動(dòng)保護(hù)同步方案，并對(duì)采樣同步誤差進(jìn)行了分析，最后給出了具體的實(shí)施方案。

1 基于電子式互感器的采樣系統(tǒng)

1.1 組網(wǎng)傳輸采樣值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能變電站的數(shù)據(jù)源來(lái)自電子式互感器，經(jīng)合并單元（Merging Unit,MU）同步處理后發(fā)送給間隔IED[6]。MU到保護(hù)裝置之間采用IEC61850規(guī)約傳輸數(shù)字量采樣值，為以太網(wǎng)報(bào)文，其傳輸方式可采用組網(wǎng)傳輸模式或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸模式[7]。組網(wǎng)模式是指，MU將處理之后的采樣值報(bào)文發(fā)送至過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，間隔層IED設(shè)備從過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)獲取所需要的采樣數(shù)據(jù)。

圖1為一種基于組網(wǎng)傳輸采樣值方式的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。綜合接口單元完成的功能主要有：采集安裝點(diǎn)的模擬量信息和開(kāi)關(guān)量信息；對(duì)信息進(jìn)行簡(jiǎn)單處理；與間隔層設(shè)備上傳信息接收來(lái)自間隔層設(shè)備的命令信息；據(jù)接收的命令信息執(zhí)行跳、和開(kāi)關(guān)的操作。

圖1 組網(wǎng)傳輸采樣值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System structure of sampled value transmit by network

1.2 基于電子式互感器的采樣系統(tǒng)

為設(shè)計(jì)縱聯(lián)光纖差動(dòng)保護(hù)采樣同步方案，首先要對(duì)基于電子式互感器的采樣系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究?；陔娮邮交ジ衅鞯牟蓸酉到y(tǒng)，其采樣流程為：電子式互感器對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行采集，輸出的數(shù)字量采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)合并單元數(shù)據(jù)同步之后供保護(hù)裝置使用。采樣時(shí)序如圖2所示。

采集器到合并單元之間采用IEC60044-8 FT3規(guī)約傳輸數(shù)字量采樣值，由于FT3為串口通信，傳輸延時(shí)固定，電子互感器各自獨(dú)立采樣，并將采樣的 一次電流或電壓數(shù)據(jù)以固定延時(shí)時(shí)間發(fā)送至MU，MU采用同步插值法完成各采集器間的采樣同步[8]。

圖2 基于電子式互感器采樣的時(shí)序Fig.2 Time sequence of electronic instrument transformer sampling

合并單元到保護(hù)裝置之間采用組網(wǎng)模式傳輸采樣值報(bào)文，合并單元輸出的數(shù)字量采樣值信號(hào)經(jīng)以太網(wǎng)交換機(jī)共享至過(guò)程層總線，傳輸延時(shí)不穩(wěn)定[9]，所以應(yīng)由過(guò)程層合并單元實(shí)現(xiàn)全站采樣數(shù)據(jù)時(shí)間同步，間隔層保護(hù)裝置僅需要對(duì)齊采樣序號(hào)即可完成采樣的同步。

因此，基于電子式互感器的保護(hù)裝置站內(nèi)采樣同步包含兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

a）合并單元的重采樣同步；

b）保護(hù)裝置接收采樣值報(bào)文的序號(hào)同步。

圖3為MU重采樣同步示意圖。MU記錄接收到電子式互感器采樣值報(bào)文的時(shí)刻，再根據(jù)電子式互感器的采樣值報(bào)文額定延時(shí)對(duì)接收時(shí)刻進(jìn)行修正，得出采樣值報(bào)文對(duì)應(yīng)一次模擬量信號(hào)的時(shí)刻，MU根據(jù)全站統(tǒng)一的對(duì)時(shí)信號(hào)對(duì)各電子式互感器的數(shù)字量采樣值報(bào)文進(jìn)行重采樣同步。合并單元所發(fā)樣本計(jì)數(shù)為零的采樣值報(bào)文中所帶數(shù)字量采樣值為同步脈沖產(chǎn)生時(shí)刻的一次模擬量信號(hào)[10]。

圖3 合并單元重采樣時(shí)序Fig.3 Time sequence of merge unit resample

當(dāng)MU失去外部同步信號(hào)后采用內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行重采樣，雖然與其他間隔MU之間不再同步，但仍可保證本MU內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)的同步。

由于全站的過(guò)程層MU均基于同一時(shí)鐘進(jìn)行重采樣，所以不同MU發(fā)送相同樣本計(jì)數(shù)的數(shù)字量采樣值是同步的。

間隔層IED設(shè)備依據(jù)MU的樣本計(jì)數(shù)對(duì)各MU的采樣值報(bào)文進(jìn)行同步。如圖4所示，間隔層IED設(shè)備僅需將接收到各MU采樣值報(bào)文按照樣本計(jì)數(shù)進(jìn)行對(duì)齊即可完成采樣同步。當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)MU失去同步后，此MU采樣值報(bào)文不再與其他MU進(jìn)行序號(hào)對(duì)齊，按其采樣值報(bào)文中的樣本計(jì)數(shù)依次存儲(chǔ)，仍可保證單間隔采樣數(shù)據(jù)的同步。

圖4 多間隔合并單元數(shù)據(jù)同步時(shí)序Fig.4 Time sequence of multiple merge unit resample

1.3 MU 級(jí)聯(lián)采樣同步

合并單元不但要對(duì)采集器的數(shù)據(jù)，某些情況下還需進(jìn)行合并單元級(jí)聯(lián)的采樣同步。配置母線電壓合并單元。母線電壓合并單元可接收至少2組電壓互感器數(shù)據(jù)，并支持向其他合并單元提供母線電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)需要提供電壓并列功能。各間隔合并單元所需母線電壓量通過(guò)母線電壓合并單元轉(zhuǎn)發(fā)。

如圖5所示為220 kV雙母線接線母線電壓采集示意圖。母線合并單元將電壓采集器采樣數(shù)據(jù)同步之后經(jīng)FT3轉(zhuǎn)發(fā)至間隔合并單元，間隔合并單元經(jīng)過(guò)電壓切換之后與電流采集器數(shù)據(jù)一起進(jìn)行重采樣同步。合并單元級(jí)聯(lián)采樣同步不需要外部對(duì)時(shí)脈沖。

2 光纖差動(dòng)采樣同步方案

關(guān)于站間保護(hù)裝置之間的采樣同步方法，目前常用的有數(shù)據(jù)調(diào)整法、采樣時(shí)刻調(diào)整法、時(shí)鐘校正法、參考相量法以及GPS同步法等[11]。以往站間保護(hù)裝置之間采樣同步均在間隔層IED設(shè)備中完成，由于采用SV組網(wǎng)方式，采樣同步本質(zhì)上是在MU中完成的，且合并單元按間隔配置，所以本文提出將站間采樣同步下發(fā)至合并單元中完成。

圖5 合并單元級(jí)聯(lián)采樣同步Fig.5 Merge unit cascade sample synchronization

2.1 采樣同步流程

常規(guī)的合并單元僅完成間隔內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的同步功能，需在原合并單元功能基礎(chǔ)之上增加獨(dú)立功能模塊以完成站間采樣同步功能。圖6為合并單元采樣同步功能結(jié)構(gòu)圖。合并單元內(nèi)部站內(nèi)采樣同步和站間采樣同步基于同一時(shí)鐘信號(hào)。由于合并單元與保護(hù)裝置的采樣率不盡相同，站間采樣同步需進(jìn)行單獨(dú)重采樣。其具體流程如下：

1）直接對(duì)采集器的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣以獲取所需采樣頻率的數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)側(cè)保護(hù)的同時(shí)存入采樣緩存區(qū)。

2）實(shí)時(shí)進(jìn)行同步計(jì)算以求出兩側(cè)的采樣偏差。如果對(duì)側(cè)為常規(guī)變電站或SV直采方式時(shí)，直接調(diào)整對(duì)側(cè)的采樣時(shí)刻，完成兩側(cè)采樣的同步，本文不再深入討論。

3）將接收到的對(duì)側(cè)采樣數(shù)據(jù)也存入采樣緩存區(qū)。

圖6 合并單元采樣同步結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of merge unit sample synchronization

4）依據(jù)計(jì)算出的兩端采樣偏差對(duì)對(duì)側(cè)采樣值進(jìn)行重采樣，完成站間采樣的同步。

5）將重采樣之后的對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)以IEC61850-9-2規(guī)約發(fā)送至保護(hù)裝置。

合并單元發(fā)送的本側(cè)和對(duì)側(cè)采樣值報(bào)文相同樣本計(jì)數(shù)的采樣值為同一時(shí)刻本側(cè)和對(duì)側(cè)的采樣數(shù)據(jù)。保護(hù)裝置根據(jù)樣本計(jì)數(shù)完成站間采樣同步。

站間采樣數(shù)據(jù)同步由三個(gè)部分組成：本側(cè)數(shù)據(jù)重采樣、站間采樣偏差計(jì)算和對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)重采樣同步。

2.2 本側(cè)數(shù)據(jù)重采樣

為保證MU本身功能與站間同步功能相互獨(dú)立，同時(shí)保護(hù)裝置與MU的采樣率可能不相同，向?qū)?cè)發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)獨(dú)立采樣。為了保證數(shù)據(jù)同步，MU重采樣和站間采樣同步重采樣基于相同的時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)在整秒時(shí)刻采樣序號(hào)均為0。

本文站間采樣同步重采樣頻率以1 200 Hz、MU重采樣頻率以4 000 Hz為例進(jìn)行討論。圖7為站間采樣同步重采樣示意圖，T1為MU重采樣間隔，T2為站間同步的重采樣間隔。重采樣之后的采樣數(shù)據(jù)和重采樣時(shí)刻按序號(hào)依次存入采樣緩存區(qū)，同時(shí)立即發(fā)送給對(duì)側(cè)。

圖7 MU 多頻率重采樣時(shí)序Fig.7 Time sequence of MU multi-frequency resample

2.3 采樣偏差計(jì)算

使用乒乓算法計(jì)算通道延時(shí)及站間的通道延時(shí)Td、采樣偏差ΔTs、采樣序號(hào)差ΔNum為

其中：y為接收前最近的并且已經(jīng)發(fā)送的采樣序號(hào)；x為對(duì)側(cè)反饋的序號(hào)；N為對(duì)側(cè)序號(hào)；t1為接收時(shí)刻與y點(diǎn)時(shí)刻之差；t2為對(duì)側(cè)接收與發(fā)送時(shí)間差；T為采樣時(shí)間間隔。

2.4 對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)重采樣同步

接收到對(duì)側(cè)采樣數(shù)據(jù)后，根據(jù)其自身的采樣序號(hào)、計(jì)算出的序號(hào)差ΔNum計(jì)算出與其對(duì)應(yīng)的本側(cè)采樣序號(hào)，取出本側(cè)數(shù)據(jù)的重采樣時(shí)標(biāo)，減去計(jì)算出的兩端采樣偏差ΔTs，得到對(duì)側(cè)采樣的時(shí)刻，將對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)側(cè)采樣時(shí)刻存入采樣緩存區(qū)。圖8 為同步計(jì)算示意圖。依據(jù)對(duì)側(cè)采樣時(shí)刻對(duì)其采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，同步脈沖產(chǎn)生時(shí)刻重采樣樣本計(jì)數(shù)為零。重采樣之后相同樣本計(jì)數(shù)的本側(cè)和對(duì)側(cè)采樣數(shù)據(jù)為相同時(shí)刻的模擬量信號(hào)。將重采樣之后的對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)以IEC61850-9 規(guī)約發(fā)送至過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)。圖9為對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)重采樣同步示意圖。

圖8 同步計(jì)算示意圖Fig.8 Synchronous calculation schemes

圖9 對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)重采樣同步Fig.9 Resample synchronization of opposite data

站間采樣同步功能和MU本身的功能基于同一時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)MU失去外部對(duì)時(shí)信號(hào)時(shí)，采用內(nèi)部時(shí)鐘工作，所以當(dāng)MU失去外部對(duì)時(shí)信號(hào)時(shí)線路差動(dòng)保護(hù)仍然可以正常工作。

3 同步誤差分析

采樣誤差主要為幅值誤差和相位誤差。下面分別分析站間采樣同步產(chǎn)生的幅值偏差和相位偏差。

3.1 幅值偏差

幅值誤差主要取決于本側(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)重采樣引入的誤差。為了降低重采樣誤差，重采樣均采用拋物線插值算法。圖10 為拋物線插值算法在各次諧波下的誤差分布。由仿真可知，在工頻下拋物線插值算法誤差遠(yuǎn)小于0.01%，其誤差對(duì)保護(hù)的影響可以忽略。

圖10 拋物線插值算法誤差分布Fig.10 Parabolic interpolation algorithm error distribution

3.2 相位偏差

相位偏差主要取決于同步計(jì)算誤差，為提高同步計(jì)算精度，乒乓算法中兩側(cè)的收、發(fā)時(shí)標(biāo)采用FPGA 記錄，可保證同步計(jì)算誤差在1 μs 之內(nèi)[12]。

4 方案具體實(shí)施

站間采樣同步功能僅線路間隔需要，為不影響MU 本側(cè)數(shù)據(jù)處理功能，將站間同步模塊設(shè)置為合并單元的一個(gè)組件，每個(gè)組件完成兩端的采樣同步功能。

4.1 硬件結(jié)構(gòu)

帶站間同步功能的MU 硬件結(jié)構(gòu)如圖11所示。站間采樣同步功能使用獨(dú)立的插件完成，本側(cè)數(shù)據(jù)由MU 完成數(shù)據(jù)對(duì)齊之后通過(guò)FT3 方式發(fā)送至站間采樣同步插件，其同步方法與1.3 節(jié)中MU 級(jí)聯(lián)采樣同步相同；時(shí)鐘信號(hào)位于MU 插件，通過(guò)背板接至站間同步插件。此硬件結(jié)構(gòu)靈活，當(dāng)需要雙端采樣同步功能時(shí)裝設(shè)一個(gè)組件，當(dāng)需要多端采樣同步比如T 型接線線路保護(hù)完成三端差動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)裝設(shè)兩個(gè)組件。

圖11 采樣同步硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Hardware structure of sample synchronization

4.2 對(duì)外接口

站間采樣同步組件為完成采樣同步功能，不僅要對(duì)外交換采樣數(shù)據(jù)，而且需要外部對(duì)其設(shè)置通信參數(shù)，同時(shí)為完成站間差動(dòng)保護(hù)功能，還需要交換狀態(tài)量數(shù)據(jù)。分采樣數(shù)據(jù)、定值參數(shù)和狀態(tài)量數(shù)據(jù)三種類型定義對(duì)外接口方式。

a) 采樣數(shù)據(jù)

站間采樣同步插件接收MU 插件本側(cè)采樣數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-8 FT3 規(guī)約，發(fā)送對(duì)側(cè)采樣數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)的IEC61850 規(guī)約，模擬量采樣值通過(guò)IEC61850-9-2 規(guī)約傳輸。

b) 定值參數(shù)

一種面向通用對(duì)象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event,GOOSE）支持由數(shù)據(jù)集DATA-SET 組織的公共數(shù)據(jù)交換，由于GOOSE報(bào)文的核心內(nèi)容（DATA-SET）可自由靈活地定義，不僅可傳輸狀態(tài)信息，還可傳輸定值參數(shù)信息。因此光纖通道定值及參數(shù)由保護(hù)裝置通過(guò)GOOSE 下發(fā)。

c) 狀態(tài)量數(shù)據(jù)

狀態(tài)量數(shù)據(jù)交互使用GOOSE 方式傳輸。

站間采樣同步對(duì)外接口全為通用的標(biāo)準(zhǔn)接口，通用性很強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備制造廠家之間的互相配合。

5 結(jié)論

本文提出一種基于組網(wǎng)傳輸采樣的光纖差動(dòng)保護(hù)采樣數(shù)據(jù)同步新方案。該方案將光纖差動(dòng)采樣同步下放至合并單元中完成，首先通過(guò)乒乓算法計(jì)算出兩側(cè)采樣偏差，進(jìn)一步根據(jù)計(jì)算出的采樣偏差和本側(cè)重采樣時(shí)標(biāo)對(duì)對(duì)側(cè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，最終在合并單元中完成兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)的同步，并將對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)以IEC61850-9-2 方式發(fā)送至過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)。合并單元本側(cè)采樣同步和兩側(cè)采樣同步基于同一時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)合并單元失去外部對(duì)時(shí)信號(hào)后光纖差動(dòng)保護(hù)仍然可以正常工作。通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證可知，該方案具有較高的同步精度。該方案同步精度高、運(yùn)算量小、易于實(shí)現(xiàn)、并具備工程應(yīng)用靈活及兼容性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛推廣的現(xiàn)實(shí)意義。

利用本方案研制的合并單元和光纖差動(dòng)保護(hù)裝置已在某智能變電站投運(yùn)，運(yùn)行情況良好。

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