数字化变电站和传统变电站间光纤纵差保护同步采样方法 【技术领域】
本发明涉及一种高压电网继电保护的方法，特别是一种光纤纵联差动保护的采样方法。
背景技术
在实现变电站自动化进程中，随着智能化电气的发展，特别是智能开关、电子式互感器的出现，变电站自动化进入了数字化的新阶段。数字化变电站彻底解决电流互感器铁芯中的磁通TA饱和问题以及二次电缆的交直流串扰问题，具有避免重复建设以及管理自动化的优势，是变电站自动化的趋势。但数字化变电站的建设不能一蹴而就，在建设的过程中必然出现某些线路的一侧是使用电子式互感器的数字化变电站，另外一侧是使用电磁式互感器的传统变电站。目前通常采用纵联方向保护和纵联距离保护相配合来完成该类线路的保护。电流差动继电器原理是建立在基尔霍夫定律基础上的，原理简单可靠，是理想的线路保护方法。实现传统化变电站和数字化变电站之间的光纤纵差保护对于提高电力系统运行的可靠性和安全性有着举足轻重的作用，但是传统变电站和数字化变电站之间的采样同步是实现光纤纵差保护的难点。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种数字化变电站和传统变电站间光纤纵差保护采样同步方法，要解决的技术问题是实现数字化变电站和传统变电站之间的采样同步。
本发明采用以下技术方案：一种数字化变电站和传统变电站间光纤纵差保护同步采样方法，包括以下步骤：一、实现数字化变电站中的保护装置与间隔合并单元同步：数字化变电站中的电子式互感器周期采样，设置间隔合并单元的数据发送间隔是电子互感器采样率1以上的整数倍、保护装置定时器的定时中断与间隔合并单元的的数据发送间隔一致，微调保护装置定时收到间隔合并单元发送的一帧采样值数据，数据接收到的时刻在采样周期的一半当连续两个周波，保护装置收到间隔合并单元发送的一帧采样值数据接受时刻在0.2Tmu和0.8Tmu之间，保护装置与间隔合并单元同步；若连续一周波不在0.2Tmu和0.8Tmu之间，进行闭锁保护；二、数字化变电站和传统变电站之间的同步：传统变电站侧保护装置的定时中断周期为数字化变电站间隔合并单元的数据发送周期Tmu加上两站之间定时中断的时间差Δt；采用乒乓算法交流量同步：数字化变电站的额定时延是Td1，传统变电站角度折算为时延Td2，传统变电站侧固定选取n个点以前的数据，传统变电站侧的数据延时增加nTmu，电子互感器的采样频率为Tct，数字化变电站取m点前的数据，实现两侧电气量之间的同步，其中m为：m=(nTmu+Td2-Td1)Tct.]]>
本发明的保护装置是线路保护、变压器保护和母线保护装置。
本发明的电子互感器采样率是10000Hz，间隔合并单元的发送间隔为2000Hz。
本发明的微调保护装置定时中断的周期：间隔合并单元发送数据的时间间隔是Tmu，误差为Δtd，保护装置设置两个不同的定时周期，一个周期为略小于间隔合并单元发送数据的时间间隔Trlymin，另一个为略大于间隔合并单元发送数据的时间间隔Trlymax，保护装置接收到间隔合并单元数据时记录下此时定时中断的时间，保护装置此时定时中断的时间小于下一个定时中断采用较大的时间间隔Trlymax；若接收到数据时定时中断的时间计数大于下一个定时中断采用较长的时间间隔Trlymin。
本发明的数字化变电站间隔合并单元和保护装置通讯建立需要20ms时间进行同步；所述间隔合并单元和保护装置未同步之前，闭锁差动保护，间隔合并单元和保护装置同步之后，开放差动保护。
本发明的两站之间定时中断的时间差Δt为数字化变电站和传统变电站差动保护装置收到对侧保护装置数据时，相对于本侧上一次中断开始的时间的差Δt＝TM-TN。
本发明地两站保护装置通讯建立需要连续2周波Δt；两侧保护装置在同步过程中，闭锁差动保护，两侧保护装置采样同步之后，开放差动保护。
本发明的连续2周波Δt不大于0.06ms。
本发明的数字化变电站的额定时延不超过3ms，角度折算为时延不超过3ms，传统变电站侧固定选取不超过2个点以前的数据。
本发明的数字化变电站和传统变电站两侧的延时的分散性误差小于300us时，两侧保护装置同步。
本技术发明与现有技术相比，采用频率跟踪实现数字化变电站中保护装置和间隔合并单元之间的同步，利用乒乓原理，实现了数字化变电站和传统变电站之间的光纤纵差保护装置间的同步，从而使两站之间的光纤纵差保护实现成为可能，大大提高了电力系统运行的可靠性和安全性。
【附图说明】
图1是数字化变电站和传统变电站间光纤纵差保护系统的结构框图。
图2是同步时差检测图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
数字化变电站每条线路的间隔合并单元MU通过与电子式电流互感器ECT以及电压合并单元通信，获得线路保护需要的三相电流Ia、Ib、Ic和电压Ua、Ub、Uc，以及抽取的电压数据。同时线路保护、主变压器保护和母线保护装置通过过程层间隔交换机与间隔合并单元按IEC61850-9-1/2标准通信，获取上述数据。本发明的方法基于IEC61850-9-1标准实现。
传统变电站侧的线路保护的电流电压取自电磁式电流、电压互感器CT、PT，二次回路与常规变电站相同。光纤纵差保护的数字化变电站和传统变电站之间的光纤纵差保护装置的关键是两侧电气量的同步，只有两侧电气量同步才能进行差动保护计算。如图1所示，光纤纵差保护系统中，电气量的同步分为三个层次：
1、数字化变电站侧，电子式电流互感器ECT与电子式电压互感器EPT的同步；
2、数字化变电站中，保护装置与间隔合并单元的同步；
3、数字化变电站和传统变电站之间保护装置的同步。
在数字化变电站设计时，全站的数据采集同步信号来源于同一个时钟源，从而保证了ECT和EPT之间的数据完全同步。因而本发明的数字化变电站和传统变电站间的光纤纵差保护考虑的是第二层次和第三层次的同步。保护装置包括线路保护、变压器保护和母线保护。
根据以上原则，数字化变电站和传统变电站之间的光纤纵差保护装置的同步实施步骤如下：
一、数字化变电站中的保护装置与间隔合并单元同步
1、装设在数字化变电站中的电子式互感器为定周期采样，电子互感器的采样率与间隔合并单元的数据发送间隔可以相同，也可以不同，后者是前者1以上的整数倍。假设电子互感器的采样周期为Tct，间隔合并单元的发送周期为Tmu，Tmu是Tct的整数倍。目前常用的电子互感器采样率是10000Hz，即每周波200点，那么Tct为0.1ms；而间隔合并单元的发送间隔以2000Hz居多，即每周波40点，即Tmu为0.5ms。
2、设置保护装置定时器的定时中断与数字化变电站中间隔合并单元的的数据发送间隔一致，也为2000Hz，即周期为0.5ms。
3、微调保护装置定时中断的周期，实现线路保护实时跟踪间隔合并单元的同步。具体方法是：假设间隔合并单元发送数据的时间间隔是Tmu，误差为Δtd。保护装置设置两个不同的定时周期，一个周期略小于间隔合并单元发送数据的时间间隔Tmu，记为Trlymin，另一个略大于间隔合并单元发送数据的时间间隔Tmu，记为Trlymax。保护装置接收到间隔合并单元数据时记录下此时定时中断的时间，保护装置此时定时中断的时间小于那么下一个定时中断采用较大的时间间隔Trlymax；如果接收到数据时定时中断的时间计数大于那么下一个定时中断采用较长的时间间隔Trlymin。
4、在间隔合并单元和保护装置通讯建立初期，例如间隔合并单元上电、保护装置上电或者通信重新连接，两者需要大约20ms时间进行同步。经过一段时间之后，每一个保护装置定时中断恒定的收到MU发送的一帧采样值数据，数据接收到的时刻在采样周期的一半当连续两个周波，每个保护装置定时中断均恒定的收到间隔合并单元发送的一帧采样值数据，数据接受时刻在0.2Tmu和0.8Tmu之间，则间隔合并单元和保护装置实现同步。
5、间隔合并单元和保护装置未同步之前，需要退出差动保护，待同步建立之后，也就是数据接收时刻在0.2Tmu和0.8Tmu之间时，保护装置方可开放差动保护。
6、长期运行期间，始终监测保护装置定时中断是否恒定的收到间隔合并单元发送的一帧采样值数据，而且数据接受时刻在0.2Tmu和0.8Tmu之间。如果满足上述要求，认为同步；如果连续一周波不满足要求，需要闭锁保护。
按照该方法，只要间隔合并单元发送数据延时的分散性误差Δtd不大于0.3Tmu就可以完全满足同步的要求。根据目前电子式互感器以及间隔合并单元提供的技术参数，发送时间时延的误差不大于0.1ms，当Tmu取0.5ms时(每周波40帧数据)，所允许的最大误差是±0.15ms。因而该方案完全可以满足现场需要。
二、数字化变电站和传统变电站之间的同步
数字化变电站与传统变电站之间的线路差动保护装置，采用乒乓算法进行同步。采用以数字化变电站侧的保护装置的定时中断为参考端，数字化变电站侧的保护装置的定时中断的周期不受传统变电站侧保护装置的采样周期的影响，传统变电站侧的差动保护装置的采样间隔实时跟踪数字化变电站侧的定时中断周期，采用以下步骤：
1、数字化变电站保护装置的定时中断周期始终接近间隔合并单元的发送周期Tmu，不受传统变电站的影响。
2、传统变电站侧跟踪数字侧的方法，如图2所示，M表示数字化变电站侧保护的定时中断信号，N表示传统变电站侧保护的定时中断信号，TM、TN分别表示数字化变电站和传统变电站差动保护装置收到对侧保护装置数据时，相对于本侧上一次中断开始的时间，Δt＝TM-TN表示数字化变电站侧与传统变电站侧定时中断的时间差。
传统变电站侧保护装置的定时中断周期为数字化变电站间隔合并单元的数据发送周期Tmu加上两站之间定时中断的时间差Δt。
3、与数字化变电站保护装置与间隔合并单元之间的同步类似，在两个站保护装置光纤通讯建立初期，需要一个同步过程。同步的标准：连续2周波Δt不大于0.06ms(折合两侧电气量误差0.5度)。两侧保护装置在同步过程，需要闭锁差动保护；只有两侧保护装置采样同步之后，方可开放保护。
4、交流量同步，采用乒乓算法，完成了数字化变电站和传统变电站之间定时中断的同步。当两侧都是传统变电站时，由于两侧的电流互感器特性基本一致且保护装置滤波回路完全相同，此时每个定时中断采集数据并将当前数据发往对侧即可进行保护计算。当数字化变电站侧无滤波回路但存在通道延，传统变电站侧有滤波回路但无通道延时，需要对两侧保护装置的交流量进行准确同步。
按照IEC61850-9-1中组成的数据帧中，间隔合并单元需要将当前电子互感器的“额定时延”参数发送给数字化变电站侧的保护装置，保护装置可以从参数中读取“额定时延”参数。假设数字化变电站的额定时延是Td1。传统变电站侧由于RC滤波回路的存在，经过滤波前后的电气量也存在一定的角度差，可以通过角度折算为时延Td2，折算后角度为Td2*18度。
按照IEC61850-5中13.6.1的定义，间隔合并单元和保护装置之间的通信属于P3类，要求传输时延不大于3ms，因而Td1不大于3ms。而滤波回路的相移可以实测得到，通过实测的相移可以折算出时延Td2，一般情况下，该值也不大于3ms。
为了使传统变电站侧的保护装置和数字化变电站侧的保护装置的交流量同步，传统变电站侧固定选取n个点(不超过2点)以前的交流量数据，定时中断周期无限接近间隔合并单元的发送时间Tmu，从而使传统变电站侧的数据延时增加nTmu。
通过数字化变电站侧线路保护装置的采样值的选取来实现两侧电气量的同步，两侧电气量同步的判据为：两侧加同一个电流，保护装置连续4小时计算的本侧电流和对侧电流的最大角度差在3度以内，如满足该要求，则认为电气量已经完成同步。具体的选取方法如下：电子互感器的采样频率固定为Tct，由于数字化变电站m点前的数据和传统变电站n的点以前的数据就是同时刻的数据，那么数字化变电站固定取m点前的数据，即可以实现两侧电气量之间的同步，其中m的计算如下：m=(nTmu+Td2-Td1)Tct,]]>对于不同的保护装置来说是不一样的。实施例2中数字化变电站的额定时延Td1是1.6ms，角度折算时延Td2为1.3ms，传统变电站侧固定选取2个点以前的数据，传统变电站侧的数据延时增加nTmu即1ms，电子互感器的采样周期Tct为0.1ms，数字化变电站取m=(nTmu+Td2-Td1)Tct]]>即7点前的数据。
此种同步方式，两侧同步后，理论上存在的最大相位差δ＝9Tct度。目前电子互感器的采样率是10000Hz，因而Tct为0.1ms，理论上两侧最大误差为0.9度。基于同步形成的角差对差动保护影响小，可以不用考虑其对差动的影响。
在数字化变电站建设初期，部分电子式互感器及其间隔合并单元未提供额定时延这个参数，因而保护装置需要开放一个m值的预设窗口，也就是增加一个预设参数，可以通过键盘输入该参数；当电子互感器及其间隔合并单元提供了额定时延参数时，根据“额定时延”参数直接计算m值；如果电子式互感器及其间隔合并单元不提供“额定时延”参数，则直接使用保护装置预设参数中的预设值。
实施例1，内蒙古杜尔伯特变电站为全数字化变电站，采用南京新宁光电自动化有限公司电子式CT和间隔合并单元MU，线路保护采用深圳南瑞科技有限公司的PRS-753AO光纤纵差保护，保护装置与间隔合并单元同步采用以下步骤：
1、上电初始化，保护装置和MU之间建立通信链路；
2、保护装置根据接收到数据时的时刻，采用TI公司(Texas InstrumentsIncorporated中文名称：德州仪器)的DSP(TMS320VC33)，使用TI公司的Code Composer V4.10编译工具，微调定时器的周期具体代码如下：
LDI @AW_ADDR_TIM1_CTRL，AR0 ；；关闭TIM1
LDI CW_TIM_CLOSE，R7 ；；201H
STI R7，*AR0
；；判断第二帧数据是不是在0.75ms附近收到，并决定下一个采样周期的长度
LDI @_AW_FLG_RCVOPT，R0
CMPI 055H，R0
BNE IT2_NO_DATA
；；本中断已经收到数据，下一个中断的时间可以长一点
LDI @AW_ADDR_TIM1_PRD，AR0
LDI CW_MAX_4000HZ，R7
STI R7，*AR0
IT2_NO_DATA：
；；本中断未收到数据，下一个中断的时间使用短延时
LDI @AW_ADDR_TIM1_PRD，AR0
LDI CW_MIN_4000HZ，R7 ；；填写中断时间(初
始的时间可以小些)
STI R7，*AR0
IT2_START_TIME：
LDI @AW_ADDR_TIM1_CTRL，AR0 ；；复位TIM0并始计数(使用内部时钟)
LDI CW_TIM_INTERNAL，R7 ；；2C1H
STI R7，*AR0
IT2_T2_OK：
3、当接收时刻恒定在0.2Tmu和0.8Tmu之间时，MU和保护装置同步完成。
实施例2，内蒙古杜尔伯特变电站为数字化变电站，该站线路保护采用深圳南瑞科技有限公司的PRS-753AO装置，线路对侧为杜尔伯特风电厂，为使用电磁式互感器的传统变电站，线路保护使用深圳南瑞科技有限公司的PRS-753A保护装置，数字化变电站和传统变电站之间的同步采用以下步骤：
1、数字化站侧MU和保护装置完成同步之后，继续如下步骤；若未同步，等待同步。
2、数字化变电站侧保护装置设置为参考端，通过乒乓算法不断改变传统变电站侧保护装置的定时周期，采用TI公司的DSP(TMS320VC33)，使用TI公司的Code Composer V4.10编译工具，实现代码如下，函数OptiCalRunDiffTime计算当前角度差，OptiCalAdjDiffTime对当前的定时周期进行调整：
；；***************************************************
；【入口】：
； AR2：通道状态缓冲区入口
；【功能】：
； 通道正常运行时计算两侧采样的&T
；【资源】：
；R0：当前点采样调整成功
；；***************************************************
OptiCalRunDiffTime：
LDI @_AW_PTR_SAM，R0 ；；本侧当前采样序
号：M2
LDI *+AR2(OPTI_BEF_NUM)，R2 ；；本侧以前采样序号：
M1
CMPI R2，R0 ；；M2-M1
BHS CAL_MID_DIF_KP1
ADDI CW_MAX_SAMP_LEN，R0 ；；3周波，24点
M2＜＝M1--＞M2＝M2+24
CAL_MID_DIF_KP1： ；；M2＞M1
LDI *+AR2(OPTI_OPS_NUM)，R1 ；；对侧采样序号：N
CMPI R2，R1 ；；本侧以前采样序号：M1
BHS CAL_MID_DIF_NM1
ADDI CW_MAX_SAMP_LEN，R1 ；；N＜M 1--＞
N＝N+24
CAL_MID_DIF_NM1：
ADDI R0，R2 ；R2
＝OLD(M)+NEW(M)
MPYI 2，R1 ；R1＝NUM(N)*2
CMPI R1，R2
BEQ CAL_DOT_GOD
CAL_ERR：
LDI *+AR2(OPTI_CN_DIFF_TIME)，R0
CMPI 1，R0
BHS CAL_ERR_ING
ADDI 1，R0
STI R0，*+AR2(OPTI_CN_DIFF_TIME)
BR CAL_MID_DIF_END
CAL_ER_ING：
； ；；对侧不是主装置，需要计算
； LDI *+AR4(CW_OPS_MS)，R0
； CMPI CW_OPTI_MASTER，R0
； BEQ CAL_MID_DIF_END
；连续两点错误，直接设置错误标识
LDI *+AR2(OPTI_FLG)，R0
OR DB3，R0
STI R0，*+AR2(OPTI_FLG) ；记录对点不成功或者
连续多点角差过大
LDI 0，R0
STI R0，*+AR2(OPTI_ADJ_OK_RUN) ；清除采样时间差小于门槛计数
STI R0，*+AR2(OPTI_CN_DIFF_TIME)
BR CAL_MID_DIF_END
CAL_DOT_GOD：
LDI 0，R2
STI R2，*+AR2(OPTI_CN_DIFF_TIME)
LDI @_AW_PTR_SAM，R0 ；；本侧当前采样序号：M2
LDI *+AR2(OPTI_BEF_NUM)，R2 ；；本侧以前采样序号：M1
CMPI R2，R0 ；；M2-M1
BHS CAL_MID_DIF_KP11
ADDI CW_MAX_SAMP_LEN，R0 ；；3周波，24点
M2＜＝M1--＞M2＝M2+24
CAL_MID_DIF_KP11：；；M2＞M1
SUBI R2，R0
SUBI 2，R0
LDILE 0，R0
MPYI CW_PRD_1200HZ，R0
ADDI *+AR2(OPTI_RECV_TIME)，R0 ；；R0＝TS″
ADDI *+AR2(OPTI_OPS_TIME)，R0 ；；R1＝TM″
ASH -1，R0
SUBI *+AR2(OPTI_TIME_SEND)，R0
ABSI R0
LDI *+AR2(OPTI_TIME_TD_PTR)，AR1
ADDI 1，AR1
AND 0FH，AR1
STI AR1，*+AR2(OPTI_TIME_TD_PTR)
ADDI OPTI_TIME_TD_BUF，AR1
ADDI AR2，AR1
STI R0，*AR1 ；；保存当点的通道延时
LDI 15，RC
LDI 0，R0
LDI OPTI_TIME_TD_BUF，AR1
ADDI AR2，AR1
RPTB CAL_TD_SUM
LDI *AR1++，R7
CAL_TD_SUM：
ADDI R7，R0
ASH -4，R0
STI R0，*+AR2(OPTI_TIME_TD) ；存储通道延时
；；计算两侧时间差，判断延时是否在允许范围内。
LDI *+AR2(OPTI_RECV_TIME)，R2 ；；R0＝TS″
LDI *+AR2(OPTI_OPS_TIME)，R1 ；；R1＝TM″
SUBI R1，R2 ；；计算TM″-TS″
ASH -1，R2 ；；R2＝dt
STI R2，*+AR2(OPTI_DIFF_TIME)
ABSI R2
LDI CN_MAX_DIFF_TIME_RUNNING，R0
CMPI R0，R2
BLO CAL_MID_DT_LT_MAX
BR CAL_ERR_ING
CAL_MID_DT_LT_MAX：
LDI *+AR2(OPTI_ADJ_OK_RUN)，R0
CMPI 3FH，R0
BHI CAL_MID_DIF_END
ADDI 1，R0
STI R0，*+AR2(OPTI_ADJ_OK_RUN) ；清除采样时间差小于门槛计数
CAL_MID_DIF_END：
RETS
；；***************************************************
；【入口】：
； AR2：通道状态缓冲区入口
；【功能】：
；通道调整时计算两侧采样的&T
；【资源】：
； R0
；；***************************************************
OptiCalAdjDiffTime：
LDI *+AR2(OPTI_RECV_TIME)，R2 ；；R2＝TS″
SUBI *+AR2(OPTI_OPS_TIME)，R2 ；；R2＝TS″-TM″
ASH -1，R2 ；；R2＝TS″-TM″/2＝&T
LDI @_AW_PTR_SAM，R1 ；；M2当前点采样标
号；M1＝以前送去的标号
LDI *+AR2(OPTI_BEF_NUM)，R7
CMPI R7，R1 ；；M2-M1
BHS CAL_INT_DIF_KP1
ADDI CW_MAX_SAMP_LEN，R7 ；；3周波，72点
M2＜＝M1--＞M2＝M2+24
CAL_INT_DIF_KP1： ；；M2＞M1
ADDI R7，R1；；R1＝M1+M2
LDI R1，R0
ASH -1，R0 ；；R0＝(M1+M2)/2＝K
TSTB DB0，R1
BZ PCI_TIM_ODD_POST
CMPI 0，R2
BGE PCI_DT_IS_GTE
ADDI CW_PRD_2400HZ，R2
BR PCI_TIM_ODD_POST
PCI_DT_IS_GTE：
SUBI CW_PRD_2400HZ，R2
ADDI 1，R0
PCI_TIM_ODD_POST：
LDI *+AR2(OPTI_OPS_NUM)，R4 ；；R4＝N
SUBI R0，R4
ADDI @_AW_PTR_SAM，R4
CMPI CW_MAX_SAMP_LEN，R4
BLT PCI_M2_LO_24_1
SUBI CW_MAX_SAMP_LEN，R4
PCI_M2_LO_24_1：
CMPI CW_MAX_SAMP_LEN，R4
BLT PCI_M2_LO_24_2
SUBI CW_MAX_SAMP_LEN，R4
PCI_M2_LO_24_2：
CMPI 0，R4
BGE PCI_M2_GE_0
ADDI CW_MAX_SAMP_LEN，R4
PCI_M2_GE_0：
STI R4，@_AW_PTR_SAM ；经过调整之后的本侧采样点序号
LDI R2，R5
ADDI CW_PRD_1200HZ，R2 ；；通道调整一次到位
STI R2，@PW_SAMP_ADJ_CNT ；计算出来新的采样周期
ABSI R5
CMPI CW_MAX_DIFF_TIME，R5
BHS PCI_DT_GT_MAX
LDI *+AR2(OPTI_CN_ADJ)，R6
ADDI 1，R6
CMPI 3，R6
BHS PCI_ADJ_OK
STI R6，*+AR2(OPTI_CN_ADJ)
LDI 0AAH，R6
STI R6，*+AR2(OPTI_FLG_ADJ_OK) ；；ccH--调整过程中
BR PCI_POST
PCI_ADJ_OK：
LDI 0，R6
STI R6，*+AR2(OPTI_CN_ADJ)
LDI 055H，R6
STI R6，*+AR2(OPTI_FLG_ADJ_OK) ；；55H--调整成功
LDI *+AR2(OPTI_FLAG_FRAME)，R0
OR DB0，R0
STI R0，*+AR2(OPTI_FLAG_FRAME)
BR PCI_POST
PCI_DT_GT_MAX：
LDI 0，R6
STI R6，*+AR2(OPTI_CN_ADJ)
LDI 0AAH，R6
STI R6，*+AR2(OPTI_FLG_ADJ_OK) ；；aaH--角差过大，需要调整
PCI_POST：
RETS
3、当两侧的计算延时小于300us时，认为两侧保护装置同步；
4、根据预设的延时补偿系数读取采样值，进行保护计算。