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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(dòng)保護(hù)動(dòng)作行為不正確的問(wèn)題，加上光纖電流差動(dòng)保護(hù)自身的優(yōu)點(diǎn)，使光纖電流差動(dòng)保護(hù)成為高電壓等級(jí)智能變電站輸電線路的主保護(hù)。

2.基本原理

光纖差動(dòng)保護(hù)是在電流差動(dòng)保護(hù)的基礎(chǔ)上演化而來(lái)，利用專用光纖通道實(shí)時(shí)地向?qū)?cè)傳遞采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)接收對(duì)側(cè)的采樣數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算線路兩端的電流，能簡(jiǎn)單、可靠地判斷出區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。光纖差動(dòng)保護(hù)的原理如圖1所示

圖1光纖差動(dòng)保護(hù)原理

Fig. 1Fiber differential protection principle

設(shè)流過(guò)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(dòng)作電流，制動(dòng)電流。

    （式1）

   （式2）

式中：Idq為差動(dòng)繼電器啟動(dòng)電流；Kr為比率自動(dòng)系數(shù)。同時(shí)滿足上述兩個(gè)條件，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。比率制動(dòng)特性如圖2所示。

圖2 比率制動(dòng)特性

Fig. 2 Ratio braking characteristics

為躲過(guò)外部故障不平衡電流，通常還采用比率制動(dòng)特性原理的電流繼電器，當(dāng)動(dòng)作電流與制動(dòng)電流對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)位于比率制動(dòng)特性曲線動(dòng)作區(qū)內(nèi)，判為區(qū)內(nèi)故障，差動(dòng)繼電器動(dòng)作跳閘。當(dāng)工作點(diǎn)落在非動(dòng)作區(qū)內(nèi)，判為區(qū)外故障，繼電器不動(dòng)作。

3.同步算法

線路光纖差動(dòng)保護(hù)裝置的一個(gè)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(wèn)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(guò)光數(shù)字信號(hào)形式經(jīng)合并單元傳輸給間隔層保護(hù)設(shè)備，這個(gè)采樣數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)倪^(guò)程存在比較明顯的延時(shí)，一般為50μs～500μs，有的甚至超過(guò)1000μs，這種數(shù)據(jù)采集的延時(shí)對(duì)差動(dòng)保護(hù)來(lái)說(shuō)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(shí)，這給智能變電站線路差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)數(shù)據(jù)同步帶來(lái)新的問(wèn)題。

對(duì)常規(guī)變電站差動(dòng)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(dòng)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(guó)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(shí)刻調(diào)整同步法、時(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)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(wèn)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(lái)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(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)再輸入到保護(hù)裝置，這種傳輸延時(shí)是不固定的。智能變電站中的線路差動(dòng)保護(hù)裝置和合并單元都使用相同時(shí)鐘信號(hào)，輸電線路兩側(cè)變電站的時(shí)鐘信號(hào)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(shí)；

3.釆樣標(biāo)號(hào)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(shí)和采樣標(biāo)號(hào)SmpCnt，得到適用于9-2協(xié)議的智能變電站線路差動(dòng)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t_s，輸電線路兩側(cè)的合并單元和線路差動(dòng)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(shí)計(jì)時(shí)。變電站的時(shí)鐘源每整秒發(fā)出秒脈沖信號(hào)，站內(nèi)的合并單元和差動(dòng)保護(hù)裝置收到秒脈沖信號(hào)的上升沿時(shí)，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(shí)，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(dòng)保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)中即含這個(gè)釆樣計(jì)數(shù)器(Smpcnt)。下面以M側(cè)為例來(lái)介紹這種方法數(shù)據(jù)同步的處理過(guò)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(shí)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(dòng)保護(hù)裝置之間的總延時(shí)為:

     (式4)

M側(cè)差動(dòng)保護(hù)裝置在t_m1”時(shí)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(dòng)保護(hù)裝置。經(jīng)過(guò)通道延時(shí)T_d后N側(cè)差動(dòng)保護(hù)裝置在時(shí)刻收到M側(cè)差動(dòng)保護(hù)裝置發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)幀。再經(jīng)△t延時(shí)后到發(fā)送中斷時(shí)向M側(cè)差動(dòng)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(gè)△t和N側(cè)采樣數(shù)據(jù)從電子式互感器到差動(dòng)保護(hù)裝置之間的總延時(shí)為t_b的數(shù)據(jù)幀。M側(cè)差動(dòng)保護(hù)裝置經(jīng)過(guò)T_d通道延時(shí)后在t_mr時(shí)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(shí)T_d的計(jì)算公式式5:

    (式 5)

將t_n2”對(duì)應(yīng)到N側(cè)合并單元和電子式電流互感器的采樣時(shí)刻分別為t_n2’、t_n2，對(duì)應(yīng)到M側(cè)的差動(dòng)保護(hù)裝置應(yīng)該為t_mn”時(shí)刻，同一個(gè)變電站的合并單元和差動(dòng)保護(hù)裝置已經(jīng)經(jīng)同一秒脈沖實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，因此t_mn”時(shí)刻就是t_mn’時(shí)刻，所以M、N兩側(cè)的合并單元之間存在的時(shí)間差t_α=t_m1’-t_mn’。我們?cè)偻ㄟ^(guò)拉格朗日二次插值法，按照t_α的時(shí)間值在t_m1’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(dòng)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(dòng)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(guò)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(dòng)數(shù)據(jù)同步法。分析了智能變電站中的差動(dòng)保護(hù)不能使用常規(guī)模式下差動(dòng)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(duì)其計(jì)算誤差對(duì)進(jìn)行了探討，結(jié)果說(shuō)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(dòng)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(chǎng)要求的。

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作者簡(jiǎn)介：1、陳新美（1970-），女，河南許昌，主任檢測(cè)工程師，主要從事繼電保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的研究；