CN101262130A - 基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法，就是三端线路利用光纤通道两两通信，在各个装置中能收到另外两个对端从各自的光纤通道中发送来交流量，然后在各个装置中解析出各对端的数据包，用这些数据经过基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法，一次性找出同一时刻的三端交流相量，再用这些同一时刻的交流相量来判断交流输电线路是否在区内故障。

Description

基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法

技术领域

本发明涉及一种电力系统基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量方法。

背景技术

随着经济的进一步发展，往往需要在已有线路的基础之上破口新建变电站。被破口的线路会形成三端线路，三端线路将越来越多，在目前用于线路的保护功能中，线路光纤差动原理是实现其主保护的最好方法。而且光纤数字网络在电力系统中已广泛使用，两端线路电流差动保护已经成熟的应用到各电压等级的电网中，特别是城市电网和工厂供电系统中的输配电线路。其线路长度有可能非常短，使得其他保护(如距离，过流)没有保护范围或灵敏度降低，使其不能作为线路的主保护，这时只有纵差保护才能满足短线路的保护要求，也只有线路差动保护才能满足三端以上线路主保护的要求。在此形势下，由于线路纵差保护自身的优良性能，线路纵差保护产品在三端线路的市场前景非常看好。

但是三端线路光纤差动保护需要在各端的保护装置中计算三个保护装置采集的同一时刻的交流同步相量，只有这些同步相量算的比较准确、快速才能保证差动的准确性和快速性，因此研究三端线路光纤差动同步相量算法是非常有必要的。

目前其他三端或者多端同步算法都采用多次两端乒乓同步算法，算法耗时久，精确度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法，三端线路利用光纤通道两两通信，在各个装置中能收到另外两个对端从各自的光纤通道中发送来交流量，然后在各个装置中解析出各对端的数据包，用这些数据经过基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法，一次性找出同一时刻的三端交流相量，再用这些同一时刻的交流相量来判断交流输电线路是否在区内故障。

本发明的技术方案如下：

一种基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法，其特征在于：三端线路通过光纤两两通信，通过通信一端装置收到两个对端发出的交流相量和对应的时标及采样标号；首先通过这些数据算出收到时刻两对端对应的本端的采样标号，然后通过它们分布在由采样标号组成的采样圆周上的具体情况，算出对应本端的同步相量，再通过相量校正，算出两对端对应本端同一时刻的同步相量。

本发明的积极效果在于：经过本发明基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法，三端光纤差动保护需要的三端同步相量可以全部算出，而且只经过一次同步，它简单、快速、准确的计算方法在线路故障时能为保护装置的电流差动元件提供准确数据，这样为线路故障时快速切除故障提供了可靠的保证。

本算法与目前别的同类的同步向量算法相比，算法简单，计算量小，耗时少，计算精度高，适用性强，能为三端线路光纤差动保护提供可靠的数据依据，使其快速准确的动作。

附图说明

图1是本发明三端线路光纤差动连接示意图。

图2是本发明三端同步算法的数据收发示意图。

图3是本发明采样标号组成的采样圆周图。

图4是本发明三端采样标号一致时的示意图。

图5是本发明两个对端对应的本端采样标号连续分布在圆周上示意图。

图6是本发明两个对端对应的本端采样标号分布在最大半圆上的示意图。

图7是本发明两个对端对应的本端采样标号分布在大半圆上的示意图。

图8是本发明两个对端对应的本端采样标号分布在小半圆上的示意图。

图9是本发明向量旋转示意图。

图10是本发明RTDS试验模型图

具体实施方式

下面结合附图和具体实例进一步说明本发明。

三端线路光纤差动保护如附图1所示，它们各个装置利用光纤两两通信，在各自装置中能收到另外两个对端从各自的光纤通道中发送来交流量，然后在各个装置中解析出各对端的数据包，利用这些数据经过基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法，找出同一时刻的三端交流相量。

各个装置中每隔一个固定的时间(也就是一个中断)，向各光纤端口发送一次数据，一包数据的帧中包含本端这一时刻的交流电压、交流断流、收发时延、本端采样标号、对端采样标号及一些动作和其他标志具体见如表1。

表1差动数据包内容

序号	名称	序号	名称
				1	A相电流实部	8	负序电压虚部
2	A相电流虚部	9	收发时延
				3	B相电流实部	10	本端采样标号
4	B相电流虚部	11	对端采样标号
				5	C相电流实部	12	本侧差动动作标
6	C相电流虚部	13	本侧开关断开位置标
				7	负序电压实部

在各个通道都好的情况下，各个装置将收到的各通道的数据和本端的采样数据按顺序排列在各自的缓冲区中。当装置判断出两个通道在一定的时间内一直有好的数据后，就进入基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法。

由附图2可得出本端对第一个通道数据发送过程中t₁到t_3L的时间：

$T_{t1-t3L}=\frac{t_4-t_1}{2}+\frac{t_3-t_2}{2}$

第二个通道数据发送过程中t_1′到t_3L′的时间：

$T_{{t1}^{\′}-t3L^{\′}}=\frac{t_{4^{\′}}-t_{1^{\′}}}{2}+\frac{t_{3^{\′}}-t_{2^{\′}}}{2}$

t₁表示本端发送数据到第一个通道的时刻；

t₂表示第一个通道对端接收到本端的时刻；

t₃表示第一个通道对端发送数据给本端的时刻；

t₄表示本端接收到第一个通道发送的数据时刻；

表示t₁到t_3L之间的时间差。

t_1′表示本端发送数据到第二个通道的时刻；

t_2′表示第二个通道对端接收到本端的时刻；

t_3′表示第二个通道对端发送数据给本端的时刻；

t_4′表示本端接收到第二个通道发送的数据时刻；

表示t_1′到t_3L′之间的时间差。

由于三个装置的采样周期是相同的，可以设它们的采样周期为T_s，并规定它们的最大的采样标号为i_max，最小采样标号为0。则由t₁到t_3L最接近的左侧采样点t(i)对应的采样标号为

$N\left(t\left(i\right)\right)=N\left(t_1\right)+\mathrm{fix}(T_{t1-t{3}_L},T_s)$

N(t(i))表示t(i)时刻对应的采样标号；

N(t1)表示t₁时刻对应的采样标号。

fix表示取整数。

而t(i)时刻到t_3L时刻之间的时间差为

T_f＝mod(T_f1-f3L，T_s)

T_f表示t(i)到t_3L之间的时间差；mod表示取余数。

同理可以得出另一个通道的这些数据：

$N\left(t\left(i^{\′}\right)\right)=N\left(t_{1^{\′}}\right)+\mathrm{fix}(T_{t{1}^{\′}-{{t3}_L}^{\′}},T_s)$

T_f′＝mod(T_t1′-t3L′，T_s)

而且可以得出：

0＜N(t(i))＜N(t(i_max))

0＜N(t(i′))＜N(t(i_max))

由于本端的采样标号是在0和i_max之间循环的(各个对端的采样标号也是在0和i_max之间循环)，所以我们可以认为0到i_max(我们暂时规定i_max＝255)的整数是一个圆周，我们称之为采样圆，如附图3所示。N(t(i))和N(t(i′))是分布在这个采样圆周上的点。那么我们只要在这个圆周上找到距离N(t(i))和N(t(i′))最近的点N(t(x))，对应其采样标号的相量就是我们要得到的三端同步相量中的本端的同步相量，然后我们在根据N(t(i))和N(t(i′))与N(t(x))之间的时间差加上或者减去对应的T_f和T_f′，再把两端的相量按得出的时间补偿到本端采样标号N(t(x))的时刻，就可以在每个装置中得到三个保护装置同一时刻采集的交流相量，即基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量。

本端同步相量采样点N(t(x))的具体算法如下：

1)如附图4所示，如果N(t(i))＝N(t(i′))，即N(t(i))和N(t(i′))是同样的采样标号，则距离本端同步采样点最近的点

N(t(x))＝N(t(i))＝N(t(i′))。

2)如附图5所示，如果|N(t(i))-N(t(i′))|＝1，即N(t(i))和N(t(i′))这时是分布在采样点组成圆周上的两个连续整数，则距离本端同步采样点最近的点N(t(x))＝max(N(t(i′))，N(t(i′)))。

3)如附图6所示，如果|N(t(i))-N(t(i′))|＝255，即N(t(i))和N(t(i′))之间的整数这时分布在采样点组成的圆周的最大半圆上，则距离本端同步采样点最近的点N(t(x))＝0。

4)如附图7所示，如果|N(t(i))-N(t(i′))|＞127，即N(t(i))和N(t(i′))之间的整数这时分布在采样点组成的圆周的大半圆上，而距离本端同步采样点最近的点却在相反的小半园上，因此N(t(x))的算法如下：

N(t(x))＝max(N(t(i))，N(t(i′)))+(256-|N(t(i))-N(t(i′))|+1)/2。

5)如附图8所示，如果|N(t(i))-N(t(i′))|≤127，即N(t(i))和N(t(i′))之间的整数这时分布在采样点组成的圆周的小半圆上，附图4、附图5所示为此种情况下的特例，因此距离本端同步采样点最近的点

N(t(x))＝(N(t(i))+N(t(i′))+1)/2。

通过以上步骤算出对应的N(t(x))之后，本端的同步相量可以根据采样标号N(t(x))直接得出，两个对端的同步相量是通过将两个通道t_3L、t_3L′时刻传送到本端的对应的交流相量补偿到t(x)时刻即可，如附图9所示，其补偿时间为：

$T=|N\left(t\left(x\right)\right)-(N\left(t\left(i\right)\right)|\⊗T_s-T_f$

$T^{\′}=|N\left(t\left(x\right)\right)-(N\left(t\left(i^{\′}\right)\right)|\⊗T_s+T_{f^{\′}}$

T表示超前通道的交流相量向后补偿到N(t(x))同步相量的时间；

T′表示滞后通道的交流相量向前补偿到N(t(x))同步相量的时间；

关于T_f和T_f′前的正负号，由其相量的滞后和超前决定，滞后是“+”号，超前是“-”号。

假如我们设第一个通道对应t_3L时刻的交流量为A_(t3L)，同步交流量为A₁，第二个通道对应t_3L′时刻的交流量为A_(t3L′)，同步交流量为A₂，它们的系统额定角频率为w_n：

当N(t(i))超前于N(t(x))时，则 $A_1=A_{\left(t3L\right)}\·e^{j{w}_n{T}_f};$ 反之 $A_1=A_{\left(t3L\right)}\·e^{j-w_n{T}_f};$

当N(t(i′))超前于N(t(x))时，则 $A_2=A_{\left(t3L^{\′}\right)}\·e^{j{w}_n{T}_{f^{\′}}};$ 反之 $A_2=A_{\left(t3L^{\′}\right)}\·e^{j{-w}_n{T}_{f^{\′}}}.$

将装置的光纤双通道全部回环连接测试，用试验台子给装置加入三相电流，加入值和测试值见表2。

表2同步数据记录

电流相别	试验台子输出	本端同步量	X通道同步量	Y通道同步量
					A相	5.00A∠0.00°	5.02A∠0.00°	5.02A∠359.80°	5.02A∠0.00°
B相	5.00A∠240.00°	5.01A∠240.00°	5.00A∠239.90°	5.01A∠239.20°
					C相	5.00A∠121.00°	5.03A∠121.60°	5.04A∠120.70°	5.02A∠121.20°
A相	2.02ha∠0.00°	5.02A∠0.00°	5.01A∠359.50°	5.00A∠359.70°
					B相	5.00A∠240.00°	5.01A∠240.70°	5.01A∠239.90°	5.02A∠239.30°
C相	5.00A∠91.00°	5.03A∠91.10°	5.00A∠91.70°	4.99A∠90.90°
					A相	5.00A∠0.00°	0.99A∠0.00°	0.99A∠359.50°	0.99A∠359.80°
B相	1.00A∠240.00°	0.99A∠240.10°	0.99A∠239.50°	0.99A∠239.00°
					C相	1.00A∠121.00°	1.01A∠120.60°	1.01A∠120.50°	1.00A∠121.30°
A相	1.00A∠0.00°	1.00A∠0.00°	1.00A∠359.60°	0.99A∠359.80°
					B相	1.00A∠240.00°	0.99A∠240.20°	0.99A∠239.40°	0.99A∠239.00°
C相	1.00A∠91.00°	1.00A∠91.20°	1.01A∠91.50°	1.01A∠90.80°

实验结果是令人满意的，三端相量同步情况非常好，角差最大误差不超过3°，辐值最大误差不到2％。

本发明目前已应用到新开发的三端线路光纤差动保护装置中，并经历了近万次的动、静模实验考核，下面给出RTDS动模试验的部分结果：

系统模型为三端线路长度分别为45km、75km、42km的110kV的T型高压输电线路系统。系统模型如附图10所示，其模型线路相关参数见表3：

三台光纤纵差保护装置安排在M侧、N侧、L侧线路端点上。

在差动元件始终投入的情况下，实验项目包括：保护区内外金属性故障、发展性故障、区内外经过渡电阻短路故障、系统稳定破坏、手合带故障线路、系统频率偏移、CT饱和。

实验结果令人满意，差动元件没有出现误动或拒动的情况，且全线速动时间不大于25ms。

表3线路相关参数

参数名称	参数值
		正序阻抗Z1	0.1+j0.5Ω
零序阻抗Z0	0.4+j1.2Ω
		TA变比	630A/5A
TV变比	110kV/0.1kV

总之，申请的基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法具有很高的准确性和快速性，因为它只进行了一次同步，就精确快速的求出三端的同步交流相量，算法计算量小，耗时少，计算精度高，适用性强，能为线路光纤差动保护提供可靠的数据依据，并使其能在线路区内故障时快速准确的动作。

Claims (2)

1、一种基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法，其特征在于：三端线路通过光纤两两通信，通过通信一端装置收到两个对端发出的交流相量和对应的时标及采样标号；首先通过这些数据算出收到时刻两对端对应的本端的采样标号，然后通过它们分布在由采样标号组成的采样圆周上的具体情况，算出对应本端的同步相量，再通过相量校正，算出两对端对应本端同一时刻的同步相量。

2、如权利要求1所述的基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法，其特征在于：

各个装置中每隔一个采样中断向两个光纤端口发送一次数据，一包数据的帧中包含本端这一时刻的交流电压、交流断流、收发时延、本端采样标号、对端采样标号，当装置收到另外两个对端从各自的光纤通道中发送来的数据包，然后在本装置中解析出各对端的数据包，利用这些数据经过基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法，找出同一时刻的三端交流相量；

在各个通道都好的情况下，各个装置将收到的各通道的数据和本端的采样数据按顺序排列在各自的缓冲区中，当装置判断出两个通道在一定的时间内一直有好的数据后，就进入基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量算法；

本端对第一个通道数据发送过程中t₁到t_3L的时间：

$T_{t1-t3L}=\frac{t_4-t_1}{2}+\frac{t_3-t_2}{2}$

第二个通道数据发送过程中t_1′到t_3L′的时间：

$T_{{t1}^{\′}-t3L^{\′}}=\frac{t_{4^{\′}}-t_{1^{\′}}}{2}+\frac{t_{3^{\′}}-t_{2^{\′}}}{2}$

t₁表示本端发送数据到第一个通道的时刻；

t₂表示第一个通道对端接收到本端的时刻；

t₃表示第一个通道对端发送数据给本端的时刻；

t₄表示本端接收到第一个通道发送的数据时刻；

表示t₁到t_3L之间的时间差；

t_1′表示本端发送数据到第二个通道的时刻；

t_2′表示第二个通道对端接收到本端的时刻；

t_3′表示第二个通道对端发送数据给本端的时刻；

t_4′表示本端接收到第二个通道发送的数据时刻；

表示t_1′到t_3L′之间的时间差；

由于三个装置的采样周期是相同的，可以设它们的采样周期为T_s，并规定它们的最大的采样标号为i_max，最小采样标号为0。则由t₁到t_3L最接近的左侧采样点t(i)对应的采样标号为

$N\left(t\left(i\right)\right)=N\left(t_1\right)+\mathrm{fix}(T_{t1-t{3}_L},T_s)$

N(t(i))表示t(i)时刻对应的采样标号；

N(t1)表示t₁时刻对应的采样标号；

fix表示取整数；

而t(i)时刻到t_3L时刻之间的时间差为

T_f＝mod(T_t1-t3L，T_s)

T_f表示t(i)到t_3L之间的时间差；mod表示取余数；

同理可以得出另一个通道的这些数据：

$N\left(t\left(i^{\′}\right)\right)=N\left(t_{1^{\′}}\right)+\mathrm{fix}(T_{t{1}^{\′}-{{t3}_L}^{\′}},T_s)$

T_f′＝mod(T_t1′-t3L′，T_s)

而且可以得出：

0＜N(t(i))＜N(t(i_max))

0＜N(t(i′))＜N(t(i_max))

由于本端的采样标号是在0和i_max之间循环的(各个对端的采样标号也是在0和i_max之间循环)，所以我们可以认为0到i_max(我们暂时规定i_max＝255)的整数是一个圆周，我们称之为采样圆，如附图3所示。N(t(i))和N(t(i′))是分布在这个采样圆周上的点。那么我们只要在这个圆周上找到距离N(t(i))和N(t(i′))最近的点N(t(x))，对应其采样标号的相量就是我们要得到的三端同步相量中的本端的同步相量，然后我们在根据N(t(i))和N(t(i′))与N(t(x))之间的时间差加上或者减去对应的T_f和T_f′，再把两端的相量按得出的时间补偿到本端采样标号N(t(x))的时刻，就可以在每个装置中得到三个保护装置同一时刻采集的交流相量，即基于采样圆的三端线路光纤差动同步相量；

本端同步相量采样点N(t(x))的具体算法如下：

1)如果|N(t(i))-N(t(i′))|＝255，即N(t(i))和N(t(i′))之间的整数这时分布在采样点组成的圆周的最大半圆上，则距离本端同步采样点最近的点N(t(x))＝0；

2)如果|N(t(i))-N(t(i′))|＞127，即N(t(i))和N(t(i′))之间的整数这时分布在采样点组成的圆周的大半圆上，而距离本端同步采样点最近的点却在相反的小半园上，因此N(t(x))的算法如下：

N(t(x))＝max(N(t(i))，N(t(i′)))+(256-|N(t(i))-N(t(i′))|+1)/2；

3)如果|N(t(i))-N(t(i′))|≤127，即N(t(i))和N(t(i′))之间的整数这时分布在采样点组成的圆周的小半圆上，因此距离本端同步采样点最近的点N(t(x))＝(N(t(i))+N(t(i′))+1)/2；

通过以上步骤算出对应的N(t(x))之后，本端的同步相量可以根据采样标号N(t(x))直接得出，两个对端的同步相量是通过将两个通道t_3L、t_3L′时刻传送到本端的对应的交流相量补偿到t(x)时刻即可，其补偿时间为：

$T=|N\left(t\left(x\right)\right)-(N\left(t\left(i\right)\right)|\⊗T_s-T_f$

$T^{\′}=|N\left(t\left(x\right)\right)-(N\left(t\left(i^{\′}\right)\right)|\⊗T_s+T_{f^{\′}}$

T表示超前通道的交流相量向后补偿到N(t(x))同步相量的时间；

T′表示滞后通道的交流相量向前补偿到N(t(x))同步相量的时间；

关于T_f和T_f′前的正负号，由其相量的滞后和超前决定，滞后是“+”号，超前是“-”号；

假如我们设第一个通道对应t_3L时刻的交流量为A_(t3L)，同步交流量为A₁，第二个通道对应t_3L′时刻的交流量为A_(t3L′)，同步交流量为A₂，它们的系统额定角频率为w_n：

当N(t(i))超前于N(t(x))时，则 $A_1=A_{\left(t3L\right)}\·e^{j{w}_n{T}_f};$ 反之 $A_1=A_{\left(t3L\right)}\·e^{j-w_n{T}_f};$

当N(t(i′))超前于N(t(x))时，则 $A_2=A_{\left(t3L^{\′}\right)}\·e^{j{w}_n{T}_{f^{\′}}};$ 反之 $A_2=A_{\left(t3L^{\′}\right)}\·e^{j{-w}_n{T}_{f^{\′}}}.$

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