CN101534003B - 数字化光纤差动保护装置的数据同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化光纤差动保护装置的数据同步方法，包括以下步骤：(1)各侧保护装置与合并单元经各自侧1pps作时钟同步；(2)各侧MU以符合IEC61850-9标准的接口接入到各自侧保护装置；(3)各侧保护装置实时计算出每帧采样数据的ET二次传变延时；(4)各侧保护装置计算出通道延时Td；(5)计算与对侧采样点同步的本侧采样点时刻t4Md；(6)各侧装置从存储的本侧MU采样数据中找到t4Md时刻前后收到的两帧数据，通过插值计算得出一组采样值，该组采样值与对侧采样标号为N1的采样数据是同步的。本发明的方法可实现MU按IEC61850-9标准接口接入情况下两侧保护装置的数据同步。

Description

数字化光纤差动保护装置的数据同步方法

技术领域

本发明涉及一种数字化光纤差动保护装置的数据同步方法，属于电力系统继电保护领域。

背景技术

随着数字化变电站技术在电力系统逐步试点与推广，基于电子式互感器(ET)接入的各种数字化保护装置逐步被开发出来，在这些保护装置中，线路光纤差动保护装置是较为复杂的一种，因为它除了要面对数字化保护装置开发的共性问题外，还要解决两侧保护装置采样数据同步的问题。与传统光纤差动保护装置相比，数字化光纤差动保护存在以下困难：

(1)按照IEC60044-7/8标准制造的电子式互感器及其合并单元(MU)，不具备接收从保护装置到MU方向的控制命令(如采样时刻调整)的接口，以致目前广泛使用的通过调整采样时刻实现两侧数据同步的方法在ET接入的光纤差动保护装置中不能适用。

(2)线路一次电流与电压经ET变换，再经MU传送到保护装置的过程存在比较明显的延时，一般在几百微秒以上，甚至超过1毫秒。

(3)先期投运的数字化变电站中的线路对侧互感器仍然是传统互感器，光纤差动保护装置要能适应这种一侧是ET接入另一侧是传统互感器接入的情况。

(4)采用IEC61850-9接口协议输出的电子式互感器，经过程层网络传送采样数据时，受网络工况的影响，二次传输延时可能会不稳定，且变动幅度较大。最大的变动幅度可能将近4毫秒。

由于以上几个方面的困难，在传统光纤差动保护中应用良好的数据同步方法将不能或不能直接应用于ET接入的光纤差动保护装置中。

使用全球定位系统GPS(Global Position System)为整个差动保护系统提供一个统一的高稳定的基准时钟，来实现采样数据的同步是一个简单直接的方法。无论IEC61850还是IEC60044-8都明确的提到了该方法。在工程中，GPS也早已是厂站自动化系统的标准配置，设备基础是容易满足的。采用GPS秒脉冲来同步两侧ET采样时刻的方法固然简单方便，但方法本身依赖于GPS，一向被继电保护专业认为降低了保护装置可靠性。另外，使用他国控制GPS系统，可能会受国际政治、军事关系的影响。

继电保护专业注重可靠性，保护装置的设计总是希望用尽可能少的设备、器件、外部条件来完成所需的功能。减少对外部设备的依赖从体系结构上减少了可能的故障点，对保证保护的可靠性有全局性的意义。

解决数字化线路光纤差动保护装置数据同步问题的外部技术条件与基础包括：

(1)分别安装于两变电站中的保护装置之间的纵联光纤通信通道，未因数字化变电站技术的推广和应用而有太多变化，电力运行部门自建或租用的光纤通道，提供给线路差动保护用的通道及其路由双向延时是相等的，这跟传统光纤差动保护的数据同步方法的前提相同，在工程中也是完全能保证的。

(2)在数字化变电站的站内，所有间隔层设备如保护装置与过程层设备如MU装置的采样脉冲信号每秒钟接受全站同一基准时钟的秒脉冲信号1pps(1Pulse Per Second)同步一次(相位锁定)。全站基准时钟(主钟)通过GPS接收机接收天空中GPS卫星的授时信号，该信号该脉冲信号的上升沿与国际标准时间UTC(Universal Time Coordinated世界调整时间)的同步误差不超过1us。站内主钟自身具有高精度守时时钟，若与GPS时钟同步后再失步，在其后较长时间内仍然可以保持与UTC同步。

(3)ET的传感头部分或远端模块的ADC采样起动由MU发来的采样信号起动，MU的采样信号由1pps经倍频后变成ET的采样频率，发送到ET的ADC转换部分，启动AD采样。这样，ET的采样时刻通过公共的1pps与保护装置之间保持了一种固定的关系。

(4)线路各相ET经同步采样得到的数据先经MU合并打包成帧，然后送给保护装置。IEC61850-9以及IEC60044-8规定的MU输出通信报文中，包含有一个16位的样本计数，此16位计数用以检查连续更新的帧数，在每出现一个新帧时加1，并且该计数随每一个同步脉冲1pps出现时置零。因此可以说，样本计数值实际上具有相对时间的意义。

(5)MU输出的标准帧格式中，包含有ET的额定延时时间，可以是2Ts、3Ts(Ts为采样周期)，对采用同步脉冲的MU，也可以为3ms(+10％-100％)。该延时时间给出了一次电流变送到MU的过程延时。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可直接应用于数字化光纤差动保护装置的两端数据同步方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于ET二次变送延时实测值和改进插值法的数字化光纤差动保护装置的数据同步方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)本侧保护装置处理器内设一只内部计时器(时钟)t3，本侧MU处理器内设一只内部计时器t4，本侧变电站内公用时钟源的1pps/M信号经光纤口同时接入到保护装置与MU；

(2)本侧保护装置处理器以外部中断方式接收1pps/M信号，如果1pps/M信号出现，处理器在1pps/M脉冲的前沿将t3置0，随后t3自动计时，直到下一次1pps/M出现时重新置0，如此周而复始，本侧MU同样以外部中断方式接收1pps信号，如果1pps/M信号出现，处理器在1pps/M脉冲的前沿将t4置0，随后t4自动计时，直到下一次1pps/M出现时重新置0，如此周而复始；

(3)本侧MU收到1pps/M后，以其为基准倍频成采样周期为Ts的采样信号向电子式互感器(ET)的ADC发出，第1个采样信号与1pps/M脉冲的前沿在同一时刻发出(误差可忽略)，MU在发出采样信号的同时接收ET的ADC送来的采样数据，但该数据并非对应本次采样信号的数据，而是Tp1时间前的采样数据，Tp1为本侧ET额定延时，MU给每次收到的数据标上样本记数，该样本计数在1pps/M信号前沿的时刻为零，以后每次采样时加1，至下次1pps/M出现时再次置0，如此周而复始；

(4)本侧MU在每个采样间隔将电压电流采样数据及其样本计数以及Tp1按标准帧格式发送给本侧保护装置；上述(包含(1)-(3))MU的工作方式与内容是标准中规定要实现的功能。

(5)对侧保护装置处理器内设一只内部计时器(时钟)t2；对侧MU处理器内设一只内部计时器t1，对侧变电站内公用时钟源的1pps/N信号经光纤口同时接入到对侧保护装置与MU。对侧保护装置、MU参照本侧装置、MU的方式按步骤(1)-(4)所述作时钟同步和采样数据传送；

(6)对侧保护装置每次收到同侧MU送来的采样数据时，记下自身时钟t2的读数，设收到样本计数为N1的数据时t2的读数为t2n1，保护装置随后根据式(1)计算出同侧ET的二次传变延时Te2，

Te2＝Tp2+t2n1-N1*Ts；                             (1)

(7)本侧保护装置以一定的定时周期中断方式工作，在每个周期的起点发送一帧采样数据报文到对侧保护装置，同时记下发送时t3的读数t3m1，设对侧保护装置于n0点收到数据，并在收到同侧MU送来的样本计数为N1的一帧采样数据后于t2n1点回送一帧报文给本侧保护装置，报文中包含最新收到的同侧MU送来的电压电流采样数据、报文回送延时Tm(Tm＝t2n1-t2n0)以及此前计算出的同侧ET二次变送延时Te2，本侧保护装置收到返回报文时记下t3的读数t3mr，根据等腰梯形法计算出通道延时Td：

Td＝(t3mr-t3m1-Tm)/2                              (2)

(8)本侧保护装置按下式计算与对侧采样标号为N1的采样点同步的本侧采样点时刻t4Md：

t4Md＝t3mr-Td-Te2+Tp1；                           (3)

然后按下四式计算M1、M2、Ta、Tb：

M1＝Mod(t4Md，Ts)(以Ts为模数对t4md作取整运算)     (4)

M2＝Mod(t4Md，Ts)+1＝M1+1                         (5)

Ta＝t4Md-M1*Ts                                    (6)

Tb＝M2*Ts-t4Md                                    (7)

对每一相电压电流的采样值，按下式作一阶线性插值：

A(md)＝Tb*A(M1)/Ts+Ta*A(M2)/Ts                    (8)

式中A(M1)、A(M2)分别代表本侧保护装置收到的本侧样本标号为M1、M2的两组电压电流各相的采样值，

按上式计算出的一组电压电流采样值与对侧样本标号为N1的采样数据是同一时刻的(同步的)，可对应的用于随后的差动保护计算；

(9)对侧保护装置与本侧保护装置的处理机制相同，按第(6)、(7)、(8)步骤所述方法，同样可以得到同步的采样数据，然后作差动保护计算。

本发明解决了ET按IEC61850-9标准接口接入的线路光纤差动保护装置的两端数据同步问题，达到了以下有益效果：数据同步过程所依据的条件全部在相关技术标准的框架内，没有任何违背或变更。注意到1pps/M与1pps/N之间不要求同步，因此同步算法不依赖于GPS或其他广域的导航定位系统做站间的1pps同步，大大提高了继电保护的可靠性；数据同步过程不调整采样时刻，适应于ET标准规定的MU功能结构条件；对引言中所提的线路一侧为ET，另一侧为传统互感器接入保护装置的情况，保护装置只要将传统互感器的额定延时和二次变送延时都置为0即可解决。

另外，本发明的方法既可以实现MU按IEC61850-9标准接口接入情况下两侧保护装置的数据同步，也可以实现MU按IEC60044-8标准接口接入时的数据同步。

附图说明

附图1为本发明的数据同步过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作进一步说明。

图1中横向从左到右表示绝对时间的先后，t1、t2、t3、t4分别为对侧MU、对侧保护装置、本侧保护装置、本侧MU的内部计时器。在本方法中，要求本侧MU与本侧保护装置之间通过本侧1pps(记为1pps/M)同步，在每个1pps/M脉冲的前沿，t3、t4同时置0；对侧MU与对侧保护装置之间通过对侧1pps(记为1pps/N)同步，在每个1pps/N脉冲的前沿，t1、t2同时置0。注意1pps/M与1pps/N之间不要求同步。

由于各侧MU与保护装置之间有了同步的时钟，MU的任一帧数据传送到保护装置的延时就可以测得，因为MU传送到保护装置的数据报文中包含了样本计数值，该样本计数值乘以ET的采样间隔时间Ts就是MU的计时器读数。如对侧MU在N1点发送一个样本计数为N1的数据帧，对侧保护装置收到后可知该帧发出时t1的读数t1N1＝N1*Ts。设保护装置收到该帧数据时t2的读数为t2n1，则可知该帧数据的延时为t2n1-t1N1＝t2n1-N1*Ts。该延时与数据报文中包含的ET额定延时Tp2之和即为对侧ET的二次传变延时Te2，

Te2＝Tp2+t2n1-N1*Ts

本侧ET二次传变延时Te1也可通过同样的方法实时测得。

设本侧保护装置在m1点收到本侧MU送来的数据，并将其发送到对侧保护装置，对侧保护装置于n0点收到并经Tm延时后于n1点回送一帧报文给本侧保护装置，该帧报文中包含了最新收到的同侧MU送来的采样数据、回送延时Tm以及同侧ET二次变送延时Te2。本侧保护装置于mr点收到返回报文，于是可根据等腰梯形法计算出通道延时Td，

Td＝(t3mr-t3m1-Tm)/2，

也可推知送来的数据是对侧一次于N点产生的数据，该点对应到本侧保护装置的时刻用t3的读数表示为t3m0，即图中的m0点，由于t3与t4已同步，保护装置可推知本侧MU的时钟t4在对应的M0点时刻读数为t4M0，

t4M0＝t3m0＝t3mr-td-Te2。

由于数据同步的目标要保证参加差动运算的电量在一次侧是同一时刻的，对应N点的数据，本侧一次应为M点。由于本侧ET的采样数据送给MU也有延时，记为Tp1，由图可知，本侧MU于t4计数器读数为(t4M0+Tp1)的Md点收到的数据与对侧N点时刻才是同步的。

由于在Md点时刻基本不会恰巧真有一帧采样数据，我们可以根据该点距其前后两个真实采样点之间的时差Ta、Tb及这两点的采样值，通过插值运算来计算出一个“虚拟”的采样值。由于t3、t4是同步的，Ta、Tb的计算以及Md前后两点M1、M2的样本标号的计算可以在(也只应该在)保护装置中进行。保护装置待收到M1、M2两帧采样数据报文后，即可通过插值法计算出所需的同步采样点值。若采用拉格朗日插值法作一阶线性插值，则该点采样值A(Md)计算为：

A(md)＝Tb*A(M1)/Ts+Ta*A(M2)/Ts

式中A(M1)、A(M2)分别代表本侧保护装置收到的本侧样本标号为M1、M2的两组电压电流各相的采样值。按上式计算出的一组电压电流采样值与对侧样本标号为N1的采样数据是同一时刻的(同步的)，可对应的用于随后的差动保护计算。

至此，一个完整的数据同步过程完成。

关于插值计算的误差评估可参考有关文献，此处不复述。

下面给出本发明的一个具体实施方式：

(1)本侧保护装置处理器内设一只内部计时器(时钟)t3，本侧MU处理器内设一只内部计时器t4，本侧变电站内公用时钟源的1pps/M信号经光纤口同时接入到保护装置与MU；

(2)本侧保护装置处理器以外部中断方式接收1pps/M信号，如果1pps/M信号出现，处理器在1pps/M脉冲的前沿将t3置0，随后t3自动计时，直到下一次1pps/M出现时重新置0，如此周而复始，本侧MU同样以外部中断方式接收1pps信号，如果1pps/M信号出现，处理器在1pps/M脉冲的前沿将t4置0，随后t4自动计时，直到下一次1pps/M出现时重新置0，如此周而复始；

(3)本侧MU收到1pps/M后，以其为基准倍频成采样周期Ts为0.417ms的采样信号向电子式互感器(ET)的ADC发出，第1个采样信号与1pps/M脉冲的前沿在同一时刻发出(误差可忽略)，MU在发出采样信号的同时接收ET的ADC送来的采样数据，但在同一个采样间隔内收到的数据并非对应本次采样信号的数据，而是Tp1时间前的采样数据，Tp1为本侧ET额定延时。MU给每次收到的数据标上样本记数，该样本计数在1pps/M信号前沿的时刻为零，以后每次采样时加1，至下次1pps/M出现时再次置0，如此周而复始；

(4)本侧MU在每个采样间隔将电压电流采样数据及其样本计数以及Tp1按标准帧格式发送给本侧保护装置；上述(包含(1)-(3))MU的工作方式与内容是标准中规定要实现的功能。

(5)对侧保护装置处理器内设一只内部计时器(时钟)t2；对侧MU处理器内设一只内部计时器t1，对侧变电站内公用时钟源的1pps/N信号经光纤口同时接入到对侧保护装置与MU。对侧保护装置、MU参照本侧装置、MU的方式按步骤(1)-(4)所述作时钟同步和采样数据传送；

(6)对侧保护装置每次收到同侧MU送来的采样数据时，记下自身时钟t2的读数。设收到样本计数为N1的数据时t2的读数为t2n1，保护装置随后根据式(1)计算出同侧ET的二次传变延时Te2。

(7)本侧保护装置以0.417ms的定时周期中断方式工作，在每个周期的起点发送一帧采样数据报文到对侧保护装置，同时记下发送时t3的读数t3m1。设对侧保护装置于n0点收到数据，并在收到同侧MU送来的样本计数为N1的一帧采样数据后于t2n1点回送一帧报文给本侧保护装置，报文中包含最新收到的同侧MU送来的电压电流采样数据、报文回送延时Tm(Tm＝t2n1-t2n0)以及此前计算出的同侧ET二次变送延时Te2，本侧保护装置收到返回报文时记下t3的读数t3mr，根据(2)式计算出通道延时Td。

(8)本侧保护装置按(3)式计算与对侧采样标号为N1的采样点同步的本侧采样点时刻t4Md，按(4)-(7)式计算M1、M2、Ta、Tb：

对每一相电压电流的采样值，按(8)式作一阶线性插值得到一组电压电流采样值，该组采样值与对侧样本标号为N1的采样数据是同一时刻的(同步的)，可对应的用于随后的差动保护计算。

(9)对侧保护装置与本侧保护装置的处理机制相同，按第(6)(7)(8)项所述方法，同样可以得到同步的采样数据，然后作差动保护计算。

Claims (1)

1.一种数字化光纤差动保护装置的数据同步方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)本侧保护装置处理器内设一只内部计时器t3，本侧合并单元MU处理器内设一只内部计时器t4，本侧变电站内公用时钟源的本侧1pps信号经光纤口同时接入到保护装置与合并单元MU；

(2)本侧保护装置处理器以外部中断方式接收本侧1pps信号，如果本侧1pps信号出现，处理器在本侧1pps脉冲的前沿将t3置0，随后t3自动计时，直到下一次本侧1pps出现时重新置0，如此周而复始，本侧MU同样以外部中断方式接收1pps信号，如果本侧1pps信号出现，处理器在本侧1pps脉冲的前沿将t4置0，随后t4自动计时，直到下一次本侧1pps出现时重新置0，如此周而复始；

(3)本侧合并单元MU收到本侧1pps后，以其为基准倍频成采样周期Ts为0.417ms的采样信号向电子式互感器的ADC发出，第1个采样信号与本侧1pps脉冲的前沿在同一时刻发出，合并单元MU在发出采样信号的同时接收电子式互感器ET的ADC送来的采样数据，但该数据并非对应本次采样信号的数据，而是Tp1时间前的采样数据，Tp1为本侧电子式互感器ET额定延时，Tp2为对侧电子式互感器ET额定延时，合并单元MU给每次收到的数据标上样本记数，该样本计数在本侧1pps信号前沿的时刻为零，以后每次采样时加1，至下次本侧1pps出现时再次置0，如此周而复始；

(4)本侧MU在每个采样间隔将电压电流采样数据及其样本计数以及本侧电子式互感器ET额定延时Tp1按标准帧格式发送给本侧保护装置；

(5)对侧保护装置处理器内设一只内部计时器t2；对侧合并单元MU处理器内设一只内部计时器t1，对侧变电站内公用时钟源的对侧1pps信号经光纤口同时接入到对侧保护装置与合并单元MU，对侧保护装置、合并单元MU参照本侧装置、合并单元MU的方式按步骤(1)-(4)所述作时钟同步和采样数据传送；

(6)对侧保护装置每次收到同侧合并单元MU送来的采样数据时，记下自身时钟t2的读数，设收到样本计数为N1的数据时t2的读数为t2n1，保护装置随 后根据式(1)计算出同侧电子式互感器ET的二次变送延时Te2，

Te2＝Tp2+t2n1-N1*Ts；                            (1)

(7)本侧保护装置以一定的定时周期中断方式工作，在每个周期的起点发送一帧采样数据报文到对侧保护装置，同时记下发送时t3的读数t3m1，设对侧保护装置于n0点收到数据，并在收到同侧MU送来的样本计数为N1的一帧采样数据后于t2n1点回送一帧报文给本侧保护装置，报文中包含最新收到的同侧MU送来的电压电流采样数据、报文回送延时Tm以及此前计算出的同侧电子式互感器ET二次变送延时Te2，本侧保护装置收到返回报文时记下t3的读数t3mr，根据等腰梯形法计算出通道延时Td：

Td＝(t3mr-t3m1-Tm)/2                             (2)

(8)本侧保护装置按下式计算与对侧采样标号为N1的采样点同步的本侧采样点时刻t4Md：

t4Md＝t3mr-Td-Te2+Tp1；                          (3)

然后按下四式计算M1、M2、Ta、Tb：

M1＝Mod(t4Md，Ts)(以Ts为模数对t4md作取整运算)    (4)

M2＝Mod(t4Md，Ts)+1＝M1+1                        (5)

Ta＝t4Md-M1*Ts                                   (6)

Tb＝M2*Ts-t4Md                                   (7)

对每一相电压电流的采样值，按下式作一阶线性插值：

A(md)＝Tb*A(M1)/Ts+Ta*A(M2)/Ts                   (8)

式中A(M1)、A(M2)分别代表本侧保护装置收到的本侧样本标号为M1、M2的两组电压电流各相的采样值；

按上式计算出的一组电压电流采样值与对侧样本标号为N1的采样数据是同一时刻的；

(9)对侧保护装置与本侧保护装置的处理机制相同，按(6)、(7)、(8)步骤所述方法，同样得到同步的采样数据，然后作差动保护计算。