CN103257291A - 多点同步采样系统、采样方法及汇流线路差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多点同步采样系统，其特征在于，包括就地MU、级联MU、中心MU，单台级联MU连接一台以上的就地MU，级联MU与每台就地MU之间均采用点对点的光纤连接，单台中心MU连接一台以上的级联MU，中心MU与每台级联MU之间均采用点对点的光纤连接。本发明实现了对大范围区域内电气设备的多点同步采样，过程可靠、安全，产品具有很好的可替代性，本发明大大提高了汇流线路保护的灵敏性、选择性和速动性，保护的整定配合也更加简单。

Description

多点同步采样系统、采样方法及汇流线路差动保护方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统多点同步采样系统，具体涉及一种电力系统中基于MU的多点同步采样系统，本发明还涉及一种汇流线路差动保护方法，本发明属于电力系统检测与保护领域。 

背景技术

随着风力发电技术的不断进步，单台风力发电机的容量越来越大，风电场装机容量也越来越大，对电力系统的影响也日趋严重，因此风电场的继电保护也越来越受关注。对于风电场继电保护的研究主要集中在风电场故障后独有的暂态及稳态特性对送出线路保护的影响，国内外许多学者对此展开了深入的研究，并提出了风电场与系统联络线路距离保护的自适应整定等方案。对于风电场内部低压汇流系统的故障及继电保护的研究相对较少。而实际上风电场由于电缆头的设计、施工工艺、设备质量等多方面原因，出现故障的情况比高压送出线路故障的几率更高，一旦处理不好很容易导致周围多个风电场风机同时出现脱网停运的事故。而现有技术中并没有对电力设备进行多点同步采样的装置。 

MU全称Merging Unit，中文名为合并单元，MU是针对数字化输出的电子式互感器而定义的，其连接了电子式互感器二次转换器与变电站二次设备。虽然MU技术为电力设备多点同步采样电气设备的电气量信息提供了可能，但现有技术中并没有基于MU的多点同步采样系统。 

本发明中的汇流线路是指，具有2条以上的支路，每条支路上串联有一发电机和一台升压变电器，每条支路相互并联后与一条干路相连，发电机与升压变电器的低压侧连接，干路与升压变电器的高压侧连接。如图1所示给出了汇流线路的一种结构示意图。 

此外，由于现有技术中缺乏多点同步采样的装置，现有的风电场集电系统保护配置相对简单，同一条汇流线路虽连接多台风力发电机，也仅配置单端量的过流保护、零序电流保护或者距离保护，基于整个汇流线路保护的灵敏性、选择性和速动性都较差，保护的整定配合也非常苦难。 

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于MU的多点同步采样系统及汇流线路差动保护方法。 

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案： 

多点同步采样系统，其特征在于，包括就地MU、级联MU、中心MU，单台级联MU连接一台以上的就地MU，级联MU与每台就地MU之间均采用点对点的光纤连接，单台中心MU连接一台以上的级联MU，中心MU与每台级联MU之间均采用点对点的光纤连接。 

前述的基于MU的多点同步采样系统，其特征在于，所述级联MU与每台就地MU之间采用多模光纤或单模光纤连接。 

前述的基于MU的多点同步采样系统，其特征在于，所述中心MU与每台级联MU之间采用单模光纤连接。 

前述的基于MU的多点同步采样系统，其特征在于，所述光纤为光纤复合低压电缆。 

前述的多点同步采样系统的采样方法，所述采样方法基于IEC61850-9-2，其特征在于，包括： 

步骤一：就地MU采样电气设备的电气量信息A，将电气量信息A上传给级联MU； 

步骤二：级联MU将每个就地MU上传的电气量信息A进行第一类插值同步后得到电气量信息B，级联MU将电气量信息B上传给中心MU； 

步骤三：中心MU将每个级联MU上传的电气量信息B进行第二类插值同步，得到电气量信息C。 

前述的多点同步采样系统的采样方法，其特征在于，所述第一类插值同步包括： 

步骤a1：获取就地MU发送报文的节拍； 

步骤b1：获取IEC61850-9-2报文中携带的就地MU的合并单元延时参数； 

步骤c1：根据步骤a1、步骤b1，对电气量信息A进行插值，得到电气量信息B。 

前述的多点同步采样系统的采样方法，其特征在于，所述第二类插值同步包括： 

步骤a2：获取级联MU发送报文的节拍； 

步骤b2：获取IEC61850-9-2报文中携带的级联MU的合并单元延时参数； 

步骤c2：根据步骤a2、步骤b2，对电气量信息B进行插值，得到电气量信息C。 

前述的多点同步采样系统的采样方法，其特征在于，所述步骤a2为获取级联MU发送报文的节拍，并获取每个级联MU到中心MU的传输延时。 

前述多点同步采样系统采样方法的汇流线路差动保护方法，其特征在于，包括： 

步骤一：在每条支路上均安装一台就地MU，就地MU采样的电气量信息A为升压变电器低压侧的三相电流； 

步骤二：将就地MU与级联MU相连； 

步骤三：中心MU安装在干路上，中心MU采样电气量信息D，电气量信息D为干路上的三相电流； 

步骤四：利用电气量信息C、电气量信息D获得三相的差动电流和制动电流，利用差动电流和制动电流获得差动判据，根据差动判据对汇流线路进行差动保护。 

本发明的有益之处在于：本发明实现了对电气设备的多点同步采样，过程可靠、安全，产品具有很好的可替代性，本发明大大提高了汇流线路保护的灵敏性、选择性和速动性，保护的整定配合也更加简单。 

附图说明

图1是本发明汇流线路的一种结构示意图； 

图2是本发明多点同步采样系统的一种结构示意图； 

图3是本发明多点同步采样系统的采样方法的流程框图； 

图4是本发明汇流线路差动保护方法的流程框图。 

图中附图标记的含义： 

1、发电机，2、就地MU，3、级联MU，4、中心MU，5、升压变电器，6、支路，7、干路，8、电子式互感器。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。 

参照图2所示，本发明的多点同步采样系统，包括就地MU2、级联MU3、中心MU4，单台级联MU3连接一台以上的就地MU2，级联MU3与每台就地MU2之间均采用点对点的光纤连接，单台中心MU4连接一台以上的级联MU3，中心MU4与每台级联MU3之间均采用点对点的光纤连接。 

本发明并限制各类MU检测电气量信息所对应的电气设备的类型，作为优选，电气设备为发电机1，进一步，电气设备优选为风力发电机。此时，本发明的多点同步采样系统可以适用于风力发电场。本发明中就地MU2与电子式互感器8连接，电子式互感器8安装在电气设备上，由此获得电气设备的电气量信息。 

本发明在实际使用时，对于需要采集电气量信息的各个点可以以就近原则分区，每个区有多个就地的MU及一个级联MU3，就地MU2的数据均采用IEC61850-9-2规约通过点对点光纤送到级联MU3，由级联MU3收集并同步后再由点对点光纤上送远处的中心MU4，仍然采用IEC61850-9-2规约。对于一个特定范围的电网络可以划分多个区域，配置多台级联MU3，各个级联MU3上送的数据由中心MU4进行插值同步处理。 

根据光纤收发器厂家提供产品参数，目前光纤以太网通讯能力基本情况如下：百兆单模光纤通讯模块传输距离最大可达40公里，百兆多模光纤通讯模块传输距离最大3公里。 

本发明通讯方案的选择可分为就地MU2到级联MU3之间，以及级联MU3到中心MU4 之间区分对待。就地MU2与级联MU3之间距离一般比较近，级联MU3与每台就地MU2之间采用光多模光纤，以节约成本；当然级联MU3与每台就地MU2之间也可以采用单模光纤连接以获得较好的传输性能；而级联MU3到中心MU4之间距离往往比较远，因此中心MU4与每台级联MU3之间采用单模光纤连接。 

此外，本发明的光纤可以采用光纤复合低压电缆。光纤复合低压电缆是一种将光单元复合在低压电力电缆的内部，具有电力传输和光通信传输能力的电缆，采用光纤复合低压电缆可以节省成本。 

本发明还提出了一种基于多点同步采样系统的采样方法，这种采样方法基于IEC61850-9-2，实际运作时，首先就地MU2采样电气设备的电气量信息A，将电气量信息A上传给级联MU3；级联MU3将每个就地MU2上传的电气量信息A进行第一类插值同步后得到电气量信息B，级联MU3将电气量信息B传送给中心MU4；中心MU4将每个级联MU3上传的电气量信息B进行第二类插值同步，得到电气量信息C。 

在这里，电气量信息B和电气量信息A的区别在于：电气量信息A在进行第一类插值同步后，电气量信息A的数据已经被插值同步到基准时刻，这些已经被插值同步到基准时刻的信息就成为了电气量信息B，此时级联MU3就将电气量信息B上传至中心MU4。级联MU3的主要功能完成对其相邻区域内多台就地MU2的数据收集及同步。 

同样，电气量信息B在进行第二类插值同步后，电气量信息B的数据已经被插值同步到基准时刻，这些已经被插值同步到基准时刻的信息就成为了电气量信息C。中心MU4主要功能在于完成对所有级联MU3数据的同步。 

本发明中第一类插值同步、第二类插值同步分别由级联MU3、中心MU4完成，第一类插值同步、第二类插值同步的都基于IEC61850-9-2的标准。 

本发明不限制第一类插值同步、第二类插值同步的具体完成步骤，但是作为一种优选，第一类插值同步可以照着下述步骤进行：首先，级联MU3获取就地MU2发送报文的节拍；其次，级联MU3获取IEC61850-9-2报文中携带的就地MU2的合并单元延时参数；最后，根据步骤a1、步骤b1，对电气量信息A进行插值，得到电气量信息B。在这里，由于不同地方的就地MU2发送报文的节拍通常不同，即不同地方的就地MU2发送的报文之间的时间间隔通常不同，级联MU3对电气量信息A进行插值其实就是将每个就地MU2的发送报文的节拍调节一致，一般通过即通过插值，对就地MU2发送的报文之间的时间间隔进行缩小或放大，使得就地MU2报文之间的时间间隔调整为一致，从而电气量信息A被同步为具有一个相同的基准时刻，从而构成电气量信息B。而上述的就地MU2报文之间的时间间隔可以通过就地MU2发送报文的节拍、IEC61850-9-2报文中携带的就地MU2的合并单元延时参数得到。 

类似的，第二类插值同步可以照着下述步骤进行：获取级联MU3发送报文的节拍；获取IEC61850-9-2报文中携带的级联MU3的合并单元延时参数；根据步骤a2、步骤b2，对电气量信息B进行插值，得到电气量信息C。这里由于不同地方的级联MU3发送报文的节拍通常也不同，即不同地方的级联MU3发送的报文之间的时间间隔通常不同，中心MU4对电气量信息B进行插值其实就是将每个级联MU3的发送报文的节拍调节一致，一般通过即通过插值，对级联MU3发送的报文之间的时间间隔进行缩小或放大，使得级联MU3报文之间的时间间隔调整为一致，从而电气量信息B被同步为具有一个相同的基准时刻，从而构成电气量信息C。而上述的级联MU3报文之间的时间间隔可以通过级联MU3发送报文的节拍、IEC61850-9-2报文中携带的级联MU3的合并单元延时参数得到。 

需要注意的是，考虑到级联MU3到中心MU4的距离较远，若对精度要求很高也可考虑在中心MU4的第二类插值同步中补偿传输延时。此时，第二类插值同步可以照着下述步骤进行：获取级联MU3发送报文的节拍，并获取每个级联MU3到中心MU4的传输延时；获取IEC61850-9-2报文中携带的级联MU3的合并单元延时参数；根据步骤a2、步骤b2，对电气量信息B进行插值，得到电气量信息C。 

本发明的多点同步采样系统采样方法一个优点在于不依赖于卫星同步、可靠性高。 

此外，如图1所示，结合多点同步采样系统采样方法，本发明提出了一种汇流线路差动保护方法，包括如下步骤：步骤一：在每条支路6上均安装一台就地MU2，就地MU2采样的电气量信息A为升压变电器5低压侧的三相电流；步骤二：将就地MU与级联MU相连；步骤三：中心MU4安装在干路7上，中心MU4采样电气量信息D，电气量信息D为干路7上的三相电流；步骤四：利用电气量信息C、电气量信息D获得三相的差动电流和制动电流，利用差动电流和制动电流获得差动判据，根据差动判据对汇流线路进行差动保护。 

在这里，如果是在风电场，发电机1就是风力发电机，以下就以风力发电机为例作出说明。 

如图1所示，就地MU2可以安装在风力发电机和升压变电器5低压侧之间，就地MU2采样的电气量信息A为升压变电器5低压侧的三相电流，在多台风力发电机并联的合适的位置安装级联MU3。中心MU4安装在干路7上，检测干路7上的三相电流，中心MU4将就地MU与级联MU3发送上来的所有发电机1电流数据、以及自身检测的电气量信息D同步后上送线路保护装置。此时，线路保护装置就可以获得已经同步的数据，由此对线路展开整体的分析、保护。以下数据均是已经同步的数据。 

假设有N台风力发电机并联，N台台风力发电机的升压变电器5的低压侧三相电流，分 别为

和

和

N为2以上的整数，

和和 

中A、B、C分别代表三相电路的A相、B相和C相。而干路7上的三相电流测量值分别为和

此时有： 

$\left\{\begin{array}{c}({\stackrel{\·}{I}}_{A2}^1-{\stackrel{\·}{I}}_{B2}^1)+({\stackrel{\·}{I}}_{A2}^2-{\stackrel{\·}{I}}_{B2}^2)+\·\·\·\·\·\·+({\stackrel{\·}{I}}_{A2}^N-{\stackrel{\·}{I}}_{B2}^N)+k_{\mathrm{CTL}}\·{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{La}}\·\sqrt{3}/(K\·k_{\mathrm{CT}1})=0\\ ({\stackrel{\·}{I}}_{B2}^1-{\stackrel{\·}{I}}_{C2}^1)+({\stackrel{\·}{I}}_{B2}^2-{\stackrel{\·}{I}}_{C2}^2)+\·\·\·\·\·\·+({\stackrel{\·}{I}}_{B2}^N-{\stackrel{\·}{I}}_{C2}^N)+k_{\mathrm{CTL}}\·{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Lb}}\·\sqrt{3}/(K\·k_{\mathrm{CT}1})=0\\ ({\stackrel{\·}{I}}_{C2}^1-{\stackrel{\·}{I}}_{A2}^1)+({\stackrel{\·}{I}}_{C2}^2-{\stackrel{\·}{I}}_{A2}^2)+\·\·\·\·\·\·+({\stackrel{\·}{I}}_{C2}^N-{\stackrel{\·}{I}}_{A2}^N)+k_{\mathrm{CTL}}\·{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Lc}}\·\sqrt{3}/(K\·k_{\mathrm{CT}1})=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中k_CTL为升压变电站汇流线路出现的CT变比，CT极性端指向线路；k_CT1为升压变压器低压侧CT变比，CT极性端均为指向变压器；K为发电机1升压变压器变比，即为一次侧与二次侧的额定电压比，K=U₁/U₂； 

以A相为例，令A相差动电流和制动电流分别为I_CDA和I_ZDA，由式（1）可得差动电流为 

$I_{\mathrm{CDA}}=|({\stackrel{\·}{I}}_{A2}^1-{\stackrel{\·}{I}}_{B2}^1)+({\stackrel{\·}{I}}_{A2}^2-{\stackrel{\·}{I}}_{B2}^2)+\·\·\·\·\·\·+({\stackrel{\·}{I}}_{A2}^N-{\stackrel{\·}{I}}_{B2}^N)+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{La}}\·\sqrt{3}\·k_{\mathrm{CTL}}/(K\·k_{\mathrm{CT}1})|---\left(2\right)$

令制动电流为 

$I_{\mathrm{ZDA}}=\left|({\stackrel{\·}{I}}_{A2}^1-{\stackrel{\·}{I}}_{B2}^1)\right|+\left|({\stackrel{\·}{I}}_{A2}^2-{\stackrel{\·}{I}}_{B2}^2)\right|+\·\·\·\·\·\·+\left|({\stackrel{\·}{I}}_{A2}^N-{\stackrel{\·}{I}}_{B2}^N)\right|+\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{La}}\right|\·\sqrt{3}\·k_{\mathrm{CTL}}/(K\·k_{\mathrm{CT}1})---\left(3\right)$

可构造A相的如下的差动判据 

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{CDA}}>I_{\mathrm{DZ}}\\ I_{\mathrm{CDA}}>k\·I_{\mathrm{ZDA}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中I_DZ为差动电流门槛，可整为0.2倍额定电流附近；k为制动系数。 

同样，B相和C相也可以仿照A相获得相应的差动判据。 

本发明实现了大范围内多点同步采样技术，方案不依赖外部同步时钟，更可靠，更安全；采用IEC61850-9-2规约，产品通用性、可替代性更强。此外，实现了汇流线路的差动保护，提高了汇流线路保护的灵敏性、选择性和速动性，保护的整定配合也更加简单；本发明还为风电场等发电场集中保护及控制的研究奠定了基础，可在此基础上进一步展开类似集中无功控制、小电流接地选线等研究。 

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。 

Claims (9)

1. 多点同步采样系统，其特征在于，包括就地MU、级联MU、中心MU，单台级联MU连接一台以上的就地MU，级联MU与每台就地MU之间均采用点对点的光纤连接，单台中心MU连接一台以上的级联MU，中心MU与每台级联MU之间均采用点对点的光纤连接。

2. 根据权利要求1所述的基于MU的多点同步采样系统，其特征在于，所述级联MU与每台就地MU之间采用多模光纤或单模光纤连接。

3. 根据权利要求1所述的基于MU的多点同步采样系统，其特征在于，所述中心MU与每台级联MU之间采用单模光纤连接。

4. 根据权利要求1所述的基于MU的多点同步采样系统，其特征在于，所述光纤为光纤复合低压电缆。

5. 权利要求1所述的多点同步采样系统的采样方法，所述采样方法基于IEC 61850-9-2，其特征在于，包括：

步骤一：就地MU采样电气设备的电气量信息A，将电气量信息A上传给级联MU；

步骤二：级联MU将每个就地MU上传的电气量信息A进行第一类插值同步后得到电气量信息B，级联MU将电气量信息B上传给中心MU；

步骤三：中心MU将每个级联MU上传的电气量信息B进行第二类插值同步，得到电气量信息C。

6. 权利要求5所述的多点同步采样系统的采样方法，其特征在于，所述第一类插值同步包括：

步骤a1：获取就地MU发送报文的节拍；

步骤b1：获取IEC 61850-9-2报文中携带的就地MU的合并单元延时参数；

步骤c1：根据步骤a1、步骤b1，对电气量信息A进行插值，得到电气量信息B。

7. 权利要求5所述的多点同步采样系统的采样方法，其特征在于，所述第二类插值同步包括：

步骤a2：获取级联MU发送报文的节拍；

步骤b2：获取IEC 61850-9-2报文中携带的级联MU的合并单元延时参数；

步骤c2：根据步骤a2、步骤b2，对电气量信息B进行插值，得到电气量信息C。

8. 权利要求7所述的多点同步采样系统的采样方法，其特征在于，所述步骤a2为获取级联MU发送报文的节拍，并获取每个级联MU到中心MU的传输延时。

9. 基于权利要求5所述多点同步采样系统采样方法的汇流线路差动保护方法，其特征在于，包括：

步骤一：在每条支路上均安装一台就地MU，就地MU采样的电气量信息A为升压变电器低压侧的三相电流；

步骤二：将就地MU与级联MU相连；

步骤三：中心MU安装在干路上，中心MU采样电气量信息D，电气量信息D为干路上的三相电流；

步骤四：利用电气量信息C、电气量信息D获得三相的差动电流和制动电流，利用差动电流和制动电流获得差动判据，根据差动判据对汇流线路进行差动保护。

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