CN103986129B - 基于电压锁相网络化采样的母线保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压锁相网络化采样的母线保护系统及方法，所述系统包括PT合并单元、若干间隔合并单元、交换机和母线保护装置；所述母线保护装置包括FPGA、报文处理器和保护处理器；所述方法包括以下步骤：实时记录每帧采样值报文到达时刻、采样值报文解析、各个合并单元采样值发送频率跟踪、网络传输额外延时误差测量、采样值插值同步和母线继电保护；本发明基于电压锁相网络化采样进行母线保护，采样值的输出都是由交换机输出，采样值报文输出统一，有利于电力系统故障分析，间隔合并单元的数量根据被保护母线的需求设置，数量设置灵活，工程实施灵活；同步逻辑与母线保护逻辑相对独立，适宜在多域内推广使用。

Description

基于电压锁相网络化采样的母线保护方法

技术领域

本发明属于电力系统智能变电站以及数字化变电站继电保护领域，涉及的是一种智能变电站以及数字化变电站采样值网络化传输的母线保护。

背景技术

母线保护是电力系统中主要保护之一。母线的安全可靠运行直接影响发电厂和变电站供电的可靠性。随着数字化的大量应用，传统的电流、电压模拟量接入的母线保护已经不能满足智能变电站的继电保护技术要求。为了解决工程应用的迫切需求，国内外相继开发了一些适用于采样值数字化传输的母线保护，根据采样值同步方式，大致可以分为基于点对点传输的插值同步、基于时钟源同步脉冲的采样序号同步、基于IEEE1588对时的插值同步三种。

基于点对点传输技术采用插值同步的母线保护，由于其采样值与故障录波或者网络分析仪等记录装置接收到的数据不是由同一发送端口输出，甚至是不同形式(IEC60044)，不利于电力系统故障分析，同时此形式对母线保护接收侧端口数量有要求，工程实施时不够灵活；根据国家电网公司最近发布的Q/GDW 441-2010《智能变电站继电保护技术规范》文件规定，继电保护逻辑应不依赖于同步时钟，因此基于同步时钟的母线保护现阶段不适宜在国家电网公司区域内推广使用；基于IEEE1588对时的母线保护，其要求网络中的交换机支持IEEE1588协议，该技术一方面会增加变电站建设成本，另一方面，会增加网络带宽占用及接收侧装置网络数据接收负担。

例如，CN101854054A公开了一种数字化变电站母线保护系统及其保护方法，该系统包括母线保护主站、母线保护子站、电子式互感器和智能终端，母线保护子站与母线保护主站数据连接，电子式互感器与母线保护主站数据连接，母线保护主站与智能终端通过光纤GOOSE网数据连接；母线保护主站根据接收到的母线保护子站传输的数字量和开入量或电子式互感器输出的数字量和GOOSE网开入量判断母线是否发生区内故障，如果发生区内故障则直接通过常规跳闸接点控制相关开关跳闸，也可通过发出控制信号到所述智能终端，智能终端根据该控制信号控制相关开关跳闸。该发明解决了常规设备接口和数字化设备接口并存的问题，实现了数字化改造过程中的母线保护全程投入。但是，该申请仍旧是保护主站与保护子站之间的传输的数字量和开关量或者电子式互感器输出的数字量，检测范围小，不适于在多区域推广，同时，也没有涉及到母线保护的同步问题。

发明内容

发明目的：网络化采样的母线保护不依赖同步信号而工作，一直是数字化母线保护的研究方向。基于电压锁相的网络化采样的母线保护，不仅能实现不依赖于同步时钟就可以起到对电力系统母线很好的保护作用，而且相对其他同步形式的母线保护，既降低了变电站建设成本，又减少了对保护装置和交换机资源的额外开销。其在智能变电站中的广泛应用，必将产生很大的社会效益和经济效益。

本发明技术方案如下：

基于电压锁相网络化采样的母线保护系统，包括PT合并单元、若干间隔合并单元、交换机和母线保护装置，PT合并单元与间隔合并单元相连接，PT合并单元、间隔合并单元均与交换机相连接，交换机与母线保护装置相连接。

母线保护装置包括FPGA、报文处理器和保护处理器，FPGA、报文处理器和保护处理器依次顺序连接。

FPGA用于承担数据链路层全部工作，进行以太网数据的收发控制；报文处理器用于采样值(SV)报文的解析，获取母线保护所需采样值数据；执行数字式相位锁定器算法，消除采样值(SV)报文传输抖动，完成对来自不同间隔合并单元的采样值数据插值同步；保护处理器用于母线继电器保护算法运算。

报文处理器包括数字式相位锁定器、采样值报文解析器、相位修正模块和同步模块；数字式相位锁定器、采样值报文解析器、相位修正模块和同步模块依次顺序连接。

数字式相位锁定器包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，鉴相器、环路滤波器和压控振荡器依次顺序相连接，压控振荡器的输出端与鉴相器的输入端相连接。

FPGA控制以太网数据的收发控制包括目的地址过滤、网络风暴抑制、有效报文检测；目的地址过滤控制方法具体包括，FPGA根据装置cid文件订阅的接收端的有效地址列表生成hash表，当FPGA接收到的以太网数据目的地址不在有效地址列表中的报文，FPGA丢弃以太网数据；网络风暴抑制控制方法具体包括FPGA根据网络风暴报文的特点，自动过滤网络风暴报文，增强系统的鲁棒；有效报文检测控制方法包括长短帧排除和CRC校验错误报文排除。

基于电压锁相网络化采样的母线保护方法，包括以下步骤：

S01，实时记录每帧输出采样值报文的时标：FPGA采集过程层网络的间隔合并单元的采样值(SV)数据，获取原始采样值报文，根据FPGA时钟节拍记录每帧报文相对整秒起始时刻的到达延时θ₁(t)；

S02，采样值报文解析：FPGA将接收到的以太网采样值报文数据通过双口RAM、并行外设接口(如EPP或者LVDS)进行全双工自动数据交换机制交互给报文处理器，报文处理器根据原始采样值报文的目的MAC地址，判断是否是第一次接收或者中断后再恢复的采样值报文，(其中通过检查报文中目的MAC地址是否已经存在接收列表确定是否第一次接收；通过检查同一目的MAC地址的连续两帧报文间隔时间是否超过3毫秒判断是否中断后再恢复)，如果不是第一次接收或者中断后再恢复的采样值报文，直接丢弃所述采样值报文，如果是第一次接收或者中断后再恢复的采样值报文，则根据原始采样值报文协议类型进行解析，获取报文样本计数值、首个通道相对报文首地址的偏移值，获取报文ASDU数目、ASDU长度及通道数目，依据所述偏移值、ASDU数目、ASDU长度，从报文中依次获得各原始采样值，最后根据目的MAC地址和样本计数值，将原始采样值存入相应数组；

S03，各个合并单元采样值发送频率跟踪：报文处理器根据步骤S01中间隔合并单元的数量，设立相同数量的数字式相位锁定器，所述数字式相位锁定器对输入采样值报文时标θ₁(t)进行节拍锁定并消除抖动，得到输出采样值报文的时标为θ₂(t)，；其中数字式相位锁定器锁相过程包括以下步骤：时标θ₁(t)输入到鉴相器中，在数字式相位锁定器启动初始时，θ₂(t)＝θ₁(t)；当θ₁(t)与θ₂(t)失步时，鉴相器完成θ₁(t)与θ₂(t)的时间差值的计算；所述时间差值作为环路滤波器的输入量V₁(t)，环路滤波器进行低通滤波处理，输出量为V₂(t)；V₂(t)作为压控振荡器的输入量，压控振荡器按V₂(t)幅值的大小来确定跟踪调节步长，并在不超过k秒的时间内完成θ₂(t)的整个跟踪过程，k>0；较优地，k＝1；

S04，网络传输额外延时误差测量：合并单元初次接入或者中断恢复时，根据采样数据的输出采样值报文的时标θ₂(t)，以及采样值固定的传输延时θ_d，计算采样数据的采集时刻，即采样数据的采集时刻θ₃(t)为式(1)：

θ₃(t)＝θ₂(t)-θ_d (1)

报文处理器根据采样值报文，采用傅里叶变换计算出采样时刻各接入的间隔合并单元的电压相位φ_x和频率f，其中x表示各接入间隔合并单元的编号，x取值为1、2……n；同时以最小相位为基准相位φ_min，则

则各接入的间隔合并单元的偏移相位差Δφ_x为式(2)，

Δφ_x＝φ_x-φ_min (2)

则根据偏移相位差Δφ_x与频率f，计算出各间隔合并单元经交换机产生的额外延时θ_ax，

θ_ax＝Δφ_x/f (3)

根据各接入合并单元的电压相位相同的原理修正各接入合并单元的固定延时θ_dax，即

θ_dax＝θ_d+θ_ax (4)

S05，采样值插值同步：利用输出采样值报文的时标θ₂(t)和修正后的各间隔合并单元固定延时θ_dax，计算出合并单元采样值报文实际的采样时刻θ_4-x(t)，

即θ_4-x＝θ₂(t)-θ_dax (5)

报文处理器通过插值算法进行二次重采样，完成采样值同步；较优地，插值算法为拉格朗日线性插值算法。

S06，母线继电保护：报文处理器通过内部数据总线，定时把同步好的各间隔合并单元数据传输给保护算法处理器，保护算法处理器进行母线继电保护突变量启动、比例制动、抗饱和算法运算(见类似基于采样值算法的数字母线保护的研究文献)，实现母线保护逻辑功能、出口控制。

较优地，环路滤波器为IIR型低通滤波器。

较优地，保护处理器与母线装置之间的通信包括GOOSE服务、站控层MMS通讯和MMI辅助通讯。

本发明的技术方案有益效果包括：本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明基于电压锁相网络化采样进行母线保护，由于通过各个间隔合并单元进行采用后发送给交换机，交换机输出给母线保护装置，采样值的输出都是由交换机输出，采样值报文输出统一，有利于电力系统故障分析，间隔合并单元的数量根据被保护母线的需求设置，数量设置灵活，工程实施灵活；同时，本申请通过网络传输额外延时误差测量，进行采样值插值同步：使得同步逻辑与母线保护逻辑相对独立，适宜在多域内推广使用。

进一步地，保护处理器与母线装置之间的通信包括GOOSE服务、站控层MMS通讯和MMI辅助通讯，成本低，适用范围广。

附图说明

图1是本发明基于电压锁相的网络化采样的母线保护系统示意图；

图2为本发明母线保护装置结构示意图；

图3为本发明报文处理器结构示意图；

图4数字式相位锁定器结构示意图；

图5为基于电压锁相的网络化采样的母线保护方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1，基于电压锁相网络化采样的母线保护系统，其特征在于，包括PT合并单元、若干间隔合并单元(间隔合并单元1、间隔合并单元2……间隔合并单元n)、交换机和母线保护装置，所述PT合并单元与间隔合并单元相连接，PT合并单元、间隔合并单元均与交换机相连接，所述交换机与母线保护装置相连接；PT合并单元能够为间隔合并单元分配电压，同时也能够采样值报文。

如图2所示，母线保护装置包括FPGA、报文处理器和保护处理器，所述FPGA、报文处理器和保护处理器依次顺序连接，图2所述的过程层网络表示过程层网络的采样值装置，即图1所示的PT合并单元、间隔合并单元和交换机。

所述FPGA用于承担数据链路层全部工作，进行以太网数据的收发控制；所述报文处理器用于采样值(SV)报文的解析，获取母线保护所需采样值数据；执行数字式相位锁定器算法，消除采样值(SV)报文传输抖动，完成对来自不同间隔合并单元的采样值数据插值同步；所述保护处理器用于母线继电器保护算法运算。FPGA控制以太网数据的收发控制包括目的地址过滤、网络风暴抑制、有效报文检测；所述目的地址过滤控制方法具体包括，FPGA根据装置cid文件订阅的接收端的有效地址列表生成hash表，当FPGA接收到的以太网数据目的地址不在有效地址列表中的报文，FPGA丢弃所述以太网数据；所述网络风暴抑制控制方法具体包括FPGA根据网络风暴报文的特点，自动过滤网络风暴报文，增强系统的鲁棒；所述有效报文检测控制方法包括长短帧排除和CRC校验错误报文排除。

如图3所示，报文处理器包括数字式相位锁定器、采样值报文解析器、相位修正模块和同步模块；所述数字式相位锁定器、采样值报文解析器、相位修正模块和同步模块依次顺序连接。

如图4所示，数字式相位锁定器包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，所述鉴相器、环路滤波器和压控振荡器依次顺序相连接，所述压控振荡器的输出端与鉴相器的输入端相连接。

如图5所示，基于电压锁相网络化采样的母线保护方法，包括以下步骤：

S01，实时记录每帧输出采样值报文的时标：FPGA采集过程层网络的间隔合并单元的采样值(SV)数据，获取原始采样值报文，根据FPGA时钟节拍记录每帧报文相对整秒起始时刻的到达延时θ₁(t)；例如报文输出采样值报文的时标为32.214438793秒，则θ₁(t)＝0.214438793秒；

S02，采样值报文解析：FPGA将接收到的以太网采样值报文数据通过双口RAM、并行外设接口进行全双工自动数据交换机制交互给报文处理器，并行外设接口为高性能增强型的并行外设接口，例如EPP或者LVDS等；报文处理器根据原始采样值报文的目的MAC地址，判断是否是第一次接收或者中断后再恢复的采样值报文，(判断是否是第一次接收或者中断后再恢复的采样值报文通过检查报文中目的MAC地址是否已经存在接收列表来确定是否第一次接收；通过检查同一目的MAC地址的连续两帧报文间隔时间是否超过3毫秒判断是否中断后再恢复)，如果不是第一次接收或者中断后再恢复的采样值报文，直接丢弃所述采样值报文，如果是第一次接收或者中断后再恢复的采样值报文，则根据原始采样值报文协议类型进行解析，获取报文样本计数值、首个通道相对报文首地址的偏移值，获取报文ASDU数目、ASDU长度及通道数目，依据所述偏移值、ASDU数目、ASDU长度，从报文中依次获得各原始采样值，最后根据目的MAC地址和样本计数值，将原始采样值存入相应数组；

S03，各个合并单元采样值发送频率跟踪：报文处理器根据步骤S01中间隔合并单元的数量，设立相同数量的数字式相位锁定器，所述数字式相位锁定器对输入采样值报文时标θ₁(t)进行节拍锁定并消除抖动，得到输出采样值报文的时标为θ₂(t)，所述θ₂(t)为采样数据的到达时刻；

所述数字式相位锁定器锁相过程包括以下步骤：时标θ₁(t)输入到鉴相器中，在数字式相位锁定器启动初始时，θ₂(t)＝θ₁(t)；当θ₁(t)与θ₂(t)失步时，鉴相器完成θ₁(t)与θ₂(t)的时间差值的计算；所述时间差值作为环路滤波器的输入量V₁(t)，环路滤波器进行低通滤波处理，输出量为V₂(t)；V₂(t)作为压控振荡器的输入量，压控振荡器按V₂(t)幅值的大小来确定跟踪调节步长，并在不超过k秒的时间内完成θ₂(t)的整个跟踪过程，其中k＝1；

S04，网络传输额外延时误差测量：合并单元初次接入或者中断恢复时，采样值报文解析器解析采样值报文，根据采样数据的输出采样值报文的时标θ₂(t)，以及采样值固定的传输延时θ_d(θ_d由间隔合并单元厂家在采样值报文中提供，报文处理器通过解析SV报文获得)，计算采样数据的采集时刻，即采样数据的采集时刻θ₃(t)为式(1)：

θ₃(t)＝θ₂(t)-θ_d (1)

报文处理器根据采样值报文，采用傅里叶变换(基于傅里叶变换的精确频率测量算法)计算出采样时刻各接入的间隔合并单元的电压相位φ_x(x表示各接入间隔合并单元的编号，如图1所述，x取值为1、2……n)和频率f，则各接入的间隔合并单元的电压相位φ_x具体表示为以最小相位为基准相位φ_min；例如，本实施例中，为最小相位，则

φ_min＝φ₂

由于各接入的间隔合并单元的偏移相位差Δφ_x式(2)，相位修正模块计算各接入的间隔合并单元的偏移相位差Δφ_x，

Δφ_x＝φ_x-φ_min (2)，

其中x表示各接入间隔合并单元的编号，x取值为1、2……n(本实施例x取值为1、2……n)

则各接入的间隔合并单元的偏移相位差Δφ_x依次为Δφ₁、Δφ₂……Δφ_n，

其中Δφ₂＝φ₂-φ₂＝0…,

则根据偏移相位差与频率，可计算出各间隔合并单元经交换机产生的额外延时θ_ax依次为θ_a1、θ_a2……θ_an，

由θ_ax＝Δφ_x/f

(3)

即θ_a1＝Δφ₁/f、θ_a2＝Δφ₁/f……θ_an＝Δφ_n/f

并根据各接入合并单元的电压相位相同的原理修正各接入合并单元的固定延时θ_dax，即θ_dal、

θ_da2……θ_dan，

由θ_dax＝θ_d+θ_ax

(4)

即θ_da1＝θ_d+θ_a1、θ_da2＝θ_d+θ_a2……θ_dan＝θ_d+θ_an

S05，采样值插值同步：同步模块利用输出采样值报文的时标θ₂(t)和修正后的各间隔合并单元固定延时θ_da1、θ_da2……θ_dan，计算出合并单元采样值报文实际的采样时刻θ_4-x(t)，

由θ_4-x＝θ₂(t)-θ_dax (5)

即θ_4-1＝θ₂(t)-θ_da1,θ_4-2＝θ₂(t)-θ_da2……θ_4-n＝θ₂(t)-θ_dan；

报文处理器通过插值算法(本发明对插值算法没有进行进化，参见文献插值算法在智能变电站中的应用)进行二次重采样，完成采样值同步，本实施例，使用拉格朗日线性插值算法；

S06，母线继电保护：报文处理器通过内部高速数据总线，定时把同步好的各间隔合并单元数据传输给保护处理器，保护处理器进行母线继电保护突变量启动、比例制动、抗饱和算法运算(见基于采样值算法的数字母线保护的研究文献)，实现母线保护逻辑功能、出口控制。

保护处理器与母线装置之间的通信包括GOOSE服务、站控层MMS通讯和MMI辅助通讯。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于电压锁相网络化采样的母线保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01，实时记录每帧采样值报文到达时刻：FPGA采集过程层网络的间隔合并单元的采样值SV数据，获取原始采样值报文，根据FPGA时钟节拍记录每帧报文的输入采样值报文时标θ₁(t)；

S02，采样值报文解析：FPGA将接收到的以太网采样值报文数据通过双口RAM、并行外设接口进行全双工自动数据交换机制交互给报文处理器，报文处理器根据原始采样值报文的目的MAC地址，判断是否是第一次接收或者中断后再恢复的采样值报文，如果不是第一次接收或者中断后再恢复的采样值报文，直接丢弃所述采样值报文，如果是第一次接收或者中断后再恢复的采样值报文，则根据原始采样值报文协议类型进行解析，获取报文样本计数值、首个通道相对报文首地址的偏移值，获取报文ASDU数目、ASDU长度及通道数目，依据所述偏移值、ASDU数目、ASDU长度，从报文中依次获得各原始采样值，最后根据目的MAC地址和样本计数值，将原始采样值存入相应数组；

S03，各个合并单元采样值发送频率跟踪：报文处理器根据步骤S01中间隔合并单元的数量，设立相同数量的数字式相位锁定器，所述数字式相位锁定器对输入采样值报文时标θ₁(t)进行节拍锁定并消除抖动，得到输出采样值报文的时标为θ₂(t)，

S04，网络传输额外延时误差测量：合并单元初次接入或者中断恢复时，根据采样数据的输出采样值报文的时标θ₂(t)，以及采样值固定的传输延时θ_d，计算采样数据的采集时刻，即采样数据的采集时刻θ₃(t)为式(1)：

θ₃(t)＝θ₂(t)-θ_d (1)

报文处理器根据采样值报文，采用傅里叶变换计算出采样时刻各接入的间隔合并单元的电压相位φ_x和频率f，其中x表示各接入间隔合并单元的编号，x取值为1、2……n；

则各接入的间隔合并单元的电压相位φ_x以最小相位为基准相位φ_min，则

则各接入的间隔合并单元的偏移相位差Δφ_x为式(2)，

Δφ_x＝φ_x-φ_min (2)

则根据偏移相位差Δφ_x与频率f，计算出各间隔合并单元经交换机产生的额外延时θ_ax，

θ_ax＝Δφ_x/f (3)

根据各接入合并单元的电压相位相同的原理修正各接入合并单元的固定延时θ_dax，即

θ_dax＝θ_d+θ_ax (4)

S05，采样值插值同步：利用输出采样值报文的时标θ₂(t)和修正后的各间隔合并单元固定延时θ_dax，计算出合并单元采样值报文实际的采样时刻θ_4-x(t)，

即θ_4-x＝θ₂(t)-θ_dax (5)

报文处理器通过插值算法进行二次重采样，完成采样值同步；

S06，母线继电保护：报文处理器通过内部数据总线，定时把通过步骤S05同步过的各间隔合并单元数据传输给保护处理器，保护处理器进行母线继电保护突变量启动、比例制动、抗饱和算法运算，实现母线保护逻辑功能、出口控制。

2.根据权利要求1所述的基于电压锁相网络化采样的母线保护方法，其特征在于，所述数字式相位锁定器锁相过程包括以下步骤：

输入采样值报文时标θ₁(t)输入到鉴相器中，在数字式相位锁定器启动初始时，θ₂(t)＝θ₁(t)；当θ₁(t)与θ₂(t)失步时，鉴相器完成θ₁(t)与θ₂(t)的时间差值的计算；所述时间差值作为环路滤波器的输入量V₁(t)，环路滤波器进行低通滤波处理，输出量为V₂(t)；V₂(t)作为压控振荡器的输入量，压控振荡器按V₂(t)幅值的大小来确定跟踪调节步长，并在不超过k秒的时间内完成θ₂(t)的整个跟踪过程，k>0。

3.根据权利要求2所述的基于电压锁相网络化采样的母线保护方法，其特征在于，所述k＝1。

4.根据权利要求1所述的基于电压锁相网络化采样的母线保护方法，其特征在于，所述步骤S05插值算法为拉格朗日线性插值算法。