CN104600678A - 母线保护电流同步方法 - Google Patents

Abstract

一种母线保护电流同步方法，该方法包括：数据采集步骤，多个编号的间隔采集单元分别同时采样母线的多组间隔电流及母线电压；数据传输步骤，将采样的每组间隔电流及母线电压由模拟量转化为数字量的电流/电压采样数据后传送至母线保护装置；同步判断步骤，母线保护装置判断多组电流/电压采样数据是否同步，如果不同步则执行将不同步的电流采样数据作同步处理的数据同步步骤，如果同步则直接执行后续保护执行步骤；以及保护执行步骤，母线保护装置使用同步的电流采样数据执行保护功能。使用母线保护电流同步方法可以保证在多种工作情况下母线保护功能都可以正常进行。

Description

母线保护电流同步方法

技术领域

本发明涉及一种母线保护方法，尤其涉及一种用于继电保护设备领域的数字化母线保护电流同步方法。

背景技术

现有技术的变电站通常使用继电保护设备采集多个电量来实现母线保护功能。常规变电站通过电缆将传统电磁式互感器的二次回路模拟电量（电压量或电流量）接入继电保护装置，由继电保护装置本身集中采集各电量，这种方式可以确保采样同步。

在数字化变电站中，直接由电子式互感器提供电流电压的数字量数据，或由模拟量合并单元(DAU)就地将传统电磁式互感器的二次回路模拟电量转化为数字量数据，数字量数据通过过程层网络送到各继电保护设备，完成母线保护功能。由于在数字化变电站中，继电保护设备所需的多个电量数据不是由继电保护设备集中采集，而是由分散的独立装置采集，这就面临采样数据同步的问题。尤其对于母线差动保护，该多个电量的采样时需要严格同步，采样的电量数据不同步会导致继电保护设备的不正确动作行为，减低系统供电的可靠性。

目前数字化变电站中，采样同步的解决方案主要有全站统一时钟源（包括GPS）和基于IEEE1588的网络同步两种方式。全站统一时钟源方式需要在全站配置统一的时钟源。基于IEEE1588的网络同步方式，则要求合并单元（MU）和交换机均需支持1588功能。上述两种方式都严重依赖于外接设备的稳定性，当全站统一时钟源丢失或IEEE1588的网络同步失效导致采样数据失步时，需采样电量数据同步的继电保护设备会自动退出保护而不能继续实现保护功能。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种母线保护电流同步方法，该方法包括：数据采集步骤，多个编号的间隔采集单元分别同时采样母线的多组间隔电流及母线电压；数据传输步骤，将采样的每组间隔电流及母线电压由模拟量转化为数字量的电流/电压采样数据后传送至母线保护装置；同步判断步骤，母线保护装置判断多组电流/电压采样数据是否同步，如果不同步则执行将不同步的电流采样数据作同步处理的数据同步步骤，如果同步则直接执行后续保护执行步骤；以及保护执行步骤，母线保护装置使用同步的电流采样数据执行保护功能。

作为上述母线保护电流同步方法的进一步改进，该数据同步步骤进一步包括：根据每组电流/电压采样数据计算电压向量；选取编号最靠前且实现有压采集的间隔采集单元作为基准间隔采集单元；以选定的基准间隔采集单元的电流/电压采样为基础计算多组电压采样之间的相位差；以及根据上述相位差计算结果对间隔电流采样值进行数据同步处理。

作为上述母线保护电流同步方法的进一步改进，所述电压向量的计算采用全周傅式算法进行。

作为上述母线保护电流同步方法的进一步改进，所述电压向量为正序电压向量。

作为上述母线保护电流同步方法的进一步改进，当采样的母线电压失压时，采样的母线电压数据失效，不再用于电压向量以及相位差的计算，在失压的第一预定时间段内可采用失压前记忆的电压向量进行相位差计算。

作为上述母线保护电流同步方法的进一步改进，若基准间隔采集单元采集为无压，则不再刷新计算多组电压采样数据之间的相位差，同时寻找另一个实现有压采集的间隔采集单元作为新的基准间隔采集单元。

作为上述母线保护电流同步方法的进一步改进，间隔电流为母线上各元件对应传统电流互感器的二次电流，所述母线电压为母线对应传统电压互感器的二次电压。

作为上述母线保护电流同步方法的进一步改进，所述传输至母线保护装置的多组电流/电压采样数据中分别包括有采样时标信息或采样值失步标记，所述判断采样数据是否同步是通过校验采样数据报文中的采样时标信息或采样值失步标记实现的。

作为上述母线保护电流同步方法的进一步改进，对间隔电流采样值进行数据同步处理采用数据插值算法实现。

作为上述母线保护电流同步方法的进一步改进，所述数据插值为二次插值算法。

相较于现有技术，使用母线保护电流同步方法后，即使在间隔采集单元采样失步的情况下，母线保护装置也能有效地对母线保护的电流进行同步，然后使用同步的电流采样数据执行保护功能，进而保证在多种工作情况下母线保护功能都可以正常进行。

附图说明

图1是本发明母线保护电流同步方法的流程图；

图2是本发明母线保护电流同步方法一实施方式的母线和间隔采集单元之间的一次系统接线示意图；

图3是本发明母线保护电流同步方法一实施方式的间隔采集单元和母线保护装置之间的线路连接示意图；

图4 是本发明母线保护电流同步方法一实施方式的数据同步步骤的流程示意图；

图5 是本发明母线保护电流同步方法一实施方式的单相故障时正序电压相位分析图；

图6 是本发明母线保护电流同步方法一实施方式的两相故障时正序电压相位分析图；

图7是本发明母线保护电流同步方法一实施方式的基准间隔选取流程示意图；

图8 是本发明母线保护电流同步方法一实施方式的二次插值同步原理图；

图9 是本发明实施方式的PT断线逻辑框图；

图10 是本发明实施方式的同步方案下母线正常负荷实验波形；

图11 是本发明实施方式的同步方案下母线区外故障TA饱和的故障实验波形；

图12 是本发明实施方式的同步方案下母线区内故障实验波形。

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方式，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方式仅仅用以解释本发明，并不用来限定本发明。

以下结合图1至图3的描述，具体介绍本发明。图1为本发明母线保护电流同步方法的流程图。一实施方式中，该母线保护电流同步方法是基于微机继电保护装置平台实现；微机主系统（CPU系统）采用DSP微处理器；母线保护装置采用长园深瑞继保自动化有限公司的BP-2C-D型分布式微机母线保护装置。

该方法包括多个步骤，具体描述如下。

数据采集步骤S10：多个间隔采集单元分别同时采样母线的多组间隔电流及母线电压。请一并参阅图2-图3，需要被保护的母线M1、M2连接有多个间隔采集单元JG1-JGn，其中JGk为间隔母联单元。每个间隔采集单元JGi均能采集到母线M1、M2上的间隔电流和母线电压。所述间隔电流为母线M1、M2上各元件，例如母联单元JGk、主变、线路、电容器等元件对应传统电流互感器的二次电流，所述母线电压为母线M1、M2对应传统电压互感器的二次电压。所采集的间隔电流和母线电压经由SMV网络传输至母线保护装置Pmx。

一实施方式中，间隔采集单元JG1-JGn采用长园深瑞继保自动化有限公司的PRS-7393型模拟量合并单元。每个间隔采集单元JGi的采样间隔由间隔采集单元JGi自身的晶振频率控制，较佳采样频率为2000HZ。一较佳实施方式中，间隔采集单元JGi的晶振误差在1小时内不超过5-10微秒；对于电力系统的50HZ工频量，相当于产生0.18°的误差。如果考虑两个间隔采集单元JGi、JGi+1的误差是向不同的方向偏移，则两者之间的相位误差为0.36°。对于差动保护，若电量的角度误差在3°以内不会影响保护动作特性，3°/0.36°= 8.33，即在8小时内产生的相位误差不会影响保护功能。因此8小时内不刷新间隔采集单元JGi的相位差，不会对差动保护功能有不良影响。

数据传输步骤S20：每个间隔采集单元JGi将采样的间隔电流及母线电压由模拟量转化为数字量的电流/电压采样数据后传送至母线保护装置Pmx。在正常工作模式下，基于全站统一时钟源或IEEE1588的网络同步, 每个间隔采集单元JGi可以接收同步设备（图未示）提供的同步时钟或基于IEEE1588标准的同步信号，实现同步采样。每个间隔采集单元JGi按预定时间间隔采集母线上的间隔电流和母线电压，被采集的母线间隔电流和母线电压分别被转换为数字量的多组电流/电压采样数据并使用对应间隔采集单元JGi的采样时标标号(序号)进行标记后传输至母线保护装置Pmx。此时母线保护装置Pmx直接根据采样时标标号使用间隔采集单元JGi上送的多组电流/电压采样数据进行保护计算。当时钟源丢失或IEEE1588网络同步失效导致多组电流/电压采样数据失步时，母线保护装置Pmx需将间隔采集单元JG1-JGn上送的多组电流采样数据作同步处理后才能用于保护计算。替代实施方式中，间隔采集单元也可以不接入同步时钟源。

同步判断步骤S30：母线保护装置Pmx根据接收的数据判断多组电流/电压采样数据是否同步。一实施方式中，传输至母线保护装置Pmx的多组电流/电压采样数据中分别包括有采样时标信息或采样值失步标记，所述判断采样数据是否同步是通过校验采样数据报文中的采样时标信息或采样值失步标记实现的。

数据同步步骤S40：将失步的电流采样数据作同步处理。请参阅图4，一实施方式中，该数据同步步骤S40的实施进一步包括步骤S401至步骤S403。

电压向量计算步骤S401：母线保护装置Pmx根据接收的多组电流/电压采样数据计算对应的电压向量。本实施方式中，电压向量的计算采用全周傅式算法进行。较佳实施方式中，同步方案采用正序电压向量，以减少相电压易受系统故障、PT断线等不利因素的影响，请参阅图5-图6，只要不是三相故障或PT三相断线，正序电压向量的幅值均不会为零，且其相对相位均不会发生变化。替代实施方式中，如果出现三相故障或PT三相断线，正序电压失效的情况下，还可以采用故障前或断线前记忆的正序电压向量进行计算。

较佳实施方式中，如果失压持续超过第一预定时间段，则闭锁母线保护装置Pmx的保护功能。由于本发明的母线保护电流同步方法依赖于间隔采集单元JGi采集的电压向量，当电压失压时，电压采样数据失效，不再用于电压向量以及相位的计算，在失压的第一预定时间段内可采用失压前记忆的电压向量进行计算，电压采样数据的无压判据可参考公式：                                                （1），公式（1）条件满足为无压；否则为有压。

基准间隔设置步骤S402：一实施方式中，排除母联单元JGk后，选取编号最靠前且实现有压采集的间隔采集单元JGt作为基准间隔采集单元。基准间隔采集单元JGt一旦选定后，正常情况下，不再切换基准间隔采集单元。替代实施方式中，若基准间隔采集单元采集为无压，则不再刷新计算多组电压采样数据之间的相位差，同时寻找另一个实现有压采集的间隔采集单元JGj。若能找到，延时80ms后切换至以该间隔采集单元JGj为新的基准间隔采集单元。基准切换后，重新刷新计算多组电流/电压采样数据之间的相位差。较佳实施方式中，在切换基准间隔的前40ms内母线保护装置Pmx启动闭锁保护。基准间隔采集单元JGt的设定和切换具体流程可以参阅图7。

相位差计算步骤S403：以选定的基准间隔采集单元的电流/电压采样为基础计算多组电压采样之间的相位差。具体包括：

1）参与计算的电压向量取正序电压，由未经差分的采样数据按全周傅式算法计算得出；

2）通过正序电压向量的实虚部计算间隔电压相位；

3）求出与基准间隔的相位差；

4）求出与各间隔之间的相位差；若或者，则闭锁保护。

5）若基准间隔无压，则不刷新所有间隔的相位差；

6）若普通间隔无压，则不刷新该间隔的相位差。

一较佳实施方式中，假设采样同步时，各间隔采集单元JGi在同一时刻采集的电流、电压向量的角度分别为、，其中i为间隔采集单元序号（，n为包括母联JGk在内的间隔总数）；采样失步时，电流向量、电压向量因采样失步产生的相位差分别为、，因单个间隔采集单元JGi集中采集对应的间隔电流及母线电压，两者的采样数据必定是保持同步，即因采样失步产生的相位差相同，则此时(失步时)实际采集到的电流、电压向量、分别为：

        （1）

       （2）

    因各间隔采集单元JG1-JGn采集的电压均为来自同一数据源——母线电压M1、M2，所以其相位应该一致：

         （3）

以序号为t的间隔采集单元JGt为基准（），设定其他间隔采集单元JGi采集到的电压向量相对于基准的相位差为，根据公式（2）、（3）可得：

        （4）

然后将各组电压向量相对于基准的相位差相互比较即可的到不同间隔之间的相位差。

插值补偿步骤S404：根据上述相位差计算结果对间隔电流采样值进行数据同步处理。根据上述公式（1）、（4），若对各间隔采集单元JGi采集到的电流按本间隔采集单元JGi相对于基准间隔采集单元JGt的相位差进行相位补偿，则补偿折算后的电流向量为：

       （5）

由式（5）可看出，折算后的电流向量已间隔采集单元的电流因采样失步产生的相位差去除，仅是采样同步时的电流角度与基准装置的失步相位差之和。

一实施方式中，对间隔电流采样值进行数据同步处理采用数据插值算法实现，例如二次插值算法。根据间隔采集单元的数据缓冲区中的间隔电流原始采样数据以及相位差，以基准间隔为参考，运用基于二次插值理论的数据同步技术，对间隔电流采样值进行数据同步处理。

请参阅图8，实际采集到的相邻的三个非同步采样点为，，；理论上，实际的同步采样点为D点。可由A、B、C点进行二次插值得到插值点，作为近似的同步点。

由二次插值的数学模型，得到二次插值函数：

    （6）

化简之后，得到便于计算的形式：

       （7）

对于同步点，（T为采样间隔；δ为采样时刻差值；δ<T）。

代入上式，得到：

    （8）

上式中的时间值用角度值替代，采样间隔T被θ替代：(N为一周波的采样点数)；采样时刻差值δ被相位差替代。得到：

    （9）

二次插值方法中基波、二次谐波以及三次谐波在48点/周波的采样频率下的最大采样误差分别为：0.014%、0.112%、0.378%；在80点/周波的采样频率下的最大采样误差分别为：0.003%、0.024%、0.054%。因此基于二次插值的数据同步方法完全适用于母线保护的电流同步方案。

保护执行步骤S50：母线保护装置Pmx使用同步的电流采样数据执行保护功能。即，判定间隔采集单元JGi的采样数据失步时，母线保护装置Pmx使用上述计算得到的插值同步点的数据执行保护功能。

替代实施方式中，可以进一步判断PT断线的情况。具体地，电压向量是电流同步方案的基础，当母线电压PT断线，尤其是三相PT断线时，会影响同步方案的实施，因此设置PT断线判断逻辑，在必要时需闭锁母线保护装置的保护功能。请一并参阅图9，PT断线判定逻辑具体如下：

1） 母线M1、M2，以（下简称1母线、2母线）并列运行时，若1母线/2母线电压中，一段母线有压、一段母线无压，母线保护装置延时6秒闭锁保护，延时40ms开放保护。

2） 1(2)母线有压，某1(2)母线上的间隔无压，母线保护装置延时20ms闭锁保护；条件不满足时，母线保护装置延时40ms开放保护。

3） 1(2)母线无压，1(2)母线有流，母线保护装置延时6秒闭锁保护；条件不满足时，母线保护装置延时40ms开放保护。

本发明母线保护电流同步方法的实时数字仿真系统(RTDS)测试的实验波形可参阅图10、图11和图12。图中I2a、I2b、I2c与U2a、U2b、U2c分别为S12间隔合并单元采集的三相电流和电压，I3a、I3b、I3c与U3a、U3b、U3c分别为S13间隔合并单元采集的三相电流和电压，以此类推……Ida、Idb、Idc为三相差流；“启动”和“动作”开关量分别为母线差动保护的启动及动作状态。

图10为执行本发明母线保护电流同步方法时母线正常负荷实验波形图，实验过程中S13与S14间隔合并单元采集的电压量存在约16°相位差（对应约0.88ms的采样时间差），间隔电流依据电压相位差进行插值同步后计算母线差流，从图中可看出计算结果为无差流。

图11为执行本发明母线保护电流同步方法时母线区外故障TA饱和的故障实验波形图，实验过程中两间隔电压量的相位差约为19°（对应约1.05ms的采样时间差），故障期间母线保护没有动作出口，非故障相无母线差流，说明基于电压向量的电流同步方案不受故障电压的影响。

图12为执行本发明母线保护电流同步方法时母线区内故障实验波形图，实验过程中两间隔电压量的相位差约为10°（对应约0.56ms的采样时间差），故障发生后母线保护正确动作出口。

测试结果反映使用母线保护电流同步方法后，即使在间隔采集单元采样失步的情况下，母线保护装置Pmx也能有效地对母线保护的电流进行同步，保证在多种工作情况下母线保护功能都可以正常进行。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施方式而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种母线保护电流同步方法，其特征在于，该方法包括：

数据采集步骤，多个编号的间隔采集单元分别同时采样母线的多组间隔电流及母线电压；

数据传输步骤，将采样的每组间隔电流及母线电压由模拟量转化为数字量的电流/电压采样数据后传送至母线保护装置；

同步判断步骤，母线保护装置判断多组电流/电压采样数据是否同步，如果不同步则执行将不同步的电流采样数据作同步处理的数据同步步骤，如果同步则直接执行后续保护执行步骤；以及

保护执行步骤，母线保护装置使用同步的电流采样数据执行保护功能。

2.如权利要求1所述的母线保护电流同步方法，其特征在于，该数据同步步骤进一步包括：

根据每组电流/电压采样数据计算电压向量；

选取编号最靠前且实现有压采集的间隔采集单元作为基准间隔采集单元；

以选定的基准间隔采集单元的电流/电压采样为基础计算多组电压采样之间的相位差；以及

根据上述相位差计算结果对间隔电流采样值进行数据同步处理。

3.如权利要求2所述的母线保护电流同步方法，其特征在于，所述电压向量的计算采用全周傅式算法进行。

4.如权利要求3所述的母线保护电流同步方法，其特征在于，所述电压向量为正序电压向量。

5.如权利要求4所述的母线保护电流同步方法，其特征在于，当采样的母线电压失压时，定义采样的母线电压数据失效，不再用于电压向量以及相位差的计算，在失压的第一预定时间段内可采用失压前记忆的电压向量进行相位差计算。

6.如权利要求2所述的母线保护电流同步方法，其特征在于，若基准间隔采集单元采集为无压，则不再刷新计算多组电压采样数据之间的相位差，同时寻找另一个实现有压采集的间隔采集单元作为新的基准间隔采集单元。

7.如权利要求1所述的母线保护电流同步方法，其特征在于，间隔电流为母线上各元件对应传统电流互感器的二次电流，所述母线电压为母线对应传统电压互感器的二次电压。

8.如权利要求1所述的母线保护电流同步方法，其特征在于，所述传输至母线保护装置的多组电流/电压采样数据中分别包括有采样时标信息或采样值失步标记，所述判断采样数据是否同步是通过校验采样数据报文中的采样时标信息或采样值失步标记实现的。

9.如权利要求2所述的母线保护电流同步方法，其特征在于，对间隔电流采样值进行数据同步处理采用数据插值算法实现。

10.如权利要求9所述的母线保护电流同步方法，其特征在于，所述数据插值为二次插值算法。