CN104901291A - 一种基于北斗授时的智能化光纤差动保护同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力自动化技术领域，具体涉及一种在智能化变电站中光纤差动保护同步方法，其方法为：首先北斗信号接收装置接收北斗授时信号；保护装置利用此信号作为重采样脉冲，对多个采样进行重采样及插值计算，完成保护采样数据的同步；当保护装置正常接收北斗信号时，利用北斗对时的精确绝对时标计算同步数据在光纤中传输的时间。本发明可以在保护装置接收不到授时信号时且同步方式转为传统同步方式时；通过使用北斗卫星的授时信号作为光纤差动保护同步信号，解决同步不准的问题和信息安全问题，提升保护同步的精度，同时解决传统同步方式由于光纤通道收、发延时不相等带来的同步误差。

Description

一种基于北斗授时的智能化光纤差动保护同步方法

技术领域

本发明属于电力自动化技术领域，涉及一种基于北斗授时的智能化光纤差动保护同步方法。

背景技术

光纤差动保护具有原理简单、可靠性较高、动作迅速等优势。为确保差动保护正确动作, 控制系统需要同时获得线路两端的瞬时采样数据，数据是否是同一时刻的采样值对于差动保护能否正确动作有很大的影响。因此线路两侧的同步问题是需要解决重要问题。

北斗二代卫星系统是一种类似于美国GPS和俄罗斯GLONASS的卫星导航和对时系统，是我国正在实施的具有自主知识产权的独立运行的第一个区域卫星导航系统。系统于2004年启动，并计划在2020年完成整体系统的构建。北斗二代卫星系统除了兼容北斗一代系统的具有双向定位、授时和通信等功能外，还具有无源定位和授时功能，用户容量不受任何限制。同时，与北斗一代相比，定位精度有了很大提高，覆盖区域也大幅扩展，用户终端的体积和成本也大大降低。随着北斗二代卫星系统建设进程，北斗授时产品也取得了快速发展：目前，基于北斗的授时产品已经在我国通信、电力行业取得了部分应用，基于北斗的授时技术已基本成熟。

电力输配系统对设备的时间同步提出了非常高的技术要求。以前电力设备对时间同步的精准度要求是微秒级，现在正慢慢过渡到纳秒级。因此，必须为电力系统配置高精度、高可靠的授时系统。而作为拥有我国自主知识产权的北斗卫星导航技术，其授时精度可以达到单向100ns，双向20ns的精度，完全可以满足电力授时的精度需要。

随着智能化变电站在我国的推广，应用的数目越来越多。现阶段的智能化变电站站内一般都配置有一个统一的授时装置，采用北斗二代兼容GPS的对时模式，同时待北斗技术更加成熟后，将逐步淘汰GPS，实现北斗的单一授时定位，保障电网和新能源建设的坚强可靠。基于北斗的智能化光纤差动保护既能解决传统同步方式的精度问题，又可以解决依靠GPS同步带来的信息安全问题，保障我国电网的安全运行，也不需要另外加对时装置。

目前，光纤差动保护同步方法一般有采样时刻调整法、采样数据修正法、参考相量同步法及GPS同步法等几种。

这几种同步方法都存在一些问题：

（1）除GPS同步法外其他的传统同步方式大多是基于光纤通道收、发延时相等的“等腰梯形算法”(即乒乓算法)。如果收发延时不同则会产生较大误差。

假设本侧保护装置在采样时刻t0通过光纤发出同步信号，在t1时刻对侧接收到同步信号，传输时间为Td0=t1-t0。对侧保护装置接收到信号处理后在采样时刻t2返回同步信号，在t3时刻本侧接收到同步信号，传输时间为Td1=t3-t2。如果Td0等于Td1，通过t0~t3就可以算出采样时刻的偏差即如图中⊿T。但是如果不相等，则由不对称通道引起的偏差为：⊿t=| Td0- Td1|/2。此值根据光纤通道是否复用及光纤的距离不同会有不同的数值，最大可能达到数个毫秒；而且在常规同步方式中不能计算出此偏差的具体数值，会导致保护在发生区内故障时灵敏度降低, 发生区外故障时可能会引起误动，影响保护装置性能。效果如图1所示。

（2）采用GPS同步的方法依赖于GPS脉冲对时。这种方法精度基本可以达到要求，但GPS是由美国军方掌控，而且拥有局部屏蔽GPS信号的技术，使得其可用性和授时精度均受制于美国的GPS政策，信息安全得不到保障。同时GPS名义上虽能全球覆盖，但由于运行轨道较低，遮蔽角过大，GPS信号在山区或城市容易被物体遮挡；而且GPS信号的精度跟接收到卫星的个数密切相关，连接的卫星少时精度较差。

因此必须对以往光纤差动保护同步方式进行完善和补充,解决这两大类问题,提高性能。

发明内容

   为解决上述问题的不足，本发明通过对北斗授时信号的应用及利用北斗时间优化传统同步技术方法，而目的在于提高一种基于北斗授时的智能化光纤差动保护同步方法，提高同步的性能，减少误动和拒动的可能性，解决了传统同步方式采用“等腰梯形算法”时由于光纤通道收、发延时不相等带来的同步误差。

为实现上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

一种基于北斗授时的智能化光纤差动保护同步方法，其方法为：首先，两侧的变电站中安装完全相同的北斗授时信号接收机。接收机接收到卫星发出的脉冲信号后给变电站所有智能化装置授时。合并单元接收电流互感器/电压互感器的采样数据及信号调理延时、AD采样延时等数据，利用北斗授时脉冲分频后的脉冲信号作为重采样脉冲对数据进行重采样，以达到数据的同步。合并单元将重采样后数据打包发送给保护装置处理。保护装置同样利用北斗授时脉冲分频后的脉冲信号作为重采样脉冲，根据各合并单元的延时对多个合并单元数据进行重采样及插值计算，完成本侧所有采样数据的同步。两侧的保护装置经光纤通道交换采样数据信息，完成差动保护的逻辑。

当保护装置正常接收北斗信号时，利用北斗对时的精确绝对时标计算同步数据在光纤中传输的时间，解决传统同步方式采用“等腰梯形算法”时由于光纤通道收、发延时不相等带来的同步误差。在保护装置接收不到授时信号时，同步方式转为传统同步方式。

在光纤差动保护的两侧变电站配置同样的北斗授时信号接收机。北斗信号接收机接收的脉冲信号经电缆或光纤传递到站内智能化装置。

合并单元接收互感器的采样数据，利用北斗授时脉冲分频后的脉冲信号作为重采样脉冲对数据进行重采样，以达到数据的同步。同时将同步数据发送给差动保护装置。

差动保护接收合并单元发送的同步数据，利用北斗授时脉冲分频后的脉冲信号作为重采样脉冲对数据进行重采样及插值计算，完成本侧所有采样数据的同步。两侧的保护装置经光纤通道交换采样数据信息，完成差动保护的逻辑。

差动保护装置正常接收北斗信号时，利用北斗对时的精确绝对时标计算同步数据在光纤中传输的时间。在保护装置接收不到授时信号时，同步方式转为传统同步方式。

本发明利用越来越多应用于智能变电站的时间信号接收装置接收北斗授时信号，保护装置利用北斗授时脉冲分频后的脉冲信号作为重采样脉冲，对多个采样进行重采样及插值计算，完成保护采样数据的同步。其使用北斗标准时间来计算同步数据在光纤中传输的时间，解决传统同步方式采用“等腰梯形算法”时由于光纤通道收、发延时不相等带来的同步误差。

本发明的具体有益效果如下：

（1）同步精度高。线路两端都采用高精度的北斗授时系统，同时又不受光纤通道延时的影响，因此拥有很高的精度。

（2）可靠性高。北斗卫星位于上空36000 千米的静止轨道，地面用户基本都处于高仰角工作状态，信号不容易被附近的高大物体遮蔽，接收模块更容易接收到信号。该特点使得北斗卫星授时特别适用中国偏远地区和城市的变电站授时系统。

（3）设计简单。区别于其它同步方式，基于北斗授时的差动保护，简单地使用采样序号即能完成差动保护，程序设计简单且不易出错。

（4）北斗授时系统越来越多地应用于智能变电站，光纤差动保护不需要另外设计对时系统。

（5）促进具有名族特色国家坚强智能电网建设。通过北斗电力授时技术在电力行业的推广，使得我国的电力行业拥有自主知识产权的授时技术。加强对我国自主知识产权的北斗授时技术在电力行业的推广可以完全消除对GPS依赖的严重安全隐患。

（6）适用性。装置支持两种同步方法并可相互切换，在增强保护装置可靠性同时也增加了装置的适用性；既可以用在有卫星对时的智能化变电站，也可以用在没有卫星对时的常规变电站。

附图说明

图1 为本发明的通道延时不等引起的误差示意图；

图2 为本发明的基于北斗的电流差动保护构成框图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明基于北斗授时的智能化光纤差动保护同步方法，其利用北斗授时信号对智能化光纤差动保护进行同步并且优化传统同步方法，此方法可以解决以往同步方式的问题，提高同步的性能，减少误动和拒动的可能性。本发明具体实施例如下：

参照图1和图2，本发明利用北斗对时实现数据的同步时，线路两侧的保护不分主从。如图2所示，两侧的变电站中安装完全相同的北斗授时信号接收机。北斗授时信号接收机到卫星发出的脉冲信号后给智能变电站所有智能化装置授时。合并单元（MU）接收电子式电流互感器/电压互感器（ECT/EVT）的采样数据及信号调理延时、AD采样延时等数据，根据延时对数据进行重采样，以达到数据的同步。MU将重采样后的采样数据、额定延时等都打包发送给保护装置处理。保护装置利用北斗授时脉冲分频后的脉冲信号作为重采样脉冲，根据各MU的延时对多个MU 数据进行重采样及插值计算，完成本侧所有保护采样数据的同步。保护装置把同步好的数据、时间标签以及采样序号通过专用光纤发送给对侧保护装置，同时也接收对侧发过来的相关数据。两侧的保护装置经光纤通道交换采样数据信息，完成差动保护的逻辑。

当保护装置正常接收北斗信号时，可以利用北斗对时的精确绝对时标，计算同步数据在光纤中传输的时间，解决传统同步方式采用“等腰梯形算法”时由于光纤通道收、发延时不相等带来的同步误差。当保护装置接收不到授时信号时，同步方式转为传统同步方式。

前述的同步方法，具体步骤包括以下步骤：

（1）由变电站北斗授时信号接收机接收脉冲信号。采用高性能时间接收装置，确保对信号脉冲处理的一致性。不同的变电站采用同一种授时接收装置，也可以减小站与站之间的时间差。

（2）变电站所有智能化装置采用全站统一授时方式授时；利用步骤（1）收到的脉冲信号，经处理后统一由信号接收机通过光纤或电缆对站内智能化装置发送对时脉冲。步骤（1）收到的脉冲信号的处理是通过北斗授时信号接收机授时信号进行处理，主要是选取卫星授时信号、把授时信号转变成电信号和光信号等，采用全站统一授时方式，避免不同装置之间有相对时间差。

（3）合并单元接收电流互感器/电压互感器的采样数据及信号调理延时、AD采样延时等数据，同时也可接普通互感器的电流电压信号，利用步骤（2）收到的脉冲信号对数据进行重采样，以达到数据的同步；同时将同步数据发送给差动保护装置；

（4）完成所有保护采样数据的同步；差动保护装置接收多个合并单元由步骤（3）产生的数据，利用步骤（2）收到的脉冲信号作为重采样脉冲，根据各合并单元的延时对多个同步数据进行重采样及插值计算，完成本侧所有保护采样数据的同步。其中插值计算是现有的计算方法，不同厂家合并单元由于内部延时不同，送到差动保护装置的数据可能不是同一时刻的数据。差动保护装置根据合并单元给出的延时时间，利用北斗信号做统一的时间标准，对收到的数据进行插值和重采样，以达到所有的数据为同一时刻的数据的目标。此外，一套光纤差动保护包含有两个差动保护装置，分属两个变电站，相隔数百米到几公里不等。两者之间由光纤相互通信。每个装置对于本变电站就是本侧，对方变电站就是对侧）所有保护采样数据的同步。

（5）完成差动保护的逻辑；差动保护装置把步骤（4）同步好的数据、时间标签以及采样序号通过专用光纤发送给对侧保护装置，同时也接收对侧发过来的相关数据。两侧的保护装置经光纤通道交换采样数据信息，完成差动保护的逻辑；本实施例中，该逻辑表示保护功能逻辑，比如差动保护装置内部的过流保护、过压保护及非电量保护等等。

（6）差动保护装置利用步骤（2）收到的脉冲信号计算同步数据在光纤中来回传输的时间，计算保护两侧采样时刻，解决传统同步方式采用“等腰梯形算法”时由于光纤通道收、发延时不相等带来的同步误差。

（7）当保护装置接收不到授时信号时，同步方式自动转为传统同步方式。利用步骤（6）得到的数据参与计算。所述传统同步方式包括采样时刻调整法、采样数据修正法、参考相量同步法。

基于上述，本发明是利用越来越多应用于智能变电站的时间信号接收装置接收北斗授时信号；保护装置利用北斗授时脉冲分频后的脉冲信号作为重采样脉冲，对多个采样进行重采样及插值计算，完成保护采样数据的同步。并使用北斗标准时间来计算同步数据在光纤中传输的时间，解决传统同步方式采用“等腰梯形算法”时由于光纤通道收、发延时不相等带来的同步误差。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1. 一种基于北斗授时的智能化光纤差动保护同步方法，其方法是利用北斗授时信号对智能化光纤差动保护进行同步并且优化传统同步方法；该方法包括如下：

（1）变电站北斗授时信号接收机接收脉冲信号；

（2）变电站所有智能化装置采用全站统一授时方式授时；利用步骤（1）收到的脉冲信号，经处理后统一由北斗授时信号接收机通过光纤或电缆对站内智能化装置发送对时脉冲；

（3）数据同步；合并单元接收电流互感器或电压互感器的采样数据及信号调理延时、AD采样延时的数据，利用北斗授时脉冲分频后的脉冲信号作为重采样脉冲对数据进行重采样，以达到数据的同步；同时将同步数据发送给差动保护装置；

（4）完成所有保护采样数据的同步；差动保护装置接收多个合并单元由步骤（3）产生的数据，利用步骤（2）收到的脉冲信号作为重采样脉冲，根据各合并单元的延时对多个同步数据进行重采样及插值计算，完成本侧变电站所有保护采样数据的同步；

（5）完成差动保护的逻辑；差动保护装置把步骤（4）同步好的数据、时间标签以及采样序号通过光纤发送给对侧保护装置，同时接收对侧发过来的相关数据；两侧的保护装置经光纤通道交换采样数据信息，完成差动保护的逻辑；

（6）计算时间和采样时刻；保护装置利用步骤（2）收到的脉冲信号计算同步数据在光纤中来回传输的时间，计算保护两侧采样时刻；

（7）当保护装置接收不到授时信号时，同步方式自动转为传统同步方式；利用步骤（6）得到的数据参与计算。

2. 根据权利要求1所述的智能化光纤差动保护同步方法，其特征在于：实施步骤（1）中，在光纤差动保护的两侧变电站安装完全相同的北斗授时信号接收机；北斗授时信号接收机接收的脉冲信号经电缆或光纤传递到站内智能化装置。

3. 根据权利要求1所述的智能化光纤差动保护同步方法，其特征在于：当差动保护装置正常接收北斗信号时，利用北斗对时的绝对时标计算同步数据在光纤中传输的时间；在保护装置接收不到授时信号时，同步方式转为传统同步方式，所述传统同步方式包括采样时刻调整法、采样数据修正法、参考相量同步法及GPS同步法。