CN104919669B - 保护继电系统以及保护继电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式的目的在于提供一种能够实现装置之间的高精度的时刻同步的保护继电系统、保护继电装置以及时刻同步方法。本发明的实施方式涉及具备多个根据电力系统的电量数据进行电力系统的保护的保护继电装置，在上述保护继电装置之间使用网络进行通信的保护继电系统。上述保护继电装置具备：时钟部，定期地记录对电力系统的电量进行采样的定时；继电器运算部，根据采样得到的上述电量数据、和经上述网络接收到的电量数据进行继电器运算；随机数制作部，制作随机数；以及同步帧处理部，根据由上述随机数制作部制作了的随机数，决定将同步帧经由上述网络发送到其他保护继电装置的定时。

Description

保护继电系统以及保护继电装置
技术领域
本发明的实施方式涉及保护继电系统以及保护继电装置。
背景技术
以往，使用了通过检测/消除在构成电力系统的输电线、母线、以及变压器等电力系统设备中发生了的事故来保护电力系统设备的保护继电系统。例如，有在保护输电线的保护继电系统中在电力系统的区间端具备保护继电装置，通过传送路连接各个保护继电装置之间，根据各端子处的电量信息检测事故的技术。
即使在保护继电装置中，进行输电线的保护的电流差动继电装置在本端子处取得电流值信息，经由传送路向对方端子发送电流值信息。然后，接收到电流值信息的对方端子的保护继电装置根据在本端子处取得了的电流值信息与经由传送路接收到的电流值信息的差分，检测输电线的事故。各端子处的电流差动继电装置的时刻(采样定时)需要高精度地同步。
关于以往的保护继电系统中的保护继电装置之间的传送，以往通过应用54Kbps～1.5Mbps左右的微波、光线路，相互传送同步帧，实现了高精度的同步。另外，近年来，研究了代替微波、光线路而应用更高速且在维护方面、成本方面有利的以太网(注册商标)等通用网络。在使用通用网络的保护继电系统中，经由中继装置在多个保护继电装置之间进行通信，所以在该中继装置中同步帧的处理定时与其他帧的处理定时重叠，同步帧的传送时间有时发生延迟。
如果同步帧的传送时间延迟，则在保护继电装置之间的去路的传送时间和归路的传送时间中发生差异，同步精度降低。如果同步精度降低，则在电流差动继电装置中按照不同的采样定时执行差动运算，所以有可能发生误动作。
专利文献1：日本特开2010-56947号公报
发明内容
本发明的实施方式的目的在于，提供一种能够实现装置之间的高精度的时刻同步的保护继电系统以及保护继电装置。
本发明的实施方式涉及一种保护继电系统，具备多个根据电力系统的电量数据进行电力系统的保护的保护继电装置，在所述保护继电装置之间使用网络进行通信。所述保护继电装置具备：时钟部，定期地记录对电力系统的电量进行采样的定时；继电器运算部，根据采样而得到的所述电量数据、和经所述网络接收到的电量数据，进行继电器运算；随机数制作部，制作随机数；以及同步帧处理部，根据由所述随机数制作部制作了的随机数，决定将同步帧经由所述网络发送到其他保护继电装置的定时。
附图说明
图1是示出第1实施方式的保护继电系统的结构的框图。
图2是示出第1实施方式的保护继电装置的内部结构的功能框图。
图3是示出使第1实施方式的时钟部113同步时的动作的图。
图4是示出发送第1实施方式的同步帧的定时的图。
图5是示出第2实施方式的保护继电装置的内部结构的功能框图。
图6是示出发送第2实施方式的同步帧的定时的图。
图7是示出第3实施方式的保护继电系统的结构的框图。
图8是示出第3实施方式的保护继电装置的内部结构的功能框图。
符号说明
1：保护继电系统；2-1～2-3：端子；3-1～3-3：变流器；4：输电线；11-1～11-3：保护继电装置；12-1～12-2：中继设备；13-1～13-4：网络；111：输入变换部；112：A/D变换部；113：时钟部；114：电量帧处理部；115：通信部；116：继电器运算部；117：同步帧处理部；118：随机数制作部。
具体实施方式
参照附图，说明本发明的实施方式的保护继电系统以及保护继电装置。
(第1实施方式)
使用图1，说明本发明的第1实施方式的保护继电系统的结构。图1是示出保护3个端子的输电线的保护继电系统的框图。
保护继电系统1具备保护继电装置11-1～11-3、中继设备12-1～12-2以及网络13-1～13-4。
保护继电装置11-1～11-3分别与在端子2-1～2-3附近设置了的变流器3-1～3-3连接，取得电量数据。另外，保护继电装置11-1～11-3分别经由网络13-1～13-4以及中继设备12-1～12-2进行通信，进行数据帧的发送接收。此处，在保护继电装置11-1～11-3之间发送接收的数据帧是包括由变流器3-1～3-3取得了的电量数据的电量帧、用于进行各个保护继电装置11-1～11-3之间的时刻同步的同步帧。
使用图2，说明保护继电装置11-1的内部结构。图2是示出保护继电装置11-1的功能结构的功能框图。
保护继电装置11-1具备输入变换部111、模拟数字变换部(以下、A/D变换部)112、时钟部113、电量帧处理部114、通信部115、继电器运算部116、同步帧处理部117、以及随机数制作部118。在端子2-2、2-3中设置的保护继电装置11-2、11-3都具备与保护继电装置11-1同样的结构，所以以下的说明省略。
输入变换部111将由变流器3-1取得了的电量数据作为模拟数据输入。
A/D变换部112与时钟部113定期地记录的采样定时相符合地对输入到输入变换部111的模拟数据的电量数据进行采样，变换为数字数据。
电量帧处理部114将通过A/D变换部112变换为数字数据的电量数据经由通信部115、网络13-1、其他中继设备，作为电量帧发送到保护继电装置11-2、11-3。另外，电量帧处理部114经由网络13-1、通信部115接收从保护继电装置11-2、11-3发送了的数字数据的电量帧。在此处接收的电量帧中，储存由端子2-2、2-3的变流器3-2、3-3取得了的电量数据。
继电器运算部116根据由A/D变换部112进行了数字变换的端子2-1的电量数据、和由电量帧处理部114接收到的电量帧中储存了的端子2-2、2-3的电量数据，进行电流差动运算。
同步帧处理部117经由通信部115、网络13-1对保护继电装置11-2、11-3发送同步帧。此处，发送同步帧的定时(T0)是在从采样定时起恒定时间(T1)后的变动容许时间(T2)内，根据由随机数制作部118制作了的随机数来决定。另外，同步帧处理部117从保护继电装置11-2、11-3经由网络13-1、通信部115接收同步帧，校正时钟部113。
此处，使用图3，说明校正时钟部113时的保护继电装置11-1、11-2的动作。图3记载将保护继电装置11-1设为从属端、将保护继电装置11-2设为主端，使从属端的时钟部113与主端的未图示的时钟部同步时的动作。保护继电装置11-1、11-2相互发送接收的同步帧被分成轮询(Poll)帧、同步请求(Req)帧、同步响应(Resp)帧、以及发送时刻通知(FollowUP)帧这4个类别。
Poll帧是从主端发送到从属端，向从属端提供同步通信的许可的信号。Req帧是从从属端发送到主端，表示同步通信的开始的信号。Resp帧是从主端发送到从属端，表示针对Req帧的响应的响应回送信号。FollowUp帧是从主端发送到从属端，对从属端通知Resp帧的发送时刻的信号。
相互发送接收上述4种帧，通过下述(1)式，计算单程的传送延迟时间Td。此处，假设为上行的传送延迟时间和下行的传送延迟时间相等而计算。
Td＝{(T2-T1)+(T4-T3)}/2···(1)式
根据计算出的传送延迟时间(Td)，通过下述(2)式，计算保护继电装置11-1、11-2各自的时钟部之间的同步误差(ΔT)。
ΔT＝(T2-T1)-Td···(2)式
通过针对时钟部113加上或者减去此处所计算出的同步误差(ΔT)，完成校正。
接下来，图4示出从通信部115对网络13-1发送的电量帧以及同步帧的发送定时。在取得电量数据后立即发送电量帧，相对于此，在从采样定时起的恒定时间(Ta)后的变动容许时间(Tb)内发送同步帧。该变动容许时间(Tb)能够根据保护继电装置11-1～11-3的同步控制的容许精度来计算，根据装置的晶体振荡器精度以及在装置之间所需的同步精度，决定同步控制间隔，将发送的同步帧的通信时间的n倍时间设为变动容许时间(Tb)。即，发送同步帧的定时(Tc)通过下述(3)式表示。此处的K是由随机数制作部118制作了的随机数，满足0≦K≦1。
Tc＝Ta+(Tb×K)···(3)式
根据本实施方式，根据由各保护继电装置决定的随机数，来决定发送同步帧的定时，从而在保护继电系统1的中继设备12-1、12-2等中，能够抑制由于同步帧的中继处理重复而产生的传送延迟时间。即，通过各保护继电装置之间的时钟部的同步精度提高，能够抑制保护继电装置的误动作。
另外，在本实施方式中，在从采样定时起的恒定时间(Ta)后，设定变动容许时间(Tb)。关于该恒定时间(Ta)，通过发送侧的保护继电装置11-1将电量帧设定为在发送处理中所需的时间以上，能够减少电量帧的发送处理对同步帧的发送处理造成的影响。
另外，通过将变动容许时间(Tb)设定为按照恒定周期发送的同步帧的通信时间的n倍时间，从其他装置发送了的同步帧在中继设备中发生冲突的概率能够成为约1/n。
另外，同步帧处理部117保持有随机数制作部118制作了的随机数，在连续取得了同一随机数的情况下，再次取得随机数，通过采用这样的结构，能够进一步提高保护继电装置11-1～11-3的同步精度。
另外，同步帧处理部117也可以将通过(1)式计算出的传送延迟时间(Td)随时存储到未图示的存储部，比较过去的传送延迟时间中的最小的最小延迟时间和计算出的传送延迟时间(Td)。在最小延迟时间和计算出的传送延迟时间(Td)之差为事先设定的阈值以上的情况下，不使用该传送延迟时间(Td)来校正时钟部113。通过采用这样的结构，能够不使用在发生了传送异常的情况等传送延迟时间(Td)比正常时更大的情况下的数据而对时钟部进行同步控制，进一步实现精度的提高。
但是，在采用如上所述地存储Td而与最小延迟时间进行比较的结构的情况下，由于网络、中继设备的不良状况而通信路径变化，在路径变化之后需要进行同步控制，所以在上述中不用于校正的Td也作为样本而存储到存储部。存储部存储恒定过去相当量，但如果样本少，则采用包含了中继延迟变动的Td的机会增加而同步精度变得不稳定，如果采样数多，则直至追踪由路径变更所致的传送延迟时间的变化为止的所需时间增加。关于存储的采样数，按照上述同样的考虑方法，根据必要的装置间同步精度和同步控制间隔决定必须追踪路径变更的时间，所以通过将该期间除以同步通信周期而求出适合的采样数。
另外，在本实施方式中，为了简化，将电量帧和同步帧记载为独立的数据帧，但电量帧和同步帧也可以是同一帧，在该情况下，将附加了同步标志的帧作为同步帧来进行处理，根据随机数决定发送定时。
(第2实施方式)
使用图5，说明第2实施方式的保护继电装置。对与第1实施方式相同的结构附加同一符号，省略说明。与第1实施方式不同之处在于，代替随机数制作部118而具备存储部119，代替同步帧处理部117而具备同步帧处理部117-1这一点。
同步帧处理部117-1经由通信部115、网络13-1对保护继电装置11-2、11-3发送同步帧。此处，发送同步帧的定时(Tc)是在从采样定时起的恒定时间(Ta)后的变动容许时间(Tb)内。
在该变动容许时间(Tb)内，在从上次的同步帧的发送定时加上了加法时间(Δt)的定时发送。即，如果将初次的发送定时(Tc1)设为从采样定时起的“恒定时间(Ta)后”，则关于第2次的发送定时(Tc2)，在从采样定时起的“恒定时间(Ta)+加法时间(Δt)”后发送。
然后，在第n次(此处将变动容许时间(Tb)除以加法时间(Δt)而得到的值设为n)，发送定时(Tcn)成为“恒定时间(Ta)+加法时间(Δt)×(n-1)”。
图6示出上述发送定时。在取得电量数据后立即发送电量帧，相对于此，在从采样定时起的恒定时间(Ta)后的变动容许时间(Tb)内发送同步帧，发送定时每次延迟加法时间(Δt)。
然后，在各个发送定时(Tc)下发送同步帧，通过第1实施方式所示的(1)式，计算传送延迟时间Td。
存储部119将同步帧处理部117过去计算出的传送延迟时间中的最小的值存储为最小延迟时间。即，同步帧处理部117比较计算出的传送延迟时间(Td)、和在存储部119中存储了的最小延迟时间，如果传送延迟时间(Td)更小，则将该值改写为最小延迟时间。此时，一并地存储有同步帧的发送定时(Tc)。即，检索成为传送延迟时间(Td)最小的最小延迟时间的同步帧的发送定时。
然后，同步帧处理部117中的、第(n+1)次以后的同步帧的定时固定地使用在存储部119中存储了的成为最小延迟时间的发送定时。
根据本实施方式，通过使同步帧处理部117发送同步帧的定时每次按加法时间变化，能够决定传送延迟时间(Td)为最小的定时。在决定之后，通过使用成为最小的发送定时，在保护继电系统1的中继设备12-1、12-2等中，能够抑制由于重复同步帧的中继处理而产生的传送延迟时间。即，通过各保护继电装置之间的时钟部的同步精度提高，能够抑制保护继电装置的误动作。
另外，在本实施方式中，传送延迟时间(Td)是计算时间点的网络结构、通信负载的传送延迟时间，如果使端子数增减、变更数据帧数/帧长/通信周期/通信方式(单播、多播)等，则传送延迟时间(Td)也变化。因此，在存在与这些通信有关的变更的情况下，通过删除在存储部119中存储了的最小延迟时间，再次进行上述第1次～第n次的动作，在变更之后也能够实现高精度的同步。
另外，关于上述同步方法，主端为主导，通过Poll帧进行同步通信，所以与同步帧冲突的帧限于电量帧等固定送出的帧，所以各终端送出的同步帧不冲突(不需要终端之间的协调)。但是，根据时刻同步方式，还有从属端主导的情形。在该情况下，各从属端在任意定时下相互发送同步帧，所以存在同步帧彼此冲突的可能性。关于从属端主导的优点，可以举出：由于不需要Poll帧，所以能够削减通信负载；由于是从属端主导，所以能够根据各个从属端需要的同步精度以及各个从属端的时钟精度设定同步通信周期(某个终端的时钟精度低，所以需要100ms周期的同步通信+同步校正，其他终端的时钟精度高，所以需要10秒周期等)。
在本实施方式中，求出电量帧等始终通信/通过的期间以外的期间，但始终实施同步通信的情形少(根据终端的时钟精度和必要的同步精度来决定通信周期)，所以即使在从属端主导的方式中如上述实施方式那样求出最小延迟时间，也有与其他终端送出了的同步帧冲突的可能性。
如果与从其他终端送出了的同步帧冲突，则计算的传送延迟时间(Td)变化而与最小延迟时间不一致，所以再次如第1次～第n次那样进行再检索即可。但是，由于在同步帧彼此的冲突中在多个终端中检测Td变化，所以如果分别同时再检索，则即使对发送定时加上了加法时间量，在同步通信周期相同的情况下，每次帧都发生冲突。
为了回避这一情况，如果与最小延迟时间的不一致持续m次，则开始再检索即可。关于m次的设定，留用各终端具有的终端编号、IP地址的主机地址的一部分等，设为不易重复的数值即可，只要是同一系统内，则预先设定优先编号即可。作为其他方法，通过以使得在上述第1次～第n次的动作中检索最小延迟时间时的加到发送延迟的单位、同步通信周期在各终端不重复的方式，从上述终端编号、主机地址的一部分留用，也能够避免帧冲突持续。
(第3实施方式)
使用图7，说明本发明的第3实施方式的保护继电系统的结构。图7是示出保护3个端子的输电线的保护继电系统的框图。
保护继电系统1具备保护继电装置11-1～11-3、中继设备12-1～12-2以及网络13-1～13-4。
保护继电装置11-1～11-3分别与在端子2-1～2-3附近设置了的变流器3-1～3-3连接，取得电量数据。另外，保护继电装置11-1～11-3分别经由网络13-1～13-4以及中继设备12-1～12-2进行通信，进行数据帧的发送接收。此处，在保护继电装置11-1～11-3之间发送接收的数据帧是包括由变流器3-1～3-3取得了的电量数据的电量帧、用于进行各个保护继电装置11-1～11-3之间的时刻同步的同步帧。
使用图8，说明保护继电装置11-1的内部结构。图8是示出保护继电装置11-1的功能结构的功能框图。
保护继电装置11-1具备输入变换部111、模拟数字变换部(以下A/D变换部)112、时钟部113、电量帧处理部114、通信部115、以及继电器运算部116。在端子2-2、2-3中设置的保护继电装置11-2、11-3都具备与保护继电装置11-1相同的结构，所以省略以下的说明。
输入变换部111将由变流器3-1取得了的电量数据作为模拟数据输入。
A/D变换部112与时钟部113产生的采样定时相符合地对输入到输入变换部111的模拟数据的电量数据进行采样，变换为数字数据。
电量帧处理部114将通过A/D变换部112变换为数字数据的电量数据经由通信部115、网络13-1、其他中继设备，作为电量帧发送到保护继电装置11-2、11-3。另外，电量帧处理部114经由网络13-1、通信部115接收从保护继电装置11-2、11-3发送了的数字数据的电量帧。在此处接收的电量帧中，存储由端子2-2、2-3的变流器3-2、3-3取得了的电量数据。
此时，每当接收电量帧时，保持接收时刻，在上次从相同的发送源接收到的电量帧的接收时刻和本次的接收时刻的时间差为事先设定的阈值(K1)以上的情况下，丢弃本次接收到的电量帧。即，从相同的发送源的保护继电装置定期地接收电量帧，但在接收时刻的间隔为阈值(K1)以上的情况下，判断为在装置之间的网络中发生了异常，丢弃异常的电量帧。此处的阈值K1例如被表示为K1＝(发送源保护继电装置的发送周期)+α。
继电器运算部116根据由A/D变换部112进行了数字变换的端子2-1的电量数据、和由电量帧处理部114接收到的电量帧中储存了的端子2-2、2-3的电量数据，进行电流差动运算。
根据本实施方式，在电量帧的接收时刻的间隔为阈值以上的情况下，通过丢弃电量帧，无需使用有可能发生网络内的帧冲突等网络异常的电量帧而能够进行继电器运算。因此，能够抑制保护继电装置11-1的误动作。
另外，在本实施方式中，在电量帧的接收间隔为阈值以上的情况下，丢弃了帧，但作为丢弃的对象的帧不限于电量帧，也可以是同步帧，当在该情况下接收间隔也同样为阈值以上的情况下，丢弃同步帧。
进而，即使在如第1实施方式所述地根据随机数决定同步帧的发送定时的情况下，也能够应用本实施方式，该情况的阈值(K2)被表示为K2＝(发送源保护继电装置的发送周期)+(变动容许时间(T2))+α。
根据本发明的实施方式，其目的在于，提供一种能够实现装置之间的高精度的时刻同步的保护继电系统、保护继电装置以及时刻同步方法。
以上，说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式仅作为例子而提出，并非旨在限定发明的范围。这些新的实施方式能够按照其他各种方式来实施，能够在不脱离发明的要旨的范围内，进行各种省略、置换、变更。这些实施方式、其变形包含于发明的范围、要旨内，并且包含于权利要求书记载的发明和其均等范围内。

Claims (4)

1.一种保护继电系统，具备多个根据电力系统的电量数据进行电力系统的保护的保护继电装置，在所述保护继电装置之间使用网络进行通信，所述保护继电系统的特征在于，
所述保护继电装置具备：
时钟部，定期地记录对电力系统的电量进行采样的定时；
继电器运算部，根据与所述时钟部记录的定时相符合地采样而得到的所述电量数据、和经由所述网络从其他保护继电装置接收到的电量帧中储存了的电量数据，进行继电器运算；
随机数制作部，制作随机数；以及
同步帧处理部，根据由所述随机数制作部制作了的随机数，决定将同步帧经由所述网络发送到其他保护继电装置的定时，
所述同步帧处理部在从发送储存进行采样而得到的所述电量数据的电量帧的定时起的事先设定的恒定时间之后，决定发送所述同步帧的定时。
2.根据权利要求1所述的保护继电系统，其特征在于，
所述同步帧处理部在从所述随机数制作部连续取得同一随机数的情况下，根据再次取得的随机数来决定所述定时。
3.根据权利要求1或者2所述的保护继电系统，其特征在于，
所述同步帧处理部在事先设定的变动容许时间内，决定发送所述同步帧的定时。
4.一种保护继电装置，根据电力系统的电量数据进行电力系统的保护，使用网络与其他装置进行通信，所述保护继电装置的特征在于，具备：
时钟部，定期地记录对电力系统的电量进行采样的定时；
继电器运算部，根据与所述时钟部记录的定时相符合地采样而得到的所述电量数据、和经由所述网络从其他保护继电装置接收到的电量帧中储存了的电量数据，进行继电器运算；
随机数制作部，制作随机数；以及
同步帧处理部，根据由所述随机数制作部制作了的随机数，决定将同步帧经由所述网络发送到其他保护继电装置的定时，
所述同步帧处理部在从发送储存进行采样而得到的所述电量数据的电量帧的定时起的事先设定的恒定时间之后，决定发送所述同步帧的定时。
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