CN113488962A - 一种差动保护的采样同步控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动保护的采样同步控制系统及方法，属于电力系统继电保护技术领域，包括：包括部署在电网端各节点的差动保护装置，差动保护装置包括线路差动保护模块、外部授时模块和通讯模块，线路差动保护模块输出端与通讯模块连接、输入端与外部授时模块连接，其中：线路差动保护模块用于采集所在节点的电气信息、进行逻辑运算以及控制断路器跳合闸；外部授时模块用于完成所在节点的授时；通讯模块用于按照设定频度向其他节点发送数据报文。本发明实现差动保护的采样同步能够跟随交流系统实时频率进行整数倍倍频采样同步控制，计算小负载轻，对硬件性能要求较低。

Description

一种差动保护的采样同步控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，特别涉及一种差动保护的采样同步控制系统及方法。

背景技术

差动保护具有择性好、快速、灵敏等优点，所以高压特高压输电线路保护中光纤差动保护已成为标准配置。近年来为了提升城市配电网的供电可靠性，在中压配电网电缆线路中采用差动保护的现场应用也在逐年增加。随着5G通讯技术的不断成熟，在光纤通讯未覆盖地区，采用基于5G无线通讯的中压配电网线路差动保护也在成为技术趋势。

对于差动保护，各端模拟量采样的同步问题是关键基础技术，成熟的采样同步方法可归纳为三类：基于数据通道的同步方法、基于外部精确授时的同步方法和基于参考向量的同步方法。

基于数据通道的采样同步方法依赖于光纤等通讯时延稳定性高、时延抖动极小的通讯手段，不适用于5G无线通讯等通讯时延在5～10ms左右且时延抖动不稳定的应用场景。

基于外部精确授时的同步方法各节点均将外部精确授时秒脉冲分频形成采样脉冲，虽然能够很好实现所有节点的采样同步，但由于采样频率与交流电力系统实时频率不相关，且交流电力系统实时频率存在很小范围的波动性，所以计算模拟量时必须借助于插值运算或其他复杂重采样算法，增加了硬件性能要求和软件运算量。另外完全基于外部精确授时的同步方法，在外部精确授时信号不稳定跳变的情况下容易引发采样同步混乱风险。

基于参考向量的同步方法不依赖于高稳定通讯通道和外部精确授时，但由于受输电线路阻抗、采样精度、计算精度等因素影响，所以在同步精度上有一定损失，不适用于对同步要求高、动作速度快的采样点差动保护。如果基于电压相量的话还会受节点PT断线影响，再是基于参考向量的同步方法不适用于直流电网应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种适用于5G通讯差动保护的采样同步控制方法。

为实现以上目的，一方面，本发明采用一种差动保护的采样同步控制系统，包括部署在电网端各节点的差动保护装置，差动保护装置包括线路差动保护模块、外部授时模块和通讯模块，线路差动保护模块输出端与通讯模块连接、输入端与外部授时模块连接，其中：

线路差动保护模块用于采集所在节点的电气信息、进行逻辑运算以及控制断路器跳合闸；

外部授时模块用于完成所在节点的授时；

通讯模块用于按照设定频度向其他节点发送数据报文，数据报文携带的数据信息包括主节点标志、节点号、外部授时标志、本节点系统频率、采样同步标志、采样序号和采样点时间标签、三相电压数据、三相电流数据、开关量以及逻辑控制信息。

进一步地，所述电网端各节点部署一套或两套所述差动保护装置。

进一步地，所述电网为纯交流电网、纯直流电网或交直流混合电网。

另一方面，采用一种差动保护的采样同步控制方法，用于对上述差动保护的采样同步控制系统进行控制，包括：

差动保护装置复位初始化，闭锁差动保护，生成内部时钟秒脉冲信号，初始化本节点为从节点及初始化本节点系统频率，置位主节点标志无效，置位本节点的外部授时标志无效，置位本节点的时钟同步标志无效；

根据所述电网类型，确定主节点；

从节点根据通讯接收到的主节点系统频率，设定其采样频率为主节点系统频率的K倍进行本节点模拟量采样；

在确认外部授时信号稳定后，执行内部时钟秒脉冲与外部授时秒脉冲缓同步操作，置位外部授时标志有效；

判断外部授时标志是否有效；

若否，则执行缓同步操作，置位外部授时标志有效；

若是，判断时钟同步标志是否有效；

若否，在所有节点外部授时标志置位有效时，置位本节点时钟同步标志有效；

若是，从节点根据通讯接收到的主节点采样序号和采样点时间标签，计算采样时刻偏差，调整从节点采样时刻至与主节点同步。

进一步地，所述根据所述电网类型，确定主节点，包括：

a)所述差动保护装置初始化时，先将本节点采样频率设定为已预设本地区交流电网系统额定频率的K倍，进行本节点模拟量采样；

b)判断所述本节点的所属电网类型，若属于纯直流电网则执行步骤c)，若属于交直流混合电网则执行步骤d)，若属于纯交流电网则执行步骤e)；

c)按照1-N顺序递进选择所述差动保护装置正常工作的节点作为主节点，然后执行步骤h)；

d)将其中直流电网节点设置为从节点然后执行步骤h)，将其中交流电网节点执行步骤e)；

e)采集系统实时频率，并判断系统实时频率是否有效，若是则执行步骤f)，若否则执行步骤h)；

f)按照1-N的顺序递进，选择本节点系统频率有效的节点作为主节点；

g)若交流电网所有节点采集的系统实时频率均无效，则按照1-N顺序递进选择所述差动保护装置正常工作的节点作为主节点，然后执行步骤h)；

h)若主节点系统频率有效，则设置从节点的采样频率为主节点系统频率的K倍，进行本节点模拟量采样；否则设置从节点的采样频率为已预设本地区交流电网系统额定频率的K倍，进行本节点模拟量采样。

进一步地，所述在确认外部授时信号稳定后，执行内部时钟秒脉冲与外部授时秒脉冲缓同步操作，置位外部授时标志有效，包括：

在所述外部授时信号稳定后，所述内部时钟秒脉冲以小于或等于授时抖动允许值为步长，逐步缩小与所述外部授时秒脉冲的时间差，直至所述内部时钟秒脉冲与所述外部授时秒脉冲同步；

在缓同步操作执行完成后，置位所述外部授时标志有效。

进一步地，所述判断外部授时标志是否有效，包括：

判断所述外部授时秒脉冲周期抖动是否在授时抖动允许值内；

若是，则调整所述内部时钟秒脉冲保持与所述外部授时秒脉冲同步，确定所述外部授时标志有效；

若否，则置位所述外部授时标志无效，所述内部时钟秒脉冲自维持守时。

进一步地，所述判断时钟同步标志是否有效，包括：

判断所述电网的各节点外部授时标志是否均置位有效；

若是，则置位本节点时钟同步标志有效；

若否，则置位本节点时钟同步标志无效。

进一步地，对于多端差动保护，所述步骤f)按照1-N的顺序递进，选择本节点系统频率有效的节点作为主节点，为：

按照1-N的顺序递进，选择本节点系统频率有效且断路器有流或合位的节点作为主节点。

进一步地，还包括：

所述差动保护装置复位初始化时，置位本节点采用同步标志无效；

在本节点所述时钟同步标志有效时，所述从节点根据通讯接收到的主节点采样序号和采样点时间标签，计算相同采样序号和采样点时间标签的本节点与主节点的采样时刻偏差；

根据采样时刻偏差调整从节点的采样时刻，直至相同采样序号和采样点时间标签的本节点与主节点的的采样时刻偏差在采样时刻偏差允许值范围内，并置位本节点采样同步标志有效。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明可实现差动保护的采样同步能够跟随交流系统实时频率进行整数倍倍频采样同步控制，方便采用积分运算、傅里叶运算等计算模拟量数据，无需复杂的插值运算，软件计算量小负载轻，且对硬件性能要求较低。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种差动保护的采样同步控制系统的结构图；

图2是一种差动保护的采样同步控制方法的整体流程图。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1所示，本实施例公开了一种差动保护的采样同步控制系统，包括部署在电网端各节点的差动保护装置，差动保护装置包括线路差动保护模块、外部授时模块和通讯模块，线路差动保护模块输出端与通讯模块连接、输入端与外部授时模块连接，其中：

线路差动保护模块用于采集所在节点的电气信息、进行逻辑运算以及控制断路器跳合闸；

外部授时模块用于完成所在节点的授时；

通讯模块用于按照设定频度向其他节点发送数据报文，数据报文携带的数据信息包括主节点标志、节点号、外部授时标志、本节点系统频率、采样同步标志、采样序号和采样点时间标签、三相电压数据、三相电流数据、开关量以及逻辑控制信息。

需要说明的是，本实施例中通讯模块采用5G通讯模块，基于5G通讯网络完成线路各端的差动保护装置间数据通讯，各节点以每采样间隔或每周波或每半周波一次的频度，向本差动保护的其他节点发送数据报文。

作为进一步优选的技术方案，差动保护每一端节点部署一套差动保护装置，或者每一端节点部署两套差动保护装置构成双重化差动保护系统。

作为进一步优选的技术方案，所述电网为纯交流电网、纯直流电网或交直流混合电网。

如图2所示，本实施例公开了一种差动保护的采样同步控制方法，用于对上述实施例公开的差动保护的采样同步控制系统进行控制，包括如下步骤S1至S9：

S1、差动保护装置复位初始化，闭锁差动保护，生成内部时钟秒脉冲信号，初始化本节点为从节点及初始化本节点系统频率，置位主节点标志无效，置位本节点的外部授时标志无效，置位本节点的时钟同步标志无效；

S2、根据所述电网类型，确定主节点；

S3、从节点根据通讯接收到的主节点系统频率，设定其采样频率为主节点系统频率的K倍进行本节点模拟量采样；

需要说明的是，每个节点的差动保护装置复位初始化时，均先默认本节点为从节点，置位“主节点标志”无效，强制“本节点系统频率”为0Hz，并按交流电网系统额定频率的固定整数倍K倍设定本节点采样频率，进行本节点模拟量采样。此处，固定整数倍K值一般从12、16、20及其整数倍中选择。

S4、在确认外部授时信号稳定后，执行内部时钟秒脉冲与外部授时秒脉冲缓同步操作，置位外部授时标志有效；

S5、判断外部授时标志是否有效，若否执行步骤S6，若是执行步骤S7；

S6、执行缓同步操作，置位外部授时标志有效；

S7、判断时钟同步标志是否有效，若否执行步骤S8，若是执行步骤S9；

S8、在所有节点外部授时标志置位有效时，置位本节点时钟同步标志有效；

S9、从节点根据通讯接收到的主节点采样序号和采样点时间标签，计算采样时刻偏差，调整从节点采样时刻至与主节点同步。

作为进一步优选的技术方案，所述步骤S2：根据所述电网类型，确定主节点，包括如下细分步骤：

a)所述差动保护装置初始化时，先将本节点采样频率设定为已预设本地区交流电网系统额定频率的K倍，进行本节点模拟量采样；

b)判断所述本节点的所属电网类型，若属于纯直流电网则执行步骤c)，若属于交直流混合电网则执行步骤d)，若属于纯交流电网则执行步骤e)；

c)按照1-N顺序递进选择所述差动保护装置正常工作的节点作为主节点，然后执行步骤h)；

d)将其中直流电网节点设置为从节点然后执行步骤h)，将其中交流电网节点执行步骤e)；

e)采集系统实时频率，并判断系统实时频率是否有效，若是则执行步骤f)，若否则执行步骤h)；

f)按照1-N的顺序递进，选择本节点系统频率有效的节点作为主节点；

g)若所有节点采集的系统实时频率均无效，则按照1-N顺序递进选择所述差动保护装置正常工作的节点作为主节点，然后执行步骤h)；

h)若主节点系统频率有效，则设置从节点的采样频率为主节点系统频率的K倍，进行本节点模拟量采样；否则设置从节点的采样频率为已预设本地区交流电网系统额定频率的K倍，进行本节点模拟量采样。

需要说明的是，当应用于交流电网时，根据本节点交流电压采集系统实时频率，若采集到的系统实时频率稳定有效，将“本节点系统频率”更新为系统实时频率，并按系统实时频率的固定整数倍K倍设定本节点采样频率，进行本节点模拟量采样。然后按1～N的顺序递进，选择“本节点系统频率”正常的节点成为主节点。

应用于交流电网时，当本节点无法通过交流电压有效获取系统实时频率时，强制“本节点系统频率”为0Hz，若本节点为主节点则置位“主节点标志”无效，再重新按1～N顺序递进选择“本节点系统频率”正常的节点成为主节点。在此过程中所有节点仍然维持之前采样频率不变。若所有节点“本节点系统频率”均为0Hz，则按1～N的顺序递进选择正常工作的节点成为主节点，所有节点按已预设本地区交流电网系统额定频率的固定整数倍K倍设定本节点采样频率，进行模拟量采样。

当应用于全直流电网时，按1～N的顺序递进选择硬件装置正常工作的节点成为主节点。

当差动保护各节点分布于交直流混合电网时，交流电网端各节点装置按1～N的顺序递进，选择差动保护装置正常的节点成为主节点进行主节点选定，直流电网端节点始终作为从节点。

主节点确认后，从节点重新按照通讯接收到主节点“本节点系统频率”的固定整数倍K倍设定本节点采样频率，由此实现差动保护各节点的采样频率、采样间隔完全一致

作为进一步优选的技术方案，所述步骤S4：在确认外部授时信号稳定后，执行内部时钟秒脉冲与外部授时秒脉冲缓同步操作，置位外部授时标志有效，包括：

在所述外部授时信号稳定后，所述内部时钟秒脉冲以小于或等于授时抖动允许值为步长，逐步缩小与所述外部授时秒脉冲的时间差，直至所述内部时钟秒脉冲与所述外部授时秒脉冲同步；

在缓同步操作执行完成后，置位所述外部授时标志有效。

作为进一步优选的技术方案，所述判断外部授时标志是否有效，包括：

判断所述外部授时秒脉冲周期抖动是否在授时抖动允许值内；

若是，则调整所述内部时钟秒脉冲保持与所述外部授时秒脉冲同步，确定所述外部授时标志有效；

若否，则置位所述外部授时标志无效，所述内部时钟秒脉冲自维持守时。

作为进一步优选的技术方案，所述判断时钟同步标志是否有效，包括：

判断所述电网的各节点外部授时标志是否均置位有效；

若是，则置位本节点时钟同步标志有效；

若否，则置位本节点时钟同步标志无效。

作为进一步优选的技术方案，对于多端差动保护应用，为了避免某一节点断路器退出运行时成为主节点，造成差动保护系统错误采用了非并网母线的系统实时频率，选择主节点时应增加断路器有流或合位辅助条件，即按1～N顺序递进选择“本节点系统频率”正常、且断路器有流或合位的节点成为主节点。对仅用于双端节点的差动保护不必考虑断路器有流或合位。

作为进一步优选的技术方案，还包括如下步骤：

1)每个节点的差动保护装置在每次采样时刻记录该采样点的采样序号和采样点时间标签，采样序号在每一次内部时钟秒脉冲上升沿时刻归零、每次采样时加一，采样点时间标签由该采样点时刻距离最新内部时钟秒脉冲上升沿的时间间隔生成。

2)每个节点装置复位初始化时，均先置位本节点“采样同步标志”无效，在本节点“时钟同步标志”有效状态下，从节点根据通讯接收到的主节点采样序号和采样点时间标签，计算出相同采样序号采样点本节点与主节点的采样时刻偏差，然后根据采样时刻偏差重新调整从节点采样时刻，直至相同采样序号采样点本节点与主节点的采样时刻偏差在“采样时刻偏差允许值”范围内，此时置位本节点“采样同步标志”有效。由此实现差动保护的所有从节点，其相同采样序号采样点的采样时刻均与主节点同步。

从节点在“采样同步标志”有效状态下，当相同采样序号采样点本节点与主节点的采样时刻偏差超出“采样时刻偏差允许值”但还在“采样时刻偏差可调整值”范围内，从节点重新调整采样时刻使采样时刻偏差重新回到“采样时刻偏差允许值”范围内；否则置位本节点“采样同步标志”无效，并重新执行步骤1)实现采样同步。

从节点在“采样同步标志”有效状态下，若本节点“时钟同步标志”失效超过设定小时数，置位本节点“采样同步标志”无效，待本节点“时钟同步标志”有效后，再重新执行步骤1)实现采样同步。

需要说明的是，在差动保护所有节点“采样同步标志”均已置位有效时，本节点差动保护才解除闭锁投入运行；若任一节点“采样同步标志”被置位无效，立即闭锁本节点差动保护。

本发明具有如下有益效果：

1)不需复杂插值运算。所有节点采样频率均是交流电网实时频率的固定整数倍K倍，可方便采用积分运算、傅里叶运算等计算模拟量数据，完全不需要复杂的插值运算，软件计算量小负载轻、硬件性能要求较低。

由于系统正常运行过程中，差动保护不同节点的频率差异可忽略不计，并且在通讯时延时间内的系统实时频率变化可忽略不计，所以采用本采样同步控制方法，能够保证差动保护不同节点都能实现以电力系统实时频率固定整数倍的采样频率进行采样，并且不同节点间的采样序号和采样时刻完全达到同步要求。

2)对通讯通道的时延和时延抖动要求低。在5G通讯状态下即能够良好实现异地装置的采样同步，该采样同步控制方法同时也适用于智能变电站中经交换机网络传输SV数据的通讯时延抖动不稳定情形。

3)采样同步精度高。基于与稳定外部精确授时秒脉冲一致的内部时钟秒脉冲，能够实现微秒级甚至更高精度采样同步。

4)具有更高的同步可靠性和同步维持时间。采样同步一旦建立，主要依赖于精确的内部时钟秒脉冲维持同步，而不依赖于外部精确授时，此时即使短时间出现外部精确授时抖动、失效、甚至紊乱，都不会影响整个系统维持采样同步。

5)不受PT断线影响。当主节点PT断线无法获取系统实时频率时，主节点控制权主动出让，差动保护频率跟踪采样不会受PT断线影响。

6)既适用于纯交流电网，也适用于纯直流电网，同时也适用于交直流混合电网。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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)

1.一种差动保护的采样同步控制系统，其特征在于，包括部署在电网端各节点的差动保护装置，差动保护装置包括线路差动保护模块、外部授时模块和通讯模块，线路差动保护模块输出端与通讯模块连接、输入端与外部授时模块连接，其中：

线路差动保护模块用于采集所在节点的电气信息、进行逻辑运算以及控制断路器跳合闸；

外部授时模块用于完成所在节点的授时；

通讯模块用于按照设定频度向其他节点发送数据报文，数据报文携带的数据信息包括主节点标志、节点号、外部授时标志、本节点系统频率、采样同步标志、采样序号和采样点时间标签、三相电压数据、三相电流数据、开关量以及逻辑控制信息。

2.如权利要求1所述的差动保护的采样同步控制系统，其特征在于，所述电网端各节点部署一套或两套所述差动保护装置。

3.如权利要求1所述的差动保护的采样同步控制系统，其特征在于，所述电网为纯交流电网、纯直流电网或交直流混合电网。

4.一种差动保护的采样同步控制方法，其特征在于，用于对如权利要求1-3任一项所述的系统进行控制，包括：

差动保护装置复位初始化，闭锁差动保护，生成内部时钟秒脉冲信号，初始化本节点为从节点及初始化本节点系统频率，置位主节点标志无效，置位本节点的外部授时标志无效，置位本节点的时钟同步标志无效；

根据所述电网类型，确定主节点；

从节点根据通讯接收到的主节点系统频率，设定其采样频率为主节点系统频率的K倍进行本节点模拟量采样；

在确认外部授时信号稳定后，执行内部时钟秒脉冲与外部授时秒脉冲缓同步操作，置位外部授时标志有效；

判断外部授时标志是否有效；

若否，则执行缓同步操作，置位外部授时标志有效；

若是，判断时钟同步标志是否有效；

若否，在所有节点外部授时标志置位有效时，置位本节点时钟同步标志有效；

若是，从节点根据通讯接收到的主节点采样序号和采样点时间标签，计算采样时刻偏差，调整从节点采样时刻至与主节点同步。

5.如权利要求4所述的差动保护的采样同步控制方法，其特征在于，所述根据所述电网类型，确定主节点，包括：

a)所述差动保护装置初始化时，先将本节点采样频率设定为已预设本地区交流电网系统额定频率的K倍，进行本节点模拟量采样；

b)判断所述本节点的所属电网类型，若属于纯直流电网则执行步骤c)，若属于交直流混合电网则执行步骤d)，若属于纯交流电网则执行步骤e)；

c)按照1-N顺序递进选择所述差动保护装置正常工作的节点作为主节点，然后执行步骤h)；

d)将其中直流电网节点设置为从节点然后执行步骤h)，将其中交流电网节点执行步骤e)；

e)采集系统实时频率，并判断系统实时频率是否有效，若是则执行步骤f)，若否则执行步骤h)；

f)按照1-N的顺序递进，选择本节点系统频率有效的节点作为主节点；

g)若交流电网所有节点采集的系统实时频率均无效，则按照1-N顺序递进选择所述差动保护装置正常工作的节点作为主节点，然后执行步骤h)；

h)若主节点系统频率有效，则设置从节点的采样频率为主节点系统频率的K倍，进行本节点模拟量采样；否则设置从节点的采样频率为已预设本地区交流电网系统额定频率的K倍，进行本节点模拟量采样。

6.如权利要求4所述的差动保护的采样同步控制方法，其特征在于，所述在确认外部授时信号稳定后，执行内部时钟秒脉冲与外部授时秒脉冲缓同步操作，置位外部授时标志有效，包括：

在所述外部授时信号稳定后，所述内部时钟秒脉冲以小于或等于授时抖动允许值为步长，逐步缩小与所述外部授时秒脉冲的时间差，直至所述内部时钟秒脉冲与所述外部授时秒脉冲同步；

在缓同步操作执行完成后，置位所述外部授时标志有效。

7.如权利要求4所述的差动保护的采样同步控制方法，其特征在于，所述判断外部授时标志是否有效，包括：

判断所述外部授时秒脉冲周期抖动是否在授时抖动允许值内；

若是，则调整所述内部时钟秒脉冲保持与所述外部授时秒脉冲同步，确定所述外部授时标志有效；

若否，则置位所述外部授时标志无效，所述内部时钟秒脉冲自维持守时。

8.如权利要求4所述的差动保护的采样同步控制方法，其特征在于，所述判断时钟同步标志是否有效，包括：

判断所述电网的各节点外部授时标志是否均置位有效；

若是，则置位本节点时钟同步标志有效；

若否，则置位本节点时钟同步标志无效。

9.如权利要求5所述的差动保护的采样同步控制方法，其特征在于，对于多端差动保护，所述步骤f)按照1-N的顺序递进，选择本节点系统频率有效的节点作为主节点，为：

按照1-N的顺序递进，选择本节点系统频率有效且断路器有流或合位的节点作为主节点。

10.如权利要求4所述的差动保护的采样同步控制方法，其特征在于，还包括：

所述差动保护装置复位初始化时，置位本节点采用同步标志无效；

在本节点所述时钟同步标志有效时，所述从节点根据通讯接收到的主节点采样序号和采样点时间标签，计算相同采样序号和采样点时间标签的本节点与主节点的采样时刻偏差；

根据采样时刻偏差调整从节点的采样时刻，直至相同采样序号和采样点时间标签的本节点与主节点的的采样时刻偏差在采样时刻偏差允许值范围内，并置位本节点采样同步标志有效。

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