CN113659545A - 一种配电网5g差动保护采样数据插值同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法及系统，本发明首先配电终端通过读取GPS模块的时钟信号，进而完成装置对时；然后各配电终端采集环网柜内各间隔的采样数据，并标记相应时刻的采样序号，结合PPS秒脉冲，运用插值算法实现本侧与对侧采样数据的同步；最后将同步后的本侧与对侧SV采样数据，再次运用插值算法，计算出同一绝对时刻的同步采样数据，用于差动保护逻辑运算。本发明解决了由于5G通信的通道延时的不确定性，双向延时不相等，无法使用基于数据通道的同步方法实现采样数据同步的问题。

Description

一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统数据处理技术领域，尤其涉及一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法及系统。

背景技术

目前，传统线路光纤差动保护采用高级数据链路控制协议(Hight-Level DataLink Control，以下简称“HDLC”)进行数据通信，运用基于数据通道的同步方法调整采样时刻实现采样数据同步。基于数据通道的同步方法也叫乒乓法，包括采样时刻调整法、采样数据修正法和时钟校正法，该方法首先进行通道延时的测量，然后对时刻或者时钟进行修正，最终达到数据对时同步的目的。该方法允许保护单元独立采样，但要求具有相同的采样频率，应用的前提是有确定性的传输通道，通道双向收发延时相等，误差不超过10us，否则将影响数据同步的精度，为保证数据同步的精度，一般需要架设专用信道。

现有较为成熟的数据对时同步方法是基于数据通道的同步方法，其中，对时同步技术是电流差动保护实现的关键技术之一，目前电流差动保护已广泛应用于输电线路的保护，输电网中的对时同步技术已相对成熟。

电流差动保护基于基尔霍夫电流定律，在任何集中电路中，任何时刻，对任一节点所有流出节点的支路电流的代数和恒等于零。配电网差动保护将区段线路看成一个节点运用电流差动保护原理实现对区段线路的故障判别与隔离。配电网差动保护需要通道交互两侧采样数据进行差流计算，需要数据的快速传输以及严格的数据同步，而配电网网架结构庞大且复杂，没有专门的通信信道和时间同步单元，敷设光纤通道成本高，难度大，使用其他通道时延、抖动精度又难以满足要求，随着可靠度高、低时延的5G技术的推广应用，给解决配电网差动保护信息交互带来了新的路径。但由于5G通信信道延时的不确定性，双向延时不相等，无法使用基于数据通道的同步方法实现采样数据同步。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法及系统，该配电网5G差动保护采样数据插值同步方法及系统旨在解决5G差动保护采样数据同步的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法及系统，其中，所述一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法，包括如下步骤：

S1，配电终端读取GPS模块的PPS秒脉冲时钟信号，完成配电终端对时；

S2，配电终端采集环网柜内各个间隔的原始采样数据，并标记相应时刻原始采样数据的采样序号；

S3，根据原始采样数据及其采样序号以及PPS秒脉冲时钟信号，运用拉格朗日插值算法，配电终端对原始采样数据进行插值运算，得到以PPS秒脉冲为起始基准，每一秒钟内都是0-3999采样序号的采样测量值(SampledValue，以下简称SV)数据，并标记相应SV采样数据的采样序号，根据采样序号将该SV采样数据顺序存储，同时通过5G客户终端设备(Customer Premise Equipment，以下简称CPE)将该SV采样数据以61850(SV/GOOSE)通信协议发送至5G基站，同时从5G基站接收对侧配电终端发送的SV采样数据；

S4，配电终端通过SV采样数据的采样序号将本侧与对侧的采样数据进行对齐，实现本侧配电终端SV采样数据与接收对侧配电终端SV采样数据同步；

S5，运用拉格朗日插值算法，将同步后的本侧与对侧配电终端SV采样数据进行插值运算，得到最终同一绝对时刻的同步采样数据，再结合面向通用对象的变电站事件(Generic Object Oriented Substation Event，以下简称GOOSE)传递的开关量信号，完成差动保护逻辑。

进一步地，所述环网柜均配置有配电终端，所述每台配电终端配置有GPS模块和5GCPE。

进一步地，所述采样数据包括但不限于电流、电压模拟量。

进一步地，所述步骤S1具体为：

S11，配电终端通过串口从GPS模块读取GPS或北斗卫星导航系统(Beidoustatellite navigation system，以下简称为BD)时钟信号；

S12，实时检测GPS模块是否有秒脉冲(Pulse Per Second，以下简称为PPS)输出至配电终端；

S13，若没有检测到PPS秒脉冲信号，则进入配电终端自守时逻辑，更新配电终端实时时钟芯片(Real Time Clock，以下简称RTC)时间；若检测到PPS脉冲信号，则比较当前配电终端秒以下时间与PPS秒脉冲的差值是否大于阀值；

S14，若不大于，则进入配电终端自守时逻辑，更新配电终端RTC时间；若大于，则进入时间校准，更新配电终端RTC时间。

进一步地，所述步骤S2中以第一采样率对原始采样数据进行采样，每隔第一时间T1读取一次原始采样数据。

进一步地，所述步骤S2中以256点/周波的采样率对原始采样数据进行采样，每隔78us读取一次原始采样数据。

进一步地，所述步骤S3中，每第二时间T2进行一次拉格朗日插值，将以第一采样率采集的原始采样数据经插值运算得到第二采样率的采样数据。

进一步地，所述步骤S3中，每隔250us进行一次拉格朗日插值，将256点/周波采样率采集的原始采样数据经插值运算的到80点/周波的SV采样数据。

进一步地，所述配电终端内部SV采样缓冲区至少覆盖数据传输的最大通道延时，确保在最大延时的情况下，本侧与对侧SV采样数据在插值回退时能够有对应的历史采样数据进行插值计算。

进一步地，所述步骤S3具体为：

S31，每隔第二时间T2进行一次插值采样，SV采样数据为4K采样率，采样序号在0至3999之间循环，每进行一次插值采样，采样序号依次增加；

S32，各配电终端收到PPS秒脉冲后，比较当前序号是否为0，若不为0，则将本侧SV采样序号置0；若为0，则不进行调整。

进一步地，所述步骤S5中每隔第三时间T3进行一次拉格朗日插值，将同步后得到的第二采样率的本侧以及对侧的SV采样数据经插值运算得到第三采样率的同一绝对时刻的同步采样值。

进一步地，所述步骤S5中每833.333us进行一次拉格朗日插值，将同步后得到的80点/周波的本侧以及对侧的SV采样数据经插值运算得到第三采样率的统一绝对时刻的同步采样值。

根据上述的一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法，还包括一种配电网5G差动保护采样数据插值同步系统，包括：

GPS模块，与配电终端连接，用于接收GPS或者BD的时钟信号传输至配电终端；

5G CPE，与配电终端连接，用于将本侧配电终端SV采样数据发送至5G基站，以及用于从5G基站接收对侧配电终端发送的SV采样数据；

配电终端，与GPS模块和5G CPE分别相连，用于采集环网柜内各个间隔的原始采样数据，标记相应采样时刻原始采样数据的采样序号，并对所述原始采样数据进行处理，最终得到同一绝对时刻的同步采样数据。

本发明的上述技术方案中，该配电网5G差动保护采样数据插值同步方法及系统，包括：配电终端读取GPS模块的时钟信号，完成装置对时；配电终端采集环网柜内各个间隔的原始采样数据，并标记相应采样时刻原始采样数据的采样序号；运用拉格朗日插值算法，配电终端对本侧原始采样数据进行插值运算，得到SV采样数据，将该SV采样数据进行顺序存储，同时通过5GCPE将该SV采样数据以61850(SV/GOOSE)通信协议发送至5G基站，同时从5G基站接收对侧配电终端发送的SV采样数据；将各配电终端本侧与对侧的SV采样数据根据采样序号进行对齐，实现本侧配电终端SV采样数据与接收对侧配电终端SV采样数据同步；运用拉格朗日插值算法，将同步后的本侧与对侧配电终端采样数据进行插值运算，得到最终同一绝对时刻的同步采样数据，再结合GOOSE传递的开关量信号，完成差动保护逻辑。本发明解决了由于5G通信的通道延时的不确定性，双向延时不相等，无法使用基于数据通道的同步方法实现采样数据同步的问题。

在本发明中，GPS模块为配电终端自带内置或者外置的小型对时模块，无需在配电终端附近额外配置对时同步装置，节省了空间，降低了差动保护的成本。

在本发明中，在配电网接地保护实现过程中，对原始采样率要求高，一般要求256点/周波，基于数据通道的同步方法是对采样数据、采样时刻以及采样时钟进行修正，最终达到数据对时同步的目的，其采样率受到限制，一般为24点/周波或者32点/周波，本发明通过调整插值时刻以及SV数据的采样序号实现同步，装置的原始采样率不受影响。

在本发明中，最终得到的同一绝对时刻的同步采样数据可根据需要通过调整插值间隔，从而获得不同采样率的同步采样数据，以满足不同应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种配电网5G差动保护结构示意图；

图2为本发明实施例配电终端对时、守时流程示意图；

图3为本发明实施例本侧配电终端采样数据插值示意图；

图4为本发明实施例本侧与对侧配电终端采样数据同步示意图。

附图标号说明：

a差动保护数据传输；b GPS/BD对时；c模拟量开入开出；d本侧SV采样数据插值曲线；e对侧SV采样数据插值曲线；

1第一环网柜；2第二环网柜；3第三环网柜；4第N环网柜；5GPS或BD；65G基站

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参见图1，本发明提供了一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法及系统，其中，所述一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法具体包括如下步骤：

S1，配电终端读取GPS模块的PPS秒脉冲时钟信号，完成配电终端对时；

S2，配电终端采集环网柜内各个间隔的原始采样数据，并标记相应采样时刻原始采样数据的采样序号；

S3，根据原始采样数据及其采样序号以及PPS秒脉冲时钟信号，运用拉格朗日插值算法，配电终端对原始采样数据进行插值运算，得到以PPS秒脉冲为起始基准，每一秒钟内都是0-3999采样序号的SV采样数据，并标记相应SV采样数据的采样序号，根据采样序号将该SV采样数据顺序存储，同时通过5G CPE模块将该SV采样数据以61850(SV/GOOSE)通信协议发送至5G基站，同时从5G基站接收对侧配电终端发送的SV采样数据；

S4，配电终端通过SV采样数据的采样序号将本侧与对侧的采样数据进行对齐，实现本侧配电终端SV采样数据与接收对侧配电终端SV采样数据同步；

S5，运用拉格朗日插值算法，将同步后的本侧与对侧配电终端SV采样数据进行插值运算，得到最终同一绝对时刻的同步采样数据，再结合GOOSE传递的开关量信号，完成差动保护逻辑。

具体的，参见图2，在本实施例中，变电站之间的一条10KV线路上有N个环网柜，每个环网柜配置有一台配电终端，每台配电终端配置有一个GPS模块和一个5G CPE模块，所述配电终端用于采集各环网柜内各个间隔的电流、电压模拟量以及开关量信号，通过5G CPE将本侧配电终端模拟量和开关量信号以61850(SV/GOOSE)通信协议发送到5G基站，同时从5G基站接收对侧配电终端发送的模拟量和开关量信号。

具体的，在本实施例中，GPS模块接收GPS或者BD的时钟信号，配电终端读取GPS模块的时钟信号，完成装置的对时、守时，装置对时、守时具体步骤如下：

S11，配电终端通过串口从GPS模块读取GPS或BD时钟信号；

S12，实时检测GPS模块是否有PPS秒脉冲输出至配电终端；

S13，若没有检测到PPS秒脉冲信号，则进入配电终端自守时逻辑，通过配电终端内部时钟计数，更新配电终端RTC时间；若检测到PPS脉冲信号，则比较当前配电终端秒以下时间与PPS秒脉冲的差值是否大于阀值；

S14，若不大于，则进入配电终端自守时逻辑，更新配电终端RTC时间；若大于，则进入时间校准，秒进位，毫秒及以下清零，更新配电终端RTC时间。

具体的，参见图3，在本实施中，配电终端以256点/周波的采样率进行采样，每78us从模拟数字转换器读取原始采样值，并记录该采样值在该时刻的采样序号，一同存储在配电终端内部的数据缓存区。运用拉格朗日插值算法，每250us进行一次拉格朗日插值，将256点/周波采样率的原始采样数据插值计算得到80点/周波采样率的SV采样数据，从原始采样数据中提取任意a(val-a，t-a)、b(val-b，t-b)、c(val-c，t-c)三点，所述a点的val-a表示该点的采样值，t-a表示该点的采样序号，b、c点同理，通过插值时刻序号插值计算出y点的采样值，并记录该时刻的插值序号，与采样值一同存储，如图3中所例举的x(val-x，t-x)、y(val-x，t-y)、z(val-x，t-z)三点所示。

具体的，在本实施例中，所述步骤S3中本侧配电终端SV采样序号的处理具体步骤如下：

S51，每250us进行一次插值采样，发送一帧SV报文，报文的smpcnt依次累加；所述SV为4K采样率，每一帧报文都带有一个smpcnt，1s发送4000帧报文，smpcnt在0至3999之间循环；

S52，各配电终端收到PPS秒脉冲后，比较当前序号是否为0，若不为0，则将本侧SV采样序号置0；若为0，则不进行调整。

线路上所有配电终端均通过接收GPS模块的PPS秒脉冲，保证发送的SV报文序号为0，而GPS模块间对时误差不超过1us，装置间根据SV报文的采样序号来实现SV采样数据的同步。

具体的，在本实施例中，所述配电终端内部SV采样缓冲区至少覆盖数据传输的最大通道延时，确保在最大延时的情况下，本侧与对侧SV采样数据在插值回退时能够有对应的历史采样数据进行插值计算，通过增加每侧保护的采样缓冲区，采样缓冲区存储数据的能力只要覆盖通道的最大延时，即可解决通道传输延时不稳定的问题。

具体的，参见图4，在本实施例中，本侧配电终端接收对侧配电终端发送的SV报文，并将解析出80点/周波的采样数据及其采样序号一同存储，smpcnt在0至3999之间循环，根据smpcnt从0-3999与本侧SV采样数据对齐，从而实现本侧SV采样数据与对侧SV采样数据的同步，例如图4中与本侧SV采样插值x(val-x，t-x)、y(val-x，t-y)、z(val-x，t-z)对齐的对侧r(val-r，t-r)、s(val-s，t-s)、u(val-t，t-u)。

具体的，在本实施例中，首先根据smpcnt在0至3999之间循环，将接受的对侧SV采样数据与本侧SV采样数据进行对齐，完成SV采样数据的同步，所述步骤S5中每833.333us进行一次拉格朗日插值，将同步后得到的80点/周波采样率的本侧以及对侧的SV采样数据插值运算，得到24点/周波采样率的采样值，获得的保护采样值为同一绝对时刻的同步采样值，可用于差动保护逻辑运算。本侧保护采样数据由x(val-x，t-x)、y(val-x，t-y)、z(val-x，t-z)任意三点，通过插值时刻的序号插值计算出p点采样值，并记录此刻插值序号，与采样值一同存储，接收到的对侧配电终端保护采样数据由r(val-r，t-r)、s(val-s，t-s)、u(val-t，t-u)三点，通过插值时刻的序号插值计算出v点采样值，并记录此刻插值序号，与采样值一同存储，所述p点与v点为本侧装置与对侧装置在同一绝对时刻的同步采样值。

具体的，在本实施例中，任意配电终端都遵循上述采样数据插值同步方法，遵循“谁用谁同步”的原则，通过GPS模块完成装置对时，PPS秒脉冲保证发送的SV采样数据采样序号的正确性，在本侧配电终端收到对侧配电终端的SV采样数据后，根据SV采样序号将本侧与对侧采样数据进行同步，通过插值回退获得同一绝对时刻的同步采样数据，再结合GOOSE传递的开关量信号，完成差动保护的逻辑。

为了方便对本发明相关术语的理解，在此做出解释：

61850(SV/GOOSE)通信协议：IEC61850标准是电力系统自动化领域唯一的全国通用标准，它通过标准的实现，实现智能变电站的工程运作标准化，使得智能变电站的工程实施变得规范、统一和透明。其中引入面向通用对象的变电站事件(Generic ObjectOriented Substation Event，以上简称GOOSE)和采样测量值(SampledValue，以上简称SV)满足变电站内装置间的通信需求，GOOSE协议主要传递各类开关量信号，SV协议主要传递采样测量量信号，两者都属于61850规范内的一种通信协议。

CPE：客户终端设备(Customer Premise Equipment，以上简称CPE)，一种接收移动信号并以无线WIFI信号转发出来的移动信号接入设备，也是一种将高速4G或者5G信号转换成WIFI信号的设备，可支持同时上网的移动终端数量较多，可大量应用于农村、城镇、医院、单位、工厂和小区等无线网络接入，能节省铺设有线网络的费用。

DTU：配电终端(DistributionTerminal Unit，DTU)一般安装在常规的开闭所(站)、户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处，完成对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，对开关进行分合闸操作，实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电，部分DTU还具备保护和备用电源自动投入的功能。

具体的，在本实施中，一种配电网5G差动保护采样数据插值同步系统，其特征在于，包括：GPS模块，与配电终端连接，用于接收GPS或者BD的时钟信号传输至配电终端；5GCPE，与配电终端连接，用于将本侧配电终端SV采样数据发送至5G基站，以及用于从5G基站接收对侧配电终端发送的SV采样数据；配电终端，与GPS模块和5G CPE分别相连，用于采集环网柜内各个间隔的原始采样数据，标记相应采样时刻原始采样数据的采样序号，并对所述原始采样数据进行处理，最终得到同一绝对时刻的同步采样数据。

以上显示和描述了本发明的基本原理、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，以上实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，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同物界定。

Claims (10)

1.一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，配电终端读取GPS模块的时钟信号，完成配电终端对时；

S2，配电终端采集环网柜内各个间隔的原始采样数据，并标记相应采样时刻原始采样数据的采样序号；

S3，配电终端对本侧原始采样数据进行插值运算，得到SV采样数据，并标记相应SV采样数据的采样序号，根据采样序号将SV采样数据顺序存储，同时通过5G CPE将SV采样数据以61850(SV/GOOSE)通信协议发送至5G基站，同时从5G基站接收对侧配电终端发送的SV采样数据；

S4，配电终端通过SV采样数据的采样序号将本侧与对侧的采样数据进行对齐，实现本侧配电终端SV采样数据与接收对侧配电终端SV采样数据同步；

S5，将同步后的本侧与对侧配电终端SV采样数据进行插值运算，得到最终同一绝对时刻的同步采样数据。

2.根据权利要求1所述的一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法，其特征在于，所述环网柜均配置有配电终端，每台所述配电终端配置有GPS模块和5G CPE模块。

3.根据权利要求1所述的一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法，其特征在于，所述步骤S1中配电终端对时的具体步骤为：

S11，配电终端通过串口从GPS模块读取GPS或BD时钟信号；

S12，实时检测GPS模块是否有PPS秒脉冲输出至配电终端；

S13，若没有检测到PPS秒脉冲信号，则进入配电终端自守时逻辑，更新配电终端RTC时间；若检测到PPS脉冲信号，则比较当前配电终端秒以下时间与PPS秒脉冲的差值是否大于阀值；

S14，若不大于，则进入配电终端自守时逻辑，更新配电终端RTC时间；若大于，则进入时间校准，更新配电终端RTC时间。

4.根据权利要求3所述的一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法，其特征在于，所述步骤S2中，配电终端以第一采样率对原始采样数据进行采样，每隔第一时间T1读取一次原始采样数据。

5.根据权利要求4所述的一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法，其特征在于，所述步骤S3中，每隔第二时间T2进行一次插值运算，将以第一采样率采集的原始采样数据插值运算得到第二采样率的采样数据。

6.根据权利要求5所述的一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

S31，每隔第二时间T2进行一次插值采样，SV为4K采样率，采样序号在0至3999之间循环，每进行一次采样，采样序号依次累加；

S32，各配电终端收到PPS秒脉冲后，比较当前SV采样序号是否为0，若不为0，则将本侧SV采样序号置0；若为0，则不进行调整。

7.根据权利要求6所述的一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法，其特征在于，所述步骤S5中，每隔第三时间T3进行一次插值运算，将同步后得到的第二采样率的本侧以及对侧的SV采样数据经插值运算得到第三采样率的同一绝对时刻的同步采样值。

8.根据权利要求7所述的一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法，其特征在于，所述采样数据包括但不限于电流、电压模拟量信号。

9.根据权利要求1任意一项所述的一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法，其特征在于，所述配电终端内部SV采样缓冲区至少覆盖数据传输的最大通道延时。

10.一种如权利要求1-9任意一项所述的一种配电网5G差动保护采样数据插值同步方法的同步系统，其特征在于，包括：

GPS模块，与配电终端连接，用于接收GPS或者BD的时钟信号传输至配电终端；

5G CPE，与配电终端连接，用于将本侧配电终端SV采样数据发送至5G基站，以及用于从5G基站接收对侧配电终端发送的SV采样数据；

配电终端，与GPS模块和5G CPE分别相连，用于采集环网柜内各个间隔的原始采样数据，标记相应采样时刻原始采样数据的采样序号，并对所述原始采样数据进行处理，最终得到同一绝对时刻的同步采样数据。

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