CN114006360A - 基于无线通信的自适应变频流量控制差动保护方法及系统 - Google Patents

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Abstract

基于无线通信的变频流量控制的差动保护方法及系统，基于GPS系统对时，差动保护装置的发送侧和接收侧同时于每个整秒时刻采集电气量，并且每个采集时段内的采样频率为N；线路未故障，发送侧以频率1Hz向接收侧发送心跳报文；线路故障期间，发送侧以频率N向接收侧连续发送故障报文；每个故障报文包括一个对应一组发送侧电气量数据采样序号；接收侧在历史数据缓存区内获取与该采样序号对应的一组接收侧电气量数据；利用发送侧和接收侧电气量数据进行差动保护判断。本发明简化数据格式、提高报文效率、优化差动保护逻辑，大幅降低数据流量，保证差动保护性能，解决无线通信时差动保护业务数据量大的问题。

Description

基于无线通信的自适应变频流量控制差动保护方法及系统
技术领域
本发明涉及电力设备保护技术领域，更具体地，涉及基于无线通信的自适应变频流量控制差动保护方法及系统。
背景技术
随着通信技术的发展，无线通信通信的数据传输的带宽、通信延时、通信可靠性的不断提升，无线通信通信技术逐步开始应用于电力系统继电保护领域，纵联电流差动保护作为广泛应用于输配电线路保护的主保护，需要两台或多台线路保护装置进行相应数据的传输以及同步，出于继电保护的速动性与可靠性要求，对传输通道的快速性、实时性、稳定性以及可靠性有着较高要求。
正常运行时，线路保护装置之间进行实时数据传输，正常情况下数据报文传输周期在ms量级，因此随着设备长时间运行，将会有大量的数据进行交互。按照现有线路差动保护的传输机制、报文格式及内容，每个月产生的数据量大约为1000G以上，当应用无线通信作为线路保护纵联通道数据传输时，需要考虑经济性和实用性，因此必须节省保护业务产生的数据流量。
现有技术1(CN112838563A)“一种适用于5G差动保护设备的数据传输方法及系统”中，设备根据就地采集到的电气量进行故障判别；在未检测到故障时，按照低交互速率交互状态信息报文，在检测到故障时，设备将故障发生前N周波的采样数据立即发送给自身的对侧设备，并按照高交互速率交互报文，设备维持高交互速率交互报文，直到故障判别结束，再转换为低交互速率交互状态信息报文，解决了在配电网中使用两种速率进行数据交互的技术问题，本发明可广泛适用于采用4G/5G等无线通信通道的线路纵联电流差动保护，具有数据传输流量需求低，对保护动作速度无影响的优点，在保证差动保护性能指标的基础上，能够有效的降低无线通信差动保护所需要的数据流量。但现有技术1并未公开报文发送的具体频率数值，然而发送频率的选择直接决定了数据流量的大小，因此在现有技术1的基础上需要对发送频率进行研究，以实现数据流量和发送频率之间的最优关系。
现有技术2(CN104333426B)“一种基于合并单元SV报文采样序号学习的秒脉冲同步方法”，不依赖于外部时钟同步装置，适用于保护测控装置(包括保护装置、测控装置、保护测控一体化装置、站域保护控制装置)的秒脉冲同步。根据合并单元采样序号的连续性和间隔时间判别其有效性，在其有效的前提下通过合并单元采样序号为0的报文接收时刻减去额定延迟时间和传输时间计算得出秒脉发生实际时刻，并通过合并单元采样序号为0的多帧报文接收时刻计算秒脉宽度；保护测控装置根据合并单元采样报文同步标志自动选取作为参考时间源的合并单元，并至少计算两组合并单元的秒脉冲，以作为当参考源合并单元由同步转为失步或断链异常时，实现合并单元参考时间源的无缝切换。现有技术3(CN107181583A)“一种基于采样中断事件实现采样值同步的方法”，主机根据自己应用算法所需的某一固定采样率，在其采样中断时刻发送内含采样序号的采样事件报文；各子机接收采样事件报文，根据延时补偿技术推算出主机应用算法所需的采样时刻，在各自采样缓冲池中查找合适的点进行线性插值重采样计算，得到相应时刻的采样值，并向主机发送内含相应采样序号的采样报文，主机根据采样序号将各个子机的采样值同步并处理。该采样同步策略不依赖于外部对时，提高了装置的可靠性。现有技术2和3均提出了采样同步的解决方案，但是现有技术2中引入了额定延迟时间，现有技术3中引入了延时补偿技术，但是基于5G通信通道下，通道的延时是不稳定的并且发送侧和接收侧的延时是不一致的，现有技术2和3的技术手段均无法有效解决该延时问题。
综上，需要研究一种基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法及系统。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于无线通信的自适应变频流量控制差动保护方法及系统，差动保护正常运行期间，降低报文发送频率，即按照秒脉冲的频率每秒发送通道握手报文，无需实时高频发送报文，发送的报文用于维系通道正常建链保持和差动保护正常运行期间检测逻辑相应的数据；当差动保护实时监测到系统故障或扰动时，并且故障满足差动保护启动后，立即提高报文发送频率，按照较快的频率发送构建差动保护算法必要的数据，解决现有技术中存在的数据流量大造成实用化难推广应用的问题。
本发明采用如下的技术方案。
本发明提出一种基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法。
基于卫星同步时钟，差动保护装置的发送侧和接收侧同时于每个整秒时刻启动电气量采集，并且每个采集时段内的采样频率设为N；
未检测到线路故障时，差动保护装置的发送侧以频率1Hz向接收侧发送通道心跳报文；当检测到线路故障时，差动保护装置的发送侧以频率N向接收侧连续发送故障报文；其中，
每个故障报文包括一个采样序号，该采样序号对应一组发送侧电气量数据；接收侧根据接收到的采样序号，在历史数据缓存区内获取与该采样序号对应的一组接收侧电气量数据；利用发送侧电气量数据和接收侧电气量数据进行差动保护逻辑计算。
基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，包括：
步骤1，差动保护装置的发送侧和接收侧均基于GPS系统对时后，同时于每个整秒时刻启动电气量采集，并且每个采集时段内的采样频率设为N；
步骤2，利用傅里叶变换获得发送侧电气量傅氏值和接收侧电气量傅氏值；并将接收侧电气量傅氏值按照采样序号顺序存储在接收侧的历史缓冲数据区中；
步骤3，未检测到线路故障时，差动保护装置的发送侧以频率1向接收侧发送通道心跳报文；检测到线路故障时，差动保护装置的发送侧以频率N向接收侧发送故障报文；
步骤4，未检测到线路故障时，接收侧对心跳报文进行解码，获得发送侧电气量傅氏值的采样序号；接收侧根据采样序号，从历史缓冲数据区内获取与该采样序号对应的接收侧电气量傅氏值；
检测到线路故障时，接收侧对每个故障报文进行解码，获得发送侧电气量傅氏值的采样序号，接收侧根据采样序号，从历史缓冲数据区内获取与该采样序号对应的接收侧电气量傅氏值；
步骤5，未检测到线路故障时，利用发送侧的电气量傅氏值和接收侧的电气量傅氏值计算差动电流；检测到线路故障时，利用发送侧的电气量傅氏值和接收侧的电气量傅氏值进行差动保护逻辑判断。
优选地，步骤1中，采集的电气量包括：三相电压，三相电流，断路器三相开关的位置；
每个采集时段内，在秒脉冲达到的整秒时刻时开启采样，此时对应的采样序号标记为0，根据预设的采样频率N，采样序号0之后的各采样序号依次为1，2，……，N-1。
优选地，采样频率N为1200Hz或者2400Hz。
优选地，步骤2中，对于发送侧和接收侧，均利用当前采样时刻的前一周波的电气量采样值，基于傅里叶变换，计算得到电气量的傅氏值，包括三相电压傅氏值，三相电流傅氏值。
优选地，步骤2还包括：
步骤2.1，在接收侧设置历史数据缓存区；
步骤2.2，对历史数据缓存区长度进行初始化，该初始化长度为100ms；
步骤2.3，接收侧按分钟统计差动保护装置中无线通信通道的通道延时，利用每分钟通道延时计算得到通道平均延时Tys；
步骤2.4，将历史数据缓存区长度设置为2倍的通道平均延时2Tys；
步骤2.5，接收侧电气量傅氏值以循环更新的方式存储在历史数据缓存区中。
优选地，步骤2.3中，接收侧根据绝对时标和当前时标的差值来确定通道延时；
其中，绝对时标是发送侧发送出心跳报文的时刻；当前时标是接收侧接到到心跳报文的时刻。
优选地，步骤3中，保护装置设有检测电路来检测线路是否发生故障，未检测到线路故障时，发送侧和接收侧的差动保护装置均不启动，检测到线路故障时，发送侧或/和接收侧的差动保护装置启动。
优选地，步骤3中，发送侧或接收侧，在收到本侧或/和对侧的差动保护装置启动标志时，切换报文的发送频率和发送内容，即将报文的发送频率从1切换为N，将发送的报文从心跳报文切换为故障报文。
优选地，步骤3中，心跳报文包括：三相电流傅氏值，差动保护投入，电流互感器断线标志，绝对时标；
故障报文包括：三相电压傅氏值，三相电流傅氏值，采样序号，差动保护投入，电流互感器饱和标志，电流互感器断线标志，断路器三相开关的位置和差动保护启动标志。
优选地，步骤3还包括：
步骤3.1，基于IEC 61850-8-1标准，将发送侧待发送的心跳报文或故障报文转换为GOOSE报文；
步骤3.2，对报文协议数据单元进行表示层编码，封装成用户数据报文协议UDP(User Datagram Protocol)；其中，报文协议数据单元存储差动保护所需的状态量以及采样值；其中，状态量包括允许信号，跳闸信号，闭锁信号，开关位置；
步骤3.3，将用户数据报文协议UDP作为以太网报文帧的应用数据，添加UDP首部形成UDP数据包；其中，UDP首部包括源端口号，目的端口号，UDP长度，UDP校验值；
步骤3.4，对UDP数据包添加IP首部形成IP数据包；其中，IP首部包括：固定部分，可变部分；固定部分包括：源IP地址，目的IP地址，IP协议相关信息位；
步骤3.5，对IP数据包添加以太网首部形成以太网帧；其中，以太网首部包括：源mac地址，目的mac地址，帧类型，帧校验值。
优选地，步骤4中，未检测到线路故障时，接收侧对心跳报文进行解码，获取绝对时标对应的采样序号；检测到线路故障时，接收侧对每个故障报文进行以太网TCP/IP报文头的解码，得到GOOSE报文，并从中获得采样序号；
接收侧根据采样序号，从历史缓冲数据区内获取与该采样序号对应的接收侧电气量傅氏值。
优选地，步骤5中，未检测到线路故障时，利用发送侧的三相电流傅氏值和接收侧的三相电流傅氏值计算差动电流，满足如下关系式：
Figure BDA0003370321120000051
式中，ID为差动电流，
Figure BDA0003370321120000052
为发送侧的三相电流傅氏值，
Figure BDA0003370321120000053
为接收侧的三相电流傅氏值。
优选地，步骤5中，检测到线路故障时，利用发送侧的三相电流傅氏值和接收侧的三相电流傅氏值进行差动保护逻辑判断，差动保护动作的逻辑满足如下关系式：
Figure BDA0003370321120000061
式中，
IDZ为差动保护整定值，
Figure BDA0003370321120000062
为发送侧的三相电流傅氏值，
Figure BDA0003370321120000063
为接收侧的三相电流傅氏值，k为制动系数，取值范围为0.6～0.8。
本发明还提出一种基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现系统，包括：发送侧电气量采集模块，接收侧电气量采集模块，发送侧报文模块，接收侧报文模块，接收侧历史缓冲数据库，差动保护整定模块；
差动保护装置的发送侧和接收侧基于GPS系统对时后，分别利用两侧的电气量采集模块同时于每个整秒时刻启动电气量采集，并且每个采集时段内的采样频率设为N；发送侧电气量采集模块和接收侧电气量采集模块还利用傅里叶变换获得电气量傅氏值；
接收侧历史缓冲数据库，用于按照采样序号顺序存储接收侧电气量傅氏值；
未检测到线路故障时，发送侧报文模块，用于以频率1向接收侧报文模块发送通道心跳报文；检测到线路故障时，发送侧报文模块，用于以频率N向接收侧报文模块连续发送故障报文；
未检测到线路故障时，接收侧报文模块对心跳报文进行解码，获得发送侧的绝对时标；根据绝对时标获得发送侧电气量傅氏值的采样序号；检测到线路故障时，接收侧报文模块对每个故障报文进行解码，获得发送侧电气量傅氏值的采样序号；接收侧报文模块，还用于根据采样序号，从接收侧历史缓冲数据库内获取与该采样序号对应的接收侧电气量傅氏值；
差动保护整定模块，用于利用发送侧的电气量傅氏值和接收侧的电气量傅氏值对差动保护进行整定计算。
优选地，接收侧电气量傅氏值以循环更新的方式存储在接收侧历史缓冲数据库中。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：本发明通过从保护的最优发送机制、差动保护同步方案、差动保护判据几方面入手，简化数据格式、提高报文效率、优化差动保护逻辑，在大幅降低了数据流量的同时，不影响差动保护的性能，有效地解决了无线通信方式下差动保护业务数据量大的问题，为无线通信差动保护业务的全面推广应用迈出了关键的一步。
本发明的有益效果还包括：
1、保护正常运行时，按照秒级于整秒发送通道心跳报文，心跳报文主要保持通道建链后的通道维持，并对通道进行监测，当接收侧均能收到发送侧的数据，说明通信通道正常；此外，还可以监测通道的延时情况，通过计算接收侧接到发送侧的报文的时间与发送侧报文的绝对时刻的差值，得到通道单向的传输延时，并将通道的延时进行展示；再者，还可以对差流进行监视，每秒能够监视一次线路上的差流的情况，收到对侧数据后刷新一次；并且还能够对电流互感器断线进行判断；
2、本侧差动保护启动后，立即调整报文发送频率，同时调整报文发送数据内容，另外将本侧的差动保护启动标志传送给对侧，对侧收到本侧的差动保护启动标志后，也立即调整报文发送频率，并且任意一侧差动保护启动均调整为高速发送报文状态；
3、保护启动时，故障报文能够用于差动保护算法的构建，实现差动保护逻辑运算；还能对通道进行监测，对差流进行监视，能够实时监视线路上的差流情况，收到对侧数据后刷新一次；
4、克服无线通信通道延时不稳定且两侧收发延时不一致的影响，使得两侧报文同步；
5、将报文协议数据单元APDU经过表示层编码，封装成无连接的UDP协议，提高传输效率，适用性强；
6、采用本发明所提出的方法和系统，继电保护装置能实现无线差动功能的同时，大幅度节省了数据流量。
附图说明
图1是本发明一实施例中自适应变频流量控制下报文发送的原理图；
图2是本发明基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法的步骤框图；
图3是本发明一实施例中数据帧结构的示意图；
图4是本发明一实施例中基于绝对时标同步的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
本发明提出一种基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法。
基于GPS系统或北斗系统进行对时后，差动保护装置的发送侧和接收侧同时于每个整秒时刻启动电气量采集，并且每个采集时段内的采样频率设为N；
未检测到线路故障时，差动保护装置的发送侧以频率1Hz向接收侧发送通道心跳报文；当检测到线路故障时，差动保护装置的发送侧以频率N向接收侧连续发送故障报文；其中，
每个故障报文包括一个采样序号，该采样序号对应一组发送侧电气量数据；接收侧根据接收到的采样序号，在历史数据缓存区内获取与该采样序号对应的一组接收侧电气量数据；利用发送侧电气量数据和接收侧电气量数据进行差动保护逻辑计算。
本发明提出一种线路差动保护自适应变频发送机制的原理如图1所示，保护正常运行期间，保护降低发送频率，无需实时高频发送数据，发送维系通道正常建链保持和差动保护正常运行期间检测逻辑相应的数据，即按照秒脉冲的频率每秒发送通道握手报文。当保护实时监测系统故障或扰动，检测到故障满足保护启动后，立即提高保护发送频率，按照较快的频率发送构建差动保护算法必要的数据。
基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，如图2，包括步骤1至5。
步骤1，差动保护装置的发送侧和接收侧均基于GPS系统对时后，同时于每个整秒时刻启动电气量采集，并且每个采集时段内的采样频率设为N。
具体地，步骤1中，采集的电气量包括：三相电压，三相电流，断路器三相开关的位置；
每个采集时段内，在秒脉冲达到的整秒时刻时开启采样，此时对应的采样序号标记为0，根据预设的采样频率N，采样序号0之后的各采样序号依次为1，2，……，N-1。
本发明优选实施例中，配网差动保护的采样频率N为1200Hz或者2400Hz。值得注意的是，本发明优选实施例中的采样频率值是一种非限制性的较优选择，本领域技术人员可以根据工程应用需要和数据处理要求，选择合适的采样频率。
步骤2，利用傅里叶变换获得发送侧电气量傅氏值和接收侧电气量傅氏值；并将接收侧电气量傅氏值按照采样序号顺序存储在接收侧的历史缓冲数据区中。
具体地，步骤2中，对于发送侧和接收侧，均利用当前采样时刻的前一周波的电气量采样值，基于傅里叶变换，计算得到电气量的傅氏值，包括三相电压傅氏值，三相电流傅氏值。
具体地，步骤2还包括：
步骤2.1，在接收侧设置历史数据缓存区；
步骤2.2，对历史数据缓存区长度进行初始化，该初始化长度为100ms；
步骤2.3，接收侧按分钟统计差动保护装置中无线通信通道的通道延时，利用每分钟通道延时计算得到通道平均延时Tys；
进一步，步骤2.3中，接收侧根据绝对时标和当前时标的差值来确定通道延时；其中，绝对时标是发送侧发送出心跳报文的时刻；当前时标是接收侧接到到心跳报文的时刻。
步骤2.4，将历史数据缓存区长度设置为2倍的通道平均延时2Tys；
步骤2.5，接收侧电气量傅氏值以循环更新的方式存储在历史数据缓存区中。
步骤3，未检测到线路故障时，差动保护装置的发送侧以频率1向接收侧发送通道心跳报文；检测到线路故障时，差动保护装置的发送侧以频率N向接收侧发送故障报文。
具体地，步骤3中，保护装置设有检测电路来检测线路是否发生故障，未检测到线路故障时，发送侧和接收侧的差动保护装置均不启动，检测到线路故障时，发送侧或/和接收侧的差动保护装置启动。
具体地，步骤3中，发送侧或接收侧，在收到本侧或/和对侧的差动保护装置启动标志时，切换报文的发送频率和发送内容，即将报文的发送频率从1切换为N，将发送的报文从心跳报文切换为故障报文。
本发明优选实施例中，本侧差动保护装置启动后，立即调整发送频率，同时调整发送数据内容，另外将本侧的差动保护装置启动标志传送给对侧，对侧收到本侧的差动保护装置启动标志后，也立即调整发送频率，从而实现任意一侧差动保护装置启动均调整为高速发送报文的状态。
具体地，步骤3中，心跳报文包括：三相电流傅氏值，差动保护投入，电流互感器断线标志，绝对时标。
保护正常运行时，按照秒级于整秒发送通道心跳报文，本发明优选实施例中，通道心跳报文的作用包括但不限于：
1)通道心跳报文主要保持通道建链后的通道维持；
2)通道的相关监测：接收侧均能收到发送侧发来的数据，说明通道正常；另外还可以监测通道的延时情况，通过计算接收侧接收到发送侧的报文的时间与发送侧报文的绝对时刻的差就是通道单向的传输延时，能够将通道的延时进行展示；
3)差流的监视，每秒能够监视一次线路上的差流的情况，收到对侧数据后刷新一次；
4)CT断线的正常判断，得到的三相电流和对侧启动标志结合本侧对应时刻的信息用于CT断线的判断。
故障报文包括：三相电压傅氏值，三相电流傅氏值，采样序号，差动保护投入，电流互感器饱和标志，电流互感器断线标志，断路器三相开关的位置和差动保护启动标志。
保护故障报文的作用包括但不限于：
1)差动保护算法的构建，差动保护逻辑运算；
2)通道的相关监测；
3)差流的监视，每秒能够监视一次线路上的差流的情况，收到对侧数据后刷新一次。
具体地，如图3，步骤3还包括：
步骤3.1，基于IEC 61850-8-1标准，将发送侧待发送的心跳报文或故障报文转换为GOOSE报文；
步骤3.2，对报文协议数据单元进行表示层编码，封装成用户数据报文协议UDP；其中，报文协议数据单元存储差动保护所需的状态量以及采样值；其中，状态量包括但不限于：允许信号，跳闸信号，闭锁信号，开关位置；
步骤3.3，将用户数据报文协议UDP作为以太网报文帧的应用数据，添加UDP首部形成UDP数据包；其中，UDP首部包括但不限于：源端口号，目的端口号，UDP长度，UDP校验值；
步骤3.4，对UDP数据包添加IP首部形成IP数据包；其中，IP首部包括：固定部分，可变部分；固定部分包括但不限于：源IP地址，目的IP地址，IP协议相关信息位；
步骤3.5，对IP数据包添加以太网首部形成以太网帧；其中，以太网首部包括但不限：源mac地址，目的mac地址，帧类型，帧校验值。
本发明优选实施例中，关于报文格式的方案中，保护装置将需要发送给对侧的傅氏值数据转换为基于IEC 61850-8-1标准的GOOSE报文，但是该报文无法通过5G网络设备来传输，因此在进一步将报文协议数据单元APDU(Application Protocol Data Unit)经过表示层编码，封装成无连接的UDP协议，这样能够提高传输效率，适用性强。其中，APDU包含了线路两端保护所需的允许信号、跳闸信号、闭锁信号、开关位置等状态量以及采样值信息。
GOOSE报文的作用包括但不限于：
1)传输允许信号、跳闸信号、闭锁信号、开关位置等状态量；
2)生成报文控制信息，对采样模块采样值进行序号抽取，获取采样值信号，封装成GOOSE报文发送。
步骤4，未检测到线路故障时，接收侧对心跳报文进行解码，获得发送侧电气量傅氏值的采样序号；接收侧根据采样序号，从历史缓冲数据区内获取与该采样序号对应的接收侧电气量傅氏值。
检测到线路故障时，接收侧对每个故障报文进行解码，获得发送侧电气量傅氏值的采样序号，接收侧根据采样序号，从历史缓冲数据区内获取与该采样序号对应的接收侧电气量傅氏值。
具体地，步骤4中，未检测到线路故障时，接收侧对心跳报文进行解码，获取绝对时标对应的采样序号；接收侧根据采样序号，从历史缓冲数据区内获取与该采样序号对应的接收侧电气量傅氏值。
检测到线路故障时，接收侧对每个故障报文进行以太网TCP/IP报文头的解码，得到GOOSE报文，并从中获得采样序号；接收侧根据采样序号，从历史缓冲数据区内获取与该采样序号对应的接收侧电气量傅氏值。
本发明优选实施例中，基于绝对时标的同步如图4，图中的发送侧包括：N侧采样数据和N侧傅氏数据，接收侧包括：M侧接收数据、M侧傅氏数据和M侧采样数据；对于发送侧和接收侧，图中的S0均为保护整秒时刻采样序号为0的采样数据，S1、S2、……、SN分别对应采样序号为1、2、……、N的采样数据；对于发送侧和接收侧，图中V0均为采样序号为0的傅氏数据，为利用采样时刻0回推一周波20ms内的采样值进行傅里叶变换计算得到的傅氏数据，V1、V2、……、VN分别对应采样序号为1、2、……、N的傅氏数据。
由于5G通道延时不稳定且两侧收发延时也不一致，因此现有光纤通道的乒乓同步原理不适用于基于5G的无线通信通道，因此需要提出一种基于绝对时标方式下的差动保护采样同步机制。
由于通道延时的存在，发送侧的N侧傅氏数据V0传输至接收侧时，延时成为采样时刻4的M侧接收数据，此时，基于绝对时标对应的采样序号0，将M侧接收数据转换为M侧傅氏数据V0，进而得到M侧采样数据S0。通过这样的解码以获取发送侧数据中的采样序号，根据采样序号在接收侧的历史缓冲数据库中进行寻址、映射，最后完成采样同步，从而实现电气量采样的同步。
步骤5，未检测到线路故障时，利用发送侧的电气量傅氏值和接收侧的电气量傅氏值计算差动电流；检测到线路故障时，利用发送侧的电气量傅氏值和接收侧的电气量傅氏值进行差动保护逻辑判断。
具体地，步骤5中，未检测到线路故障时，利用发送侧的三相电流傅氏值和接收侧的三相电流傅氏值计算差动电流，满足如下关系式：
Figure BDA0003370321120000121
式中，ID为差动电流，
Figure BDA0003370321120000122
为发送侧的三相电流傅氏值，
Figure BDA0003370321120000123
为接收侧的三相电流傅氏值。
具体地，步骤5中，检测到线路故障时，利用发送侧的三相电流傅氏值和接收侧的三相电流傅氏值进行差动保护逻辑判断，差动保护动作的逻辑满足如下关系式：
Figure BDA0003370321120000124
式中，
IDZ为差动保护整定值，
Figure BDA0003370321120000131
为发送侧的三相电流傅氏值，
Figure BDA0003370321120000132
为接收侧的三相电流傅氏值，k为制动系数，取值范围为0.6～0.8。
本发明还提出一种基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现系统，包括：发送侧电气量采集模块，接收侧电气量采集模块，发送侧报文模块，接收侧报文模块，接收侧历史缓冲数据库，差动保护整定模块；
差动保护装置的发送侧和接收侧基于GPS系统对时后，分别利用两侧的电气量采集模块同时于每个整秒时刻启动电气量采集，并且每个采集时段内的采样频率设为N；发送侧电气量采集模块和接收侧电气量采集模块还利用傅里叶变换获得电气量傅氏值；
接收侧历史缓冲数据库，用于按照采样序号顺序存储接收侧电气量傅氏值；
未检测到线路故障时，发送侧报文模块，用于以频率1向接收侧报文模块发送通道心跳报文；检测到线路故障时，发送侧报文模块，用于以频率N向接收侧报文模块连续发送故障报文；
未检测到线路故障时，接收侧报文模块对心跳报文进行解码，获得发送侧的绝对时标；根据绝对时标获得发送侧电气量傅氏值的采样序号；检测到线路故障时，接收侧报文模块对每个故障报文进行解码，获得发送侧电气量傅氏值的采样序号；接收侧报文模块，还用于根据采样序号，从接收侧历史缓冲数据库内获取与该采样序号对应的接收侧电气量傅氏值；
差动保护整定模块，用于利用发送侧的电气量傅氏值和接收侧的电气量傅氏值对差动保护进行整定计算。
具体地，接收侧电气量傅氏值以循环更新的方式存储在接收侧历史缓冲数据库中。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：本发明通过从保护的最优发送机制、差动保护同步方案、差动保护判据几方面入手，简化数据格式、提高报文效率、优化差动保护逻辑，在大幅降低了数据流量的同时，不影响差动保护的性能，有效地解决了无线通信方式下差动保护业务数据量大的问题，为无线通信差动保护业务的全面推广应用迈出了关键的一步。
本发明的有益效果还包括：
1、保护正常运行时，按照秒级于整秒发送通道心跳报文，心跳报文主要保持通道建链后的通道维持，并对通道进行监测，当接收侧均能收到发送侧的数据，说明通信通道正常；此外，还可以监测通道的延时情况，通过计算接收侧接到发送侧的报文的时间与发送侧报文的绝对时刻的差值，得到通道单向的传输延时，并将通道的延时进行展示；再者，还可以对差流进行监视，每秒能够监视一次线路上的差流的情况，收到对侧数据后刷新一次；并且还能够对电流互感器断线进行判断；
2、本侧差动保护启动后，立即调整报文发送频率，同时调整报文发送数据内容，另外将本侧的差动保护启动标志传送给对侧，对侧收到本侧的差动保护启动标志后，也立即调整报文发送频率，并且任意一侧差动保护启动均调整为高速发送报文状态；
3、保护启动时，故障报文能够用于差动保护算法的构建，实现差动保护逻辑运算；还能对通道进行监测，对差流进行监视，每秒能够监视一次线路上的差流的情况，收到对侧数据后刷新一次；
4、克服无线通信通道延时不稳定且两侧收发延时不一致的影响，使得两侧报文同步；
5、将报文协议数据单元APDU经过表示层编码，封装成无连接的UDP协议，提高传输效率，适用性强；
6、采用本发明所提出的方法和系统，继电保护装置能实现无线差动功能的同时，大幅度节省了数据流量。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.基于无线通信的自适应变频流量控制差动保护方法，其特征在于，
基于卫星同步时钟，差动保护装置的发送侧和接收侧同时于每个整秒时刻启动电气量采集，并且每个采集时段内的采样频率设为N；
未检测到线路故障时，差动保护装置的发送侧以频率1Hz向接收侧发送通道心跳报文；当检测到线路故障时，差动保护装置的发送侧以频率N向接收侧连续发送故障报文；其中，
每个故障报文包括一个采样序号，该采样序号对应一组发送侧电气量数据；接收侧根据接收到的采样序号，在历史数据缓存区内获取与该采样序号对应的一组接收侧电气量数据；利用发送侧电气量数据和接收侧电气量数据进行差动保护逻辑计算。
2.根据权利要求1所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，其特征在于，
所述方法包括：
步骤1，差动保护装置的发送侧和接收侧均基于GPS系统对时后，同时于每个整秒时刻启动电气量采集，并且每个采集时段内的采样频率设为N；
步骤2，利用傅里叶变换获得发送侧电气量傅氏值和接收侧电气量傅氏值；并将接收侧电气量傅氏值按照采样序号顺序存储在接收侧的历史缓冲数据区中；
步骤3，未检测到线路故障时，差动保护装置的发送侧以频率1向接收侧发送通道心跳报文；检测到线路故障时，差动保护装置的发送侧以频率N向接收侧发送故障报文；
步骤4，未检测到线路故障时，接收侧对心跳报文进行解码，获得发送侧电气量傅氏值的采样序号；接收侧根据采样序号，从历史缓冲数据区内获取与该采样序号对应的接收侧电气量傅氏值；
检测到线路故障时，接收侧对每个故障报文进行解码，获得发送侧电气量傅氏值的采样序号，接收侧根据采样序号，从历史缓冲数据区内获取与该采样序号对应的接收侧电气量傅氏值；
步骤5，未检测到线路故障时，利用发送侧的电气量傅氏值和接收侧的电气量傅氏值计算差动电流；检测到线路故障时，利用发送侧的电气量傅氏值和接收侧的电气量傅氏值进行差动保护逻辑判断。
3.根据权利要求2所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，其特征在于，
步骤1中，采集的电气量包括：三相电压，三相电流，断路器三相开关的位置；
每个采集时段内，在秒脉冲达到的整秒时刻时开启采样，此时对应的采样序号标记为0，根据预设的采样频率N，采样序号0之后的各采样序号依次为1，2，……，N-1。
4.根据权利要求3所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，其特征在于，
采样频率N为1200Hz或者2400Hz。
5.根据权利要求2所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，其特征在于，
步骤2中，对于发送侧和接收侧，均利用当前采样时刻的前一周波的电气量采样值，基于傅里叶变换，计算得到电气量的傅氏值，包括三相电压傅氏值，三相电流傅氏值。
6.根据权利要求5所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，其特征在于，
步骤2还包括：
步骤2.1，在接收侧设置历史数据缓存区；
步骤2.2，对历史数据缓存区长度进行初始化，该初始化长度为100ms；
步骤2.3，接收侧按分钟统计差动保护装置中无线通信通道的通道延时，利用每分钟通道延时计算得到通道平均延时Tys；
步骤2.4，将历史数据缓存区长度设置为2倍的通道平均延时2Tys；
步骤2.5，接收侧电气量傅氏值以循环更新的方式存储在历史数据缓存区中。
7.根据权利要求6所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，其特征在于，
步骤2.3中，接收侧根据绝对时标和当前时标的差值来确定通道延时；
其中，绝对时标是发送侧发送出心跳报文的时刻；当前时标是接收侧接到到心跳报文的时刻。
8.根据权利要求2所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，其特征在于，
步骤3中，保护装置设有检测电路来检测线路是否发生故障，未检测到线路故障时，发送侧和接收侧的差动保护装置均不启动，检测到线路故障时，发送侧或/和接收侧的差动保护装置启动。
9.根据权利要求8所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，其特征在于，
步骤3中，发送侧或接收侧，在收到本侧或/和对侧的差动保护装置启动标志时，切换报文的发送频率和发送内容，即将报文的发送频率从1切换为N，将发送的报文从心跳报文切换为故障报文。
10.根据权利要求9所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，其特征在于，
步骤3中，心跳报文包括：三相电流傅氏值，差动保护投入，电流互感器断线标志，绝对时标；
故障报文包括：三相电压傅氏值，三相电流傅氏值，采样序号，差动保护投入，电流互感器饱和标志，电流互感器断线标志，断路器三相开关的位置和差动保护启动标志。
11.根据权利要求10所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，其特征在于，
步骤3还包括：
步骤3.1，基于IEC 61850-8-1标准，将发送侧待发送的心跳报文或故障报文转换为GOOSE报文；
步骤3.2，对报文协议数据单元进行表示层编码，封装成用户数据报文协议UDP；其中，报文协议数据单元存储差动保护所需的状态量以及采样值；其中，状态量包括允许信号，跳闸信号，闭锁信号，开关位置；
步骤3.3，将用户数据报文协议UDP作为以太网报文帧的应用数据，添加UDP首部形成UDP数据包；其中，UDP首部包括源端口号，目的端口号，UDP长度，UDP校验值；
步骤3.4，对UDP数据包添加IP首部形成IP数据包；其中，IP首部包括：固定部分，可变部分；固定部分包括：源IP地址，目的IP地址，IP协议相关信息位；
步骤3.5，对IP数据包添加以太网首部形成以太网帧；其中，以太网首部包括：源mac地址，目的mac地址，帧类型，帧校验值。
12.根据权利要求10所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，其特征在于，
步骤4中，未检测到线路故障时，接收侧对心跳报文进行解码，获取绝对时标对应的采样序号；检测到线路故障时，接收侧对每个故障报文进行以太网TCP/IP报文头的解码，得到GOOSE报文，并从中获得采样序号；
接收侧根据采样序号，从历史缓冲数据区内获取与该采样序号对应的接收侧电气量傅氏值。
13.根据权利要求12所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，其特征在于，
步骤5中，未检测到线路故障时，利用发送侧的三相电流傅氏值和接收侧的三相电流傅氏值计算差动电流，满足如下关系式：
Figure FDA0003370321110000041
式中，ID为差动电流，
Figure FDA0003370321110000042
为发送侧的三相电流傅氏值，
Figure FDA0003370321110000043
为接收侧的三相电流傅氏值。
14.根据权利要求12所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法，其特征在于，
步骤5中，检测到线路故障时，利用发送侧的三相电流傅氏值和接收侧的三相电流傅氏值进行差动保护逻辑判断，差动保护动作的逻辑满足如下关系式：
Figure FDA0003370321110000044
式中，
IDZ为差动保护整定值，
Figure FDA0003370321110000045
为发送侧的三相电流傅氏值，
Figure FDA0003370321110000046
为接收侧的三相电流傅氏值，k为制动系数，取值范围为0.6～0.8。
15.利用权利要求1至14任一项所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现方法的差动保护实现系统，其特征在于，
系统包括：发送侧电气量采集模块，接收侧电气量采集模块，发送侧报文模块，接收侧报文模块，接收侧历史缓冲数据库，差动保护整定模块；
差动保护装置的发送侧和接收侧基于GPS系统对时后，分别利用两侧的电气量采集模块同时于每个整秒时刻启动电气量采集，并且每个采集时段内的采样频率设为N；发送侧电气量采集模块和接收侧电气量采集模块还利用傅里叶变换获得电气量傅氏值；
接收侧历史缓冲数据库，用于按照采样序号顺序存储接收侧电气量傅氏值；
未检测到线路故障时，发送侧报文模块，用于以频率1向接收侧报文模块发送通道心跳报文；检测到线路故障时，发送侧报文模块，用于以频率N向接收侧报文模块连续发送故障报文；
未检测到线路故障时，接收侧报文模块对心跳报文进行解码，获得发送侧的绝对时标；根据绝对时标获得发送侧电气量傅氏值的采样序号；检测到线路故障时，接收侧报文模块对每个故障报文进行解码，获得发送侧电气量傅氏值的采样序号；接收侧报文模块，还用于根据采样序号，从接收侧历史缓冲数据库内获取与该采样序号对应的接收侧电气量傅氏值；
差动保护整定模块，用于利用发送侧的电气量傅氏值和接收侧的电气量傅氏值对差动保护进行整定计算。
16.根据权利要求15所述的基于无线通信的自适应变频流量控制的差动保护实现系统，其特征在于，
接收侧电气量傅氏值以循环更新的方式存储在接收侧历史缓冲数据库中。
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