CN116866157B - 一种基于5g纵联差动保护的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，其包括在运行保护逻辑时，根据采样数据计算各采样通道的本侧实时数据，并将计算得到的本侧实时数据组成短报文帧，通过5G通道将该短报文帧发送给对侧保护装置；优先处理对侧保护装置发送的对侧短报文数据，并按照时标对齐存储数据；实时计算线路差动电流和制动电流，并根据计算结果运行差动保护逻辑；当检测到差动电流达到差流门槛值时，启动装置差动保护，同时启动长报文帧传输；在对侧保护装置获得长报文帧传输数据后，按照时标对齐存储数据，完成数据传输过程。应用本发明不仅可以有效保障继电保护的易用性和可靠性要求，而且能够有效降低5G数据流量，从而提高设备使用的经济性。

Description

一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法

技术领域

本发明涉及配网自动化技术领域，具体涉及一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法。

背景技术

传统的配电网因规模巨大、网架拓扑复杂等问题，缺乏有效的自动化和保护手段。在配电网引入差动保护可以有效减少停电时间，高效处理配电故障。但是差动保护对通信的要求非常苛刻，要求通信时延低于20ms，4G无法满足，如果全部敷设光纤则建设和维护成本非常高，5G的低时延特性能在电力故障发生的第一时间做出判断，几十毫秒内对故障进行自动隔离，大幅降低配网故障的供电恢复时间，实现停电“零感知”。

目前，在5G差动保护技术的推广中，突出存在5G交互数据流量过高（一般一张SIM卡月均流量上百G或1T），长期运行通讯费用过大的问题。

为解决这一问题，主流的方法是将传输数据分为常态报文（数据量很少，一般监视5G通道状态和设备保护状态）和全数据报文（数据量极大，包括故障状态前后的各通道采样数据等，出现故障时传输）两种类型，通过两端设备的电压电流扰动信息来启动切换报文传输类型：即无扰动时传输常态报文，有扰动时传输全数据报文。

专利申请号为CN202111591769的专利公开了一种基于扰动识别提高5G差动保护经济性的方法，其包括：所述配网线路的5G差动保护，在正常状态，每隔T1本侧差动保护向其它各侧发送常态报文；在扰动发生时，从机侧连续向主机侧发送全数据报文；该发明考虑配电网在正常运行时，扰动和故障发生有一定的概率，常态时，定时发送同步状态及与差动相关的状态量，仅在扰动、异常或故障发生时，连续的发送全数据报文；专利申请号为CN202210626996的专利公开了一种动态响应的5G通信差动保护的数据传输方法，使得基于5G通信的差动保护业务广泛应用于中低压配网领域，推动电网继电保护新技术的发展，解决传统中低压电网不依赖通道的保护终端无法兼顾速动性和选择性要求，通过采用先进的5G通信技术，借助5G通信网络的高带宽、低时延和高可靠性的无线通信环境，在闭环运行的中低压电网中实现纵联差动保护的大规模应用，提高电网的保护水平。

由上述现有技术可见，通过扰动信息来切换报文类型存在以下两个缺点：

一、扰动识别的算法比较复杂（包括突变量、正负序），很难设置合理的启动定值门槛。为了保证扰动识别尽量准确及时，识别算法融合了突变量、正负序、频率保护、过流保护、对称度等一系列算法，包含一系列定值。扰动识别算法越多，对应的启动定值越多。定值设置越复杂，实际使用越不可靠。

二、扰动定值设置存在启动死区。扰动启动的根本算法还是在于突变量（工频变化量）启动。如果线路突变量没有达到启动定值，但是差流可能已经达到保护定值，则会造成装置无法启动差动保护。

例如，以下为突变量（工频变化量）启动判据公式：

ΔIφ>IQD

ΔUφ>UQD

其中，IQD为突变量电流定值，UQD为突变量电压定值。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，该方法不仅有效保障了继电保护的易用性和可靠性要求，而且有效降低了5G数据流量，从而提高设备使用的经济性。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，包括：在运行保护逻辑时，根据采样数据计算本侧装置各采样通道的本侧实时数据，并将计算得到的本侧实时数据组成短报文帧，按照保护逻辑运行周期，通过5G通道将该短报文帧发送给对侧保护装置；其中，所述短报文帧包括本侧装置各采样通道的FFT幅值、当前采样时标、当前5G通道状态等数据；

在每个保护逻辑运行周期期间，优先处理对侧保护装置发送的对侧短报文数据，并按照时标对齐存储数据；

根据更新后的数据，实时计算线路差动电流和制动电流，并根据计算结果运行差动保护逻辑，实时判断保护线路的运行状态；

在保护线路状态正常时，无需启动长报文帧传输；

当检测到保护线路的差动电流达到差流门槛值时，启动装置差动保护，同时启动长报文帧传输；

在对侧保护装置获得长报文帧传输数据后，按照时标对齐存储数据，完成数据传输过程。

根据本发明提供的一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，在5G差动保护装置运行保护逻辑时，装置运行的整个过程都定时传输短报文帧，通过实时交互短报文帧，在保护线路两端的装置实现差动保护功能；

在装置差动保护启动时，同时启动长报文传输，保护线路两端的设备对齐并存储相关数据，以完成故障录波等功能。

根据本发明提供的一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，所述FFT幅值包括各工频量通道的实部和虚部：

工频量实部: AφCosθ

工频量虚部: AφSinθ

其中，φ为相序。

根据本发明提供的一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，所述长报文帧包括故障发生时刻前各采样通道的若干周期的采样值，以及最近的采样时刻等数据信息；其中，5G差动保护装置都会缓存当前时刻前若干周期的采样值，在故障出现时，利用5G大带宽的优点，一次性将缓存的采样数据传输到对侧保护装置中。

根据本发明提供的一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，在进行短报文帧组装时，在每个保护逻辑运行周期中，均采用快速傅里叶算法优先计算各采样通道的FFT幅值、获取5G通道状态数据、记录本次组帧的最近采样时刻，将这些数据组成短报文帧并推入发送缓存。

根据本发明提供的一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，所述按照时标对齐存储数据，包括：

5G差动保护装置通过授时设备获得时钟误差≤10μs的高精度时间；

5G差动保护装置自动调整采样时间，与获取的1PPS秒脉冲中断对齐；

在采样同步完成后，每次发送短报文帧均包括绝对时间；在对侧保护装置收到短报文后，根据时标把对侧保护装置发来的采样数据与本侧保护装置对齐。

根据本发明提供的一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，使用分相差动保护逻辑判断实时判断保护线路的运行状态，判别条件包括：

电流幅值：Iφn= √((AφnCosθ)2+((AφnnSinθ)2)；

差动电流：Iφd= √(∑(AφnCosθ)2+(∑(AφnnSinθ)2)；

制动电流：Iφr= |iφ1 |+|iφ2 |+…+|iφn |；

Iφd≥Idz ；

|Iφ1 +Iφ2 +…+Iφn |≥K·Iφr；

其中，Iφ1、Iφ2、…、Iφn为1~n侧电流，K为制动系数，Idz为差动电流门坎值，n为各侧总数。

根据本发明提供的一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，在保护线路状态正常时，无需启动长报文传输，5G差动保护装置采用非实时通信模式传输数据，用于维护通道正常连接保持和差动保护正常运行期间检测逻辑所需的相应数据。

根据本发明提供的一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，5G差动保护装置对由对侧保护装置发送过来的短报文进行链路层CRC校验和应用层校验，对由本侧保护装置发送的短报文进行链路层CRC校验和应用层校验，获得当前5G通道状态量以及通道状态标识，并将该状态量填充到5G差动保护装置所发送长报文的对应标识位。

根据本发明提供的一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，在出现故障时，将故障设备类型、故障设备位置转换成北斗短报文数据发送给北斗短报文通信模块，北斗短报文通信模块通过通信模块向监控中心发送北斗短报文数据，所述监控中心根据接收到的北斗短报文数据控制报警模块发出报警信号，同时将北斗短报文数据通过显示模块显示到显示装置上；

其中，所述北斗短报文通信模块根据故障设备的优先级顺序向监控中心发送短报文数据；

将出现故障的对侧保护装置标记为故障端点；

检测同一时刻的所有故障端点，如果两故障端点相邻，则将两故障端点之间的线路判定为故障区段；

若监测到故障区段，则开启故障区段两端的北斗定位装置进行定位，并通过北斗短报文向监控中心发送故障区段两端的北斗定位坐标。

因此，相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明将5G报文分为两种类型：（1）FFT幅值传输报文（短报文帧）：包括各采样通道的FFT幅值、采样时标、5G通道状态等数据；（2）全数据传输报文（长报文帧）：主要包括故障发生前各采样通道的若干周期的采样值。在装置运行的整个过程都定时传输短报文，通过实时交互短报文，线路两端的设备实现差动保护功能；在装置差动保护启动时，同时启动长报文传输，线路两端的设备对齐并存储相关数据，完成故障录波等功。

2、本发明通过5G差动保护装置实时监视线路状态，无需通过电压电流扰动信息来识别故障状态；定值设置简单，无需增加大量基于扰动识别的辅助定值，使用方便可靠。

3、本发明所提供的保护原理不存在定值死区，能够确保装置可靠迅速切断、隔离故障。

4、本发明可以有效降低通信数据流量，同时没有影响装置的故障录波等其它功能，从而有效提高使用经济性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，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是本发明一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法实施例的流程图。

图2是本发明一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法实施例中关于差动保护的流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

参见图1与图2，本发明提供的一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，包括：

步骤S1，在运行保护逻辑时，根据采样数据计算本侧装置各采样通道的本侧实时数据，并将计算得到的本侧实时数据组成短报文帧，按照保护逻辑运行周期，通过5G通道将该短报文帧发送给对侧保护装置；其中，短报文帧包括本侧装置各采样通道的FFT幅值、当前采样时标、当前5G通道状态等数据；

步骤S2，在每个保护逻辑运行周期期间，优先处理对侧保护装置发送的对侧短报文数据，并按照时标对齐存储数据；

步骤S3，根据更新后的数据，实时计算线路差动电流和制动电流，并根据计算结果运行差动保护逻辑，实时判断保护线路的运行状态；

步骤S4，在保护线路状态正常时，无需启动长报文帧传输；

步骤S5，当检测到保护线路的差动电流达到差流门槛值时，启动装置差动保护，同时启动长报文帧传输；

步骤S6，在对侧保护装置获得长报文帧传输数据后，按照时标对齐存储数据，完成数据传输过程。

其中，装置在每个保护逻辑运行周期初始，根据采样数据先计算出本侧各通道当前时刻的FFT幅值，组短报文帧并发送给对侧装置。

因为继电保护设备的保护逻辑运行频率（常规100~200Hz）一般都明显低于保护数据采样频率（一般1200~1600Hz），短报文按照保护逻辑频率传输明显比按采样频率频率慢，传输的数据量显著下降，短报文累积流量不到常规光纤差动报文流量的1/5。

在5G差动保护装置运行保护逻辑时，装置运行的整个过程都定时传输短报文帧，通过实时交互短报文帧，在保护线路两端的装置实现差动保护功能。可见，设备在运行保护逻辑时，将计算出的FFT幅值、对应采样时刻、实时通道状态等数据组帧成短报文，按照保护逻辑运行周期，通过5G通道发送给线路对侧保护设备。

在本实施例中，FFT幅值包括各工频量通道的实部和虚部：

工频量实部: AφCosθ

工频量虚部: AφSinθ

其中，φ为相序。

在上述步骤S5中，在装置差动保护启动时，同时启动长报文传输，保护线路两端的设备对齐并存储相关数据，以完成故障录波等功能。

具体的，长报文帧包括故障发生时刻前各采样通道的若干周期的采样值，以及最近的采样时刻等数据信息；其中，5G差动保护装置都会缓存当前时刻前若干周期的采样值，在故障出现时，利用5G大带宽的优点，一次性将缓存的采样数据传输到对侧保护装置中。

在上述步骤S1中，在进行短报文帧组装时，在每个保护逻辑运行周期中，均采用快速傅里叶算法优先计算各采样通道的FFT幅值、获取5G通道状态数据、记录本次组帧的最近采样时刻，将这些数据组成短报文帧并推入发送缓存。

在上述步骤S2和S6中，按照时标对齐存储数据，包括：

5G差动保护装置通过授时设备（北斗/GPS/5G授时基站等）获得时钟误差≤10μs的高精度时间；

5G差动保护装置自动调整采样时间，与获取的1PPS秒脉冲中断对齐。

在采样同步完成后，每次发送短报文帧均包括绝对时间；在对侧保护装置收到短报文后，根据时标把对侧保护装置发来的采样数据与本侧保护装置对齐。

在上述步骤S3中，使用分相差动保护逻辑判断实时判断保护线路的运行状态，判别条件包括：

电流幅值：Iφn= √((AφnCosθ)2+((AφnnSinθ)2)；

差动电流：Iφd= √(∑(AφnCosθ)2+(∑(AφnnSinθ)2)；

制动电流：Iφr= |iφ1 |+|iφ2 |+…+|iφn |；

Iφd≥Idz ；

|Iφ1 +Iφ2 +…+Iφn |≥K·Iφr；

其中，Iφ1、Iφ2、…、Iφn为1~n侧电流，K为制动系数，Idz为差动电流门坎值，n为各侧总数。

本实施例的差动保护逻辑和常规差动保护方式一致，无需复杂的干扰启动逻辑。当然，也可以根据实际情况增加工频变化量、复压闭锁等差动保护复合判据。

在上述步骤S4中，在保护线路状态正常时，无需启动长报文传输，5G差动保护装置采用非实时通信模式传输数据，用于维护通道正常连接保持和差动保护正常运行期间检测逻辑所需的相应数据。

在本实施例中，5G差动保护装置对由对侧保护装置发送过来的短报文进行链路层CRC校验和应用层校验，对由本侧保护装置发送的短报文进行链路层CRC校验和应用层校验，获得当前5G通道状态量以及通道状态标识，并将该状态量填充到5G差动保护装置所发送长报文的对应标识位。

在本实施例中，在出现故障时，将故障设备类型、故障设备位置转换成北斗短报文数据发送给北斗短报文通信模块，北斗短报文通信模块通过通信模块向监控中心发送北斗短报文数据，监控中心根据接收到的北斗短报文数据控制报警模块发出报警信号，同时将北斗短报文数据通过显示模块显示到显示装置上；

其中，北斗短报文通信模块根据故障设备的优先级顺序向监控中心发送短报文数据。当多个装置同时出现故障时，为了避免拥堵，本发明根据故障装置的优先级顺序向监控中心发送短报文数据，优先级高，则优先发送。

可见，本实施例可以利用其精确定位和短报文通信功能，对保护装置进行定位，并将设备信息传送到监控中心，监控中心再把控制信号传递给报警模块和显示模块，使工作人员可以实时监控环境复杂区域的配网设备的运行情况。

在本实施例中，将出现故障的对侧保护装置标记为故障端点；检测同一时刻的所有故障端点，如果两故障端点相邻，则将两故障端点之间的线路判定为故障区段；若监测到故障区段，则开启故障区段两端的北斗定位装置进行定位，并通过北斗短报文向监控中心发送故障区段两端的北斗定位坐标。

可见，本实施例在故障一旦发生时就能立即将故障区段定位出来，实现保护线路故障点快速定位，相比现有技术全线路排查，本实施例的方法可以将排查范围缩小到两端装置之间，提升了排查效率。

具体的，本实施例的5G差动保护装置包括主控制单元、5G通讯模块和外部精确授时设备，5G通讯模块和外部精确授时设备分别与主控制单元连接，在差动保护每一端节点部署有5G差动保护装置，或者每一端节点部署两个5G差动保护装置构成双重化差动保护系统。

其中，主控制单元用于完成所在节点电气信息采集、逻辑运算和断路器跳合闸控制；外部精确授时设备，基于北斗授时、GPS授时、5G授时或者多模式混合应用这些外部精确授时系统完成差动保护各端节点的授时；5G通讯模块，基于5G通讯网络完成线路各端的保护装置之间的数据通讯。

其中，各节点的5G差动保护装置基于5G通讯根据保护线路的运行状态按每一周波1次或者每数周波1次或者每个采样间隔1次向本差动保护其他节点传输短报文帧。

具体的，主控制单元包括控制器、FPAG模块、连接5G通信模块的5G网络接口、连接FPGA模块的数据处理模块以及连接5G网络接口的以太网模块。其中，数据处理模块包括数据处理单元、数据传输模块；FPGA模块包括数据缓冲模块、数据加密模块、数据接收与数据解密模块。

在数据加密模块收到控制器的采样数据后，对数据做加密处理，计算获得生成采样数据产生的绝对时间并发送给控制器的数据传输模块；数据传输模块将差动数据、生成采样数据的绝对时间通过以太网控制模块传输到5G网络接口；

数据传输模块接收5G网络接口收到的数据，解帧后根据采样数据计算数据缓冲时间、计算数据缓冲模块发送数据所消耗的时间，计算完成后发送给数据接收与数据解密模块，数据接收与数据解密模块完成数据解密处理并将传送给数据缓冲模块；数据缓冲模块计算等待时间，到达等待时间后，发送数据到控制器的数据处理单元，根据采样数据计算本侧装置各采样通道的本侧实时数据，并将计算得到的本侧实时数据组成短报文帧。

综上可得，本发明将5G报文分为两种类型：（1）FFT幅值传输报文（短报文帧）：包括各采样通道的FFT幅值、采样时标、5G通道状态等数据；（2）全数据传输报文（长报文帧）：主要包括故障发生前各采样通道的若干周期的采样值。在装置运行的整个过程都定时传输短报文，通过实时交互短报文，线路两端的设备实现差动保护功能；在装置差动保护启动时，同时启动长报文传输，线路两端的设备对齐并存储相关数据，完成故障录波等功。

因此，本发明通过5G差动保护装置实时监视线路状态，无需通过电压电流扰动信息来识别故障状态；定值设置简单，无需增加大量基于扰动识别的辅助定值，使用方便可靠；本发明所提供的保护原理不存在定值死区，能够确保装置可靠迅速切断、隔离故障；本发明可以有效降低通信数据流量，同时没有影响装置的故障录波等其它功能，从而有效提高使用经济性。

以上对本申请所提供的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于5G纵联差动保护的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

在运行保护逻辑时，根据采样数据计算本侧装置各采样通道的本侧实时数据，并将计算得到的本侧实时数据组成短报文帧，按照保护逻辑运行周期，通过5G通道将该短报文帧发送给对侧保护装置；其中，所述短报文帧包括本侧装置各采样通道的实时电流、当前采样时标、当前5G通道状态的数据，该实时电流为FFT幅值；

在每个保护逻辑运行周期期间，优先处理对侧保护装置发送的对侧短报文数据，并按照时标对齐存储数据；

根据更新后的数据，实时计算线路差动电流和制动电流，并根据计算结果运行差动保护逻辑，实时判断保护线路的运行状态；

在保护线路状态正常时，无需启动长报文帧传输；

当检测到保护线路的差动电流达到差流门槛值时，启动装置差动保护，同时启动长报文帧传输；

在对侧保护装置获得长报文帧传输数据后，按照时标对齐存储数据，完成数据传输过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在5G差动保护装置运行保护逻辑时，装置运行的整个过程都定时传输短报文帧，通过实时交互短报文帧，在保护线路两端的装置实现差动保护功能；

在装置差动保护启动时，同时启动长报文传输，保护线路两端的设备对齐并存储相关数据，以完成故障录波的功能。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述FFT幅值包括各工频量通道的实部和虚部：

工频量实部: AφCosθ

工频量虚部: AφSinθ

其中，φ为相序。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述长报文帧包括故障发生时刻前各采样通道的若干周期的采样值，以及最近的采样时刻的数据信息；其中，5G差动保护装置都会缓存当前时刻前若干周期的采样值，在故障出现时，利用5G大带宽的优点，一次性将缓存的采样数据传输到对侧保护装置中。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在进行短报文帧组装时，在每个保护逻辑运行周期中，均采用快速傅里叶算法优先计算各采样通道的FFT幅值、获取5G通道状态数据、记录本次组帧的最近采样时刻，将这些数据组成短报文帧并推入发送缓存。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述按照时标对齐存储数据，包括：

5G差动保护装置通过授时设备获得时钟误差≤10μs的高精度时间；

5G差动保护装置自动调整采样时间，与获取的1PPS秒脉冲中断对齐；

在采样同步完成后，每次发送短报文帧均包括绝对时间；在对侧保护装置收到短报文后，根据时标把对侧保护装置发来的采样数据与本侧保护装置对齐。

7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于：

在保护线路状态正常时，无需启动长报文传输，5G差动保护装置采用非实时通信模式传输数据，用于维护通道正常连接保持和差动保护正常运行期间检测逻辑所需的相应数据。

8.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于：

5G差动保护装置对由对侧保护装置发送过来的短报文进行链路层CRC校验和应用层校验，对由本侧保护装置发送的短报文进行链路层CRC校验和应用层校验，获得当前5G通道状态量以及通道状态标识，并将该状态量填充到5G差动保护装置所发送长报文的对应标识位。

9.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于：

在出现故障时，将故障设备类型、故障设备位置转换成北斗短报文数据发送给北斗短报文通信模块，北斗短报文通信模块通过通信模块向监控中心发送北斗短报文数据，所述监控中心根据接收到的北斗短报文数据控制报警模块发出报警信号，同时将北斗短报文数据通过显示模块显示到显示装置上；

其中，所述北斗短报文通信模块根据故障设备的优先级顺序向监控中心发送短报文数据；

将出现故障的对侧保护装置标记为故障端点；

检测同一时刻的所有故障端点，如果两故障端点相邻，则将两故障端点之间的线路判定为故障区段；

若监测到故障区段，则开启故障区段两端的北斗定位装置进行定位，并通过北斗短报文向监控中心发送故障区段两端的北斗定位坐标。