CN1996710A

CN1996710A - 无主站分布式微机母线保护的通讯方法

Info

Publication number: CN1996710A
Application number: CNA2006100979012A
Authority: CN
Inventors: 吴骞; 顾欣欣; 施玉祥
Original assignee: Nanjing Automation Research Institute; Nanjing NARI Group Corp
Current assignee: Nari Technology Co Ltd; NARI Nanjing Control System Co Ltd
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2026-11-21
Also published as: CN100424965C

Abstract

无主站分布式微机母线保护的通讯方法，各微机保护单元的采样数据在单元之间沿一个固定方向循环传递，在采样周期[T，T+t)内，保护单元P_i接收上一保护单元P_i－1传来的不含保护单元P_i的n－1个保护单元分别在采样时刻T及依次上溯不同采样时刻的采样数据报文，与此同时，保护单元P_i向下一保护单元P_i+1发送不含保护单P_i+1的n－1个保护单元分别在采样时刻T及依次上溯不同采样时刻的采样数据报文。本发明通讯方法使环网中各单元都能拥有T时刻完整的差动保护采样数据，从而能独立地进行故障判断，因而具有对网络传输速率要求低、实时性强、可靠性高的特点。

Description

无主站分布式微机母线保护的通讯方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统微机母线保护的通讯方法，特别是一种无主站分布式微机母线保护的通讯方法。

背景技术

母线是发电厂和变电所的重要组成部分，是电力系统中极为重要的元件，是发、输、变、供电的枢纽。发电厂、变电站内的发电机、变压器、输电线路、供电线路等设备均通过母线发挥作用。母线工作的可靠性会影响电力系统的安全稳定运行。

微机型继电保护的自检功能强、运行维护方便，因此深受使用单位的欢迎，得到了迅速的推广应用。微机母线保护与模拟式保护相比有很多优点：一般不需要由硬件构成的公共差电流回路；而且利用软件补偿来解决电流互感器(TA)变比不一致的问题；便于采用数字量运算来实现更为复杂、可靠的判据等。参见李营，杨奇逊.分布式微机母线保护的探讨[J].电力系统自动化，1999.23(21)：45-47。

目前现场运行的微机型母线保护多为集中式母线保护。集中式微机母线保护一般要求每一个母线连接元件的电流回路都要引入保护单元，由微机型母线保护对电流、电压以及开关量进行处理并转换为数字量，以便根据一定的算法进行计算、判断及处理。

近年来，随着无人值班的变电站的出现和变电站自动化技术的发展，对保护下放的要求越来越强烈，随着计算机、通信技术水平的迅速提高，继电保护下放到开关场的方式得以实施并逐渐得到认同。参见程利军，蔡敏，唐涛，阙连元，西门子微机母线保护及其发展[J].电力系统自动化，2004.28(10)：91-96。电压水平越高的厂站，占地面积越大，消耗电缆也越多，继电保护下放的经济效益越明显。同时，高速以太网通信技术的出现，使实现分散布置的微机母线差动保护成为现实。

分布式母线保护的设计思想是将母线保护分为多个保护单元，单元个数与母线上的连接元件个数相同。每个母线保护单元分别独立安装在相应的连接回路上，各单元之间有通信网络相连接。每个单元可对本回路的电流、电压进行采集。同时接收通过通信网送来的其它回路的电流数据、开关状态以及其它单元的保护动作情况。单元对所有回路数据进行计算比较后即可独立检测和判断母线的故障。一旦某个保护单元判断为母线区内故障，只将本回路从母线上断开，因而不会影响其它回路。参见罗姗姗，贺家李，李永丽等.新型分布式微机母线保护的研究[J].电力系统及其自动化学报，1995，7(4)：9-18。

与集中式母线差动保护相比，分散布置方案有更多优点：

(1)由于对母线的区内外故障采取分散计算、判断和处理的方式，不会由于电磁干扰使硬件或软件错误判断而造成母线全部停电。

(2)不必将所有TA二次电缆集中到母差保护屏上，减少了TA二次回路电缆，使TA二次回路得到简化，也减少了电缆的开销。

(3)单元就地安装电缆大大缩短，减小了电流二次回路阻抗，TA的饱和得以延缓。

(4)容易与线路或变压器的主保护组合，与后备保护相互备用。

(5)可以取消主站，减少投资。

国、内外对于分散式母线差动保护的研究已有多年，微机分散布置电流差动原理的母线保护与集中式微机母线差动保护相比，需解决的主要问题就是实时传输大量数据以及各分布单元同步问题。数据通信量大，导致通信网络构成复杂，甚至通信网络设备的复杂程度有可能超过继电保护设备本身。各分布单元不能同步采样，保护就不能正确动作。限于当时的通信技术水平，微机电流差动母线保护的通信很难达到要求，这也是分散布置的微机母线保护难以工程化的主要原因。

以往的分散布置的微机母线保护通信连接方式一般可以分为两种：总线型连接方式和环型连接方式。

1)、总线型连接方式

如图1所示，所有保护单元的通信线都连接到总线上，每一个保护单元发出的数据以广播数据方式发送给其他保护单元及监控计算机。在一个采样周期内，首先由第一个保护单元送出本单元就地采集的电流、开关量等数据，其他保护单元以及监控计算机接收数据，等各保护单元接收完成之后，第二台保护单元送出就地采集的数据，依此类推。在每个采样周期结束前所有单元都必须发完自身采集的数据并接收完其他保护单元的数据，然后各自根据采集和接收到的数据决定是否跳闸。参见罗姗姗，贺家李，周孝等.实时通信在超高压多回路母线保护中的应用[J]，中国电机工程学报，1999，19(4)：1-3。这种数据传输方式实时性好，故障时保护能迅速动作。但是，由于在一个采样周期内要发送几十个数据包，再考虑光传输时间和各保护单元处理时间，通信速率要求非常高。例如，如果母线上有24个保护单元时，通信要求的速率至少为30～40Mbps，以现在的通信条件很难在这个速率下稳定、安全、长距离地传输数据，影响母线保护的可靠性。另外，用光纤网络组成这种总线型连接方式也比较复杂，增减一条线路都比较麻烦，不利于扩容。

2)、环型连接方式

如图2所示，所有的保护单元相互连接成双环型，一条主通信回路，另一条为备用。保护单元以累加方式完成各保护之间的采集数据的交换，并结合采样数据传递。环网上诸保护单元中定义的首单元除数据采集与传递外还负责采样同步监测，中间各单元参与现场就地数据采集、累加计算与传递，末单元除数据采集外还负责故障判断，跳闸命令在网上传递实现。参见李营，杨奇逊.分布式微机母线保护的研究(博士学位论文)[D].保定：华北电力大学，1999。

这种方法的优点是通信速率比串联方式要求低；缺点是故障判断由末单元来判断，根据判断的结果再决定各个单元的动作与否，实时性差，其实质还是一种有主站的母线保护方式，无法实现无主站分布母线保护的优势。

以上两种无主站分布式母线保护通信组成方式都有其不足之处，还是处于试验阶段，难以应用到实际工程中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种对网络传输速率要求低、实时性强、可靠性高的无主站分布式微机母线保护的通讯方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：无主站分布式微机母线保护的通讯方法，对于保持同步采样的大于1的n个微机母线保护单元依次相连所组成的闭合环网，其实时分布采样数据的通讯方法是：采样数据在保护单元之间沿一个固定方向循环传递，设i为大于或等于1且小于或等于n的整数，P_i ^T为第i个保护单元P_i在采样时刻T获得的采样数据，在采样周期[T，T+t)内，保护单元P_i接收上一保护单元P_i-1传来的不含保护单元P_i的n-1个保护单元分别在采样时刻T及依次上溯不同采样时刻的采样数据报文：P_i-1 ^T，P_i-2 ^T-t，…，P₂ ^T-(i-3)t，P₁ ^T-(i-2)t，P_n ^T-(i-1)t，P_n-1 ^T-(i)t，…，P_i+2 ^T-(n-3)t，P_i+1 ^T-(n-2)，这些报文是由保护单元P_i-1在上一采样周期[T-t，T)内接收上一保护单元P_i-2的报文中，经选择去掉与保护单元P_i相关的数据P_i ^T-(n-1)t后，与保护单元P_i-1在采样周期[T，T+t)内的采样数据P_i-1 ^T组合而成；与此同时，保护单元P_i向下一保护单元P_i+1发送不含保护单元P_i+1的n-1个保护单元分别在采样时刻T及依次上溯不同采样时刻的采样数据报文：P_i ^T，P_i-1 ^T-t，P_i-2 ^T-2t，…，P₂ ^T-(i-2)t，P₁ ^T-(i-1)t，P_n ^T-(i)t，P_n-1 ^T-(i+1)t，…，P_i+2 ^T-(n-2)t，这些报文是由保护单元P_i在上一采样周期[T-t，T)内接收上一保护单元P_i-1的报文中，经选择去掉与保护单元P_i+1相关的数据P_i+1 ^T-(n-1)t后，与保护单元P_i在采样周期[T，T+t)内的采样数据P_i ^T组合而成。

本发明的有益效果如下：微机母线保护单元的实时采样数据按照上述通讯方法进行单向循环传递，经过n-1个采样周期，环网中的任意一个保护单元都可以从网络上得到其他保护单元在T时刻的采样数据，连同本单元在T时刻的采样数据，从而组成了差动保护的完整采样数据，经过差动运算和逻辑判断，各保护单元便可独立地进行故障判断以决定是否动作。环网上各微机母线保护单元之间不存在主从关系，都处于平等的地位。因此，本发明既克服了总线型连接的分站式微机母线保护通讯方法对网络传输速率要求高、可靠性低的缺点，又克服了环型连接的分站式微机母线保护通讯方法只有末单元才能进行判断、实时性差的缺点，从而可以减少对保护单元硬件的投资，很好地满足无主站分布式微机母线保护实时通讯的要求。

附图说明

图1为现有分布式微机母线保护的总线型连接方式示意图。

图2为现有分布式微机母线保护的环型连接方式示意图。

图3为本发明无主站分布式微机母线保护通讯方法实施例1的示意图。

图4为本发明无主站分布式微机母线保护通讯方法实施例2的示意图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

如图3所示，实施例1中，以n＝4为例，保持同步采样的4个微机母线保护单元依次相连所组成的闭合环网，其实时分布采样数据的通讯方法是：采样数据在保护单元之间沿一个固定方向循环传递，假定数据传递方向由p₁传递给p₂，p₂传递给p₃，p₃传递给p₄，p₄传递给p₁，即为逆时针方向传递，设t为采样周期，当采样频率为1200Hz时，经计算得采样周期t＝833μs，当采样频率为2400Hz时，经计算得采样周期t＝417μs，T可以是任意的采样时刻，比如北京时间8点整。

在任一采样周期[T，T+t)内，所有的母线保护单元在T时刻就本地母线开始采样(前面已有采样值)，获得的采样数据包括当地母线的电流及开关量等数字量，并用单元代号和时刻上标表示，例如P₁单元T时刻的采样值表示为P₁ ^T，当采样完成后，各保护单元接收其上一保护单元传来的其他3个保护单元分别在采样时刻T及依次上溯不同采样时刻的采样数据报文，同时，各保护单元向下一保护单元发送不含下一保护单元的3个保护单元分别在采样时刻T及依次上溯不同采样时刻的采样数据报文。以下是具体数据传送过程的描述：

在T时刻各保护单元拥有的数据：

P₁：P₁ ^T，P₄ ^T-t，P₃ ^T-2t，

P₂：P₂ ^T，P₁ ^T-t，P₄ ^T-2t，

P₃：P₃ ^T，P₂ ^T-t，P₁ ^T-2t，

P₄：P₄ ^T，P₃ ^T-t，P₂ ^T-2t，

在周期[T，T+t)内各单元发送的采样数据报文：

P₁向P₂发送：P₁ ^T，P₄ ^T-t，P₃ ^T-2t，

P₂向P₃发送：P₂ ^T，P₁ ^T-t，P₄ ^T-2t，

P₃向P₄发送：P₃ ^T，P₂ ^T-t，P₁ ^T-2t，

P₄向P₁发送：P₄ ^T，P₃ ^T-t，P₂ ^T-2t，

在周期[T+t，T+2t)内各单元发送的采样数据报文：

P₁向P₂发送：P₁ ^T+t，P₄ ^T， P₃ ^T-t

P₂向P₃发送：P₂ ^T+t，P₁ ^T， P₄ ^T-t

P₃向P₄发送：P₃ ^T+t，P₂ ^T，P₁ ^T-t

P₄向P₁发送：P₄ ^T+t，P₃ ^T， P₂ ^T-t

在周期[T+3t，T+4t)内各单元发送的采样数据报文：

P₁向P₂发送：P₁ ^T+2t， P₄ ^T+t， P₃ ^T

P₂向P₃发送：P₂ ^T+2t，P₁ ^T+t，P₄ ^T

P₃向P₄发送：P₃ ^T+2t，P₂ ^T+t，P₁ ^T

P₄向P₁发送：P₄ ^T-2t，P₃ ^T+t，P₂ ^T

从以上各单元传输的数据可以看出，经过3个采样周期，各保护单元就能接收到其他3个保护单元在T时刻采集的数据，连同本单元在T时刻采集的数据，从而组成了差动保护的完整采样数据，根据这些数据就可以判断保护是否动作。例如，在采样周期[T，T+t)、[T+t，T+2t)、[T+2t，T+3t)内保护单元P₁就能分别接收到P₄ ^T、P₃ ^T、P₂ ^T，加上P₁自身在T时刻采集的P₁ ^T就可以决定保护单元P₁是否动作，同样的，保护单元P₂也能分别接收到P₁ ^T、P₄ ^T、P₃ ^T，加上其自身在T时刻采集的P₂ ^T，组成了T时刻差动保护的完整采样数据，就可以决定保护单元P₂是否动作，P₃、P₄与之类似。如果是n个保护单元的情况，则需要经过n-1个采样周期的时间，才能对T时刻采样数据进行判断。

为了减少数据处理的延时，进一步提高采样数据传递的实时性，本发明进一步的特征是：采样数据在保护单元之间沿一个固定方向及其反方向循环传递，也就是以同样的通讯方法在环网中进行双向数据传递。

如图4所示，实施例2仍然以4个母线保护单元组成的闭合环网为例，第一个方向为p₁传递给p₂，p₂传递给p₃，p₃传递给p₄，p₄传递给p₁，即为实施例1的逆时针方向传递，传递方法同实施例1；第二个方向为p₁传递给p₄，p₄传递给p₃，p₃传递给p₂，p₂传递给p₁，即为顺时针方向传递。第二个方向的数据传递过程为：采样完成后，各保护单元接收其下一保护单元传来的其他3个保护单元分别在采样时刻T及依次上溯不同采样时刻的采样数据报文，同时，各保护单元向上一保护单元发送不含上一保护单元的3个保护单元分别在采样时刻T及依次上溯不同采样时刻的采样数据报文。设t为采样周期，当采样频率为1200Hz时，经计算得采样周期t＝833μs，当采样频率为2400Hz时，经计算得采样周期t＝417μs，T可以是任意的采样时刻，比如北京时间8点整。以下是第二个方向具体数据传送过程的描述：

在T时刻各保护单元拥有的数据：

P₁：P₁ ^T，P₂ ^T-t，P₃ ^T-2t

P₂：P₂ ^T，P₃ ^T-t，P₄ ^T-2t

P₃：P₃ ^T，P₄ ^T-t，P₁ ^T-2t

P₄：P₄ ^T，P₁ ^T-t，P₂ ^T-2t

在周期[T，T+t)内各单元发送的采样数据报文：

P₁向P₄发送：P₁ ^T，P₂ ^T-t，P₃ ^T-2t

P₂向P₁发送：P₂ ^T，P₃ ^T-t，P₄ ^T-2t

P₃向P₂发送：P₃ ^T，P₄ ^T-t，P₁ ^T-2t

P₄向P₃发送：P₄ ^T，P₁ ^T-t，P₂ ^T-2t

在周期[T+t，T+2t)内各单元发送的采样数据报文：

P₁向P₄发送：P₁ ^T+t，P₂ ^T，P₃ ^T-t

P₂向P₁发送：P₂ ^T+t，P₃ ^T，P₄ ^T-t

P₃向P₂发送：P₃ ^T+t，P₄ ^T，P₁ ^T-t

P₄向P₃发送：P₄ ^T+t，P₁ ^T，P₂ ^T-t

在周期[T+2t，T+3t)内各单元发送的采样数据报文：

P₁向P₄发送：P₁ ^T+2t，P₂ ^T+t，P₃ ^T

P₂向P₁发送：P₂ ^T+2t，P₃ ^T+t，P₄ ^T

P₃向P₂发送：P₃ ^T+2t，P₄ ^T+t，P₁ ^T

P₄向P₃发送：P₄ ^T+2t，P₁ ^T+t，P₂ ^T

结合以上两例可以看出，在环网中进行双向数据传递，只要经过2个采样周期，各保护单元就能接收到其他3个保护单元在T时刻采集的数据，连同本单元在T时刻采集的数据，从而组成了差动保护的完整采样数据，根据这些数据就可以判断保护是否动作。例如，在采样周期[T，T+t)、[T+t，T+2t)内保护单元P₁就能从逆时针的数据传递方向上分别接收到P₄ ^t、P₃ ^t，从顺时针的数据传递方向上分别接收到P₂ ^t、P₃ ^t，可见，在两个周期内接收到了P₄ ^t、P₃ ^t、P₂ ^t，加上P₁自身在T时刻采集的P₁ ^t，组成了T时刻差动保护的完整采样数据，就可以决定保护单元P₁是否动作，同样的，保护单元P₂也能在两个周期内接收到P₁ ^t、P₄ ^t、P₃ ^t，加上其自身在T时刻采集的P₂ ^t就可以决定保护单元P₂是否动作，P₃、P₄与之类似。如果是n个保护单元的情况，则需要经过[n/2]个采样周期的时间，就能对T时刻采样量进行判断，其中，“[n/2]”表示n/2的整数部分。

目前，母线保护单元的采样的同步，可以通过硬件设定来实现，为了进一步提高同步采样的时间精度，本实施例通过GPS时钟对时实现各母线保护单元同步采样，GPS对时误差范围在1μs以内，完全能满足分散布置母线保护的要求。每个母线保护单元上具有一个GPS接口，并通过数据线同GPS时钟对接；也可以在每个母线保护单元内安置一个GPS时钟来实现。

以24个母线保护单元为例，采用光纤作为传输介质，采样频率为1200Hz，即采样间隔为833μs，数据在线路的传输时间为5μs，CPU的处理时间取10μs，每台故障处理、采样时间取100μs，剩余处理通信的时间为718μs，如果采用数据单向传输，则保护的通信延时为19.159ms。如果采用2400Hz的采样频率，并且采用数据双向传递的方式，其他条件不变，则保护的通信延时仅为5ms。

假设母线上挂接的变压器、进线和出线回路不超过24条；在母线保护中需要的数据为三相电流值，每个电流值占两个字节。每个数据报文包含(24-1)*3*2＝138字节。因此，在使用以太网帧时，前导码包含8个字节，目的地址、源地址各6个字节。类型域包含2个字节，数据域最少包含138字节，帧校验序列包含4个字节。即每个报文164个字节共1312位。假设保护的采样率为1200Hz，即采样间隔为833μs。数据在线路的传输时间为5μs，CPU的处理时间取10μs，每台故障处理、采样等100μs。则剩余处理通信的时间为833-5-10-100＝718μs。一共要处理的报文为1312bit。要实现这种方法所需要的通道数据传送率只要大于1.83Mbps就可以了。

这种通信方式网络组成方式简单可靠，通信速率要求不高，完全能满足分布式母线保护的通信要求，而且这种方式也十分方便于编程。

Claims

1、无主站分布式微机母线保护的通讯方法，对于保持同步采样的大于1的n个微机母线保护单元依次相连所组成的闭合环网。其实时分布采样数据的通讯方法是：采样数据在保护单元之间沿一个固定方向循环传递，设i为大于或等于1且小于或等于n的整数，P_i ^T为第i个保护单元P_i在采样时刻T获得的采样数据，在采样周期[T，T+t)内，保护单元P_i接收上一保护单元P_i-1传来的不含保护单元P_i的n-1个保护单元分别在采样时刻T及依次上溯不同采样时刻的采样数据报文：P_i-1 ^T，P_i-2 ^T-t，…，P₂ ^T-(i-3)t，P₁ ^T-(i-2)t，P_n ^T-(i-1)t，P_n-1 ^T-(i)t，…，P_i+2 ^T-(n-3)t，P_i+1 ^T-(n-2)t，这些报文是由保护单元P_i-1在上一采样周期[T-t，T)内接收上一保护单元P_i-2的报文中，经选择去掉与保护单元P_i相关的数据P_i ^T-(n-1)t后，与保护单元P_i-1在采样周期[T，T+t)内的采样数据P_i-1 ^T组合而成；与此同时，保护单元P_i向下一保护单元P_i+1发送不含保护单元P_i+1的n-1个保护单元分别在采样时刻T及依次上溯不同采样时刻的采样数据报文：P_i ^T，P_i-1 ^T-t，P_i-2 ^T-2t，…，P₂ ^T-(i-2)t，P₁ ^T-(i-1)t，P_n ^T-(i)t，P_n-1 ^T-(i+1)t，…，P_i+2 ^T-(n-2)t，这些报文是由保护单元P_i在上一采样周期[T-t，T)内接收上一保护单元P_i-1的报文中，经选择去掉与保护单元P_i+1相关的数据P_i+1 ^T-(n-1)t后，与保护单元P_i在采样周期[T，T+t)内的采样数据P_i ^T组合而成。

2、根据权利要求1所述的无主站分布式微机母线保护的通讯方法，其特征是：采样数据在保护单元之间沿一个固定方向及其反方向循环传递。

3、根据权利要求1或2所述的无主站分布式微机母线保护的通讯方法，其特征是：环网上各母线保护单元通过GPS时钟对时实现各母线保护单元同步采样。

4、根据权利要求1或2所述的无主站分布式微机母线保护的通讯方法，其特征是：所述微机母线保护单元的采样频率为1200Hz。

5、根据权利要求1或2所述的无主站分布式微机母线保护的通讯方法，其特征是：所述微机母线保护单元的采样频率为2400Hz。