智能变电站继电保护采样数据同步方法

·33·
第 33 卷增刊 1
湖南电力 HUNAN ELECTRIC POWER
doi： 10. 3969 / j. issn. 1008-0198. 2013. Z1. 008
2013 年 7 月
智能变电站继电保护采样数据同步方法
刘伟良，李辉，欧阳帆，洪权 ( 湖南省电力公司科学研究院，湖南 长沙市 410007 )
作者简介
刘伟良（ 1974— ） ，男，硕士，工程师，从事电力继电保护技术 及及自动化技术。
李 辉（ 1983— ） ，男，博士，工程师，研究方向为高压直流输 电、电力系统继电保护及自动化技术。
欧阳帆（ 1979— ） ，男，博士，工程师，研究方向为智能变电技 术、继电保护与控制技术。
洪 权（ 1987— ） ，男，硕士，助理工程师，研究方向为电力系 统自动化。
参考文献
〔1〕 Q / GDW441 智能变电站继电保护技术规范 〔S〕． 北京： 国家 电网公司，2010．
〔2〕 徐敏，鲍有理，李宝伟，等． 智能变电站中点对点传输采样
值延迟及延迟校 验 方 案 〔J〕． 电 力 系 统 保 护 与 控 制，2012， 40 （ 17） ： 145-149． 〔3〕 蒋博，徐文志，杨坤，等． 智能变电站过程层采样数据组网 传输分析 〔J〕． 电工电气，2012. 5： 16-20． 〔4〕 闫志辉，胡彦民，周丽娟，等． 重采样移相技术在过程层 IED 中的应用 〔J〕． 电力系统保护与控制，2010，38 （ 6） ： 64-66． 〔5〕 徐广辉，李友军，王文龙，等． 数字化变电站 IED 采样数据 同步插值的设计 〔J〕． 电力系统自动化，2009，33 （ 4） ： 4952． 〔6〕 李文正，李宝伟，倪传坤． 智能变电站光纤差动保护同步方 案研究． 〔J〕． 电力系统保护与控制，2012，40 （ 16） ： 136140． 〔7〕 曹团结，俞拙非，吴崇昊． 电子式互感器接入的光纤差动保 护数据 同 步 方 法 〔J〕． 电 力 系 统 自 动 化，2009，33 （ 23 ） ： 65-68． 〔8〕 张兆云，刘 宏 君． 数 字 化 变 电 站 光 纤 差 动 保 护 同 步 新 方 法 〔J〕． 电力系统自动化，2010，34 （ 22） ： 90-92．
智能变电站作为统一坚强智能电网的重要基础 和支撑，具有一次设备智能化、二次设备网络化、 管理系统自动化等基本特征。智能化的实现是建立 在数字化采集基础之上，数字化采集不可避免地存 在数据同步问题。智能变电站采样值传输方式主要 有组网或点对点 2 种方式，组网方式数据同步完全 依赖对时系统，主要用于对数据同步的可靠性要求 相对较低的系统，如故障录波及网络分析仪等； 而 点对点方式不依赖外部对时系统，符合继电保护应 不依赖 于 外 部 对 时 系 统 实 现 其 保 护 功 能〔1〕 的 要 求。文中分析了通道延时对保护及自动装置的影 响，然后对智能变电站点对点和组网 2 种采样值传 输方式进行比较，着重对目前应用较为成熟的点对 点传输方式下的数据同步方法进行叙述。
如图 3 所示，保护装置收到合并单元 1，2 的 采样数据时为分别打上 a1，b1 时标； 并解析出采 样序号、额定延时、采样值等信息； 根据合并单元 1，2 的额定延时分别修正重采样时标，即计算出 采样发生的实际时刻，得到新的采样序列，再根据 内部时钟确定重采样时刻，通过插值算法计算出重
·32·
第 33 卷增刊 1
收稿日期： 2013-04-16
·31·
第 33 卷增刊 1
湖南电力
2013 年 7 月
和分析。 表 2 点对点与组网数据传输方式对比
序号
点对点
组网
不依赖于外部时钟，可靠 采样 同 步 依 赖 于 外 部 时 钟，
1
性高
可靠性低
2 采样值传输延时稳定
网络延时不稳定
采样值传送过程无中间环 在采样回路增加了交换机有 3
1 通道延时误差的影响
通道延时包括合并单元采样延时 （ 含电子互 感器延时） 及传输延时，对于站内采用点对点传 输方式来说，传输延时可以忽略不计 （ 200 m 约为 1 μs） 。通道延时是采集器延时与合并器处理延时 的累加，在通信帧格式中通道延时作为一个独立的 数据随采样值一并发送，通道延时直接影响二次设 备的采样 同 步 精 度〔2〕， 误 差 主 要 来 自 合 并 单 元 采 样延时误差。表 1 为通道延时误差与采样引起的角 度及差流的关系，从表中可以看出通道延时误差对
测量及计量系统影响最大，对距离及方向性保护影 响较大，差动保护因为有制动电流，影响较小，但 误差达到一定数值将引起差流越限甚至误动。
表 1 延时误差与角度偏差及差流关系
延时误差 1 μs 100 μs
角度偏差 1. 08' 1. 8°
差动保护幅值偏差 0. 31 mA 31. 4 mA
2 智能变电站数据同步方式比较
图 1 220 kV 双母线接线智能变电站的 数据传输
3. 1 插值算法 目前，对于 IEC60044 － 8 及 IEC61850 － 9 /2 协
议点对点采样值同步方式大多采用插值法同步〔4〕， 插值法同步方式较为成熟，在现场应用较广。插值 算法主要有 Lagrange 插值、Newton 插值、最小二 乘法等。从计算速度和处理的复杂程度考虑，建议
插值算法对合并单元而言，必须满足如下要求：
1） 合并单元应输出电子式互感器整体的采样
响应延时，额定延时时间不大于 2 ms。
2） 采样值发送间隔离散值应小于 10 μs。
3） 通道延时需要采样数据集中作为一路通道
发送。
参与插值的顺序排列离散数据点个数 n 值越
大，其曲线拟合程度越好，插值结果精度越高。但
常规变电站中电磁式互感器输出的二次模拟量 送至保护装置及自动装置，由装置的采样保持回路 完成多路模拟量来实现数据的同步。智能变电站由 合并单元完成采样，首先要完成本间隔电压和电流 的同步，然后过程层 IED 要完成不同间隔的数据 的同步。智能变电站采用点对点或组网方式完成采 样值的传输，对应的数据同步方式为插值同步法和 外部时钟 同 步 法〔3〕。 点 对 点 数 据 传 输 方 式 由 于 传 输延时相对固定，可用于 IEC600 －7 /8 和 IEC61850 －9 /2 等通讯协议实现插值同步； 组网方式由于传 输延时不稳定或不确定，必须依赖外部时钟 （ 包 括 1588 网络对时系统） 实现数据同步，两者主要 区别参见表 1。对于可靠性要求很高的继电保护来 说，不能依赖外部时针来实现同步，所以必须采用 点对点数据传输方式，文中主要对此方式进行介绍
6 装置光口较多、需解决散 光口较少，设备相对简单
热问题
7 二次光纤数量较多
二次光纤数量较少
3 采样值数据同步方法
使用拉格 朗 日 插 值〔5〕。 现 场 应 用 较 多 的 是 线 性 插
值法，对于反映基波的保护测控等而言，其误差可
满足要求，但不适用于需计算高次谐波电量的二次
设备，如采样值差动保护，谐波分析设备等。应用
摘 要： 本文在分析通道延时对采样同步的影响、比较点对点和组网 2 种采样值传输方 式优缺点的基础上，着重对点对点传输方式下的插值算法、重采样同步过程及光纤差动 保护数据同步方法进行叙述和分析。 关键词： 智能变电站; 采样同步; 点对点; 通道延时 中图分类号： TM77 文献标识码： B 文章编号： 1008-0198（ 2013） S1-0031-03
4 结束语
智能变电站采样数据组网传输方式可提高网络 的集成度、信息的利用率及配置的灵活性等，但由 于网络交换机的传输延时不固定，必须依赖同步时 针实现数据的同步，所以不能用于继电保护的采 样。点对点采样值传输方式在继电保护中应用较为 成熟，通过固定的通道延时还原采样的真实时刻， 用线性插值算法进行重采样来实现本间隔及跨间隔 采样数据的同步，完全不依赖外部对时系统和网 络，充分保证了继电保护的可靠性要求。
刘伟良等： 智能变电站继电保护采样数据同步方法
2013 年 7 月
采样值即可完成同步采样。 图 3 重采样实现同步的过程
3. 3 数字式线路光纤差动数据的同步 常规线路光纤差动保护数据同步方法是以一侧
为主时钟，另一侧光纤纵差保护调整自身的采样时 刻完成与主时钟同步。智能变电站的交流量采集由 合并单元完成，不能实现从保护装置直接调整合并 单元的采样时刻。国内主流继电保护厂家一般通过 改进采样时刻调整法实现同步，文献 〔6 －7〕利用 虚拟同步采样中断调整采样时刻来实现采样同步， 文献 〔8〕 通过不断调整保护装置的重采样中断实 现两侧同步。
图 2 线性插值算法示意
3. 2 重采样及同步过程 同间隔电流和电压的同步由合并单元完成，跨
间隔采样同步由相应保护装置完成，以跨间隔的采 样同步为 例 进 行 说 明〔6〕。 合 并 单 元 的 发 送 数 据 集 中包含有重采样后的采样数据、额定延时信息，保 护装置记下收到每路通道的每个采样值的时刻，同 时从报文中解析出采样序号、额定延时，通过减去 延时还原站内实际采样时刻。然后根据前后点与此 时刻的时间差的比，利用外部时钟 （ 或内部时钟） 分频后的重采样脉冲对采样数据进行插值运算以得 到一个 “近 似 值”，参 考 时 刻 按 固 定 间 隔 时 间 后 移，计算不断循环，于是输出端得到连续的 “同 步采样值”。
节、简单、直接、可靠 源环节，降低系统可靠性
4 不依赖交换机
依赖 交 换 机， 对 交 换 机 技 术 要求高
使多个 不 相 关 间 隔 保 护 系 统
各间隔保护功能在采样环
5
产生 关 联， 交 换 机 故 障 会 影
节独立实现，可靠性高
响多个保护运行
MU、变压 器、 母 线 保 护 MU、变压器、 母 线 保 护 装 置
图 4 插值同步方案示意图
如图 4 所示，合并单元将电压电流进行同步后 一并将通道延时 td 发送给保护装置，两侧保护装 置采用乒乓原理计算两侧采样时刻偏差 ΔTs，ΔTs 加上通道延时得到采样总偏差 ΔT，从侧不断调整 重采样时刻进行插值计算从而实现两侧采样的同 步，对于一侧为常规保护的情况，只需将将常规侧 保护的滤波回路延时、采样延时视为通道延时即 可。
－ －
t0 i（ t0
t1 ）
（ 1）
以一个 220 kV 双母线接线的智能变电站为例 来讨论数据的同步问题，如图 1 所示。母线电压由 母线合并单元采集，而电流由各隔间的合并单元采 集，必然存在同间隔中电压与电流的同步问题； 跨 间隔保护如变压器保护、母差保护等要实现来自不 同合并单元数据的同步； 光纤线路差动需实现站间 数据的同步。
是 n 值越大，数据窗越长，数据接收等待时间就越
长，数据运算量也会随之以指数倍增加。而且在实
际应用中发现，n 值越大数值稳定性越差。因此，
实际 工 程 应 用 大 多 采 用 2 点 线 性 插 值，采 用 式
（ 1） 的算法，如图 2 所示。
L（
t）
wk.baidu.com
=
t － t0 i（ t0 － t1
t0 ）
+
t t1