智能变电站组网传输采样值光纤差动保护同步方案研究

李宝伟，倪传坤，唐艳梅，席颖颖，邓茂军，周东杰

（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

0 引言

差动保护具有原理简单、动作速度快、可靠性高等优点，同时差动保护也存在实施难度较大的缺点，尤其对于输电线路，差动保护需要同时获取线路两端的采样数据，而且要解决两端采样数据同步的问题。近年来，电子式互感器（Electronic Instrument Transformer）因其良好的性能，已经开始在电力系统中获得广泛应用，电子式互感器已经从研发阶段逐渐进入到了实用阶段电子式互感器的应用改变了传统继电保护装置的电气量采集方式[1-3]。文献[4]提出了一种光纤差动采样同步方法，但此方法依赖于变电站的同步时钟源，大大降低了继电保护的可靠性；文献[5]提出了一种解决基于采样值（Sampled Value,SV）直采方式，一侧是传统变电站、另一侧是数字化变电站差动保护同步方案，在两侧均为智能变电站或采样SV组网方式的情况下并不适用。

本文阐述了智能变电站中组网传输采样值的系统结构，分析了基于组网方式传输采样值的电子式互感器采样时序及站内采样同步的关键技术，在此基础上提出了一种基于组网传输采样值的纵联光纤差动保护同步方案，并对采样同步误差进行了分析，最后给出了具体的实施方案。

1 基于电子式互感器的采样系统

1.1 组网传输采样值系统结构

智能变电站的数据源来自电子式互感器，经合并单元（Merging Unit,MU）同步处理后发送给间隔IED[6]。MU到保护装置之间采用IEC61850规约传输数字量采样值，为以太网报文，其传输方式可采用组网传输模式或点对点传输模式[7]。组网模式是指，MU将处理之后的采样值报文发送至过程层网络，间隔层IED设备从过程层网络获取所需要的采样数据。

图1为一种基于组网传输采样值方式的变电站自动化系统结构。综合接口单元完成的功能主要有：采集安装点的模拟量信息和开关量信息；对信息进行简单处理；与间隔层设备上传信息接收来自间隔层设备的命令信息；据接收的命令信息执行跳、和开关的操作。

图1 组网传输采样值系统结构示意图Fig.1 System structure of sampled value transmit by network

1.2 基于电子式互感器的采样系统

为设计纵联光纤差动保护采样同步方案，首先要对基于电子式互感器的采样系统进行深入的研究。基于电子式互感器的采样系统，其采样流程为：电子式互感器对模拟量信号进行采集，输出的数字量采样信号经过合并单元数据同步之后供保护装置使用。采样时序如图2所示。

采集器到合并单元之间采用IEC60044-8 FT3规约传输数字量采样值，由于FT3为串口通信，传输延时固定，电子互感器各自独立采样，并将采样的 一次电流或电压数据以固定延时时间发送至MU，MU采用同步插值法完成各采集器间的采样同步[8]。

图2 基于电子式互感器采样的时序Fig.2 Time sequence of electronic instrument transformer sampling

合并单元到保护装置之间采用组网模式传输采样值报文，合并单元输出的数字量采样值信号经以太网交换机共享至过程层总线，传输延时不稳定[9]，所以应由过程层合并单元实现全站采样数据时间同步，间隔层保护装置仅需要对齐采样序号即可完成采样的同步。

因此，基于电子式互感器的保护装置站内采样同步包含两个关键环节：

a）合并单元的重采样同步；

b）保护装置接收采样值报文的序号同步。

图3为MU重采样同步示意图。MU记录接收到电子式互感器采样值报文的时刻，再根据电子式互感器的采样值报文额定延时对接收时刻进行修正，得出采样值报文对应一次模拟量信号的时刻，MU根据全站统一的对时信号对各电子式互感器的数字量采样值报文进行重采样同步。合并单元所发样本计数为零的采样值报文中所带数字量采样值为同步脉冲产生时刻的一次模拟量信号[10]。

图3 合并单元重采样时序Fig.3 Time sequence of merge unit resample

当MU失去外部同步信号后采用内部时钟进行重采样，虽然与其他间隔MU之间不再同步，但仍可保证本MU内的采样数据的同步。

由于全站的过程层MU均基于同一时钟进行重采样，所以不同MU发送相同样本计数的数字量采样值是同步的。

间隔层IED设备依据MU的样本计数对各MU的采样值报文进行同步。如图4所示，间隔层IED设备仅需将接收到各MU采样值报文按照样本计数进行对齐即可完成采样同步。当检测到某个MU失去同步后，此MU采样值报文不再与其他MU进行序号对齐，按其采样值报文中的样本计数依次存储，仍可保证单间隔采样数据的同步。

图4 多间隔合并单元数据同步时序Fig.4 Time sequence of multiple merge unit resample

1.3 MU 级联采样同步

合并单元不但要对采集器的数据，某些情况下还需进行合并单元级联的采样同步。配置母线电压合并单元。母线电压合并单元可接收至少2组电压互感器数据，并支持向其他合并单元提供母线电压数据，根据需要提供电压并列功能。各间隔合并单元所需母线电压量通过母线电压合并单元转发。

如图5所示为220 kV双母线接线母线电压采集示意图。母线合并单元将电压采集器采样数据同步之后经FT3转发至间隔合并单元，间隔合并单元经过电压切换之后与电流采集器数据一起进行重采样同步。合并单元级联采样同步不需要外部对时脉冲。

2 光纤差动采样同步方案

关于站间保护装置之间的采样同步方法，目前常用的有数据调整法、采样时刻调整法、时钟校正法、参考相量法以及GPS同步法等[11]。以往站间保护装置之间采样同步均在间隔层IED设备中完成，由于采用SV组网方式，采样同步本质上是在MU中完成的，且合并单元按间隔配置，所以本文提出将站间采样同步下发至合并单元中完成。

图5 合并单元级联采样同步Fig.5 Merge unit cascade sample synchronization

2.1 采样同步流程

常规的合并单元仅完成间隔内采样数据的同步功能，需在原合并单元功能基础之上增加独立功能模块以完成站间采样同步功能。图6为合并单元采样同步功能结构图。合并单元内部站内采样同步和站间采样同步基于同一时钟信号。由于合并单元与保护装置的采样率不尽相同，站间采样同步需进行单独重采样。其具体流程如下：

1）直接对采集器的数据进行重采样以获取所需采样频率的数据，将此数据发送给对侧保护的同时存入采样缓存区。

2）实时进行同步计算以求出两侧的采样偏差。如果对侧为常规变电站或SV直采方式时，直接调整对侧的采样时刻，完成两侧采样的同步，本文不再深入讨论。

3）将接收到的对侧采样数据也存入采样缓存区。

图6 合并单元采样同步结构图Fig.6 Structure of merge unit sample synchronization

4）依据计算出的两端采样偏差对对侧采样值进行重采样，完成站间采样的同步。

5）将重采样之后的对侧数据以IEC61850-9-2规约发送至保护装置。

合并单元发送的本侧和对侧采样值报文相同样本计数的采样值为同一时刻本侧和对侧的采样数据。保护装置根据样本计数完成站间采样同步。

站间采样数据同步由三个部分组成：本侧数据重采样、站间采样偏差计算和对侧数据重采样同步。

2.2 本侧数据重采样

为保证MU本身功能与站间同步功能相互独立，同时保护装置与MU的采样率可能不相同，向对侧发送的采样数据独立采样。为了保证数据同步，MU重采样和站间采样同步重采样基于相同的时钟信号，同时在整秒时刻采样序号均为0。

本文站间采样同步重采样频率以1 200 Hz、MU重采样频率以4 000 Hz为例进行讨论。图7为站间采样同步重采样示意图，T1为MU重采样间隔，T2为站间同步的重采样间隔。重采样之后的采样数据和重采样时刻按序号依次存入采样缓存区，同时立即发送给对侧。

图7 MU 多频率重采样时序Fig.7 Time sequence of MU multi-frequency resample

2.3 采样偏差计算

使用乒乓算法计算通道延时及站间的通道延时Td、采样偏差ΔTs、采样序号差ΔNum为

其中：y为接收前最近的并且已经发送的采样序号；x为对侧反馈的序号；N为对侧序号；t1为接收时刻与y点时刻之差；t2为对侧接收与发送时间差；T为采样时间间隔。

2.4 对侧数据重采样同步

接收到对侧采样数据后，根据其自身的采样序号、计算出的序号差ΔNum计算出与其对应的本侧采样序号，取出本侧数据的重采样时标，减去计算出的两端采样偏差ΔTs，得到对侧采样的时刻，将对侧数据和对侧采样时刻存入采样缓存区。图8 为同步计算示意图。依据对侧采样时刻对其采样数据进行重采样，同步脉冲产生时刻重采样样本计数为零。重采样之后相同样本计数的本侧和对侧采样数据为相同时刻的模拟量信号。将重采样之后的对侧数据以IEC61850-9 规约发送至过程层网络。图9为对侧数据重采样同步示意图。

图8 同步计算示意图Fig.8 Synchronous calculation schemes

图9 对侧数据重采样同步Fig.9 Resample synchronization of opposite data

站间采样同步功能和MU本身的功能基于同一时钟信号，当MU失去外部对时信号时，采用内部时钟工作，所以当MU失去外部对时信号时线路差动保护仍然可以正常工作。

3 同步误差分析

采样误差主要为幅值误差和相位误差。下面分别分析站间采样同步产生的幅值偏差和相位偏差。

3.1 幅值偏差

幅值误差主要取决于本侧数据和对侧数据重采样引入的误差。为了降低重采样误差，重采样均采用抛物线插值算法。图10 为抛物线插值算法在各次谐波下的误差分布。由仿真可知，在工频下抛物线插值算法误差远小于0.01%，其误差对保护的影响可以忽略。

图10 抛物线插值算法误差分布Fig.10 Parabolic interpolation algorithm error distribution

3.2 相位偏差

相位偏差主要取决于同步计算误差，为提高同步计算精度，乒乓算法中两侧的收、发时标采用FPGA 记录，可保证同步计算误差在1 μs 之内[12]。

4 方案具体实施

站间采样同步功能仅线路间隔需要，为不影响MU 本侧数据处理功能，将站间同步模块设置为合并单元的一个组件，每个组件完成两端的采样同步功能。

4.1 硬件结构

带站间同步功能的MU 硬件结构如图11所示。站间采样同步功能使用独立的插件完成，本侧数据由MU 完成数据对齐之后通过FT3 方式发送至站间采样同步插件，其同步方法与1.3 节中MU 级联采样同步相同；时钟信号位于MU 插件，通过背板接至站间同步插件。此硬件结构灵活，当需要双端采样同步功能时装设一个组件，当需要多端采样同步比如T 型接线线路保护完成三端差动时，对应装设两个组件。

图11 采样同步硬件结构图Fig.11 Hardware structure of sample synchronization

4.2 对外接口

站间采样同步组件为完成采样同步功能，不仅要对外交换采样数据，而且需要外部对其设置通信参数，同时为完成站间差动保护功能，还需要交换状态量数据。分采样数据、定值参数和状态量数据三种类型定义对外接口方式。

a) 采样数据

站间采样同步插件接收MU 插件本侧采样数据采用标准IEC60044-8 FT3 规约，发送对侧采样数据采用标准的IEC61850 规约，模拟量采样值通过IEC61850-9-2 规约传输。

b) 定值参数

一种面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event,GOOSE）支持由数据集DATA-SET 组织的公共数据交换，由于GOOSE报文的核心内容（DATA-SET）可自由灵活地定义，不仅可传输状态信息，还可传输定值参数信息。因此光纤通道定值及参数由保护装置通过GOOSE 下发。

c) 状态量数据

状态量数据交互使用GOOSE 方式传输。

站间采样同步对外接口全为通用的标准接口，通用性很强，可以实现不同设备制造厂家之间的互相配合。

5 结论

本文提出一种基于组网传输采样的光纤差动保护采样数据同步新方案。该方案将光纤差动采样同步下放至合并单元中完成，首先通过乒乓算法计算出两侧采样偏差，进一步根据计算出的采样偏差和本侧重采样时标对对侧采样数据进行重采样，最终在合并单元中完成两侧采样数据的同步，并将对侧数据以IEC61850-9-2 方式发送至过程层网络。合并单元本侧采样同步和两侧采样同步基于同一时钟信号，当合并单元失去外部对时信号后光纤差动保护仍然可以正常工作。通过理论分析和仿真验证可知，该方案具有较高的同步精度。该方案同步精度高、运算量小、易于实现、并具备工程应用灵活及兼容性强的优点，有着广泛推广的现实意义。

利用本方案研制的合并单元和光纤差动保护装置已在某智能变电站投运，运行情况良好。

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