基于网络同步的方向过流保护采样值计算

朱重阳，张华

（国电南京自动化股份有限公司，南京 211100）

基于网络同步的方向过流保护采样值计算

朱重阳，张华

（国电南京自动化股份有限公司，南京 211100）

目前，配电网中不依赖于电压，通过电流的采样值来计算方向过流的方法，对于采样值两端的同步提出了很高的要求。提出通过网络传输来调整电流采样值的同步算法，进而计算电流两端相位差，同时起到方向过流保护的作用。该方案不仅能够很好地解决采样值的同步性，准确判断过流相位，而且避免硬件设计过于复杂，减少方向过流元器件的使用。此方案已在双回线配电系统中得以验证。

采样值同步；方向过流保护；相位差；相位同步；相位失步

0 引言

目前，配电网电流保护广泛采用时间配合的方式。当馈线发生故障时，整条线路将被切掉，不但不利于配电网供电的可靠性，而且其依赖于时间延时来实现保护的选择性，会导致由于某些故障的切除时间过长而影响设备寿命。传统的方向过流保护接线复杂，投资较大，存在死区。尤其是分布式电源（DG）的引入使得三段式电流保护、熔断器保护及自动重合闸保护的灵敏度降低，甚至误动或不动，因此迫切需要提高含DG的配电网中继电保护装置的响应速度并扩大保护的范围。本文通过搭建试验平台，利用网络同步的方法模拟计算两点之间电流的相位差［1］，从而提出一种行之有效的方向过流保护方案。

1 试验方案

本次试验通过2台馈线远方终端（FTU）对同一线路不同的两点进行电流采样，保护测试仪输出的A相和B相电流可用来模拟同一线路中的不同的两点电流采样位置，2台FTU之间通过交换机与笔记本电脑组成局域网，笔记本电脑运行后台软件，可查看实时电流遥测值和相位角，试验方案如图1所示。

2 采样值同步和相位差计算

对线路保护而言，最为有效的方式当属分相电流差动保护。其中采样值同步又是其中关键技术。本文通过网络通信的模式，首先建立双方通信握手报文，报文中带有发送方的发送时间、发送方的三相相位角及通信握手过程的状态位，接收方收到该报文后，把接收时间填充进该报文，接收方回发该报文给发送方，发送方根据收到的报文解析出发送时间和接收时间算出网络延时，根据网络延时插值计算出接收对端的采样值序列，在通信报文里面解析出对端相角，即可计算出双方相位差［2-3］。通信协议帧格式见表1。

图1 系统示意

表1 协议帧格式

“状态位”：报文的状态标志。0：握手开始帧；1：握手确认帧。

“发送时间”：自身发送报文时的时间（tm1）。

“对端发送时间”：自身收到远端报文时，解析报文中的发送时间，填充进“对端发送时间”，即对端发送报文时的时间（tn2）。

“收发时间差”：对端收到报文与发送报文的时间差（t）。

以#1 FTU为自身发起，#2 FTU为对端接收为例，利用时间同步过程中握手时刻计算时间同步示意图如图2所示，图中：tm1，tm2为#1 FTU采样时刻，时间间隔为625μs；tn1，tn2为#2 FTU采样时刻，时间间隔为625μs；网络延时

图2 时间同步示意

#1 FTU在tm1时刻发送握手起始报文，#2 FTU在tn1′时刻收到握手起始报文，#2 FTU在下一个采样时刻tn2发送握手确认报文，#1 FTU在tm1′时刻收到握手确认报文，至此握手过程结束。#1 FTU可以根据报文中带有的时间，计算出网络延时。#2 FTU每1min开始时刻都进行握手网络延时计算，实时更新网络延时的时间。#2 FTU的握手过程和#1 FTU一样。

本系统以50Hz周期进行每周波32点采样，采样间隔625μs，利用快速傅里叶变换（FFT）算法，计算三相电流值及相位角。#1 FTU根据网络延时和三相电流采样值序列，可计算出#2 FTU对应本地FTU的采样时间轴的三相电流采样值序列，根据采样值序列可计算三相电流值及相位角［4］。以A相为例，计算过程如下：

#1 FTU A相电流采样值序列

映射到#2 FTU A相电流采样值序列

Ln序列和Rn序列是#1 FTU和#2 FTU同一时刻的采样值序列；根据这两组序列，可计算出#1 FTU三相电流相位角和映射到#2 FTU时间轴上的三相电流相位角，两者之差即可计算出相位差。

A相相位差

式中：θla为#1 FTU A相相位角；θra为#2 FTU的映射A相相位角；Φa为同一时刻#1 FTU和#2 FTU的A相相位差，B，C相计算原理相同。在电流故障状态下，根据Φa的角度值可判断出过流的方向性，即Φa＞0为正向过流，Φa＜0为反向过流。

3 验证方案可行性

利用保护测试仪模拟线路电流，保护仪同时输出两路电流至#1 FTU和#2 FTU，两路电流大小相同，相位相异。2台FTU通过采样计算出各自的电流值及相位，利用笔记本电脑后台监控软件进行实时监测。正常工作模式下，监测其中#1 FTU的自身和映射#2 FTU的遥测及相位差变化。时间同步正常后，#1 FTU的自身和映射的两组相位差的值一致，当把#1 FTU和#2 FTU之间网线拔掉后，两组相位差立即出现不一致现象，即相位失步；当把网线插上后，时间又会自动同步，相位差随之呈现一致，即相位同步，此时说明时间同步功能正常。

根据图1的接线方法，模拟方向过流故障，用保护测试仪给#1 FTU，#2 FTU分别送出相同大小的电流（本次试验模拟电流为6 A）、不同的相位角。采样值相位差试验结果见表2。

表2 试验结果

从表2可以看出，本次试验准确度高，试验误差最大为4.0‰，最小仅为0.3‰，完全能够满足现场过流保护的方向判断。

4 结束语

目前，对于带方向判断的过流保护，需要电压值来判断故障电流方向。本方案设计采用不依赖电压的方向过流保护，详细解析了采样值同步技术及计算过程，并对该方案进行了模拟仿真，验证了此保护方案的正确性。该方案仅采样电流回路即可判断保护故障的方向性，但该方案还有待进一步验证完善，以便满足现场实际运行要求。

［1］李英明，郑拓夫，周水斌，等.一种智能变电站合并单元关键环节的实现方法［J］.电力系统自动化，2013，37（11）：93-98.

［2］蔡超，陆于平，黄涛，等.基于插值和时标变换的智能变电站保护数据重采样算法［J］.电力系统自动化，2013，37（19）：80-85.

［3］朱超，梅军，黄灿，等.测量用电子式互感器的延时补偿设计［J］.电力系统自动化，2013，37（21）：184-189.

［4］黄灿，肖驰夫，方毅，等.智能变电站中采样值传输延时的处理［J］.电网技术，2011，35（1）：5-10.

（本文责编：刘炳锋）

TM 733

B

1674-1951（2016）12-0037-02

朱重阳（1980—），男，江苏南京人，工程师，从事电力系统配网自动化软件设计与开发工作（E-mail：chongyang-zhu＠sac-china.com）。

2016-11-17；

2016-12-05

张华（1981—），男，江苏南京人，工程师，从事电力系统配网自动化硬件设计与开发工作（E-mail：hua-zhang＠sac-china.com）。