合并单元高采样率数据在继电保护中的应用

刘凯波，吕 航，李仲青

（1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

合并单元高采样率数据在继电保护中的应用

刘凯波1，吕 航2，李仲青1

（1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

提出一种用于继电保护的合并单元的高采样率数据的方案。基于采样测量值SMV（sampled measured val⁃ue）的基本概念数据同步的方法，对低通滤波器LPF（low pass filter）算法、插补原理进行了研究，并提出了保护方案。研究结果表明，低通滤波和插值同步方案是一种简单高效的高速率采样方法，改变采样数据接口，使算法和逻辑的保护可以有效地降低操作风险。研究成果在实时数字仿真系统RTDS（real time digital simulation）中进行了验证。

高采样率；继电保护；合并单元；低通滤波；仿真

现有智能变电站的数据采集频率仅考虑了保护、测控、计量等各专业各自的需求，而对于变电站的计量、同步相量测量装置PMU（phasor measure⁃ment unit）、故障录波和电能质量等需求，现有的采样频率却不能满足，只能采用传统电磁式互感器进行接入，不仅增加全站建设的成本和复杂程度，而且在一定程度对数字化采集技术的发展形成了阻碍和抑制。

本课题旨在通过研究基于新一代智能变电站共享通信网络的保护、测控、计量数据采集共享方案，突破保护、测控设备接入高采样率数据关键技术，改善当前智能变电站存在采样率偏低不能满足电能计量和电能质量监测需求的现状，突破高采样率下通信流量分析与控制技术；实现基于电子式互感器的保护、测控、计量数据同源采集应用，减低通信网络负荷，提高变电站建设运行经济性。

1 采样同步问题分析

目前变电站内大量使用常规的电磁式电流电压互感器，通过电缆连接至保护装置，在数据传输过程中，不会有数据延迟的现象。随着智能电网尤其是智能化变电站的蓬勃发展，电子式互感器的大量应用后，采样数据经过远端模块采集，送给合并单元合并后，通过光纤传输至保护装置[1]，采样数据经过多设备和多连接方式进行传输，不可避免会有数据延迟。当多种类型互感器接入线路保护装置时，需要解决互感器间采样延时不一致问题，即同步采样问题[2-3]。

互感器过程层数据传输有IEC60044-8点对点方式和IEC61850-9-2网络通讯两种方式。IEC60044-8点对点方式因数据帧通过现场可编程门阵列FPGA（field-programmable gate array）来编程、解码，且数据帧等间隔发送，数据帧发送延时严格确定。因此，不同原理互感器的采样延时在线路保护数据接收后通过修正重采样插值时刻，很容易实现不同延时互感器的数据同步采样。此方式对不同原理互感器的采样数据延时补偿，实现采样数据同步既简单又可靠。接入线路装置的所有间隔采样数据同步在线路装置数据接收后实现。

合并单元通过IEC61850-9-2协议传输采样数据，合并单元需接收时钟同步信号[4]。不同原理互感器数据采样延时不一致在合并单元中实现补偿，合并单元正常接收时钟同步信号，将自身的采样数据延时折算成对应的数据帧样本计数值，同时通过插值或调整采样时刻等方法将采样数据与外接时钟同步[5]。这样所有间隔各类互感器的采样数据都统一到同一个同步时钟源。线路保护在接收各间隔合并单元发送的数据帧报文后，通过比较数据帧的样本计数值，将相同样本计数值的数据帧做统一对齐处理，再提供给母差保护，参与差动和后备保护计算。不同变电站的两侧采样数据需经同步采样处理后进行相互传送，因此需要解决保护装置的采样数据同步问题。

图1显示了电子式互感器和常规互感器采样的延时分析。可见，电子式互感器中存在大量延迟的中间环节（包括远端模块的低通、数据处理、发送延时及传输延时，合并单元的数据接收、处理、发送延时、采样值传输延时等），而常规互感器除了传变角差外没有别的延迟时间环节。在智能化变电站中对时系统除了承担常规变电站中的作用外，更为重要的是其还需要给采样时刻对时。在这里只讨论变电站内的同步问题，而不讨论变电站间的同步问题。

图1 电子式互感器和常规互感器采样的延时分析Fig.1 Delay analysis of sampling by electronic transformer and ordinary transformer

2 高采样率SMV数据处理方案

研究结论表明，简单、高效的低通滤波和插值同步方案，在高采样率下可以取得很好的应用效果；针对高采样率采样，改变采样数据接口使保护运算、逻辑不变的方案，可以有效地降低运行风险。

保护装置首先判断接收到的报文是否完整有效，然后根据不同的采样数据传输规约分别计算处理[6]。不同采样率继电保护数据处理流程如图2所示。

图2 不同采样率继电保护数据处理流程Fig.2 Data processing with different sampling rates in relay protection

2.1 采样率自动识别

如果采用IEC61850-9-1/2，可以直接读取采样率（SmpRate）；如果采用IEC61850-9-2LE，报文中无采样率关键字节，可通过统计有效采样数据报文来确定采样率[7]。根据一段时间t内接收到的采样数据包的数目n计算出采样率n/t，并与统计t时间内所有报文中的采样计数器值（SmpCnt）得到的采样率相比较，如果相近，则可判定采样率获取成功。图3为IEC61850-9-2LE采样率判断流程。

图3 采样率判断流程Fig.3 Flow chart of sampling rate judgement

该算法重点在于需要快速识别采样率，因此需要根据不同的测试结果，调整时间窗口t，同时考虑采样率计算的准确性和减少首次接收到采样数据时电能的损失[8]。

2.2 采样数据接收存储

不同采样率的数据传输报文结构以及数据容量差别很大，保护装置在识别数据采样率后，需要对不同采样率的数据进行针对性地存储空间划分、数据分类，保证后续数据处理可以高效、快速地读取采样数据。

2.3 低通滤波处理

在数字化变电站中，故障发生初始瞬间，合并单元发给保护装置的电压、电流采样值数据中可能含有相当高的频率分量（如2 kHz以上），而保护装置不需要这些高次谐波，为防止频率混叠，采样频率不得不取值很高，从而对保护装置硬件速度提出过高的要求。实际上，在这种情况下对SV采样数据进行数字低通滤波处理将无用的高频分量滤掉，如此降低了采样处理频率，也降低了对硬件的要求。

数字滤波器分为两大类，即无限冲激响应IIR（infinite impulse response）和有限冲激响应FIR（fi⁃nite impulse response）。IIR数字滤波器具有幅频特性好、所需存储单元少、经济效率高等优点；但存在着相位非线性、系统稳定性差等严重问题。相比较而言，FIR数字滤波器能实现任意幅频特性同时又具有严格的线性相位等特性，并且采用的非递归结构实现使得FIR数字滤波器系统稳定。因此，FIR数字滤波器比IIR数字滤波器的应用更广泛，选择FIR滤波器满足数字化变电站数字采样滤波的要求[9]。FIR滤波器有不同方法的设计思路。窗函数设计方法是从时域出发，频率采样法是从频域出发，而优化设计法采用数值逼近的思想设计数字滤波器。3种滤波器设计方法比较如表1所示。

表1 3种滤波器设计方法比较Tab.1 Comparison among three LPF methods

从表3可以看出，3种方法中优化设计法虽然拥有最好的滤波效果，但因其算法复杂和大量的计算需求，对于需要快速响应的工况很难达到要求；而频率采样法幅值不容易控制的缺点致使后端设计需要更复杂的处理，也不适合继电保护的需求；窗函数虽然存在灵活性的缺点，但是在实际应用过程中，主要异常工况基本类似，通过合适的参数设置可满足实际需要。

对于高采样率继电保护装置，采样率由4×103提高到12.8×103，除了算法满足保护要求外，还要考虑实际应用状况：采样率提高对保护装置采样数据处理提出了更高的要求，为保证保护的速动性，数据的接收、处理各环节能力和速度都需要更加高效[10]。所以，窗函数法更适合高采样率继电保护的应用需求。为了使算法和控制相对简单，本课题样机选用海明（Hamming）窗设计低通滤波。海明窗的窗函数为

式中：M为窗个数；s为窗编号；RM(s)为M阶零次幂矩形窗。

采样定理指出，如果信号带宽小于采样频率（即奈奎斯特频率的1/2），那么此时这些离散的采样点能够完全表示原信号；高于或处于奈奎斯特频率的频率分量会导致混叠现象，混叠问题的严重程度与这些混叠频率分量的相对强度有关。根据混叠机理，可以得出分析信号的混叠频率计算公式。设实际信号频率为f，采样频率为SF，并且SF＜2f，经过采样分析得到的混叠后频率为fA，则有

根据保护计算用采样为24点/周波（1.2×103），为避免频率混叠出现，在低通滤波过程中，需要把可能引起频率混叠的高次谐波滤除或者削弱到很小。根据式（1），可以得出保护常用各次谐波信号对应的混叠信号频率，如表2所示，为避免有效数据出现频率混叠现象，需要将信号频率限制在合适的水平。

表2 各次谐波信号对应的混叠信号频率Tab.2 Aliasing frequency corresponding to harmonic signals

当前，考虑到数字化继电保护保护谐波分析需要，一般将截止频率设置在600 Hz，即低于12次谐波为通带，本课题样机选择滤波器截止频率为600 Hz。

计算阶次越大即计算窗越长，滤波效果越好；为避免出现频率混叠现象，参考表2，可以考虑选择24阶或36阶。但是增加数据窗的长度，对保护动作速度影响较大，同时，也对滤波器的计算能力提出更高要求，所以本文样机选用24阶海明窗设计保护低通滤波器。通过对低通滤波各种方案的综合分析，结合12.8×103高采样率下仿真结果，样机采用海明窗函数设计低通滤波器，设计参数为：截止频率600 Hz，阶数24，其低通滤波效果和频响特性如图4所示。

图4 24阶海明窗幅频特性Fig.4 Amplitude-frequency characteristics of 24-order Hamming window

2.4 插值同步处理

传统数字化变电站，分布式采样需要使用插值算法对来自不同装置的采样值进行同步处理，同时，将4×103采样率数据转换成1.2×103供保护计算用。高采样率为保护计算提供了更多更精确的数据源，保护插值计算可以更加灵活选取采样点，应对异常大数、丢点等异常情况，提高保护插值计算的精度，进而提高保护计算的精度。这种设计仅改变了数据源与保护逻辑运算间的接口，而不需要保护逻辑运算进行针对高采样率采样的调整，降低数据异常可能带来的风险。

目前，实际应用最多的插值方法主要有线性插值、拉格朗日插值和三次样条插值。对于高采样率的数据采样，本文选择线性插值算法作为高采样率继电保护装置的插值方案，不仅可以满足高采样率下继电保护的插值同步需要，而且其计算量小的特点，使保护在插值计算环节消耗的时间很少。

2.5 保护逻辑运算

与传统数字化变电站相比，高采样率SMV数据在插值同步处理过程中，可以有更多的数据选择，经过对数据合理的选取和处理可以使参与保护计算的数据更加精确，同时类似传统数字化变电站，将高采样率数据插值成1.2×103采样率，在保护设计原理、算法不变的情况下，可以达到更好的应用效果和降低保护风险，进而，数据精确性的提高，对保护原理改进可提供更多的空间。

3 仿真验证

3.1 500 kV长距离无互感双回线输电系统模型

图5 500 kV 274 km无互感双回输电线路系统Fig.5 Model of 500 kV 274 km transmission line system

RTDS仿真系统接线如图5所示，N厂经500 kV双回无互感输电线路与L系统相连。N厂装有G9、G11共2台发电机组，总装机容量为2 500 MW；N厂还接有负荷变压器9FB，负荷变压器的额定容量为1 200 MV·A，所带负荷最大容量为1 000 MW，其中电动机负荷占65%左右，电阻性负荷占35%左右。L系统为某地区等值系统，有大、小两种运行方式，其对应的短路容量分别为20 000 MV·A和3 000 MV·A；在进行频率偏移实验时，N厂仅接1台发电机组G9和负荷变压器9FB，L侧仅接发电机组G11。

3.2 区内外金属性故障

（1）模拟被保护线路区内各点发生各种金属性瞬时故障，保护装置均能正确动作切除故障，对于单相接地故障，保护装置能够正确选择故障相并切除故障相。

（2）模拟被保护线路区外各点发生各种金属性瞬时故障，保护装置均能可靠不动作；在相邻线路故障相继切除引起功率倒向时，保护装置均未误动。

3.3 仿真结果分析

表3为模拟量和电气量的映射。

图6为模拟区内FD15点B相金属性接地故障仿真结果。N侧保护装置在6.8 ms跳B相，L侧保护装置在25.8 ms跳B相（3 000 MV·A方式）。

表3 模拟量映射Tab.3 Analog mapping chart

图6 区内金属性接地故障仿真结果Fig.6 Simulation results of internal metallic ground fault

图7为模拟区外转区内发展性故障仿真结果。FD11点AN经10 ms发展为FD15点BN，区内故障发生后N侧保护装置5.4 ms跳B相，L侧保护装置21.3 ms跳三相（20 000 MV·A方式）。

图7 区外转区内发展性故障仿真结果Fig.7 Simulation result of faults developing from external to internal

4 结语

智能变电站网络化通信是简化二次系统结构复杂度的重要手段，但继电保护在网络化通信过程中必须有效解决采样数据同步这个核心问题。理论和测试结果表明该方案满足智能变电站继电保护网络化应用需求，其实效性将在实际工程应用中进一步验证。本文针对新一代智能变电站网络通信及保护系统的技术特点和建设现状，开展全站统一高采样率技术在各专业应用的研究，实现基于电子式互感的数据同源采集应用。通过本项目的研究，有助于提升新一代智能变电站网络通信及保护技术水平，为新一代智能变电站提供安全、可靠、高效的通信技术支撑，促进新一代智能变电站技术进步及建设发展。

课题的研究成果具有较好的推广空间及前景。随着新一代智能变电站从示范阶段步入大规模建设阶段，课题的研究成果能够为我国新一代智能变电站可靠运行和健康持续发展提供技术支撑，提升我国智能电网技术领域的整体水平，取得显著的经济社会效益。同时，项目的研究成果还可用于公网电信运营及工业控制领域，产业化前景远大，经济效益显著。

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Application of High Sampling Rate Data in Merging Unit to Relay Protection

LIU Kaibo1，LYU Hang2，LI Zhongqing1
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.NR Electric Co.，Ltd，Nanjing 211102，China）

This paper proposed a scheme of high sampling rate data in merging unit for relay protection.The data syn⁃chronization method based on the basic concepts of sampled measured value（SMV），the low pass filter（LPF）algo⁃rithm and interpolation principle are studied，and then the protection scheme is proposed.The result shows that low pass filtering and interpolation synchronization scheme is simple and efficient for high rate sampling.That changing of sampling data interface can help arithmetic and logical protection effectively reduce the risk of operation.The proposed scheme is also verified in real time digital simulation（RTDS）system.

high sampling rate；relay protection；merging unit；low pass filter（LPF）；simulation

TM762

A

1003-8930（2016）11-0123-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.11.021

2016-01-24；

2016-05-06

刘凯波（1987—），男，硕士，工程师，研究方向为智能变电站通信。Email：liukaibo@epri.sgcc.com.cn

吕 航（1971—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护。Email：lvh@nrec.com

李仲青（1978—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护、智能变电站技术和动态模拟技术。Email：lzq⁃ing@epri.sgcc.com.cn