基于同步相量的多端电流差动保护

2021-11-25徐晓春赵青春

电气技术 2021年11期

徐晓春李奔谈浩赵青春

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

0 引言

近年来，风电和光伏等新能源建设加速，发展迅猛，因线路走廊、变电间隔和土地资源的限制，新能源并网以多端线路方式接入电网的要求逐渐迫切[1-2]。多端线路的特点是不同的分支线路共同连接在同一条联网线路上，对保护的可靠性、灵敏性提出了更高的要求。由于多端线路结构的特殊性，线路上任何位置发生故障都会影响整条线路的正常运行，一旦出现故障就要求快速隔离故障；常规的后备保护（距离保护、零序保护等）因定值整定配合困难，无法满足速动性和选择性的要求。多端差动保护是此类线路的最佳配置方案，可以解决目前分布式新能源电力送出线路继电保护配置的难题[3-8]。

多端线路的差动保护涉及的通信节点多、通信结构复杂，采用传统的乒乓原理进行同步的方案复杂、对通道的要求高，且需要耗费大量的专用通信资源，成为制约多端差动保护应用的重要因素。

1 多端线路的应用场景分析

典型的多端线路如图1所示，主要具备以下特征：

图1 典型多端线路

1）不同的节点连接在同一条联网线路上。

2）线路的连接方式不固定，可能会出现节点新增或者减少的情况，保护装置需要能够适应线路拓扑改变的情况。

3）传统的后备保护由于原理的限制，存在无法整定配合的问题，不能满足灵敏性和可靠性的要求。

电流差动保护具有天然的区间隔离和选相能力，成为多端线路保护的首选。目前，国内外针对高电压等级的多端差动研究和实际应用较少，随着近几年新能源推广，出现了大量的新能源厂站T接入原有输电线路的应用需求。目前，现有的多端差动保护实现方案主要基于主从式的通信拓扑架构，从机将本侧的采样数据通过光纤传递给主机，主机进行差动逻辑计算，并将计算结果反馈给从机，执行跳闸命令。电流差动保护之间采用专用的通信通道进行数据传输和数据同步，对通信通道的可靠性和收发路由的一致性需要达到最高要求。在实际应用中，特别是新能源线路T接入原有线路的应用场景中，可能出现“无通道可用”的情况。

为合理有效利用站间通信资源，基于IEC 61850-90-5通信协议，本文提出一种基于同步相量的多端电流差动保护，在保障差动保护可靠性的前提下，降低多端电流差动保护对通道路由一致性的要求[9-12]。

2 同步相量及数据结构

IEC 61850-90-5对同步相量做出定义，对于周期性信号定义为

其对应的同步相量为

为了统一初始相位，对deg的定义作统一规定，如图2所示，当x(t)信号的正极大值与秒脉冲（pulse per second, PPS）重合时，同步相量的角度为0°；当x(t)信号从负半轴穿越正半轴的过零点与秒脉冲重合时，同步相量的角度为-90°。

图2 同步相量相角统一规定

IEC 61850-90-5采用网络报文实现可路由协议，并使用IP优先级标识来提升传输的实时性和可靠性。为了与智能变电站内部的采样值（sampled value, SV）协议区别，IEC 61850-90-5将可路由的SV协议定义为R-SV。R-SV报文结构如图3所示。

图3 R-SV报文结构

同步相量包含三相电压和三相电流的幅值和相角。同时报文中增加了时标属性，可以计算出任一帧同步相量的时标，从而完成同步信息提取，使数据同步成为可能。

将IEC 61850-90-5 R-SV及同步相量的概念应用于多端差动保护，实现了通道数据信息的可路由传输，满足变电站之间的通信要求，定义电流差动保护的虚端子信息如图4所示。

图4 电流差动保护R-SV虚端子

IEC 61850为实现站间通信，新增系统交换描述（system exchange description, SED）文件，可以跨变电站实现各侧装置的虚端子连线，实现数据交互功能。SED示意图如图5所示。

图5 SED示意图

3 基于同步相量的多端差动保护实现

由于同步相量具备统一的时标体系，解决了多端差动保护的同步问题。各侧以统一时钟源（北斗或GPS）实现电气量的同步测量，在简化通信网络架构的同时，满足了多端差动保护对于数据同步的要求，能够简化多端电流差动保护的应用条件。

3.1 基于光纤通信的网络构架方法

对于采用同步相量的多端差动保护，仅需保证通道连接的可靠性即可，对通道收发路由的一致性没有要求。由于传输报文基于以太网协议，为了提高通道连接的可靠性，在常规的点对点传输的基础上，可以采用高可用无缝环网（high-availability seamless ring, HSR）协议进行可靠性保障，当某一通道异常时，差动保护仍然能够正常运行。

对于光纤通道，以一个四端的线路保护为例，通过HSR网络构建的环网方案如图6所示。

图6 专用光纤的多端HSR网络

该网络对通道的收发路由一致性没有要求，可以采用专用光纤，也可以采用公网路由。基于HSR交换机环网的通信架构，实现了多端电流差动保护的数据冗余和站间信息共享功能，当任一通道异常时，多端电流差动保护仍然能够正常运行，提高了系统的运行可靠性。

3.2 基于5G的无线通信网络构架

5G通信技术的发展契合了输电线路纵联保护对提升通信方式多样性、冗余性和灵活性的要求；其高速率、低时延、高可靠性、高授时精度等特点能较好地满足输电线路纵联保护在速动性、可靠性、采样同步等方面的高要求。

由于本文提出的基于同步相量的差动保护对于通道没有收发时延一致性的要求，因此可以通过5G无线网络进行通信方案扩展。

考虑到5G通信模块和保护装置的独立性，各侧的保护装置通过自研的工业级高防护客户前置设备（customer premise equipment, CPE）连接基站，从而实现各侧设备之间的数据收发。基于5G网络的通信如图7所示。

图7 基于5G网络的通信

3.3 数据安全

由于涉及站间的数据传输，支持光纤网络及无线网络传输数据，本文从以下几个方面进行了数据安全加固。

1）光纤通信在物理层具备其可靠性。对于5G无线网络方式，5G通信在进行数据处理时相比于4G提供了增强、差异化网络安全方案，通过在空口加密、采用切片技术等方式保障数据安全性。

2）传输环节增加基于密钥的数据加固。在进行站间报文传输时电气量数据采用R-SV报文的方式，由于涉及站间传输，IEC 61850-90-5标准本身即加强了网络安全方面的规定，在数据传输环节通过密钥实现数据加密。本文考虑到保护装置的应用场景及多端系统的复杂性，采用对称密钥的加密方式，在数据握手阶段，认证双方的身份和密码协商；在应用阶段采用对称加密传输，保障数据的有效性和防篡改性。

3）在数据应用层具备数据有效性校验，数据应用层增加了传输数据的循环冗余校验（cyclic redundancy check, CRC）和正反校验，能够有效提升数据的有效性。

综上所述，在物理层、传输层和应用层均有数据有效性和防篡改的校验措施，能够满足实际应用的需求。

3.4 时钟同步方案

基于IEC 61850-90-5传输的同步相量，只要保证在输电线路各侧的保护装置采用统一时钟源，即可完成各测量点的信息同步，在进行差动保护计算时，选取同一时刻的同步相量数据进行差动保护计算即可实现数据同步。

对于采用光纤通道进行通信的应用场景，推荐的对时方案是各侧差动保护装置均接入本地的站内时钟，当站内不具备对时源时，在保证通道收发路由一致的情况下，可以采用1588协议进行站间对时。

当采用无线通信方式时，对应的保护装置可以直接采用5G网络的对时信号，完成时钟同步。

3.5 电流差动保护动作条件

当保护装置收到各侧的同步相量后，进行基于相量的差动电流和制动电流计算。

定义差动制动方程为

式中：CDIΦ为差动电流，即为各侧电流相量和的幅值，i为系统端数；RIΦ为制动电流，考虑到多端系统可能存在电流汲出的情况，定义制动电流RIΦ=，其中maxI为各侧电流幅值中最大的电流，为除maxI以外的各侧电流相量和。各侧保护装置均能够单独实现差动计算功能，进行逻辑判断，提升了系统的整体可靠性。

4 仿真验证

为验证本文提出的多端差动保护的性能，按照某一实际四端线路搭建实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）测试系统，验证基于同步相量的的多端差动保护的正确性，在RTDS 平台搭建仿真模型如图8所示。

图8 RTDS仿真模型

图8中，M侧为系统，N侧为小电源，S和T为负荷端，其中各段线路的阻抗和系统阻抗均能根据需要进行调整。

参照GB/T 26864—2011《电力系统继电保护产品动模试验》的要求，对多端线路进行完整的数字动模试验，包括区内外金属性故障、区内外经过渡电阻故障、转换性故障、系统振荡及电流互感器（CT）断线、CT饱和、对时异常等。

此外，分别对基于光纤网络和5G网络（SA）进行了性能对比测试，重点考察不同网络架构对动作时间的影响。在不同位置模拟金属性故障时，对两种方式的动作时间进行了对比。区内金属性故障动作时间对比见表1。

表1 区内金属性故障动作时间对比

在采用5G无线通信网络方式时，平均时延在15ms左右，考虑到通道抖动的问题，对接收数据进行了缓冲处理，因此采用5G网络作为传输介质时，动作时间会偏长。随着5G网络的发展，以及通道质量的提升，基于5G网络的保护装置动作时间会得到一定程度的提升。综合测试结果表明，模拟线路在不同运行方式下，当线路任意一侧装置出现同步时钟异常时，保护装置能够可靠闭锁差动保护并发出告警信号；当线路各侧的对时系统均正常时，发生区外故障时，差动保护装置能够可靠不动作，发生区内故障时，差动保护装置能够可靠快速动作。