数字化变电站与传统变电站间光纤纵差保护研究(1)

摘要：在使用电子式互感器的数字化变电站和使用电磁式互感器的传统变电站之间，实现差动保护的关键是两侧电气量的同步。提出了解决该问题的具体方法：数字化变电站侧的保护装置实时跟踪间隔合并单元的采样频率，传统化站的保护装置实时跟踪数字化站侧的保护装置的采样频率，从而实现两侧电气量的同步。工程应用证明该方案完全可行。

0 引言

随着智能化电气的发展，特别是智能开关、电子式互感器的出现，变电站自动化技术进入了数字化的新阶段。数字化变电站彻底解决CT 饱和问题以及二次电缆的交直流串扰问题、具有避免重复建设以及管理自动化等优势，是变电站自动化的趋势[1-3]。但数字化变电站的建设不能一蹴而就，建设过程中必然出现某些线路的一侧是使用电子式互感器的数字化变电站，另一侧则是使用电磁式互感器的传统变电站。目前通常采用纵联方向保护和纵联距离保护来完成该类线路的保护。

差动保护原理简单可靠，是理想的保护，能否在该类线路中实现纵差保护，从而提高该类线路保护的可靠性?

1 数字化变电站和传统变电站光纤纵差系统结构

数字化变电站每条线路的间隔合并单元MU通过和ECT 以及电压合并单元通信获得线路保护需要的Ia、Ib、Ic、Ua、Ub、Uc 以及抽取电压数据。线路保护、主变保护和母线保护通过过程层间隔交换机与间隔合并单元按IEC61850-9-1/2 标准通信获取上述数据[3]。本文基于IEC61850-9-1 标准实现。

传统变电站侧的线路保护的电流电压取自电磁式互感器，二次回路和常规站没有区别。光纤纵差保护的系统结构图如图1 所示。

图1 光纤纵差保护系统结构图

数字化变电站和传统变电站之间的光纤纵差保护装置的关键技术是解决两侧电气量的同步。只有两侧电气量同步才能进行差动保护计算。电气量的同步可分为三个层次：

1) 数字化变电站侧ECT 和EPT 的同步;

2) 数字化变电站中保护装置和间隔合并单元的同步;

3) 数字化变电站和传统变电站间两台保护装置之间的同步。

数字化变电站中，全站数据采集同步信号来源于同一个时钟源，从而保证ECT 和EPT 间数据完全同步。因而数字化变电站和传统变电站间的光纤纵差保护主要考虑的是第二层次和第三层次的同步。

2 数字化变电站保护装置和合并单元同步

电子互感器为定周期采样，电子互感器的采样率与数据发送间隔可能相同，也可能不同，但前者一般是后者的整数倍，假设电子互感器的采样周期为Tct，间隔合并单元的发送周期为Tmu，一般情况下Tmu 是Tct 的整数倍。目前常用的电子互感器采样率是10000 Hz(每周波200 点)，那么Tct 为0.1 ms;而发送间隔以2 000 Hz(每周波40 点)居多，即Tmu 为0.5 ms。

保护装置的采样率和间隔合并单元的发送频率可能相同，也可能不同。即使发送频率与保护装置相同的情况下，发送与保护中断不一定同步;同时间隔合并单元和保护装置的晶振误差也会造成两者之间不同步。保护装置和间隔合并单元不同步可能造成保护装置一个采样间隔中有时接收不到数据，有时接收到两帧以上数据;从而造成两侧电气量无法同步，差动保护也无法实现。因而数字化变电站侧的线路保护装置必须采用适当的方法实时跟踪间隔合并单元的采样频率，保证在一个定时中断中始终收到恒定的采样点数。在间隔合并单元和保护装置完全同步的前提下，保护装置取当前最新采样点前m 点的数据，这样可保证保护装置采集的交流量是正确的。

间隔合并单元和线路保护装置之间的通讯是单向的：合并单元按照固定周期向线路保护装置发送数据，而不接受线路保护装置的任何信息。光纤纵差同步采用的乒乓算法基于需要同步装置之间的双向通信[3]，而不适用于数字化变电站侧间隔合并单元和保护装置之间的同步。

为简化线路保护的设计，线路保护定时中断的频率和间隔合并单元的发送频率保持一致，这样可保证同步之后每个采样间隔收到一帧数据。由于间隔合并单元的发送频率恒定，因而只能通过微调保护装置的采样周期来实现合并单元和保护装置之间的同步。

假设合并单元发送数据的时间间隔是Tmu，误差为△td。保护装置设置两个不同的定时周期，一个周期略小于合并单元数据发送间隔Tmu，记为Trlymin;一个略大于合并单元的数据发送间隔Tmu，记为Trlymax。保护装置接收到间隔合并单元数据时记录下此时定时中断的时间，如果此时定时中断的时间小于0.5Tmu，那么下一个定时中断采用较大的时间间隔Trlymax;如果接收到数据时定时中断的时间计数大于0.5Tmu，那么下一个定时中断采用较长的时间间隔Trlymin。

在间隔合并单元和保护装置通讯建立初期(例如间隔合并单元上电、保护装置上电或者通信重新连接)，两者需要一段时间进行同步;经过一段时间之后，每一个定时中断恒定的收到一帧数据，而且数据接收到的时刻在采样周期的一半0.5Tmu 左右。判断间隔合并单元和保护装置同步的标准是：连续两个周波，每个定时中断均恒定地收到间隔合并单元发送的一帧数据而且数据接受时刻在0.2Tmu 和0.8Tmu 之间。

间隔合并单元和保护装置未同步之前，需要闭锁差动保护;待同步建立之后，方可开放差动保护。按照该方法，只要间隔合并单元发送数据延时的分散性误差Δtd 不大于0.6Tmu 就可以完全满足同步的要求。

根据目前电子式互感器以及间隔合并单元提供的技术参数，发送时间时延的误差不大于0.1ms，当Tmu 取0.5 ms 时(每周波40 帧数据)，所允许的最大误差是±0.3 ms。因而该方案完全可以满足现场需要。

3 变电站间的同步

数字化变电站与传统变电站之间的线路差动保护装置之间的同步算法采用乒乓算法进行同步。与传统线路差动保护装置区别在于，此时数字化变电站侧的保护装置固定为参考端，定时中断的周期不受传统侧保护装置的采样周期的影响。传统变电站侧的差动保护装置的采样间隔实时跟踪数字化变电站侧的定时中断周期。