基于數字化變電站的光纖縱差保護研究

　一、引言

　　由于光電技術(shù)和計算機的飛速發(fā)展，新型光學(xué)電壓、電流互感器日益顯現出富有魅力的前景和強大的生命力，逐步取代電磁式互感器是繼電保護的一個(gè)發(fā)展方向。

　　數字化變電站建設應充分體現一次設備智能化和二次設備網(wǎng)絡(luò )化的設計理念。一次設備智能化的重點(diǎn)是光電互感器和智能斷路器的應用。二次設備網(wǎng)絡(luò )化應貫徹和執行IEC61850標準。數字化變電站按過(guò)程層、間隔層、站控層3層結構設計，光電互感器和面向通用對象的變電站事件(GOOSE)通信技術(shù)的應用將徹底解決電流互感器飽和問(wèn)題、二次電纜的交直流串擾問(wèn)題。數字化變電站建設應以電網(wǎng)安全、可靠和經(jīng)濟運行為前提，有效解決數據采集設備重復投資問(wèn)題和二次智能設備的互操作問(wèn)題。數字化變電站對光纖縱差保護提出了一些新問(wèn)題，本文將結合220kV數字化變電站系統方案詳細說(shuō)明光纖縱差保護如何解決上述問(wèn)題。

　　二、光纖縱差保護的應用環(huán)境

　　數字化變電站內線(xiàn)路保護、主變保護、母線(xiàn)保護通過(guò)過(guò)程層間隔局域網(wǎng)，實(shí)現數據源和智能操作機構的共享。數字化變電站之間的一對光纖縱差保護通過(guò)租用的光纖通道實(shí)現數據的共享和采樣時(shí)鐘的同步。

　　數字化變電站的數據源來(lái)自合并單元(Mu)，Mu的采樣采用全站統一的時(shí)鐘源SYN。各站的線(xiàn)路差動(dòng)保護也采用同一時(shí)鐘源。Mu數據通過(guò)過(guò)程層交換機給間隔的繼電保護設備，包括線(xiàn)路保護、母差保護等。線(xiàn)路差動(dòng)保護的數據來(lái)自2個(gè)不同的變電站，在系統內無(wú)統一時(shí)鐘信號時(shí)，兩站Mu的采樣不同步。差動(dòng)保護需要解決兩側采樣數據同步問(wèn)題。

　　三、數字化變電站對數據采集的要求

　　數字化變電站每個(gè)線(xiàn)路間隔的MU提供線(xiàn)路保護需要的Ia，Ib，Ic，ua，Ub，Uc，3Uo，31o，以及一相母線(xiàn)電壓數據，線(xiàn)路保護、主變保護和母線(xiàn)保護通過(guò)過(guò)程層間隔交換機與間隔MU按IEC 61850-9-1/2標準通信獲取上述數據，實(shí)現數據源的共享。由于母線(xiàn)保護對間隔之間的數據采集同步要求很高，因此在數字化變電站設計時(shí)，要求全站數據采集同步信號來(lái)源于同一個(gè)時(shí)鐘源。目前2個(gè)變電站之間的一對光纖縱差保護采取的是以某個(gè)變電站光纖縱差保護的采集時(shí)鐘為主時(shí)鐘，另一個(gè)變電站光纖縱差保護調整自身的采集時(shí)鐘與主時(shí)鐘同步的方法。增加MU違背數據源共享原則，通過(guò)全球定位系統(GPS)實(shí)現變電站之間的數據采集同步，違背電網(wǎng)安全可靠運行規則。這就引出了本文所要論述的主要問(wèn)題：如何實(shí)現變電站之間的數據采集同步?

　　四、光纖縱差保護實(shí)現的關(guān)鍵問(wèn)題

　　(一)線(xiàn)路差動(dòng)保護同步

　　在數字化變電站中，母差保護和變壓器保護所采集的交流量均在一個(gè)變電站內，在全站使用統一時(shí)鐘源時(shí)，各Mu采樣同步，不存在同步問(wèn)題。對線(xiàn)路差動(dòng)保護，采集的電量為2個(gè)不同變電站的電流、電壓。在整個(gè)電力系統未使用同一時(shí)鐘源的前提下，線(xiàn)路差動(dòng)保護需實(shí)現變電站之間的數據采集同步。與傳統的線(xiàn)路差動(dòng)保護采樣同步不同，數字化變電站的交流量采集由Mu完成，不能實(shí)時(shí)調整采樣，這就需要對同步提出新的方案。

　　1、基于乒乓原理的時(shí)鐘信號同步

　　數字化變電站的線(xiàn)路差動(dòng)保護采用基于乒乓原理的時(shí)鐘信號同步的采樣同步調整方案

　　以M站差動(dòng)保護為例，當裝置收到本站的同步信號SYNM時(shí)，在傳向N站的數據幀中增加“同步信號幀”;同時(shí)在收到N站傳過(guò)來(lái)的“同步信號幀”時(shí)，記錄下此時(shí)刻相對于本側同步時(shí)鐘的時(shí)差Tma，同時(shí)回發(fā)N側一幀“同步確認幀”。“同步確認幀”中包含Tma。N側裝置的收發(fā)過(guò)程與此相同。

　　M站差動(dòng)保護在收到從N站傳過(guò)來(lái)的“同步確認幀”時(shí)，記錄下此時(shí)刻相對于本側同步時(shí)鐘的時(shí)差Tnb。經(jīng)過(guò)一個(gè)來(lái)回，M站保護裝置就知道了本側保護裝置與對側保護裝置的同步時(shí)鐘的時(shí)刻差△t=Tnb/2-Tma。同理，N站檢測到的本側保護裝置與對側保護裝置的同步時(shí)鐘的時(shí)刻差△t=Tmb/2-Tna。

　　△t有正負之分。當△t為正時(shí)，表示本側同步時(shí)鐘超前對側同步時(shí)鐘：當△t為負時(shí)，表示本側同步時(shí)鐘落后對側同步時(shí)鐘。

　　數字化變電站光纖分相縱差保護要求兩側Mu的采集頻率相同，假設Mu發(fā)送數據幀的頻率為fs，計算出△t后，可計算出兩側差動(dòng)保護裝置對點(diǎn)的間隔Nd，Nd=round(fS△t)

　　式中：round函數是將實(shí)數取整，余數四舍五入。

　　當△t為正時(shí)，將本側的采樣值后移Nd點(diǎn)與對側同步;當△t為負時(shí)，將本側的采樣值前移Nd點(diǎn)與對側同步

　　采用此種同步方式，兩側同步后理論上存在的最大相位差δ=ω/(2fS)，其中，ω為系統角頻率。