CN101540500B - 数字化光纤差动保护时钟接力法数据同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化光纤差动保护装置的数据同步方法，包括以下步骤：(1)各侧保护装置与合并单元经各自侧1pps作时钟同步；(2)各侧MU以符合IEC61850-9标准或IEC60044-7/8标准的接口接入到各自侧保护装置；(3)保护装置计算本侧与对侧时钟的计时差Δtmn；(4)保护装置计算两侧MU时钟之间计时差ΔtMN，ΔtMN＝Δtmn；(5)计算与对侧采样点同步的本侧采样点时刻tmd；(6)各侧装置从存储的本侧MU采样数据中找到tmd时刻前后收到的两帧数据，通过插值计算得出一组采样值，该组采样值与对侧相应的采样值是同步的。本发明的数据同步方法与ET二次变送延时无关。

Description

数字化光纤差动保护时钟接力法数据同步方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路数字化光纤差动保护的数据同步方法，属于电力***继电保护领域。

背景技术

随着数字化变电站技术在电力***逐步试点与推广，基于电子式互感器(ET)接入的各种数字化保护装置逐步被开发出来，在这些保护装置中，线路光纤差动保护装置是较为复杂的一种，因为它除了要面对数字化保护装置开发的共性问题外，还要解决两侧保护装置采样数据同步的问题。与传统光纤差动保护装置相比，ET接入的光纤差动保护数据同步存在以下困难：

(1)按照IEC60044-7/8标准制造的电子式互感器及其合并单元(MU)，不具备接收从保护装置到MU方向的控制命令(如采样时刻调整)的接口，以致目前广泛使用的通过调整采样时刻实现两侧数据同步的方法在ET接入的光纤差动保护装置中不能适用。

(2)线路一次电流与电压经ET变换，再经MU传送到保护装置的过程存在比较明显的延时，一般在几百微秒以上，甚至超过1毫秒。

(3)先期投运的数字化变电站中的线路对侧互感器仍然是传统互感器，光纤差动保护装置要能适应这种一侧是ET接入另一侧是传统互感器接入的情况。

(4)采用IEC61850-9接口协议输出的电子式互感器，经过程层网络传送采样数据时，受网络工况的影响，二次传输延时可能会不稳定，且变动幅度较大。最大的变动幅度可能将近4毫秒。

由于以上几个方面的困难，在传统光纤差动保护中应用良好的数据同步方法将不能或不能直接应用于ET接入的光纤差动保护装置中。

使用全球定位***GPS(Global Position System)为整个差动保护***提供一个统一的高稳定的基准时钟，来实现采样数据的同步是一个简单直接的方法。无论IEC61850还是IEC60044-8都明确的提到了该方法。在工程中，GPS也早已是厂站自动化***的标准配置，设备基础是容易满足的。采用GPS秒脉冲来同步两侧ET采样时刻的方法固然简单方便，但方法本身依赖于外部设备，特别是GPS，一向被继电保护专业认为降低了保护装置可靠性。另外，使用他国控制GPS***，可能会受国际政治、军事关系的影响。

继电保护专业注重可靠性，保护装置的设计总是希望用尽可能少的设备、器件、外部条件来完成所需的功能。减少对外部设备的依赖从体系结构上减少了可能的故障点，对保证保护的可靠性有全局性的意义。本发明基于这一原则设计适用于数字化光纤差动保护的数据同步新方法。

以下是解决数字化线路光纤差动保护装置数据同步问题的外部技术条件与基础：

(1)分别安装于两变电站中的保护装置之间的纵联光纤通信通道，未因数字化变电站技术的推广和应用而有太多变化，电力运行部门自建或租用的光纤通道，提供给线路差动保护用的通道及其路由双向延时是相等的，这跟传统光纤差动保护的数据同步方法的前提相同，在工程中也是完全能保证的。

(2)在数字化变电站的站内，所有间隔层设备如保护装置与过程层设备如MU装置的采样脉冲信号每秒钟接受全站同一基准时钟的秒脉冲信号1pps(1 Pulse Per Second)同步一次(相位锁定)。全站基准时钟(主钟)通过GPS接收机接收天空中GPS卫星的授时信号，该信号该脉冲信号的上升沿与国际标准时间UTC(Universal Time Coordinated世界调整时间)的同步误差不超过1us。站内主钟自身具有高精度守时时钟，若与GPS时钟同步后再失步，在其后较长时间内仍然可以保持与UTC同步。

(3)ET的传感头部分或远端模块的ADC采样起动由MU发来的采样信号起动，MU的采样信号由1pps经倍频后变成ET的采样频率，发送到ET的ADC转换部分，启动AD采样。这样一来ET的采样时刻通过公共的1pps与保护装置之间保持了一种固定的关系。

(4)线路各相ET经同步采样得到的数据先经MU合并打包成帧，然后送给保护装置。IEC60044-8以及IEC61850-9规定的MU输出通信报文中，包含有一个16位的样本计数，此16位计数用以检查连续更新的帧数，在每出现一个新帧时加1，并且该计数随每一个同步脉冲1pps出现时置零。因此可以说，样本计数值实际上具有相对时间的意义。

(5)MU输出的标准帧格式中，包含有ET的额定延时时间，可以是2Ts、3Ts(Ts为采样周期)，对采用同步脉冲的MU，也可以为3ms(+10％-100％)。该延时时间给出了一次电流或电压变送到MU的过程延时。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可直接应用于线路数字化光纤差动保护装置的两端数据同步方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种与ET二次变送延时无关的、基于时钟接力和改进插值法的数据同步方法。

本发明所采用的技术方案如下：数字化光纤差动保护时钟接力法数据同步方法，实施过程涉及以下四台装置：本侧保护装置、本侧电子式互感器合并单元、对侧保护装置、对侧电子式互感器合并单元，所述四台装置的处理器内分别设有计时器tm、tM、tn、tN，本侧电子式互感器合并单元与本侧保护装置之间通过本侧秒脉冲信号1pps/M同步，在每个1pps/M脉冲的前沿，将计时器tM、计时器tm同时置0，随后计时器tM、计时器tm自动计时；对侧电子式互感器合并单元与对侧保护装置之间通过对侧秒脉冲信号1pps/N同步，在每个1pps/N脉冲的前沿，将计时器tN、计时器tn同时置0，随后计时器tN、计时器tn自动计时；

本侧电子式互感器合并单元收到本侧秒脉冲信号1pps/M后，向电子式互感器的ADC发出采样周期为Ts的采样信号，同时接收电子式互感器传回的采样数据，并对该采样数据标上样本计数M，该样本计数M在本侧秒脉冲信号1pps/M出现的时刻置零，所述样本计数M在每次收到采样数据时加1；本侧电子式互感器合并单元在每个采样间隔内将最新收到的一次电压电流采样数据及其样本计数、本侧电子式互感器额定延时Tpm按标准帧格式发送给本侧保护装置；

相应的，对侧电子式互感器合并单元收到对侧秒脉冲信号1pps/N后，向电子式互感器的ADC发出采样周期为Ts的采样信号，同时接收电子式互感器传回的采样数据，并对该采样数据标上样本计数N，该样本计数N在对侧秒脉冲信号1pps/N出现的时刻置零，所述样本计数N在每次收到采样数据时加1；对侧电子式互感器合并单元在每个采样间隔内将最新收到的一次电压电流采样数据及其样本计数、对侧电子式互感器额定延时Tpn按标准帧格式发送给对侧保护装置；

数据同步方法的具体步骤如下：

(a)、本侧保护装置以Ts为周期按定时中断方式工作，在每个周期的起点向对侧保护装置发送一帧报文，同时记下发送时计时器tm的读数tm1，对侧保护装置收到该报文时，记下计时器tn的读数tn2，随后对侧保护装置向本侧保护装置回送一帧报文，同时记下回送时计时器tn的读数tn3，回送的报文中包含最新收到的同侧电子式互感器合并单元送来的采样数据及其样本计数、计时器tn的读数tn2、tn3以及同侧电子式互感器的额定延时Tpn，本侧保护装置收到回送的报文时记下计时器tm的读数tm4，根据公式(1)计算得到计时器tm与计时器tn的读数差Δtmn：

Δtmn＝(tm4+tm1)/2-(tn3+tn2)/2        (1)

由于tn与tN，tm与tM已各自经1pps/N和1pps/M同步，于是保护装置也可知两侧MU的计时器的读数差ΔtMN等于两侧保护装置的计时器的读数差Δtmn，其中ΔtMN＝tM-tN，即有下式：

ΔtMN＝Δtmn    (2)

(b)、本侧保护装置计算出ΔtMN后，再计算与对侧样本计数为N1的采样数据同步的本侧采样数据的时标tmd：

tmd＝N1*Ts-Tpn+ΔtMN+Tpm    (3)

式中Tpm、Tpn分别为本侧与对侧ET额定延时；

(c)、本侧保护装置根据公式(4)、(5)、(6)、(7)计算得到本侧样本计数M1、M2、以及时间差Ta、Tb；

M1＝Mod(tmd，Ts)    (4)

M2＝M1+1            (5)

Ta＝tmd-M1*Ts       (6)

Tb＝M2*Ts-tmd       (7)

公式(4)中，Mod(tmd，Ts)表示以Ts为模数对tmd作取整运算；

(d)、本侧保护装置根据公式(8)计算得到与对侧样本计数为N1的电压电流各相采样值同步的本侧电压电流各相采样值A(md)：

A(md)＝Tb*A(M1)/Ts+Ta*A(M2)/Ts    (8)

公式(8)中A(M1)、A(M2)分别代表本侧样本计数为M1、M2的电压电流各相采样值，至此，一个完整的数据同步过程完成。

本发明的有益效果如下：本发明数据同步过程所依据的条件全部在相关技术标准的框架内，没有任何扩展或变更；注意到1pps/M与1pps/N之间不要求同步，因此同步算法不依赖于GPS或其他广域导航定位***做站间的1pps同步，大大提高了继电保护的可靠性；数据同步过程不调整采样时刻，适应于ET标准规定的MU功能结构条件；既可以解决MU按IEC61850-9标准接口经过程层网络接入时的数据同步问题，也可以解决MU按IEC60044-8标准接口接入情况下两侧保护装置的数据同步问题；对于线路一侧为ET，另一侧为传统互感器接入保护装置的情况，数据同步过程中只要将传统互感器的额定延时视为零值即可。

附图说明

图1为本发明时钟接力法数据同步过程示意图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

图1所示为本发明时钟接力法数据同步过程示意图，本发明数字化光纤差动保护时钟接力法数据同步方法，实施过程涉及以下四台装置：本侧保护装置、本侧电子式互感器合并单元、对侧保护装置、对侧电子式互感器合并单元，所述四台装置的处理器内分别设有计时器tm、tM、tn、tN，本侧电子式互感器合并单元与本侧保护装置之间通过本侧秒脉冲信号1pps/M同步，在每个1pps/M脉冲的前沿，将计时器tM、计时器tm同时置0，随后计时器tM、计时器tm自动计时；对侧电子式互感器合并单元与对侧保护装置之间通过对侧秒脉冲信号1pps/N同步，在每个1pps/N脉冲的前沿，将计时器tN、计时器tn同时置0，随后计时器tN、计时器tn自动计时；

本侧电子式互感器合并单元收到本侧秒脉冲信号1pps/M后，向电子式互感器的ADC发出采样周期Ts为0.417ms的采样信号，同时接收电子式互感器传回的采样数据，并对该采样数据标上样本计数M，该样本计数M在本侧秒脉冲信号1pps/M出现的时刻置零，所述样本计数M在每次收到采样数据时加1；本侧电子式互感器合并单元在每个采样间隔内将最新收到的一次电压电流采样数据及其样本计数、本侧电子式互感器额定延时0.833ms(Tpm)按标准帧格式发送给本侧保护装置；

相应的，对侧电子式互感器合并单元收到对侧秒脉冲信号1pps/N后，向电子式互感器的ADC发出采样周期Ts为0.417ms的采样信号，同时接收电子式互感器传回的采样数据，并对该采样数据标上样本计数N，该样本计数N在对侧秒脉冲信号1pps/N出现的时刻置零，所述样本计数N在每次收到采样数据时加1；对侧电子式互感器合并单元在每个采样间隔内将最新收到的一次电压电流采样数据及其样本计数、对侧电子式互感器额定延时1.250ms(Tpn)按标准帧格式发送给对侧保护装置；

数据同步方法的具体步骤如下：

(a)、本侧保护装置以0.417ms为周期按定时中断方式工作，在每个周期的起点向对侧保护装置发送一帧报文，本实施例中以某个周期为例进行说明。

本侧保护装置向对侧保护装置发送某帧数据时计时器tm的读数为417.00ms(tm1)，对侧保护装置收到该报文时，计时器tn的读数为217.88ms(tn2)，对侧保护装向本侧保护装置回送一帧报文时，计时器tn的读数为218.09ms(tn3)，回送的报文中包含最新收到的同侧电子式互感器合并单元送来的采样数据(本例中仅以A相电流采样值为例进行说明，A相电流采样值为3276)及其样本计数为523(N1)、计时器tn的读数217.88ms(tn2)、218.09ms(tn3)以及同侧电子式互感器的额定延时1.250ms(Tpn)，本侧保护装置收到回送的报文时记下计时器tm的读数419.21ms(tm4)，可根据公式(1)和(2)计算得到计时器tn与计时器tm的读数差Δtmn、计时器tM与计时器tN的读数差ΔtMN，

Δtmn＝(tm4+tm1)/2-(tn3+tn2)/2  (1)

ΔtMN＝Δtmn                    (2)

ΔtMN＝Δtmn＝(419.21+417.00ms)/2-(218.09ms+217.88ms)/2＝200.12ms。

(b)、对侧样本计数为N1的采样数据与本侧计时器tM读数为tmd时的数据同步，tmd可根据公式(3)计算获得，

tmd＝N1*Ts-Tpn+ΔtMN+Tpm        (3)

tmd＝523*0.417-1.250+200.12+0.833＝417.793ms。

(c)、根据公式(4)、(5)、(6)、(7)计算得到本侧样本计数M1、M2、以及时间差Ta、Tb；

M1＝Mod(tmd，Ts)         (4)

M2＝＝M1+1               (5)

Ta＝tmd-M1*Ts            (6)

Tb＝M2*Ts-tmd    (7)

M1＝1001，M2＝1002，Ta＝0.376ms，Tb＝0.041ms。

公式(4)中，Mod(tmd，Ts)表示以Ts为模数对tmd作取整运算；

(d)、根据公式(7)计算得到与对侧样本计数为N1的电压电流各相采样值同步的本侧电压电流各相采样值A(md)，本例中仅以A相采样电流为例进行说明

A(md)＝Tb*A(M1)/Ts+Ta*A(M2)/Ts                (8)

A(md)＝0.041*2701/0.417+0.376*3338/0.417＝3275。

公式(8)中A(M1)、A(M2)分别代表本侧样本计数为M1、M2的电压电流各相采样值，本算例中A(M1)、A(M2)代入的数值为A相采样电流，本侧样本计数为1001的A相电流采样值为2701、本侧样本计数为1002的A相电流值3338。

与对侧样本计数为523的A相电流同步的本侧A相电流值为3275。

至此，一个完整的数据同步过程完成。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.数字化光纤差动保护时钟接力法数据同步方法，实施过程涉及以下四台装置：本侧保护装置、本侧电子式互感器合并单元、对侧保护装置、对侧电子式互感器合并单元，所述四台装置的处理器内分别设有计时器tm、tM、tn、tN，本侧电子式互感器合并单元与本侧保护装置之间通过本侧秒脉冲信号1pps/M同步，在每个1pps/M脉冲的前沿，将计时器tM、计时器tm同时置0，随后计时器tM、计时器tm自动计时；对侧电子式互感器合并单元与对侧保护装置之间通过对侧秒脉冲信号1pps/N同步，在每个1pps/N脉冲的前沿，将计时器tN、计时器tn同时置0，随后计时器tN、计时器tn自动计时；

本侧电子式互感器合并单元收到本侧秒脉冲信号1pps/M后，向电子式互感器的ADC发出采样周期为Ts的采样信号，同时接收电子式互感器传回的采样数据，并对该采样数据标上样本计数M，该样本计数M在本侧秒脉冲信号1pps/M出现的时刻置零，所述样本计数M在每次收到采样数据时加1；本侧电子式互感器合并单元在每个采样间隔内将最新收到的一次电压电流采样数据及其样本计数、本侧电子式互感器额定延时Tpm按标准帧格式发送给本侧保护装置；

相应的，对侧电子式互感器合并单元收到对侧秒脉冲信号1pps/N后，向电子式互感器的ADC发出采样周期为Ts的采样信号，同时接收电子式互感器传回的采样数据，并对该采样数据标上样本计数N，该样本计数N在对侧秒脉冲信号1pps/N出现的时刻置零，所述样本计数N在每次收到采样数据时加1；对侧电子式互感器合并单元在每个采样间隔内将最新收到的一次电压电流采样数据及其样本计数、对侧电子式互感器额定延时Tpn按标准帧格式发送给对侧保护装置；

数据同步方法的具体步骤如下：

(a)、本侧保护装置以Ts为周期按定时中断方式工作，在每个周期的起点向对侧保护装置发送一帧报文，同时记下发送时计时器tm的读数tm1，对侧保护装置收到该报文时，记下计时器tn的读数tn2，随后对侧保护装置向本侧保护装置回送一帧报文，同时记下回送时计时器tn的读数tn3，回送的报文中包含最新收到的同侧电子式互感器合并单元送来的采样数据及其样本计数、计时器tn的读数tn2、tn3以及同侧电子式互感器的额定延时Tpn，本侧保护装置收到回送的报文时记下计时器tm的读数tm4，根据公式(1)计算得到计时器tm与计时器tn的读数差Δtmn：

Δtmn＝(tm4+tm1)/2-(tn3+tn2)/2        (1)

由于tn与tN，tm与tM已各自经1pps/N和1pps/M同步，于是保护装置也可知两侧MU的计时器的读数差ΔtMN等于两侧保护装置的计时器的读数差Δtmn，其中，ΔtMN＝tM-tN，即有下式：

ΔtMN＝Δtmn             (2)

(b)、本侧保护装置计算出ΔtMN后，再计算与对侧样本计数为N1的采样数据同步的本侧采样数据的时标tmd：

tmd＝N1*Ts-Tpn+ΔtMN+Tpm         (3)

式中Tpm、Tpn分别为本侧与对侧ET额定延时；

(c)、本侧保护装置根据公式(4)、(5)、(6)、(7)计算得到本侧样本计数M1、M2、以及时间差Ta、Tb；

M1＝Mod(tmd，Ts)                 (4)

M2＝M1+1                         (5)

Ta＝tmd-M1*Ts                    (6)

Tb＝M2*Ts-tmd                    (7)

公式(4)中，Mod(tmd，Ts)表示以Ts为模数对tmd作取整运算；

(d)、本侧保护装置根据公式(8)计算得到与对侧样本计数为N1的电压电流各相采样值同步的本侧电压电流各相采样值A(md)：

A(md)＝Tb*A(M1)/Ts+Ta*A(M2)/Ts   (8)

公式(8)中A(M1)、A(M2)分别代表本侧样本计数为M1、M2的电压电流各相采样值，至此，一个完整的数据同步过程完成。

2.根据权利要求1所述的数字化光纤差动保护时钟接力法数据同步方法，其特征是所述的采样周期Ts为0.417ms。