CN101755372A - 考虑电信网络中路由切换的、用于电力网络的方法和保护设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于电力网络的保护设备,其执行用于对电学量的第一测量和第二测量的测量时间进行对准的方法,其中该测量在电力网络的线路的不同端进行,并且经由电信网络与其测量时间一起传输。在该方法中,从线路的本地端(A)到线路的远程端(B)的发送传输时间以及从线路的远程端(B)到线路的本地端(A)的接收传输时间基于来自内部时钟的时间信号而确定。在丢失对内部时钟进行同步的全局时间参考之后,确定内部时钟之间的时钟漂移。使用发送传输时间、接收传输时间以及时钟漂移来对准第一测量和第二测量的测量时间。确定时钟漂移的突变,以识别电信网络中的路由切换,并且修正时钟漂移。

Description

考虑电信网络中路由切换的、用于电力网络的方法和保护设备
技术领域
本发明涉及对电学量的第一测量和第二测量的测量时间进行对准的方法,并且涉及用于保护电力网络的保护设备,其中所述保护设备能够执行所述方法。
在电力网络中,在网络线路的本地端进行第一测量,并且由第一保护设备来将所述第一测量与由第一内部时钟表示的相应第一测量时间一起,经由电信网络传输至线路的远程端。在第二保护设备接收到第一测量之后,在线路的所述远程端进行第二测量,并由第二保护设备将所述第二测量与由第二内部时钟表示的相应第二测量时间一起,经由电信网络传输至线路的所述本地端。
所述方法包括步骤:确定从线路的本地端到远程端的发送传输时间;确定从电力线路的远程端到本地端的接收传输时间;使用发送传输时间和接收传输时间按照第一内部时钟来表示第二测量的测量时间,从而对准第一测量和第二测量的测量时间。
背景技术
在当今的电力网络中,电信被用以监测和控制网络中的发电和潮流,并提供保护功能,所述保护功能考虑到了来自网络中分布的传感器的测量。出于保护目的,尤其是在不同的保护方法中,对在电力网络的输电线路或者配电线路的两端处的测量进行相互比较。为了使在本地端进行的测量与在电力线路的远程端进行的测量是真实可比的,必须确定远程端的实际测量相对于本地端测量时间的确切时间。这对于以下情况而言尤其重要,即,要对交流量(诸如AC输电线或配电线的电流或者电压)进行相互比较,以及如果两个测量之间的差超过预定水平,则检测到故障。在这些情况下,重要的是消除以下差异部分,该差异部分仅仅是因为在不同的时间进行测量(这给出了虚拟相位角差)而被确定。
通过将测量以及在进行测量时生成的时间戳一起从本地端发送至远程端,来获得线路远程端的确切测量时间。远程端通过将在其自身一侧进行的测量和相应时间戳以及从本地端接收的时间戳一起发出,来进行应答。关于分别何时发送和接收消息的信息与测量一起传输。继而,此信息在本地端用以确定传输时间,也即,发送消息和接收消息之间所包含的时段。此方法称为回波定时(echotiming),并且例如在WO02/061907A1中进行了描述,在该文献中将其称作“乒乓”技术。在已知传输时间的情况下,本地端继而可以相对于其自身本地内部时钟来重新计算在远程端进行测量的时间。由此在本地和远程进行测量的测量时间得以彼此同步,从而使进一步的处理成为可能。
回波定时方法假设:在本地端和远程端之间的传输时间沿每个方向是相等的。如果测量是经由具有固定传输路由的电信网络来传输测量(也即,在电信网络的两个点之间的消息总是采用相同路径),则上述假设通常是成立的。然而,现代电信网络包括互联的环路或者环,也即它们表示网格化***,并且消息可以采用的路由可以沿着网格化***的分支自由选择。此类电信网络的控制单元尝试基于当前网络流量和传输量找到跨过网络的最佳路由。这导致了不确定的路由,并且由此导致在电力线路本地端和远程端之间不确定的传输时间。从一个路由改变为其他路由称作路由切换。
为了克服传输时间不确定的问题,在现有技术中已知的是将GPS(全球定位***)时钟添加至电力线路的每端,如WO02/061907A1中进一步的所述。GPS时钟从相应的卫星***接收独立的、全局的时间信号,由此在电力网络中提供公共时间帧。GPS时钟用于生成测量的时间戳。时间戳由此自动同步,使得可以在不知晓传输时间的情况下使传输之后对测量的进一步处理成为可能。
由于GPS信号的可用性不可能是100%,因此在丢失GPS时需要后备解决方案。在WO02/061907A1中描述了一种方法,其中在GPS接收期间,根据GPS时间戳针对两个方向来计算本地端与远程端之间的传输时间,并将其存储在存储器中。如果丢失GPS,则使用最后存储的传输时间和来自内部时钟的时间戳一起,对来自本地端和远程端的测量进行相互对准。由于只要传输时间保持不变则该方法即可可靠地工作(也即,只要不出现路由切换),因此进一步建议:对所存储的传输时间与使用回波定时方法确定的传输时间进行比较,以检测消息路由的改变。如果检测到路由切换,则发出故障信号以提示观察者:电力线路的保护不再可靠。
发明内容
上述方法具有如下缺点:只有在丢失GPS信号之后不出现路由切换,该方法才可靠地工作。此时段可能相对较短。由此,本发明的一个目的是提供一种用于电力网络的方法和保护设备,特别是一种差动保护设备,其即使是在丢失GPS信号之后也能将路由切换纳入考虑。
所述目的由根据权利要求1的方法以及由能够执行所述方法的根据权利要求7的保护设备来实现。
根据本发明,所谓的传输差被确定为发送传输时间与接收传输时间之间的差,并且存储所述传输差。只要第一内部时钟和第二内部时钟由全局时间参考进行同步(也即,只要例如GPS信号可用),则可以如此执行。在丢失全局时间参考之后,无法再使用全球时间来确定发送传输时间和接收传输时间。在继续第一测量和第二测量及其时间戳的传输的同时,还继续确定发送传输时间和接收传输时间,但是现在是使用由第一内部时钟和第二内部时钟生成的时间信号。一旦第一内部时钟和第二内部时钟不再由全局时钟进行同步,则其开始漂移(drift),因此,根据已存储的传输差以及根据连续确定的发送传输时间和接收传输时间,来确定第一时钟信号和第二时钟信号之间的时钟漂移。现在,通过额外地考虑时钟漂移来确定测量时间。为了检测路由切换,确定时钟漂移中的突变,并且使用恰好在所述突变之前和之后确定的时钟漂移值来修正已存储的传输差。
由此,本发明是基于对以下事实的认识,即钟漂移中的突变表示路由切换。这是因为:根据瞬时传输差和已存储的(也即,期望的)传输差之间的差而计算的时钟漂移是一个缓慢的、渐变的过程,而路由切换导致在发送传输时间和/或接收传输时间的突变,并且由此导致传输差的突变。由此,本发明提出监测时钟漂移,以及根据突变之后(也即,路由切换之后)测量到的新发送传输时间和接收传输时间来修正已存储的传输差,从而对时钟漂移的突变做出反应。
因此,本发明支持保护设备在丢失全局时钟参考之后在较长时间内可靠地工作,这是由于考虑了在第一内部时钟和第二内部时钟之间增加的时钟漂移,并且考虑了重复的路由切换。由此,即使是在没有公共时间帧以及发送传输时间和接收传输时间变化的情况下,也可以对第一测量和第二测量之间的测量时间进行同步。
在优选实施方式中,时钟漂移被确定为已存储的传输差与接收传输时间和发送传输时间之间的瞬时差的总和的一半。
在其他实施方式中,通过将时钟漂移的瞬时值与较早时钟漂移的低通滤波值进行比较,来确定时钟漂移的突变。这使得在渐变的时钟漂移和由于路由切换引起的时钟漂移的快速改变之间存在明显区别,因为在仅发生时钟漂移时,瞬时值与滤波值之间的差总是接近于零。低通滤波例如可以通过计算较早时钟漂移的移动平均来实现。
根据本发明的其他实施方式,通过从已存储的传输差中减去突变之后确定的时钟漂移值与突变之前确定的时钟漂移值之间的差的两倍,来修正已存储的传输差。在此实施方式的一个具体实现中,在突变之前确定的时钟漂移值等于较早时钟漂移的低通滤波值。
第一内部时钟和第二内部时钟或是由全局时间参考进行同步,或是在全局时间参考不可用的情况下自由运行。在本发明的一个实施方式中,以如下方式来计算发送传输时间和接收传输时间。第一发送时间由第一保护设备发出第一测量时的第一内部时钟给出,第一接收时间由第二保护设备接收第一测量时的第二内部时钟给出,第二发送时间在由第二保护设备发出第二测量时的第二内部时钟给出,第二接收时间由第一保护设备接收第二测量时的第一内部时钟给出,发送传输时间被确定为第一接收时间与第一发送时间之间的差,而接收传输时间被确定为第二接收时间与第二发送时间之间的差。
附图说明
现在通过参考附图以示例方式描述本发明,在附图中:
图1示出了第一保护设备;
图2示出了第一保护设备和第二保护设备用来在彼此间传输测量的电信网络;
图3示出了在路由切换之前第一保护设备和第二保护设备之间的双向传输的时序;
图4示出了在路由切换之后第一保护设备和第二保护设备之间的双向传输的时序;
图5示出了在路由切换之前和之后的瞬时时钟漂移和较早时钟漂移的低通滤波值;以及
图6示出了在图4中示出的两个值之间的差。
具体实施方式
图1中示出了第一保护设备1,其包括处理单元2、存储单元3、第一内部时钟4、测量输入接口5、时钟输入接口6、双向通信接口7和控制输出单元8。第一保护设备1可以安装在输电或者配电网络的线路的本地端,以便根据在该线路处进行电流和/或电压测量来监测线路的状态,以及在故障情况下通过发起将线路从电力网络的其余部分断开来保护电力网络。在图1的示例中,电流互感器9将在线路本地端进行的电流测量信号递送至测量输入接口5。通信接口7连接至电信网络11,使第一保护设备1能够与布置在线路远程端处的第二保护设备进行通信。第二保护设备包括与图1所示第一保护设备相同的元件。处理单元2递送来自电流测量信号的第一测量数据,并且生成相应的测量时间。处理单元2基于从第一内部时钟4以及从全局时间参考接收的信号,生成测量时间和其他时间信息。在图1中,全局时间参考是来自GPS接收机10的时钟信号,其经由时钟输入接口6输入第一保护设备1。
处理单元2使用全局时间参考对第一内部时钟4与全局GPS时间进行同步。第一保护设备1将第一测量数据与相应的测量时间一起经由电信网络11发送至第二保护设备。同时,生成并传输第一发送时间ts1,其表示第一测量数据的发送时间。第一保护设备1从第二保护设备接收第二测量数据以及相应的测量时间,以及其他时间信息。处理单元2将所述其他时间信息与第一发送时间ts1和第二接收时间tr2(其在接收到第二测量数据时生成)一起使用,以便对第一测量数据和第二测量数据的测量时间进行同步,从而使第一测量数据和第二测量数据可以对准并进行进一步处理,以确定线路的故障状态。在检测到线路中故障的情况下,处理单元生成控制信号,并经由控制输出接口8将该控制信号输出至致动器的驱动单元12。作为控制信号的结果,致动器(例如断路器)由驱动单元12操作,使得该线路与电力网络的其余部分断开。该保护方法称作差动保护。
图2示出了包括A、B、C和D四个节点的电信网络11的回路13。第一保护设备1连接至节点A,而第二保护设备14连接至节点B。两个保护设备1和14使用电信网络11在彼此间传输测量和时间信号。电信网络11内部的消息路由是不确定的并且是可变的。在图2示出的示例中,包括第一测量、相应的测量时间以及第一发送时间ts1的第一消息15由第一保护设备1发出至第二保护设备14。第一消息15(直线)沿节点A、C、D和B被路由。第二消息16(虚线)由第二保护设备14向第一保护设备1发送,并且包括第二测量、相应的测量时间和其他时间信息,该第二消息16从节点A而是被直接路由至节点B。作为结果,从第一保护设备1的角度看,发送传输时间在测量上比接收传输时间长。
图3在时序图中示出了这种状况。在第一发送时间ts 1处,第一消息15由第一保护设备1发出,也即,其离开节点A。在第一接收时间tr1处,第一消息15在节点B处被接收,由此被第二保护设备14接收。在第二发出时间ts2处,第二消息16由第二保护设备14发出。如上所述,第二消息16包括第二测量、相应的测量时间以及其他时间信息,其中该其他时间信息由第一接收时间tr1和第二发送时间ts2表示。第二消息16在节点B和节点A之间花费较短的时间,并且在第二接收时间tr2到达第一保护设备1。第一发送时间ts1和第二接收时间tr2由第一保护设备1中的第一内部时钟4测量,而第一接收时间tr1和第二发送时间ts2由第二保护设备14中的第二内部时钟测量。
在接收第二消息16之后,第一保护设备中的处理单元2使用以下公式来确定以下量:
发送传输时间TmS,确定为第一接收时间tr1与第一发送时间ts1之间的差:
TmS=tr1-ts1    (1)
接收传输时间TmR,确定为第二接收时间tr2与第二发送时间ts2之间的差:
TmR=tr2-ts2    (2)
传输差Asm,确定为发送传输时间TmS与接收发送时间TmR之间的差:
Asm=TmS-TmR    (3)
只要第一内部时钟和第二内部时钟是通过全局GPS时间参考进行同步的,则传输差Asm精确地表示由于消息从节点A到B以及从节点B到A的不同路由而引起的传输时间的不对称。一旦GPS信号丢失,内部时钟就开始漂移,其被合计至刚好在丢失GPS信号之前确定的传输差Asm。因此,传输差Asm由处理单元2连续地存储在存储单元3中,直到GPS信号丢失,并且刚好在丢失GPS之前确定的传输差Asm在下文中称作精确传输差Asm_prec。
在GPS信号丢失之后,处理单元2继续分别根据公式(1)和公式(2)来确定发送传输时间TmS和接收传输时间TmR。另外,时钟漂移CD被确定为精确传输差Asm_prec与接收传输时间(TmR)和发送传输时间(TmS)之间瞬时差的总和的一半:
DC=0.5(TmR-TmS+Asm_prec)
继而,处理单元2使用时钟漂移DC来对准第一测量和第二测量的测量时间。这将利用下文的示例来示出。假定,GPS信号仍然可用,并且发送时间和接收时间由内部时钟来测量,其值如下:
ts1=1ms;
tr1=6ms;
ts2=7ms;以及
tr2=8ms。
传输量确定如下:
TmS=6ms-1ms=5ms;
TmR=8ms-7ms=1ms;以及
Asm=4ms。
由此,第一消息15的传输比第二消息的传输长4ms。当GPS信号丢失时,传输差4ms作为精确传输差Asm_prec而被存储。
其后,测量并且计算如下值:
ts1=1ms;
tr1=56ms;
ts2=57ms;以及
tr2=8ms。
TmS=56ms-1ms=55ms;
TmR=8ms-57ms=-49ms;以及
DC1=0.5(-49ms-55ms+4ms)=-50ms。
由此,第二内部时钟先于第一内部时钟50ms。因此,处理单元2现在可以将瞬时确定的时钟漂移DC1与第二测量的测量时间相加,从而相对于其自身的第一内部时钟来表示第二测量的测量时间。第一测量和第二测量由此获得相同的时基,也即,第一测量和第二测量彼此对准,从而使进一步的处理成为可能。
继而,忽然发生路由切换,这导致按照图4的传输时间,也即,从节点A向节点B的传输时间减少,而从节点B向节点A的传输时间保持相同。在其他情况下,用于两个方向的传输时间或者仅从节点B到节点A的传输时间可以改变。由于路由切换时直接发生在计算上述时钟漂移DC1之后,因此可以假定,时钟漂移仍然是相同的值,即-50ms。在图4的示例中,测量并计算如下时间值:
ts1=1ms;
tr1=53ms;
ts2=54ms;以及
tr2=5ms。
TmS=53ms-1ms=52ms;
TmR=5ms-54ms=-49ms;
DC2=0.5(-49ms-52ms+4ms)=-48.5ms。
由此,在路由切换之后,所计算的时钟漂移突然改变(虽然在实际情况下这是不可能的)。
由此,根据本发明,时钟漂移由处理单元2监测,并且确定突变。这例如是通过对瞬时时钟漂移DC2与较早时钟漂移的低通滤波值DC_filt进行比较来实现的,如图5和图6所示。瞬时时钟漂移DC对于7个测量保持相同的值,约DC1=-50ms(图5)。由此,低通滤波值DC_filt到达相同值,使得瞬时时钟漂移DC与低通滤波时钟漂移DC_filt之间的差是零值(图6)。在第八测量之后,计算瞬时时钟漂移DC2=-48.5ms。这可以被看作是瞬时时钟漂移DC的跳变,以及差(DC-DC_filt)的跳变。由于瞬时时钟漂移保持在新值DC2=-48.5ms,因此低通滤波时钟漂移DC_filt缓慢增加,直到达到相同水平。如果瞬时时钟漂移DC与低通滤波时钟漂移DC_filt之间的差超过预定限制Lim,则处理单元2检测到路由切换,在此示例中该路由切换发生在检测时间td。
现在,处理单元2认识到:已存储的传输差Asm_prec不再正确,因而会计算出不正确的瞬时时钟漂移DC2。已存储的传输差Asm_prec以如下方式修正:从已存储的传输差Asm_prec中减去突变之后确定的时钟漂移值DC2与突变之前确定的时钟漂移值之间的差的两倍。在突变之前确定的时钟漂移的值可以是恰好在GPS信号丢失之前计算的瞬时时钟漂移DC1,然而有利地,将其设置为低通滤波值DC_filt,以避免考虑电信***中的任何抖动或者任何其他临时变化:
Asm_prec=Asm_prec-2(DC2-DC_filt)
对于上述示例,经过修正的传输差为:
Asm_prec=4ms-2(-48.5ms+50ms)=1ms
现在,正确的瞬时时钟漂移计算为:
DC=0.5(-49ms-52ms+1ms)=50ms
利用该修正的瞬时时钟漂移,尽管发生了路由切换,也可以正确地处理第一测量和第二测量的对准。此方法可以应用于多个连续的路由切换,由此确保在全局时间参考丢失之后,可以在较长时间内保持测量对准的精确性。由此,本发明极大地提高了由保护设备1提供的保护功能的可用性。

Claims (7)

1.用于对电学量的第一测量和第二测量的测量时间进行对准的方法,其中所述第一测量:
●在电力网络的线路的本地端(A)处进行;以及
●与由第一内部时钟(4)表示的相应第一测量时间一起,由第一保护设备(1)经由电信网络(11)传输至所述线路的远程端(B);
并且其中所述第二测量:
●在所述线路的所述远程端(B)处进行;以及
●在所述第二保护设备接收到所述第一测量之后,与由第二内部时钟表示的相应第二测量时间一起,由所述第二保护设备经由所述电信网络(11)传输至所述线路的所述本地端(A);
所述方法包括步骤:
●确定从所述线路的所述本地端到所述线路的所述远程端的发送传输时间(TmS);
●确定从所述线路的所述远程端到所述线路的所述本地端的接收传输时间(TmR);
●使用所述发送传输时间(TmS)和所述接收传输时间(TmR),按照所述第一内部时钟来表示所述第二测量的测量时间,从而将所述第一测量和所述第二测量的所述测量时间对准,
其特征在于:
●只要所述第一内部时钟和所述第二内部时钟是通过全局时间参考(10)同步的,则将传输差(Asm)确定为所述发送传输时间(TmS)与所述接收传输时间(TmR)之间的差,并且存储所述传输差(Asm),
●在所述全局时间参考(10)丢失之后,
○使用由所述第一内部时钟和所述第二内部时钟生成的时间信号(ts1、tr1、ts2、tr2),来确定所述发送传输时间(TmS)和所述接收传输时间(TmR),
○根据恰好在所述全局时间参考丢失之前存储的所述传输差(Asm_prec)以及根据所述发送传输时间(TmS)和所述接收传输时间(TmR),来确定所述第一内部时钟与所述第二内部时钟之间的时钟漂移(DC),
○通过附加地考虑所述时钟漂移(DC)来对准所述测量时间,
○确定所述时钟漂移(DC)的突变,并且使用恰好在所述突变之前确定的时钟漂移的值和恰好在所述突变之后确定的时钟漂移的值(DC2),来修正已存储的传输差(Asm_prec)。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述时钟漂移(DC)被确定为以下两项之和的一半:
●已存储的传输差(Asm_prec),以及
●接收传输时间(TmR)与发送传输时间(TmS)之间的瞬时差。
3.根据权利要求1或者2所述的方法,其中通过对所述时钟漂移(DC)的瞬时值与较早时钟漂移的低通滤波值(DC_filt)进行比较,来确定所述时钟漂移(DC)的突变。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法,其中通过从已存储的传输差(Asm_prec)减去在所述突变之后确定的所述时钟漂移的值(DC2)与在所述突变之前确定的所述时钟漂移的值之间差的两倍,来修正所述已存储的传输差(Asm_prec)。
5.根据权利要求4所述的方法,其中在所述突变之前确定的所述时钟漂移的值等于较早时钟漂移的滤波值(DC_filt)。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法,其中:
●第一发送时间(ts1)由所述第一保护设备(1)发出所述第一测量时的所述第一内部时钟(4)给出,
●第一接收时间(tr1)由所述第二保护设备接收所述第一测量时的所述第二内部时钟给出,
●第二发送时间(ts2)由所述第二保护设备发出所述第二测量时的所述第二内部时钟给出,
●第二接收时间(tr2)由所述第一保护设备(1)接收所述第二测量时的所述第一内部时钟(4)给出,
●所述发送传输时间(TmS)被确定为所述第一接收时间(tr1)与所述第一发送时间(ts1)之间的差;以及
●所述接收传输时间(TmR)被确定为所述第二接收时间(tr2)与所述第二发送时间(ts2)之间的差。
7.用于保护电力网络的保护设备(1),包括:
●测量输入接口(5),用于接收在所述电力网络的线路的远程端(A)进行的、对电学量的第一测量,
●第一内部时钟(4),
●时钟输入接口(6),用于接收来自全局时钟参考(10)的信号以同步所述第一内部时钟(4),
●存储单元(3),
●控制输出接口(8),用于向保护致动器(12)输出控制信号,
●与电信网络(11)的双向通信接口(7),用于:
○将所述第一测量与由所述第一内部时钟(4)表示的相应第一测量时间一起传输,以及
○接收在所述线路的远程端(B)进行、并由第二保护设备在接收到所述第一测量之后传输的第二测量,以及由第二内部时钟表示的相应第二测量时间,
●处理单元(2),用于:
○确定从所述线路的所述本地端到所述线路的所述远程端的发送传输时间(TmS);
○确定从所述电力线路的所述远程端到所述电力线路的所述本地端的接收传输时间(TmR);
○使用所述发送传输时间(TmS)和接收传输时间(TmR),按照第一内部时钟(4)来表示所述第二测量的测量时间,从而将所述第一测量和所述第二测量的所述测量时间对准,
其特征在于:
●只要全局时间参考(10)可用,则将传输差(Asm)确定为所述发送传输时间(TmS)与接收传输时间(TmR)之间的差,并且将所述传输差(Asm)存储在所述存储单元中,
●在所述全局时间参考丢失之后,
○使用由所述第一内部时钟生成的时间信号(ts1、tr2)和从所述第二内部时钟接收的时间信号(tr1、ts2),来确定所述发送传输时间(TmS)和所述接收传输时间(TmR),
○根据恰好在所述全球时间参考丢失之前存储的所述传输差(Asm_prec)以及根据所述发送传输时间(TmS)和所述接收传输时间(TmR),来确定所述第一内部时钟与所述第二内部时钟之间的时钟漂移(DC),
○通过附加地考虑所述时钟漂移(DC)来对准所述测量时间,
○确定所述时钟漂移(DC)的突变,并且使用恰好在所述突变之前确定的时钟漂移的值(DC1)和恰好在所述突变之后确定的时钟漂移的值(DC2),来修正已存储的传输差(Asm_prec)。
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