就地化線路保護技術方案研究

董新濤 ， 康小寧 ， 李寶偉 ， 裘愉濤 ， 田巧紅 ，

（1.西安交通大學電氣工程學院，西安 710049；2.國網(wǎng)許繼集團有限公司，河南 許昌 461000；3.強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學），武漢 430074；4.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；5.中國移動通信集團河南有限公司許昌分公司，河南 許昌 461000）

0 引言

就地化保護采用高防護、小型化設計，直接安裝于被保護設備附近，電纜直接采樣、直接跳閘。相對于傳統(tǒng)變電站，縮短了二次回路長度，采用標準接口，提高了可靠性。站內保護裝置間信號通過GOOSE（面向通用對象的變電站事件）網(wǎng)傳輸，簡化了變電站二次回路。相對于智能變電站，就地化保護不依賴合并單元和智能終端，減少了繼電保護的中間環(huán)節(jié)，提升了繼電保護的整組動作速度[1-2]。就地化主變壓器（簡稱主變）保護、母差保護、線路保護等構成了層次化保護系統(tǒng)中就地級保護，除就地級保護，層次化保護系統(tǒng)還包括站域級保護和廣域級保護。層次化保護對于解決傳統(tǒng)后備保護整定困難、動作速度慢以及電網(wǎng)結構或運行工況發(fā)生非預設性變化時保護性能難以得到保證提供了思路[3-5]。智能變電站的數(shù)據(jù)信息共享和網(wǎng)絡通信技術是層次化保護實施的基礎，合并單元和智能終端作為層次化保護的就地數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元起著重要的作用，由于就地化保護取消了合并單元和智能終端，對目前層次化保護系統(tǒng)中站域級保護和廣域級保護造成極大影響。同時，目前站域保護就地采集單元基于合并單元和智能終端，均只能采集到本站的信息，而與本站相關聯(lián)的輸電線路對側數(shù)據(jù)無法采集，造成站域保護所采集數(shù)據(jù)和保護的范圍小于全站就地級保護，這也對站域保護功能的擴展造成影響。

就地化保護通過集成SV（采樣值）輸出功能和GOOSE模塊可以取代合并單元和智能終端作為層次化保護的就地數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元，具備該功能的就地化保護已在浙江嘉興試點運行。目前的就地化線路保護依然無法為站域保護提供輸電線路對側的數(shù)據(jù)。在不改變目前就地化保護系統(tǒng)結構的基礎上，提出了一種集成站域保護就地數(shù)據(jù)采集和跳閘執(zhí)行單元的就地化線路保護技術方案，利用就地化線路保護裝置采集線路本端數(shù)據(jù)，同時通過光纖通道采集獲取線路對側數(shù)據(jù)，將對側數(shù)據(jù)以標準SV報文輸出，供站域保護使用，擴大站域保護信息采集范圍，為站域保護范圍的擴展和功能的提升提供數(shù)據(jù)基礎。在此還對本站以及線路對側模擬量數(shù)據(jù)采集給出了詳細方案，并對模擬量的采集誤差進行了分析，最后給出了具體的實施方案。

1 就地化保護系統(tǒng)結構

就地化保護系統(tǒng)采用分布式的設計理念，對于單間隔保護，本間隔相關的電流、電壓信號以及斷路器位置和控制采用電纜直接接入；對于跨間隔的變壓器和母差保護，采用分布式設計，將跨間隔保護間隔化。圖1為以線路間隔為例的就地化保護系統(tǒng)結構。

就地化線路保護配置完整的主后備保護功能，采用電纜直接采樣，直接跳閘。通過GOOSE網(wǎng)絡發(fā)布本裝置的跳閘信號及其他狀態(tài)信號，通過GOOSE網(wǎng)訂閱其他保護或控制設備的相關信號。通過電纜接入必要的斷路器信息。

相對于智能變電站，就地化保護通過單間隔二次設備功能的縱向集成，減少了合并單元和智能終端，繼電保護整組動作時間可減少8～10 ms，提高了繼電保護的速動性，同時由于中間環(huán)節(jié)的減少，提升了繼電保護的可靠性。但由于就地化保護系統(tǒng)取消了合并單元和智能終端，造成了站域保護系統(tǒng)的就地數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元缺失。

圖1 地化線路保護系統(tǒng)結構

2 就地化線路保護技術方案

就地化線路保護功能框架如圖2所示，除完成線路保護本身的保護功能、光纖收發(fā)和同步計算功能外，還包括SV重采樣及GOOSE收發(fā)等功能模塊。

裝置內部本地模擬量AD采樣的采樣頻率為4 kHz，保護功能和縱聯(lián)通道傳輸使用的采樣頻率為1.2 kHz，裝置輸出SV的采樣頻率為4 kHz。本地AD采樣，縱聯(lián)通道傳輸和SV輸出均為雙AD數(shù)據(jù)。線路保護裝置輸出的SV報文中僅含保護TA數(shù)據(jù)，供站域保護及廣域保護使用，其功能主要基于工頻量，所以裝置低通濾波回路按照裝置保護功能的采樣率進行設計。

圖2 就地化線路保護功能框架

本地AD采樣模塊基于裝置內部時鐘自由采樣，保護重采樣模塊將本地AD數(shù)據(jù)重采樣為保護用數(shù)據(jù)，提供給保護功能模塊，通過縱聯(lián)通道向對側裝置發(fā)送，同時根據(jù)兩側采樣同步計算結果調整保護重采樣時刻，以完成線路兩側采樣數(shù)據(jù)的同步，同步計算不依賴外部對時信號。

由于就地化線路保護對外僅提供一個用于過程層接口，所以裝置對外輸出SV采用組網(wǎng)模式，同時采用SV和GOOSE共口輸出的方式。SV重采樣模塊基于對時信號對本地AD數(shù)據(jù)和對側AD數(shù)據(jù)進行重采樣。由于SV輸出采用組網(wǎng)模式，對SV發(fā)送時刻要求相對于點對點方式較低，同時由于線路縱聯(lián)通道可能存在一定的傳輸延時，為保證本側采樣數(shù)據(jù)的時效性，兩側采樣數(shù)據(jù)分2幀SV報文分別傳輸。

GOOSE模塊完成保護功能和其他保護及控制裝置間的GOOSE信號交互，同時完成本地開關量數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡跳閘信號就地執(zhí)行功能。直接采集本地開關量信息，通過縱聯(lián)通道獲取線路對側開關量信息，并以GOOSE報文方式發(fā)送至站內過程層網(wǎng)絡。從站內過程層網(wǎng)絡接收站域保護控制命令，驅動本裝置出口。線路保護接收對側站遠跳命令并就地執(zhí)行出口是已廣泛應用的功能，由就地化保護集成GOOSE模塊無論是技術和運行經驗都很成熟。文獻[1]指出智能終端缺陷率為4.487次/百臺·年，是常規(guī)保護裝置的2.2倍，由就地化保護集成GOOSE模塊可降低智能終端缺陷率的影響。

保護重采樣功能和目前智能站保護裝置采樣原理相同，區(qū)別在于就地化保護裝置硬件濾波回路已經按照保護功能所需的采樣率設計，所以在重采樣之前不再需要進行數(shù)字濾波，同時GOOSE收發(fā)技術也非常成熟，因此，保護重采樣和GOOSE收到功能文中均不再贅述，重點介紹了SV采樣功能。

3 就地化線路保護SV采樣方案

SV采樣包括本地模擬量SV采樣和線路對側模擬量采樣，由于采用組網(wǎng)SV方式，要求在對時信號為整秒時刻SV采樣值報文的樣本計數(shù)為0，因此SV采樣關鍵在于準確計算出兩側裝置的采樣延時。

3.1 本側采樣延時

裝置本地模擬量AD采樣環(huán)節(jié)如圖3所示，主要包括內部小TA/TV變換、低通濾波和AD變換。小TA/PV變換延時可忽略，同時借助于FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）準確記錄采樣時刻，本側模擬量采樣的延時可近似為低通濾波回路的延時，此延時為固定值。根據(jù)裝置硬件濾波回路的相頻特性可以準確計算出本側采樣延時。

3.2 對側采樣延時

裝置通過縱聯(lián)通道接收對側裝置采樣值報文，其時序如圖3所示。因此對側采樣延時包括AD采樣、保護重采樣、通道打包發(fā)送、通道延時及接收處理環(huán)節(jié)。

圖3 對側采樣時序

根據(jù)對側裝置AD采樣延時ΔtA/D的計算方法和本側采樣延時相同。裝置重采樣和通道發(fā)送均采用裝置內部時鐘信號，根據(jù)重采樣時標和通道發(fā)送打包時的系統(tǒng)時鐘可計算出重采樣延時Δtresample和通道發(fā)送延時Δtsend的值。對側裝置采樣延時 Td1=ΔtA/D+Δtresample+Δtsend，將該延時和對應的采樣值打包在同一數(shù)據(jù)幀中發(fā)送。

采用乒乓算法[6-7]計算縱聯(lián)通道的傳輸延時Td2，原理如圖4所示。

圖4 同步計算示意

式中：y為接收側前最近的并且已經發(fā)送的采樣序號；x為對側反饋的序號；T為采樣周期；t1為從側收到主側反饋到從側最新一次發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔；t2為主側收到從側數(shù)據(jù)到向從側發(fā)送反饋的時間間隔。

本側裝置采用FPGA打時標的方式準確記錄縱聯(lián)通道報文接收時刻，接收處理延時Td3可以忽略不計。因此對側采樣延時為Td1+Td2。其中Td1從接收報文中獲取，Td2由本側裝置內部縱聯(lián)通道同步計算模塊實時計算。

3.3 重采樣同步

裝置重采樣模塊根據(jù)本側采樣時刻、對側采樣值報文接收時刻及兩側的采樣延時完成兩側采樣數(shù)據(jù)的重采樣同步，SV重采樣基于外部對時信號，重采樣采用拋物線差值算法[8]。兩側模擬量的SV重采樣原理與合并單元相同，區(qū)別在于本側采樣延時較短且固定，而對側采樣延時相對較長，而且需要根據(jù)縱聯(lián)通道傳輸延時動態(tài)計算。如使用目前合并單元中通過一幀SV報文發(fā)送所有采樣數(shù)據(jù)，需要等對側數(shù)據(jù)到達后才可進行重采樣，勢必會造成本側采樣數(shù)據(jù)延時的加長，因此將兩側采樣數(shù)據(jù)分成兩幀SV報文發(fā)送[9]，可有效保證本側采樣數(shù)據(jù)的時效性。

SV重采樣時序如圖5所示。裝置輸出SV報文的采樣率均采用4 kHz，本側模擬量采樣率為4 kHz，所以為等采樣率重采樣。由于縱聯(lián)通道傳輸容量的限制，對側模擬量為1.2 kHz，需要進行插值重采樣為4 kHz，由于裝置采樣環(huán)節(jié)低通濾波回路均按照1.2 kHz采樣率設計，所以盡管兩側模擬量原始采樣頻率不同，采樣中包含的有效信號成分還是相同的，兩側重采樣造成的誤差在后續(xù)章節(jié)分析。

由于縱聯(lián)通道的傳輸延時隨具體工程而定，一般采用專用光纖通道或SDH（同步數(shù)字體系）復用通道，專用通道僅與線路的距離有關，具體工程的傳輸延時是固定的，復用通道在SDH路由確定后傳輸延時也基本固定，且正常傳輸延時變化較小。因此對側采樣SV報文的額定延時可根據(jù)實際的縱聯(lián)通道傳輸延時動態(tài)調整，并在通道傳輸延時的基礎上增加一定的裕度。

通道延時Td2計算公式為式（1）：

圖5 多頻率混合重采樣時序

3.4 站域保護同步采樣

對于站域保護接收就地化線路保護的兩組SV報文而言，和目前智能變電站1臺裝置接收2臺額定延時不同的合并單元SV報文原理相同。

就地化線路保護到站域保護之間采用組網(wǎng)模式傳輸采樣值報文，就地化線路保護輸出的SV報文經以太網(wǎng)交換機共享至保護專網(wǎng)，傳輸延時不穩(wěn)定，所以應由就地化線路保護完成全站采樣數(shù)據(jù)時間同步。由于全站的就地化線路保護均基于同一時鐘進行重采樣，所以不同MU發(fā)送相同樣本計數(shù)的數(shù)字量采樣值是同步的，站域保護依據(jù)各就地化線路保護SV報文中的樣本計數(shù)對各就地化線路保護SV報文進行同步。如圖6所示，站域保護對收到來自PL1就地化線路保護和PL2就地化線路保護的2組SV進行采樣同步，站域保護僅需將接收到的2組SV報文按照樣本計數(shù)進行對齊即可完成采樣同步。

3.5 采樣誤差分析

裝置通過對本地模擬量數(shù)據(jù)和對側模擬量數(shù)據(jù)重采樣完成兩側采樣數(shù)據(jù)同步，但因重采樣前兩側數(shù)據(jù)的采樣頻率不同，所以兩者誤差會存在差異，因此重點分析兩側數(shù)據(jù)重采樣引入的誤差。

圖6 站域保護采樣同步示意

本地采樣數(shù)據(jù)原始采樣率為4 kHz，對側采樣數(shù)據(jù)原始采樣率為1.2 kHz，通過重采樣生成采樣率為4 kHz的SV采樣數(shù)據(jù)，重采樣均采用拋物線插值算法。圖7為兩側數(shù)據(jù)在含各次諧波下重采樣誤差分布。由仿真結果可知，在工頻下本側重采樣誤差極小，對側重采樣誤差略大，但均遠小于0.09%，其誤差對保護的影響可以忽略不計。

圖7 重采樣誤差分布

4 方案具體實施

就地化線路保護硬件結構如圖8所示，整裝置采用2片獨立的CPU（中央處理器），1個CPU負責保護邏輯計算，另一CPU負責保護啟動邏輯，通過雙CPU芯片的設計，避免了單一芯片異常導致的裝置誤出口問題。

裝置設計2套AD采樣系統(tǒng)，均經啟動CPU控制，啟動CPU完成啟動邏輯判別，并將采樣數(shù)據(jù)通過內部總線發(fā)送至保護CPU，保護采樣完全基于本裝置內部時鐘。保護CPU通過縱聯(lián)通道獲取對側采樣數(shù)據(jù)，并通過內部總線發(fā)至啟動CPU，啟動CPU根據(jù)外部對時信號對本地AD采樣數(shù)據(jù)和對側采樣數(shù)據(jù)進行SV重采樣。

圖8 裝置硬件結構

啟動CPU集成GOOSE模塊，用于GOOSE信號的收發(fā)處理，并完成就地跳閘執(zhí)行單元功能。

就地化線路保護集成就地數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元功能之后未改變裝置對外的輸入輸出接口。裝置硬件采用CPU芯片冗余設計，提升了裝置可靠性。

利用該方案研制的就地化線路保護裝置已經測試和長期拷機驗證，性能和運行情況良好。

5 結語

提出了一種支撐站域保護的就地化線路保護技術方案，該方案中就地化線路保護在完成本間隔保護功能的基礎上進一步集成站域保護的數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元功能，同時，借助線路保護的縱聯(lián)光纖通道完成線路對側模擬量及開關量的采集，通過仿真分析可知，模擬量采集功能具有較高的精度。該方案在不改變現(xiàn)有裝置對外接口的基礎上集成站域保護系統(tǒng)的就地數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行單元功能，通過線路對側數(shù)據(jù)的采集可擴展站域保護的保護功能和范圍，保護采樣不依賴于外部對時信號，保證了保護功能的獨立性和可靠性，裝置對外接口采用標準通訊規(guī)約，保證了工程的通用性和可擴展性，有著廣泛推廣的現(xiàn)實意義。

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