CN109742741B - 一种用于有源配电网的继电保护数据同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于有源配电网的继电保护数据同步方法，依据被保护线路两侧的故障特征，分别提取故障时刻，进而获取故障时刻之前的过零点时刻，以该过零点时刻为基准，并以一侧数据为参照，利用插值的方法将另一侧数据进行同步修正，最终实现两侧数据对齐。为保证故障检测的可靠性，本发明要求连续的3个采样点均发生突变才认为故障发生。本发明不依赖于外部时钟，无需增加额外设备，而且不受故障检测延时、采样延时及通道延时不一致等因素的影响。

Description

一种用于有源配电网的继电保护数据同步方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，尤其涉及一种有源配电网继电保护数据同步技术。

背景技术

由于大量分布式电源的接入，配电网呈现出多源、弱馈、潮流与故障电流双向流动等特征，传统的三段式电流保护的灵敏度和选择性面临挑战，因此，具有绝对选择性和高灵敏度的电流差动保护原理被引入到有源配电网中。然而，电流差动保护利用线路两侧的同步电流数据构成差动判据，对电流数据的同步性要求极高，微小的同步误差就会严重影响电流差动保护的性能，甚至造成拒动或误动的严重后果。因此，数据同步是电流差动保护应用于有源配电网时急需解决的关键技术。

目前，电流差动保护已广泛应用于高压输电线路，高压输电网中的数据同步技术非常成熟，常用的数据同步技术包括基于数据通道的同步方法、基于参考向量的同步方法和基于GPS的同步方法等3种。然而，在有源配电网中却无法直接应用高压输电网中成熟的数据同步方法，原因如下：首先，由于有源配电网网络结构复杂、节点众多，为了降低成本，一般不会架设专用的继电保护信道，而是选择复用数据采集和监控信道的通信方式，收发延时不一致，因此基于数据通道的同步方法，在原理上就存在较大误差；其次，基于参考向量的同步方法需要事先获取准确的线路参数，但有源配电网中线路多分支、多分段，且网络拓扑多变，准确的线路参数难以获取，影响了这类方法的使用；最后，基于GPS的同步方法虽然同步精度高、应用简便，但严重依赖外部时钟设备，一般不允许作为继电保护唯一的同步方法。

除了上述输电网中成熟的同步技术外，有研究者提出了一种专门用于配电网的自同步方法。该方法以故障发生时刻为基准实现数据同步，虽然不依赖于外部时钟设备，能够在一定程度上耐受信道切换、采样延时变化等因素的影响，但是现有的故障检测算法在确定故障发生时刻时，受故障信号传播距离和传播延时不同的影响，确定的故障时刻和实际故障时刻存在误差，严重影响该方法的数据同步精度，在极端情况下会存在较大数据同步误差，尤其是当逆变类分布式电源接入有源配电网时，该方法的同步误差甚至会超过电流差动保护的最大允许裕度。因此，该同步方法在应用于有源配电网时也难以保证电流差动保护的性能。

综上所述，现有数据同步方法的同步精度受制于时钟状态、通信通道、配电网结构及故障检测延时等因素，无法满足有源配电网电流差动保护的需求，因此，急需研究一种能够摆脱时钟依赖和通道束缚，而且不受故障检测算法影响的数据同步方法，以确保应用于有源配电网的电流差动保护性能。

发明内容

为解决差动保护应用于有源配电网时数据同步方法面临的上述问题，本发明提出一种用于有源配电网的继电保护数据同步方法。本发明首先根据被保护线路两侧的故障特征，分别提取故障时刻，进而获取故障时刻之前紧邻的过零点时刻，以该过零点时刻为基准，并以一侧数据为参照，利用插值的方法将另一侧数据修正，最终实现两侧数据对齐。

为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种用于有源配电网的继电保护数据同步方法，包括如下步骤：

（1）被保护线路两侧继电保护装置实时采集并获得电流采样值序列，本侧和对侧电流采样值序列分别为i ₁(n)和i ₂(n)，n为采样点标号，取正整数；

（2）利用电流采样值序列i ₁(n)和i ₂(n)，进行故障启动判断，若两侧保护装置均检测到故障，则进入步骤（3），具体故障启动判断的方法为：本侧电流采样值序列i ₁(n)中连续3个采样值满足式(1)，且对侧电流采样值序列i ₂(n)中连续3个采样值满足式(2)，则认为线路存在故障，

||i ₁(k)－i ₁(k－S)|－|i ₁(k－S)－i ₁(k－2S)||≥I _set1 (1)

||i ₂(k)－i ₂(k－S)|－|i ₂(k－S)－i ₂(k－2S)||≥I _set2 (2)

式中，i ₁(k)、i ₁(k－S)和i ₁(k－2S)分别是本侧电流采样值序列中标号为k、(k－S)和(k－2S)的电流采样值，S为每周波采样点数；i ₂(k)、i ₂(k－S)和i ₂(k－2S)分别为对侧电流采样值序列中标号为k、(k－S)和(k－2S)的电流采样值；I _set1和I _set2为两侧启动判据电流整定值；

（3）分别提取被保护线路两侧的故障时刻，将故障时刻对应的采样点标号分别赋值给临时变量k ₁和k ₂，故障时刻为满足步骤（2）中故障启动条件的连续3个采样值中的第1个采样值对应时刻，即连续3个采样值中最早的采样值对应时刻；

（4）在本侧电流采样值序列i ₁(n)中，寻找采样点k ₁之前的第1个过零点时刻，并将该时刻记为t ₁，若t ₁时刻恰好有采样点，将该采样点标号赋值给n ₁，若t ₁时刻没有采样点，则将该时刻之前的相邻采样点标号赋值给n ₁，n ₁称为本侧过零点时刻对应的采样点标号，由于在步骤（3）中已确定故障时刻对应的采样点标号为k ₁，因此采样点k ₁之前的电流为本侧的故障前电流；

（5）在对侧电流采样值序列i ₂(n)中，寻找采样点k ₂之前的第1个过零点时刻，并将该时刻记为t ₂，若t ₂时刻恰好有采样点，将该采样点标号赋值给n ₂，若t ₂时刻没有采样点，则将该时刻之前的相邻采样点标号赋值给n ₂，n ₂称为对侧过零点时刻对应的采样点标号，由于在步骤（3）中已确定故障时刻对应的采样点标号为k ₂，因此采样点k ₂之前的电流为对侧的故障前电流；

（6）若t ₁对应的过零点与t ₂对应的过零点方向相反，则进入步骤（7）；若t ₁对应的过零点与t ₂对应的过零点方向相同，则修改步骤（3）中已赋值的k ₂，令k ₂=n ₂后返回到步骤（5），依据修改后的k ₂确定新的n ₂，再次执行步骤（6），直至进入步骤（7）；在该步骤中，若想获知t ₁对应的过零点与t ₂对应的过零点方向是否相同，首先需要获取t ₁和t ₂对应的过零点方向：若t ₁或t ₂时刻的前一个采样值为正、后一个采样值为负，则t ₁或t ₂时刻对应的过零点方向为正向；若t ₁或t ₂时刻的前一个采样值为负、后一个采样值为正，则t ₁或t ₂时刻对应的过零点方向为反向；进一步地，可以获知t ₁和t ₂对应的过零点方向是否相同：若t ₁时刻对应的过零点为正向/反向过零点，且t ₂时刻对应的过零点为反向/正向过零点，则t ₁时刻对应的过零点与t ₂时刻对应的过零点方向相反；否则，t ₁时刻对应的过零点与t ₂时刻对应的过零点方向相同；

（7）以两侧过零点时刻t ₁和t ₂为基准，对两侧电流采样值序列进行同步校正，具体方法为：

（a）首先，按照式(3)计算两侧数据采样时间差t _d ：

(3)

式中，i ₁(n ₁)和i ₁(n ₁+1)分别为本侧电流采样值序列中标号为n ₁和(n ₁+1)的电流采样值；i ₂(n ₂)和i ₂(n ₂+1)分别为对侧电流采样值序列中标号为n ₂和(n ₂+1)的电流采样值；|t _d |<T _s ，T _s 为采样间隔，

（b）然后，以过零点时刻t ₁和t ₂为基准，利用式(4)计算与本侧采样点n ₁对应同一时刻的对侧电流采样值

，

(4)

式中，i ₂(n ₂-1)为对侧电流采样值序列中标号为(n ₂-1)的电流采样值；

以此类推，即可得到与i ₁(n)同步的对侧电流采样值序列

。

本发明的有益效果包括：

（1）利用故障前过零点时刻同步，不受故障检测算法和故障检测延时的影响；

（2）由于故障前电流过零点附近幅值较小且正弦电流信号在过零点附近接近于线性，因此即便是采样频率较低的情况下也可以通过线性插值精确的确定出过零点时刻；此外，该方法不受通道延时和采样延时变化等因素的影响，不要求通信收发延时一致，可用于复用通信网络，不依赖于外部时钟或网络对时，且无需增加额外投资，能更好地适应有源配电网的基础通信条件。

附图说明

图1为有源配电网继电保护应用场景图；

图2为本发明数据同步方法的实现流程图；

图3为本发明数据同步方法原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，但不作为对本发明保护范围的限制，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均在本发明的保护范围内。

在本实施例中，图1中的线路Line1为被保护线路。如图2所示，一种用于有源配电网的继电保护数据同步方法，包括以下步骤：

（1）被保护线路Line1两侧继电保护装置M和N实时采集并获得电流采样值序列，M侧和N侧电流采样值序列分别为i ₁(n)和i ₂(n)，n为采样点标号，取正整数，电流波形分别如图3中的

和

所示。本实施例中，假设M侧为本侧、N侧为对侧。在某一固定采样时间段内，M侧继电保护装置采集到的电流采样值为i ₁(n)中标号为3167至3174的电流采样值；相应地，N侧继电保护装置采集到的电流采样值为i ₂(n)中标号为3169至3176的电流采样值，两侧电流采样值一一对应，如表1所示。

M侧和N侧保护装置等间隔独立采样，不要求采样过程严格同步，但应使用较高的采样频率以保证数据同步精度，本实施例中使用的采样频率为4000Hz。

（2）利用电流采样值序列i ₁(n)和i ₂(n)，进行故障启动判断。本发明依据采样值突变进行故障启动判断，其判据如式(5)和(6)所示，

||i ₁(k)－i ₁(k－S)|－|i ₁(k－S)－i ₁(k－2S)||≥I _set1 (5)

||i ₂(k)－i ₂(k－S)|－|i ₂(k－S)－i ₂(k－2S)||≥I _set2 (6)

式中，i ₁(k)、i ₁(k－S)和i ₁(k－2S)分别是M侧电流采样值序列中标号为k、(k－S)和(k－2S)的电流采样值，S为每周波采样点数，本实施例中S=80；i ₂(k)、i ₂(k－S)和i ₂(k－2S)分别为N侧电流采样值序列中标号为k、(k－S)和(k－2S)的电流采样值；I _set1和I _set2为两侧启动判据电流整定值，在本实施例中，I _set1=I _set2=0.3I _N ，I _N 为电流互感器二次额定电流。

为保证保护装置的可靠性、容错性，本发明对连续的3个采样值进行检测：若i ₁(n)中有连续3个采样值满足式(5)，i ₂(n)中有连续3个采样值满足式(6)，则认为故障启动，进入步骤（3）。连续3个采样值是指，k取任意连续的3个采样点标号时相应的采样值。

（3）分别提取被保护线路两侧的故障时刻，将故障时刻对应的采样点标号分别赋值给临时变量k ₁和k ₂。

在M侧电流采样值序列i ₁(n)中，满足式(5)的连续3个采样值中的第1个采样值对应的时刻为M侧，即本侧故障时刻，将该采样点标号赋值给k ₁；在N侧电流采样值序列i ₂(n)中，满足式(6)的连续3个采样值中的第1个采样值对应的时刻为N侧，即对侧故障时刻，将该采样点标号赋值给k ₂。其中，第1个采样值对应的时刻指的是连续3个采样值中最早的采样值对应时刻。

（4）在M侧电流采样值序列i ₁(n)中，寻找采样点k ₁之前的第1个过零点时刻，并将该时刻记为t ₁，若t ₁时刻恰好有采样点，将该采样点标号赋值给n ₁；若t ₁时刻没有采样点，则将该时刻之前的相邻采样点标号赋值给n ₁。在附图3中，M侧故障时刻对应的采样点标号为k ₁，采样点k ₁之前的电流为本侧的故障前电流，因此采样点k ₁之前的第1个过零点时刻t ₁就是本侧故障前电流过零点时刻。在本实施例中，n ₁=3167。

（5）在N侧电流采样值序列i ₂(n)中，寻找采样点k ₂之前的第1个过零点时刻，并将该时刻记为t ₂，若t ₂时刻恰好有采样点，将该采样点标号赋值给n ₂；若t ₂时刻没有采样点，则将该时刻之前的相邻采样点标号赋值给n ₂。在附图3中，N侧故障时刻对应的采样点标号为k ₂，采样点k ₂之前的电流为对侧的故障前电流，因此采样点k ₂之前的第1个过零点时刻t ₂就是对侧故障前电流过零点时刻。在本实施例中，n ₂=3169。

（6）若t ₁对应的过零点与t ₂对应的过零点方向相反，则进入步骤（7）；若t ₁对应的过零点与t ₂对应的过零点方向相同，则修改步骤（3）中已赋值的k ₂，令k ₂=n ₂后返回到步骤（5），依据修改后的k ₂确定新的n ₂，再次执行步骤（6），直至进入步骤（7）。

t ₁或t ₂时刻对应的过零点方向根据过零点时刻前后紧邻采样值的正负号判断。若t ₁或t ₂时刻的前一个采样值为正，后一个采样值为负，则t ₁或t ₂时刻对应的过零点方向为正向；若t ₁或t ₂时刻的前一个采样值为负，后一个采样值为正，则t ₁或t ₂时刻对应的过零点方向为反向；进一步地，若t ₁时刻对应的过零点为正向/反向过零点，且t ₂时刻对应的过零点为反向/正向过零点，则t ₁对应的过零点与t ₂对应的过零点方向相反；否则，t ₁对应的过零点与t ₂对应的过零点方向相同。

在本实施例中，t ₁时刻对应的过零点为正向过零点，t ₂时刻对应的过零点为反向过零点。

（7）以两侧过零点时刻t ₁和t ₂为基准，按照以下步骤对两侧电流采样值序列进行同步校正：

（a）在本实施例中，经过步骤（1）至步骤（6）的处理，确定了n ₁=3167，n ₂=3169，结合表1数据可知，i ₁(3167)=0.98A，i ₁(3168)=-6.33A，i ₂(3169)=-1.01A，i ₂(3170)=6.35A。此外，采样时间间隔为T _s =1/4000s=2.50×10^-4s。因此，根据式(7)计算两侧数据采样时间差t _d 为：

(7)

（b）以过零点时刻t ₁和t ₂为基准，利用式(8)计算与M侧采样点n ₁对应同一时刻的N侧电流采样值

，而且由上式(7)可知t _d < 0，因此，

(8)

经过式(8)的计算后，得到的

即为与i ₁(3167)同步的数据。

以此类推，即可得到与M侧i ₁(n)同步的N侧电流采样值序列

。

在本实施例中，与i ₁(n)中第3167至3174个电流采样值同步的

中的电流采样值如表1所示。由于

的计算需要用到i ₂(3176)和i ₂(3177)这2个采样值，而当前时间还未获取i ₂(3177)的采样值，因此，无法计算出

的数值，故在表1中以“—”表示。

Claims (1)

1.一种用于有源配电网的继电保护数据同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）被保护线路两侧继电保护装置实时采集并获得电流采样值序列，本侧和对侧电流采样值序列分别为i ₁(n)和i ₂(n)，n为采样点标号，取正整数；

（2）利用电流采样值序列i ₁(n)和i ₂(n)，进行故障启动判断，若两侧保护装置均检测到故障，则进入步骤（3），具体故障启动判断的方法为：本侧电流采样值序列i ₁(n)中连续3个采样值满足式(1)，且对侧电流采样值序列i ₂(n)中连续3个采样值满足式(2)，则认为线路存在故障，

||i ₁(k)－i ₁(k－S)|－|i ₁(k－S)－i ₁(k－2S)||≥I _set1 (1)

||i ₂(k)－i ₂(k－S)|－|i ₂(k－S)－i ₂(k－2S)||≥I _set2 (2)

式中，i ₁(k)、i ₁(k－S)和i ₁(k－2S)分别是本侧电流采样值序列中标号为k、(k－S)和(k－2S)的电流采样值，S为每周波采样点数；i ₂(k)、i ₂(k－S)和i ₂(k－2S)分别为对侧电流采样值序列中标号为k、(k－S)和(k－2S)的电流采样值；I _set1和I _set2为两侧启动判据电流整定值；

（3）分别提取被保护线路两侧的故障时刻，将故障时刻对应的采样点标号分别赋值给临时变量k ₁和k ₂，故障时刻为满足步骤（2）中故障启动条件的连续3个采样值中的第1个采样值对应时刻，即连续3个采样值中最早的采样值对应时刻；

（4）在本侧电流采样值序列i ₁(n)中，寻找采样点k ₁之前的第1个过零点时刻，并将该时刻记为t ₁，若t ₁时刻恰好有采样点，将该采样点标号赋值给n ₁，若t ₁时刻没有采样点，则将该时刻之前的相邻采样点标号赋值给n ₁，n ₁称为本侧过零点时刻对应的采样点标号，由于在步骤（3）中已确定故障时刻对应的采样点标号为k ₁，因此采样点k ₁之前的电流为本侧的故障前电流；

（5）在对侧电流采样值序列i ₂(n)中，寻找采样点k ₂之前的第1个过零点时刻，并将该时刻记为t ₂，若t ₂时刻恰好有采样点，将该采样点标号赋值给n ₂，若t ₂时刻没有采样点，则将该时刻之前的相邻采样点标号赋值给n ₂，n ₂称为对侧过零点时刻对应的采样点标号，由于在步骤（3）中已确定故障时刻对应的采样点标号为k ₂，因此采样点k ₂之前的电流为对侧的故障前电流；

（6）若t ₁对应的过零点与t ₂对应的过零点方向相反，则进入步骤（7）；若t ₁对应的过零点与t ₂对应的过零点方向相同，则修改步骤（3）中已赋值的k ₂，令k ₂=n ₂后返回到步骤（5），依据修改后的k ₂确定新的n ₂，再次执行步骤（6），直至进入步骤（7）；在该步骤中，若想获知t ₁对应的过零点与t ₂对应的过零点方向是否相同，首先需要获取t ₁和t ₂对应的过零点方向：若t ₁或t ₂时刻的前一个采样值为正、后一个采样值为负，则t ₁或t ₂时刻对应的过零点方向为正向；若t ₁或t ₂时刻的前一个采样值为负、后一个采样值为正，则t ₁或t ₂时刻对应的过零点方向为反向；进一步地，可以获知t ₁和t ₂对应的过零点方向是否相同：若t ₁时刻对应的过零点为正向/反向过零点，且t ₂时刻对应的过零点为反向/正向过零点，则t ₁时刻对应的过零点与t ₂时刻对应的过零点方向相反；否则，t ₁时刻对应的过零点与t ₂时刻对应的过零点方向相同；

（7）以两侧过零点时刻t ₁和t ₂为基准，对两侧电流采样值序列进行同步校正，具体方法为：

（a）首先，按照式(3)计算两侧数据采样时间差t _d ：

(3)

式中，i ₁(n ₁)和i ₁(n ₁+1)分别为本侧电流采样值序列中标号为n ₁和(n ₁+1)的电流采样值；i ₂(n ₂)和i ₂(n ₂+1)分别为对侧电流采样值序列中标号为n ₂和(n ₂+1)的电流采样值；|t _d |<T _s ，T _s 为采样间隔，

（b）然后，以过零点时刻t ₁和t ₂为基准，利用式(4)计算与本侧采样点n ₁对应同一时刻的对侧电流采样值

，

(4)

式中，i ₂(n ₂-1)为对侧电流采样值序列中标号为(n ₂-1)的电流采样值；

以此类推，即可得到与i ₁(n)同步的对侧电流采样值序列

。

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