合并單元高采樣率數(shù)據(jù)在繼電保護(hù)中的應(yīng)用

劉凱波，呂 航，李仲青

（1.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

合并單元高采樣率數(shù)據(jù)在繼電保護(hù)中的應(yīng)用

劉凱波1，呂 航2，李仲青1

（1.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

提出一種用于繼電保護(hù)的合并單元的高采樣率數(shù)據(jù)的方案。基于采樣測量值SMV（sampled measured val?ue）的基本概念數(shù)據(jù)同步的方法，對低通濾波器LPF（low pass filter）算法、插補(bǔ)原理進(jìn)行了研究，并提出了保護(hù)方案。研究結(jié)果表明，低通濾波和插值同步方案是一種簡單高效的高速率采樣方法，改變采樣數(shù)據(jù)接口，使算法和邏輯的保護(hù)可以有效地降低操作風(fēng)險(xiǎn)。研究成果在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)RTDS（real time digital simulation）中進(jìn)行了驗(yàn)證。

高采樣率；繼電保護(hù)；合并單元；低通濾波；仿真

現(xiàn)有智能變電站的數(shù)據(jù)采集頻率僅考慮了保護(hù)、測控、計(jì)量等各專業(yè)各自的需求，而對于變電站的計(jì)量、同步相量測量裝置PMU（phasor measure?ment unit）、故障錄波和電能質(zhì)量等需求，現(xiàn)有的采樣頻率卻不能滿足，只能采用傳統(tǒng)電磁式互感器進(jìn)行接入，不僅增加全站建設(shè)的成本和復(fù)雜程度，而且在一定程度對數(shù)字化采集技術(shù)的發(fā)展形成了阻礙和抑制。

本課題旨在通過研究基于新一代智能變電站共享通信網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)、測控、計(jì)量數(shù)據(jù)采集共享方案，突破保護(hù)、測控設(shè)備接入高采樣率數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)，改善當(dāng)前智能變電站存在采樣率偏低不能滿足電能計(jì)量和電能質(zhì)量監(jiān)測需求的現(xiàn)狀，突破高采樣率下通信流量分析與控制技術(shù)；實(shí)現(xiàn)基于電子式互感器的保護(hù)、測控、計(jì)量數(shù)據(jù)同源采集應(yīng)用，減低通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提高變電站建設(shè)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

1 采樣同步問題分析

目前變電站內(nèi)大量使用常規(guī)的電磁式電流電壓互感器，通過電纜連接至保護(hù)裝置，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，不會有數(shù)據(jù)延遲的現(xiàn)象。隨著智能電網(wǎng)尤其是智能化變電站的蓬勃發(fā)展，電子式互感器的大量應(yīng)用后，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過遠(yuǎn)端模塊采集，送給合并單元合并后，通過光纖傳輸至保護(hù)裝置[1]，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過多設(shè)備和多連接方式進(jìn)行傳輸，不可避免會有數(shù)據(jù)延遲。當(dāng)多種類型互感器接入線路保護(hù)裝置時(shí)，需要解決互感器間采樣延時(shí)不一致問題，即同步采樣問題[2-3]。

互感器過程層數(shù)據(jù)傳輸有IEC60044-8點(diǎn)對點(diǎn)方式和IEC61850-9-2網(wǎng)絡(luò)通訊兩種方式。IEC60044-8點(diǎn)對點(diǎn)方式因數(shù)據(jù)幀通過現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（field-programmable gate array）來編程、解碼，且數(shù)據(jù)幀等間隔發(fā)送，數(shù)據(jù)幀發(fā)送延時(shí)嚴(yán)格確定。因此，不同原理互感器的采樣延時(shí)在線路保護(hù)數(shù)據(jù)接收后通過修正重采樣插值時(shí)刻，很容易實(shí)現(xiàn)不同延時(shí)互感器的數(shù)據(jù)同步采樣。此方式對不同原理互感器的采樣數(shù)據(jù)延時(shí)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)同步既簡單又可靠。接入線路裝置的所有間隔采樣數(shù)據(jù)同步在線路裝置數(shù)據(jù)接收后實(shí)現(xiàn)。

合并單元通過IEC61850-9-2協(xié)議傳輸采樣數(shù)據(jù)，合并單元需接收時(shí)鐘同步信號[4]。不同原理互感器數(shù)據(jù)采樣延時(shí)不一致在合并單元中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，合并單元正常接收時(shí)鐘同步信號，將自身的采樣數(shù)據(jù)延時(shí)折算成對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀樣本計(jì)數(shù)值，同時(shí)通過插值或調(diào)整采樣時(shí)刻等方法將采樣數(shù)據(jù)與外接時(shí)鐘同步[5]。這樣所有間隔各類互感器的采樣數(shù)據(jù)都統(tǒng)一到同一個(gè)同步時(shí)鐘源。線路保護(hù)在接收各間隔合并單元發(fā)送的數(shù)據(jù)幀報(bào)文后，通過比較數(shù)據(jù)幀的樣本計(jì)數(shù)值，將相同樣本計(jì)數(shù)值的數(shù)據(jù)幀做統(tǒng)一對齊處理，再提供給母差保護(hù)，參與差動和后備保護(hù)計(jì)算。不同變電站的兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)需經(jīng)同步采樣處理后進(jìn)行相互傳送，因此需要解決保護(hù)裝置的采樣數(shù)據(jù)同步問題。

圖1顯示了電子式互感器和常規(guī)互感器采樣的延時(shí)分析。可見，電子式互感器中存在大量延遲的中間環(huán)節(jié)（包括遠(yuǎn)端模塊的低通、數(shù)據(jù)處理、發(fā)送延時(shí)及傳輸延時(shí)，合并單元的數(shù)據(jù)接收、處理、發(fā)送延時(shí)、采樣值傳輸延時(shí)等），而常規(guī)互感器除了傳變角差外沒有別的延遲時(shí)間環(huán)節(jié)。在智能化變電站中對時(shí)系統(tǒng)除了承擔(dān)常規(guī)變電站中的作用外，更為重要的是其還需要給采樣時(shí)刻對時(shí)。在這里只討論變電站內(nèi)的同步問題，而不討論變電站間的同步問題。

圖1 電子式互感器和常規(guī)互感器采樣的延時(shí)分析Fig.1 Delay analysis of sampling by electronic transformer and ordinary transformer

2 高采樣率SMV數(shù)據(jù)處理方案

研究結(jié)論表明，簡單、高效的低通濾波和插值同步方案，在高采樣率下可以取得很好的應(yīng)用效果；針對高采樣率采樣，改變采樣數(shù)據(jù)接口使保護(hù)運(yùn)算、邏輯不變的方案，可以有效地降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

保護(hù)裝置首先判斷接收到的報(bào)文是否完整有效，然后根據(jù)不同的采樣數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約分別計(jì)算處理[6]。不同采樣率繼電保護(hù)數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 不同采樣率繼電保護(hù)數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 Data processing with different sampling rates in relay protection

2.1 采樣率自動識別

如果采用IEC61850-9-1/2，可以直接讀取采樣率（SmpRate）；如果采用IEC61850-9-2LE，報(bào)文中無采樣率關(guān)鍵字節(jié)，可通過統(tǒng)計(jì)有效采樣數(shù)據(jù)報(bào)文來確定采樣率[7]。根據(jù)一段時(shí)間t內(nèi)接收到的采樣數(shù)據(jù)包的數(shù)目n計(jì)算出采樣率n/t，并與統(tǒng)計(jì)t時(shí)間內(nèi)所有報(bào)文中的采樣計(jì)數(shù)器值（SmpCnt）得到的采樣率相比較，如果相近，則可判定采樣率獲取成功。圖3為IEC61850-9-2LE采樣率判斷流程。

圖3 采樣率判斷流程Fig.3 Flow chart of sampling rate judgement

該算法重點(diǎn)在于需要快速識別采樣率，因此需要根據(jù)不同的測試結(jié)果，調(diào)整時(shí)間窗口t，同時(shí)考慮采樣率計(jì)算的準(zhǔn)確性和減少首次接收到采樣數(shù)據(jù)時(shí)電能的損失[8]。

2.2 采樣數(shù)據(jù)接收存儲

不同采樣率的數(shù)據(jù)傳輸報(bào)文結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)容量差別很大，保護(hù)裝置在識別數(shù)據(jù)采樣率后，需要對不同采樣率的數(shù)據(jù)進(jìn)行針對性地存儲空間劃分、數(shù)據(jù)分類，保證后續(xù)數(shù)據(jù)處理可以高效、快速地讀取采樣數(shù)據(jù)。

2.3 低通濾波處理

在數(shù)字化變電站中，故障發(fā)生初始瞬間，合并單元發(fā)給保護(hù)裝置的電壓、電流采樣值數(shù)據(jù)中可能含有相當(dāng)高的頻率分量（如2 kHz以上），而保護(hù)裝置不需要這些高次諧波，為防止頻率混疊，采樣頻率不得不取值很高，從而對保護(hù)裝置硬件速度提出過高的要求。實(shí)際上，在這種情況下對SV采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字低通濾波處理將無用的高頻分量濾掉，如此降低了采樣處理頻率，也降低了對硬件的要求。

數(shù)字濾波器分為兩大類，即無限沖激響應(yīng)IIR（infinite impulse response）和有限沖激響應(yīng)FIR（fi?nite impulse response）。IIR數(shù)字濾波器具有幅頻特性好、所需存儲單元少、經(jīng)濟(jì)效率高等優(yōu)點(diǎn)；但存在著相位非線性、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等嚴(yán)重問題。相比較而言，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器能實(shí)現(xiàn)任意幅頻特性同時(shí)又具有嚴(yán)格的線性相位等特性，并且采用的非遞歸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)使得FIR數(shù)字濾波器系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器比IIR數(shù)字濾波器的應(yīng)用更廣泛，選擇FIR濾波器滿足數(shù)字化變電站數(shù)字采樣濾波的要求[9]。FIR濾波器有不同方法的設(shè)計(jì)思路。窗函數(shù)設(shè)計(jì)方法是從時(shí)域出發(fā)，頻率采樣法是從頻域出發(fā)，而優(yōu)化設(shè)計(jì)法采用數(shù)值逼近的思想設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器。3種濾波器設(shè)計(jì)方法比較如表1所示。

表1 3種濾波器設(shè)計(jì)方法比較Tab.1 Comparison among three LPF methods

從表3可以看出，3種方法中優(yōu)化設(shè)計(jì)法雖然擁有最好的濾波效果，但因其算法復(fù)雜和大量的計(jì)算需求，對于需要快速響應(yīng)的工況很難達(dá)到要求；而頻率采樣法幅值不容易控制的缺點(diǎn)致使后端設(shè)計(jì)需要更復(fù)雜的處理，也不適合繼電保護(hù)的需求；窗函數(shù)雖然存在靈活性的缺點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，主要異常工況基本類似，通過合適的參數(shù)設(shè)置可滿足實(shí)際需要。

對于高采樣率繼電保護(hù)裝置，采樣率由4×103提高到12.8×103，除了算法滿足保護(hù)要求外，還要考慮實(shí)際應(yīng)用狀況：采樣率提高對保護(hù)裝置采樣數(shù)據(jù)處理提出了更高的要求，為保證保護(hù)的速動性，數(shù)據(jù)的接收、處理各環(huán)節(jié)能力和速度都需要更加高效[10]。所以，窗函數(shù)法更適合高采樣率繼電保護(hù)的應(yīng)用需求。為了使算法和控制相對簡單，本課題樣機(jī)選用海明（Hamming）窗設(shè)計(jì)低通濾波。海明窗的窗函數(shù)為

式中：M為窗個(gè)數(shù)；s為窗編號；RM(s)為M階零次冪矩形窗。

采樣定理指出，如果信號帶寬小于采樣頻率（即奈奎斯特頻率的1/2），那么此時(shí)這些離散的采樣點(diǎn)能夠完全表示原信號；高于或處于奈奎斯特頻率的頻率分量會導(dǎo)致混疊現(xiàn)象，混疊問題的嚴(yán)重程度與這些混疊頻率分量的相對強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)混疊機(jī)理，可以得出分析信號的混疊頻率計(jì)算公式。設(shè)實(shí)際信號頻率為f，采樣頻率為SF，并且SF＜2f，經(jīng)過采樣分析得到的混疊后頻率為fA，則有

根據(jù)保護(hù)計(jì)算用采樣為24點(diǎn)/周波（1.2×103），為避免頻率混疊出現(xiàn)，在低通濾波過程中，需要把可能引起頻率混疊的高次諧波濾除或者削弱到很小。根據(jù)式（1），可以得出保護(hù)常用各次諧波信號對應(yīng)的混疊信號頻率，如表2所示，為避免有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象，需要將信號頻率限制在合適的水平。

表2 各次諧波信號對應(yīng)的混疊信號頻率Tab.2 Aliasing frequency corresponding to harmonic signals

當(dāng)前，考慮到數(shù)字化繼電保護(hù)保護(hù)諧波分析需要，一般將截止頻率設(shè)置在600 Hz，即低于12次諧波為通帶，本課題樣機(jī)選擇濾波器截止頻率為600 Hz。

計(jì)算階次越大即計(jì)算窗越長，濾波效果越好；為避免出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象，參考表2，可以考慮選擇24階或36階。但是增加數(shù)據(jù)窗的長度，對保護(hù)動作速度影響較大，同時(shí)，也對濾波器的計(jì)算能力提出更高要求，所以本文樣機(jī)選用24階海明窗設(shè)計(jì)保護(hù)低通濾波器。通過對低通濾波各種方案的綜合分析，結(jié)合12.8×103高采樣率下仿真結(jié)果，樣機(jī)采用海明窗函數(shù)設(shè)計(jì)低通濾波器，設(shè)計(jì)參數(shù)為：截止頻率600 Hz，階數(shù)24，其低通濾波效果和頻響特性如圖4所示。

圖4 24階海明窗幅頻特性Fig.4 Amplitude-frequency characteristics of 24-order Hamming window

2.4 插值同步處理

傳統(tǒng)數(shù)字化變電站，分布式采樣需要使用插值算法對來自不同裝置的采樣值進(jìn)行同步處理，同時(shí)，將4×103采樣率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成1.2×103供保護(hù)計(jì)算用。高采樣率為保護(hù)計(jì)算提供了更多更精確的數(shù)據(jù)源，保護(hù)插值計(jì)算可以更加靈活選取采樣點(diǎn)，應(yīng)對異常大數(shù)、丟點(diǎn)等異常情況，提高保護(hù)插值計(jì)算的精度，進(jìn)而提高保護(hù)計(jì)算的精度。這種設(shè)計(jì)僅改變了數(shù)據(jù)源與保護(hù)邏輯運(yùn)算間的接口，而不需要保護(hù)邏輯運(yùn)算進(jìn)行針對高采樣率采樣的調(diào)整，降低數(shù)據(jù)異常可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，實(shí)際應(yīng)用最多的插值方法主要有線性插值、拉格朗日插值和三次樣條插值。對于高采樣率的數(shù)據(jù)采樣，本文選擇線性插值算法作為高采樣率繼電保護(hù)裝置的插值方案，不僅可以滿足高采樣率下繼電保護(hù)的插值同步需要，而且其計(jì)算量小的特點(diǎn)，使保護(hù)在插值計(jì)算環(huán)節(jié)消耗的時(shí)間很少。

2.5 保護(hù)邏輯運(yùn)算

與傳統(tǒng)數(shù)字化變電站相比，高采樣率SMV數(shù)據(jù)在插值同步處理過程中，可以有更多的數(shù)據(jù)選擇，經(jīng)過對數(shù)據(jù)合理的選取和處理可以使參與保護(hù)計(jì)算的數(shù)據(jù)更加精確，同時(shí)類似傳統(tǒng)數(shù)字化變電站，將高采樣率數(shù)據(jù)插值成1.2×103采樣率，在保護(hù)設(shè)計(jì)原理、算法不變的情況下，可以達(dá)到更好的應(yīng)用效果和降低保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而，數(shù)據(jù)精確性的提高，對保護(hù)原理改進(jìn)可提供更多的空間。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 500 kV長距離無互感雙回線輸電系統(tǒng)模型

圖5 500 kV 274 km無互感雙回輸電線路系統(tǒng)Fig.5 Model of 500 kV 274 km transmission line system

RTDS仿真系統(tǒng)接線如圖5所示，N廠經(jīng)500 kV雙回?zé)o互感輸電線路與L系統(tǒng)相連。N廠裝有G9、G11共2臺發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為2 500 MW；N廠還接有負(fù)荷變壓器9FB，負(fù)荷變壓器的額定容量為1 200 MV·A，所帶負(fù)荷最大容量為1 000 MW，其中電動機(jī)負(fù)荷占65%左右，電阻性負(fù)荷占35%左右。L系統(tǒng)為某地區(qū)等值系統(tǒng)，有大、小兩種運(yùn)行方式，其對應(yīng)的短路容量分別為20 000 MV·A和3 000 MV·A；在進(jìn)行頻率偏移實(shí)驗(yàn)時(shí)，N廠僅接1臺發(fā)電機(jī)組G9和負(fù)荷變壓器9FB，L側(cè)僅接發(fā)電機(jī)組G11。

3.2 區(qū)內(nèi)外金屬性故障

（1）模擬被保護(hù)線路區(qū)內(nèi)各點(diǎn)發(fā)生各種金屬性瞬時(shí)故障，保護(hù)裝置均能正確動作切除故障，對于單相接地故障，保護(hù)裝置能夠正確選擇故障相并切除故障相。

（2）模擬被保護(hù)線路區(qū)外各點(diǎn)發(fā)生各種金屬性瞬時(shí)故障，保護(hù)裝置均能可靠不動作；在相鄰線路故障相繼切除引起功率倒向時(shí)，保護(hù)裝置均未誤動。

3.3 仿真結(jié)果分析

表3為模擬量和電氣量的映射。

圖6為模擬區(qū)內(nèi)FD15點(diǎn)B相金屬性接地故障仿真結(jié)果。N側(cè)保護(hù)裝置在6.8 ms跳B相，L側(cè)保護(hù)裝置在25.8 ms跳B相（3 000 MV·A方式）。

表3 模擬量映射Tab.3 Analog mapping chart

圖6 區(qū)內(nèi)金屬性接地故障仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of internal metallic ground fault

圖7為模擬區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)發(fā)展性故障仿真結(jié)果。FD11點(diǎn)AN經(jīng)10 ms發(fā)展為FD15點(diǎn)BN，區(qū)內(nèi)故障發(fā)生后N側(cè)保護(hù)裝置5.4 ms跳B相，L側(cè)保護(hù)裝置21.3 ms跳三相（20 000 MV·A方式）。

圖7 區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)發(fā)展性故障仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result of faults developing from external to internal

4 結(jié)語

智能變電站網(wǎng)絡(luò)化通信是簡化二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的重要手段，但繼電保護(hù)在網(wǎng)絡(luò)化通信過程中必須有效解決采樣數(shù)據(jù)同步這個(gè)核心問題。理論和測試結(jié)果表明該方案滿足智能變電站繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用需求，其實(shí)效性將在實(shí)際工程應(yīng)用中進(jìn)一步驗(yàn)證。本文針對新一代智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信及保護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和建設(shè)現(xiàn)狀，開展全站統(tǒng)一高采樣率技術(shù)在各專業(yè)應(yīng)用的研究，實(shí)現(xiàn)基于電子式互感的數(shù)據(jù)同源采集應(yīng)用。通過本項(xiàng)目的研究，有助于提升新一代智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信及保護(hù)技術(shù)水平，為新一代智能變電站提供安全、可靠、高效的通信技術(shù)支撐，促進(jìn)新一代智能變電站技術(shù)進(jìn)步及建設(shè)發(fā)展。

課題的研究成果具有較好的推廣空間及前景。隨著新一代智能變電站從示范階段步入大規(guī)模建設(shè)階段，課題的研究成果能夠?yàn)槲覈乱淮悄茏冸娬究煽窟\(yùn)行和健康持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐，提升我國智能電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的整體水平，取得顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益。同時(shí)，項(xiàng)目的研究成果還可用于公網(wǎng)電信運(yùn)營及工業(yè)控制領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)化前景遠(yuǎn)大，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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Application of High Sampling Rate Data in Merging Unit to Relay Protection

LIU Kaibo1，LYU Hang2，LI Zhongqing1
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.NR Electric Co.，Ltd，Nanjing 211102，China）

This paper proposed a scheme of high sampling rate data in merging unit for relay protection.The data syn?chronization method based on the basic concepts of sampled measured value（SMV），the low pass filter（LPF）algo?rithm and interpolation principle are studied，and then the protection scheme is proposed.The result shows that low pass filtering and interpolation synchronization scheme is simple and efficient for high rate sampling.That changing of sampling data interface can help arithmetic and logical protection effectively reduce the risk of operation.The proposed scheme is also verified in real time digital simulation（RTDS）system.

high sampling rate；relay protection；merging unit；low pass filter（LPF）；simulation

TM762

A

1003-8930（2016）11-0123-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.11.021

2016-01-24；

2016-05-06

劉凱波（1987—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)橹悄茏冸娬就ㄐ拧mail：liukaibo@epri.sgcc.com.cn

呂 航（1971—），男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。Email：lvh@nrec.com

李仲青（1978—），男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)、智能變電站技術(shù)和動態(tài)模擬技術(shù)。Email：lzq?ing@epri.sgcc.com.cn