董新涛 ， 康小宁 ， 李宝伟 ， 裘愉涛 ， 田巧红 ，

（1.西安交通大学电气工程学院，西安 710049；2.国网许继集团有限公司，河南 许昌 461000；3.强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学），武汉 430074；4.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；5.中国移动通信集团河南有限公司许昌分公司，河南 许昌 461000）

0 引言

就地化保护采用高防护、小型化设计，直接安装于被保护设备附近，电缆直接采样、直接跳闸。相对于传统变电站，缩短了二次回路长度，采用标准接口，提高了可靠性。站内保护装置间信号通过GOOSE（面向通用对象的变电站事件）网传输，简化了变电站二次回路。相对于智能变电站，就地化保护不依赖合并单元和智能终端，减少了继电保护的中间环节，提升了继电保护的整组动作速度[1-2]。就地化主变压器（简称主变）保护、母差保护、线路保护等构成了层次化保护系统中就地级保护，除就地级保护，层次化保护系统还包括站域级保护和广域级保护。层次化保护对于解决传统后备保护整定困难、动作速度慢以及电网结构或运行工况发生非预设性变化时保护性能难以得到保证提供了思路[3-5]。智能变电站的数据信息共享和网络通信技术是层次化保护实施的基础，合并单元和智能终端作为层次化保护的就地数据采集和执行单元起着重要的作用，由于就地化保护取消了合并单元和智能终端，对目前层次化保护系统中站域级保护和广域级保护造成极大影响。同时，目前站域保护就地采集单元基于合并单元和智能终端，均只能采集到本站的信息，而与本站相关联的输电线路对侧数据无法采集，造成站域保护所采集数据和保护的范围小于全站就地级保护，这也对站域保护功能的扩展造成影响。

就地化保护通过集成SV（采样值）输出功能和GOOSE模块可以取代合并单元和智能终端作为层次化保护的就地数据采集和执行单元，具备该功能的就地化保护已在浙江嘉兴试点运行。目前的就地化线路保护依然无法为站域保护提供输电线路对侧的数据。在不改变目前就地化保护系统结构的基础上，提出了一种集成站域保护就地数据采集和跳闸执行单元的就地化线路保护技术方案，利用就地化线路保护装置采集线路本端数据，同时通过光纤通道采集获取线路对侧数据，将对侧数据以标准SV报文输出，供站域保护使用，扩大站域保护信息采集范围，为站域保护范围的扩展和功能的提升提供数据基础。在此还对本站以及线路对侧模拟量数据采集给出了详细方案，并对模拟量的采集误差进行了分析，最后给出了具体的实施方案。

1 就地化保护系统结构

就地化保护系统采用分布式的设计理念，对于单间隔保护，本间隔相关的电流、电压信号以及断路器位置和控制采用电缆直接接入；对于跨间隔的变压器和母差保护，采用分布式设计，将跨间隔保护间隔化。图1为以线路间隔为例的就地化保护系统结构。

就地化线路保护配置完整的主后备保护功能，采用电缆直接采样，直接跳闸。通过GOOSE网络发布本装置的跳闸信号及其他状态信号，通过GOOSE网订阅其他保护或控制设备的相关信号。通过电缆接入必要的断路器信息。

相对于智能变电站，就地化保护通过单间隔二次设备功能的纵向集成，减少了合并单元和智能终端，继电保护整组动作时间可减少8～10 ms，提高了继电保护的速动性，同时由于中间环节的减少，提升了继电保护的可靠性。但由于就地化保护系统取消了合并单元和智能终端，造成了站域保护系统的就地数据采集和执行单元缺失。

图1 地化线路保护系统结构

2 就地化线路保护技术方案

就地化线路保护功能框架如图2所示，除完成线路保护本身的保护功能、光纤收发和同步计算功能外，还包括SV重采样及GOOSE收发等功能模块。

装置内部本地模拟量AD采样的采样频率为4 kHz，保护功能和纵联通道传输使用的采样频率为1.2 kHz，装置输出SV的采样频率为4 kHz。本地AD采样，纵联通道传输和SV输出均为双AD数据。线路保护装置输出的SV报文中仅含保护TA数据，供站域保护及广域保护使用，其功能主要基于工频量，所以装置低通滤波回路按照装置保护功能的采样率进行设计。

图2 就地化线路保护功能框架

本地AD采样模块基于装置内部时钟自由采样，保护重采样模块将本地AD数据重采样为保护用数据，提供给保护功能模块，通过纵联通道向对侧装置发送，同时根据两侧采样同步计算结果调整保护重采样时刻，以完成线路两侧采样数据的同步，同步计算不依赖外部对时信号。

由于就地化线路保护对外仅提供一个用于过程层接口，所以装置对外输出SV采用组网模式，同时采用SV和GOOSE共口输出的方式。SV重采样模块基于对时信号对本地AD数据和对侧AD数据进行重采样。由于SV输出采用组网模式，对SV发送时刻要求相对于点对点方式较低，同时由于线路纵联通道可能存在一定的传输延时，为保证本侧采样数据的时效性，两侧采样数据分2帧SV报文分别传输。

GOOSE模块完成保护功能和其他保护及控制装置间的GOOSE信号交互，同时完成本地开关量数据采集和网络跳闸信号就地执行功能。直接采集本地开关量信息，通过纵联通道获取线路对侧开关量信息，并以GOOSE报文方式发送至站内过程层网络。从站内过程层网络接收站域保护控制命令，驱动本装置出口。线路保护接收对侧站远跳命令并就地执行出口是已广泛应用的功能，由就地化保护集成GOOSE模块无论是技术和运行经验都很成熟。文献[1]指出智能终端缺陷率为4.487次/百台·年，是常规保护装置的2.2倍，由就地化保护集成GOOSE模块可降低智能终端缺陷率的影响。

保护重采样功能和目前智能站保护装置采样原理相同，区别在于就地化保护装置硬件滤波回路已经按照保护功能所需的采样率设计，所以在重采样之前不再需要进行数字滤波，同时GOOSE收发技术也非常成熟，因此，保护重采样和GOOSE收到功能文中均不再赘述，重点介绍了SV采样功能。

3 就地化线路保护SV采样方案

SV采样包括本地模拟量SV采样和线路对侧模拟量采样，由于采用组网SV方式，要求在对时信号为整秒时刻SV采样值报文的样本计数为0，因此SV采样关键在于准确计算出两侧装置的采样延时。

3.1 本侧采样延时

装置本地模拟量AD采样环节如图3所示，主要包括内部小TA/TV变换、低通滤波和AD变换。小TA/PV变换延时可忽略，同时借助于FPGA（现场可编程门阵列）准确记录采样时刻，本侧模拟量采样的延时可近似为低通滤波回路的延时，此延时为固定值。根据装置硬件滤波回路的相频特性可以准确计算出本侧采样延时。

3.2 对侧采样延时

装置通过纵联通道接收对侧装置采样值报文，其时序如图3所示。因此对侧采样延时包括AD采样、保护重采样、通道打包发送、通道延时及接收处理环节。

图3 对侧采样时序

根据对侧装置AD采样延时ΔtA/D的计算方法和本侧采样延时相同。装置重采样和通道发送均采用装置内部时钟信号，根据重采样时标和通道发送打包时的系统时钟可计算出重采样延时Δtresample和通道发送延时Δtsend的值。对侧装置采样延时 Td1=ΔtA/D+Δtresample+Δtsend，将该延时和对应的采样值打包在同一数据帧中发送。

采用乒乓算法[6-7]计算纵联通道的传输延时Td2，原理如图4所示。

图4 同步计算示意

式中：y为接收侧前最近的并且已经发送的采样序号；x为对侧反馈的序号；T为采样周期；t1为从侧收到主侧反馈到从侧最新一次发送数据的时间间隔；t2为主侧收到从侧数据到向从侧发送反馈的时间间隔。

本侧装置采用FPGA打时标的方式准确记录纵联通道报文接收时刻，接收处理延时Td3可以忽略不计。因此对侧采样延时为Td1+Td2。其中Td1从接收报文中获取，Td2由本侧装置内部纵联通道同步计算模块实时计算。

3.3 重采样同步

装置重采样模块根据本侧采样时刻、对侧采样值报文接收时刻及两侧的采样延时完成两侧采样数据的重采样同步，SV重采样基于外部对时信号，重采样采用抛物线差值算法[8]。两侧模拟量的SV重采样原理与合并单元相同，区别在于本侧采样延时较短且固定，而对侧采样延时相对较长，而且需要根据纵联通道传输延时动态计算。如使用目前合并单元中通过一帧SV报文发送所有采样数据，需要等对侧数据到达后才可进行重采样，势必会造成本侧采样数据延时的加长，因此将两侧采样数据分成两帧SV报文发送[9]，可有效保证本侧采样数据的时效性。

SV重采样时序如图5所示。装置输出SV报文的采样率均采用4 kHz，本侧模拟量采样率为4 kHz，所以为等采样率重采样。由于纵联通道传输容量的限制，对侧模拟量为1.2 kHz，需要进行插值重采样为4 kHz，由于装置采样环节低通滤波回路均按照1.2 kHz采样率设计，所以尽管两侧模拟量原始采样频率不同，采样中包含的有效信号成分还是相同的，两侧重采样造成的误差在后续章节分析。

由于纵联通道的传输延时随具体工程而定，一般采用专用光纤通道或SDH（同步数字体系）复用通道，专用通道仅与线路的距离有关，具体工程的传输延时是固定的，复用通道在SDH路由确定后传输延时也基本固定，且正常传输延时变化较小。因此对侧采样SV报文的额定延时可根据实际的纵联通道传输延时动态调整，并在通道传输延时的基础上增加一定的裕度。

通道延时Td2计算公式为式（1）：

图5 多频率混合重采样时序

3.4 站域保护同步采样

对于站域保护接收就地化线路保护的两组SV报文而言，和目前智能变电站1台装置接收2台额定延时不同的合并单元SV报文原理相同。

就地化线路保护到站域保护之间采用组网模式传输采样值报文，就地化线路保护输出的SV报文经以太网交换机共享至保护专网，传输延时不稳定，所以应由就地化线路保护完成全站采样数据时间同步。由于全站的就地化线路保护均基于同一时钟进行重采样，所以不同MU发送相同样本计数的数字量采样值是同步的，站域保护依据各就地化线路保护SV报文中的样本计数对各就地化线路保护SV报文进行同步。如图6所示，站域保护对收到来自PL1就地化线路保护和PL2就地化线路保护的2组SV进行采样同步，站域保护仅需将接收到的2组SV报文按照样本计数进行对齐即可完成采样同步。

3.5 采样误差分析

装置通过对本地模拟量数据和对侧模拟量数据重采样完成两侧采样数据同步，但因重采样前两侧数据的采样频率不同，所以两者误差会存在差异，因此重点分析两侧数据重采样引入的误差。

图6 站域保护采样同步示意

本地采样数据原始采样率为4 kHz，对侧采样数据原始采样率为1.2 kHz，通过重采样生成采样率为4 kHz的SV采样数据，重采样均采用抛物线插值算法。图7为两侧数据在含各次谐波下重采样误差分布。由仿真结果可知，在工频下本侧重采样误差极小，对侧重采样误差略大，但均远小于0.09%，其误差对保护的影响可以忽略不计。

图7 重采样误差分布

4 方案具体实施

就地化线路保护硬件结构如图8所示，整装置采用2片独立的CPU（中央处理器），1个CPU负责保护逻辑计算，另一CPU负责保护启动逻辑，通过双CPU芯片的设计，避免了单一芯片异常导致的装置误出口问题。

装置设计2套AD采样系统，均经启动CPU控制，启动CPU完成启动逻辑判别，并将采样数据通过内部总线发送至保护CPU，保护采样完全基于本装置内部时钟。保护CPU通过纵联通道获取对侧采样数据，并通过内部总线发至启动CPU，启动CPU根据外部对时信号对本地AD采样数据和对侧采样数据进行SV重采样。

图8 装置硬件结构

启动CPU集成GOOSE模块，用于GOOSE信号的收发处理，并完成就地跳闸执行单元功能。

就地化线路保护集成就地数据采集和执行单元功能之后未改变装置对外的输入输出接口。装置硬件采用CPU芯片冗余设计，提升了装置可靠性。

利用该方案研制的就地化线路保护装置已经测试和长期拷机验证，性能和运行情况良好。

5 结语

提出了一种支撑站域保护的就地化线路保护技术方案，该方案中就地化线路保护在完成本间隔保护功能的基础上进一步集成站域保护的数据采集和执行单元功能，同时，借助线路保护的纵联光纤通道完成线路对侧模拟量及开关量的采集，通过仿真分析可知，模拟量采集功能具有较高的精度。该方案在不改变现有装置对外接口的基础上集成站域保护系统的就地数据采集和执行单元功能，通过线路对侧数据的采集可扩展站域保护的保护功能和范围，保护采样不依赖于外部对时信号，保证了保护功能的独立性和可靠性，装置对外接口采用标准通讯规约，保证了工程的通用性和可扩展性，有着广泛推广的现实意义。

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