应用于智能化变电站数字化母差保护系统及时钟同步方法

摘要

本发明公开了一种应用于智能化变电站的数字化母差保护系统，包括：用于将采集的保护母线的数据进行逻辑计算，并实现母线超负载保护功能的母差保护主机；用于模拟量数据的采集，通过光纤传至母差保护主机装置的母差保护子机；用于将接收到一次设备的模拟量通过自身转化为数字量进行发送至母差保护主机的合并单元；用于接收母差保护主机的保护命令，并将接收到的命令自身完成断路器的跳闸功能的智能终端；所述母差保护主机分别通过光纤与母差保护子机、智能终端和合并单元连接。本发明方便配置和扩展，大容量数据交互及低功耗，整机各CPU板同步精度高，全面支持插值同步与多种时钟同步，电网运行可靠性高，工作效率高，投资小。

说明书

技术领域

本发明涉及智能化变电站改造技术领域，特别涉及应用于智能化变电站改 造工程中的数字化母差保护系统及时钟同步方法。

背景技术

随着智能化变电站建设的进一步推广以及数字化保护的广泛应用，数字化保 护在智能化变电站建设以及改造中的工程应用是智能变电站建设重点之一。数字 化母线保护以其保护范围及应用条件的重要性与特殊性，在智能化变电站的工程 应用中占有极其重要的地位。由于智能化变电站采用光纤传输数字信息，大大减 少了变电站内电缆接线工作，缩短安装、调试周期，并可实现继电保护装置及二 次回路在线监测，为开展继电保护状态检修提供可靠技术保障。

330kV延安变是由原常规变电站改造为智能化变电站，依照停电检修计划的 安排，此次智能化改造共分为六个阶段完成，对于母差保护的改造，若将停电改 造的设备接入新的智能化设备，未进行改造的设备无法接入新的智能化设备，母 线保护将无法继续运行。同时，数字化母差保护在智能化变电站改造过程中还将 面临以下问题：

1、数字化母差的大容量数据接入问题；

2、数字化母差的功耗及温升问题；

3、数字化母差的采样同步问题；

4、母差保护智能化改造过程优化及测试验证问题；

5、母差保护智能化改造配置文件管理问题。

发明内容

针对330kV延安变智能化改造的具体情况，本发明提出了一种应用于智能 化变电站的母差保护系统，采用主机+子机共用的方式进行智能化改造，确保改 造期间母线不失去保护运行。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

应用于智能化变电站的数字化母差保护系统，该系统包括：

母差保护主机，用于将母差保护子机采集的保护母线的模拟量或数字量数据 进行逻辑计算，并实现母线超负载保护功能；

母差保护子机，用于模拟量数据的采集，通过光纤传至母差保护主机装置；

合并单元，用于将接收到一次设备的模拟量通过自身转化为数字量进行发送 至母差保护主机；

智能终端，用于接收母差保护主机的保护命令，并将接收到的命令自身完成 断路器的跳闸功能；

所述母差保护主机分别通过光纤与母差保护子机、智能终端和合并单元连 接。

进一步地，本发明系统中：

所述母差保护子机采取BP-2C-D母差保护子机。

所述智能终端采取NSR351D智能终端。

所述合并单元采取NS3261合并单元。

所述母差保护主机接入2-32路智能终端、合并单元和母差保护子机。

相应地，本发明还给出了数字化母差保护系统的时钟同步方法，方法包括： 母差保护主机、母差保护子机、合并单元和智能终端中的一个或多个装置分别 与间隔层网络交换机对时，各间隔层网络交换机分别与站控层网络交换机对时， 同时站控层网络交换机与主时钟源对时，完成系统对时，从而实现整个系统 IEEE1588对时。

进一步地，本发明所述方法中：

所述时钟源包括与GPS天线和BD天线相连的主时钟源和与GPS天线和BD天 线相连的相连的备用时钟源，主时钟源和备用时钟源分别通过光纤B码与 IEEE1588扩展时钟对时，IEEE1588扩展时钟分别与站层网络交换机网络交换机 对时。

所述主时钟源与备用时钟源的报文交互过程为：

1）主时钟源向所有相连的备用时钟源发送Sync报文，同时产生一个基于主 时钟的本地时钟的时间戳T_M1，该时间为主时钟发送Sync报文的时间；

2）备用时钟接收到Sync报文并产生一个基于备用时钟的本地时钟的时间戳 T_S1，该时间为备用时钟接收Sync报文的时间；

3）主时钟把上一个Sync报文的发送时间T_M1加入到Follow_Up报文中并发 送给备用时钟；从时钟开始发送一个Delay_Req报文给主时钟，同时产生一个 基于备用时钟的本地时钟的时间戳T_S2，该时间为备用时钟发送Delay_Req报文 的时间；

4）主时钟接收到Delay_Req报文，产生一个基于主时钟的本地时钟的时间 戳T_M2，该时间为主时钟接收到Delay_Req报文的时间；

5）主时钟把T_M2时间放入到Delay_Resp报文中并发送给备用时钟，完成一 个完整的报文交互。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1）.本发明适用于1000kV及以下电压等级，包括单母线、单母分段、双母 线、双母单分段、双母双分段（一套装置内实现）以及3/2接线在内的各种主 接线方式，主接线更改可通过配置完成。最大支持主接线规模为32个支路（线 路、元件和联络开关）；

2）.统一的硬件和软件平台，实现了硬件的标准化、模块化，软件的组态 化，方便配置和扩展；

3）.基于千兆LVDS总线架构和专用传输协议处理技术，实现数据分类处理， 实现母线保护装置的大容量数据交互及低功耗设计；

4）.LVDS校时总线，通过校时主板的校时，整机各CPU板同步精度可达到 0.1us；

5）.全面支持插值同步与多种时钟同步方式(秒脉冲、B码、IEEE 1588)。

6）.改造过程不影响全站的保护运行方式及负荷分配，且适用于各种主接 线方式；

7）.减少了改造期间设备的停电时间，被改造的设备仅需停电一次，母差 保护退出时间较短，电网运行可靠性高；

8）.降低施工难度，提高工作效率；投资较小，仅需增加子机屏柜。

本发明在国网系统内330kV电压等级的智能化变电站改造工程中首次成功 应用，现场改造期间成功制定科学、合理的停电改造技术方案，为常规变电站 的智能化变电站改造工程提出了一种安全、可靠的思路和方案。

附图说明

图1是本发明系统接线示意图。

图2是本发明IEEE 1588时钟同步方案示意图。

图3是本发明主时钟与从时钟的报文交互过程图。

具体实施方式

下面通过实施例及附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明应用于智能化变电站的数字化母差保护系统，该系统 包括：母差保护主机，用于将保护母线的模拟量或数字量采集的数据进行逻辑 计算，并实现母线超负载保护功能；母差保护子机，用于模拟量数据的采集， 将CT、PT的电流、电压采集后，通过光纤传至母差保护主机装置；智能终端， 用于接收母差保护主机装置保护的命令，并将接收到的命令自身完成断路器的 跳闸功能；合并单元，用于接收电流、电压量，将接收到的模拟量通过自身转 化为数字量进行发送至各保护装置；上述母差保护主机分别通过光纤与母差保 护子机、智能终端和合并单元连接。母差保护主机可接入2-32路由智能终端、 合并单元和母差保护子机采集的模拟量或数字量。

本系统中，母差保护子机采取BP-2C-D母差保护子机。母差保护子机通过交 流采集板采集多间隔交流采样数据，交流采样进行AD转换后发送给SV通讯接 口板进行处理，SV通讯接口板对接收的交流采样数据进行合并同步，并根据MU 配置文件将母差保护主机需要的交流采样数据打包后发送给母差保护主机，并 通过指定的光纤接口及光纤连线将交流采样值以IEC61850-9-2规约报文发送给 母差保护主机。

本发明母差保护子机作为数字化母差保护改造过程中的重要组成部分，主要 完成多间隔的数据采集处理以及与母差保护主机的信息交互。其硬件构成包括： 交流采样板、开入板、开出板、SV通讯接口板、GOOSE接口板、电源板。采用 多核CPU，内部采用1000M高速LVDS总线。合理划分板件功能，把计算量合理 地分配到各板件，充分利用分布式计算的优势，实现高性能。单台母差保护子 机可实现多达12路间隔的交流采样以及开入开出功能。支持IEEE1588同步对 时功能，在不依赖于外部时钟条件下，与母差保护主机配合完成交流采样的同 步与装置对时功能。

其功能如下：

1、完成多间隔交流采样及同步，通过直连光纤将交流采样值以 IEC61850-9-2规约报文发送给母差保护主机。

2、采集多间隔开入量,并通过直连光纤将开入量以GOOSE规约报文发送给 母差保护主机。

3、通过直连光纤接收母差保护主机以GOOSE规约报文发送的多间隔开出量， 并通过继电器出口跳闸。

本系统中，智能终端采取NSR351D智能终端。智能终端是一次系统与二次系 统之间的接口设备，重要性与保护装置等同。其具有断路器的控制及操作箱功 能，包含分合闸回路、合后监视、重合闸、操作电源监视和控制回路断线监视 等功能。智能终端的应用实现了传统开关的数字化接口。

本系统中，合并单元采取NS3261合并单元。其具有同步功能、多路数据采 集处理功能和通信功能。其中同步功能包括从外部(如GPS信号)获取统一的高 精度同步时钟源和给多路A/D转换器发送同步采集命令；多路数据采集处理功 能主要负责电子式互感器多路数字信号的接受和处理，然后交由负责信息输出 的功能模块送往二次设备；通信功能用于将各路采样值数据按一定的格式进行 数据封装发送给二次设备。

如图2所示，为数字化母差保护系统的时钟同步方法的流程图，方法包括以 下步骤：

母差保护主机、母差保护子机、合并单元和智能终端中的一个或多个装置分 别与间隔层网络交换机对时，各间隔层网络交换机分别与站控层网络交换机对 时，同时站控层网络交换机与主时钟源对时，完成系统对时，从而实现整个系 统IEEE1588对时。

从图中可以看出，本实施例中隔层网络交换机有四台，分别为网络交换机3、 网络交换机4、网络交换机5和网络交换机6，其中，网络交换机3分别接母差 保护主机、母差保护子机、合并单元（MU）和智能终端；网络交换机4接母差 保护主机和合并单元（MU）；网络交换机5接母差保护主机；网络交换机6接母 差保护主机、智能终端和合并单元（MU）；这四台隔层网络交换机中，网络交换 机3和网络交换机4分别接站层网络交换机1，网络交换机5和网络交换机6分 别接站层网络交换机2，站层网络交换机1和站层网络交换机2再分别通过MP 与IEEE1588扩展时钟连接，IEEE1588扩展时钟分别通过光纤B码与主时钟源、 备用时钟源连接，主时钟源、备用时钟源分别接收GPS天线和BD天线的信号。

如图3所示，主时钟源与备用时钟的报文交互过程为：首先主时钟向所有相 连的备用时钟发送Sync报文，同时产生一个基于主时钟的本地时钟的时间戳 T_M1，该时间为主时钟发送Sync报文的时间；从时钟接收到Sync报文并产生一 个基于备用时钟的本地时钟的时间戳T_S1，该时间为备用时钟接收Sync报文的时 间；主时钟把上一个Sync报文的发送时间T_M1加入到Follow_Up报文中并发送给 备用时钟；备用时钟开始发送一个Delay_Req报文给主时钟，同时产生一个基 于备用时钟的本地时钟的时间戳T_S2，该时间为备用时钟发送Delay_Req报文的 时间；主时钟接收到Delay_Req报文，产生一个基于主时钟的本地时钟的时间 戳T_M2，该时间为主时钟接收到Delay_Req报文的时间；主时钟把T_M2时间放入到 Delay_Resp报文中并发送给备用时钟，完成一个完整的报文交互。

其工作原理如下：

1、交流采集功能：

母差保护子机通过交流采集板采集多间隔交流采样数据，交流采样进行AD 转换后发送给SV通讯接口板进行处理，SV通讯接口板对接收的交流采样数据进 行合并同步，并根据MU配置文件将母差保护主机需要的交流采样数据打包后发 送给母差保护主机，并通过指定的光纤接口及光纤连线将交流采样值以 IEC61850-9-2规约报文发送给母差保护主机。

2、采集开入与开出跳闸：

母差保护子机通过开入板采集多间隔开入数据，GOOSE通讯接口板对接收到 的开入量进行处理，并根据装置的GOOSE配置文件选取母差保护主机需要的开 入量数据打包后发送给母差保护主机，并通过指定的光纤接口及光纤连线将开 入量数据以GOOSE规约报文发送给母差保护主机。

母差保护子机同时通过GOOSE通讯接口板接收母差保护主机发送的GOOSE报 文并进行报文处理，当GOOSE报文中对应间隔跳闸置位时，GOOSE接口板将出口 命令发送给出口板，控制对应的出口继电器出口跳闸。

3、IEEE1588同步对时：

母差保护主机与子机组成IEEE1588对时同步系统，主机做为主时钟，子机 做为从时钟，主机与子机之间采用点对点方式连接完成保护子机同步对时。

改造过程不影响全站的保护运行方式及负荷分配，且适用于各种主接线方 式；减少了改造期间设备的停电时间，被改造的设备仅需停电一次，母差保护 退出时间较短，电网运行可靠性高；降低施工难度，提高工作效率；投资较小， 仅需增加子机屏柜。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不 能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换， 都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。