智能变电站的母差保护优化方法及母差保护系统

摘要

本发明公开了一种智能变电站的母差保护优化方法及母差保护系统。该方法包括步骤：将合并单元分组，根据合并单元的分组组别在每个合并单元上设置两个可发送不同优先级的采样值数据帧的网络端口分别与两个网络相连，母差保护设备在接收到数据内容相同的采样值数据帧时，选取优先级高的采样值数据帧进行母差保护计算。该装置包括，包括母差保护装置和两个合并单元组，每个合并单元组通过两个可发送不同优先级的采样值数据帧的网络端口分别与两个网络相连，进而可向母差保护装置发送具有不同优先级的采样值数据帧，以便母差保护设备快速动作。本发明能有效提升过程层通信网络的性能尤其是母差保护的快速动作特性，效率高且实施成本低。

说明书

技术领域

 本发明涉及智能变电站的网络结构，尤其涉及一种智能变电站的母差保护优化方法及母差保护系统。

背景技术

IEC 61850是为方便变电站中各种智能电子设备的管理以及设备间的互联而提出的一种基于通用网络通信平台的公共通信标准。在基于IEC 61850的智能变电站过程层采用组网方式作为报文传输方式的模式下，报文端到端延时特性是通信网络性能的重要指标，采样值报文网络延时的大小也将影响到间隔层保护的动作特性。母差保护由于要汇集连接到母线的各线路的实时电气量信息，信息量大且涉及到采样值报文的跨间隔传输，因此报文端到端的延时大，不利于母差保护的快速动作。基于并行冗余协议的网络结构为智能变电站通信网络提供了可靠的热备份，使得智能变电站通信网络连通性和可靠性均大大增加，可以同时兼顾可靠性、实时性和兼容性，实现了通信网络单一故障零恢复时间。

基于并行冗余的智能变电站的过程层网络结构如图1所示，图中TV、TA为电压互感器和电流互感器，用于采集电力系统一次侧的电压、电流信号，并将这些电气量信息传输给合并单元；合并单元接收一次互感器传输过来的电气量信息，进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按照特定格式转发给保护和测控装置使用的设备；K1、K2为断路器，用来关合、承载和开断正常回路条件下或异常回路条件下的电流的开关装置；断路器控制器为接收网络传输的断路器控制信息，控制断路器开合的装置；保护及测控装置为完成相应设备继电保护功能和测控功能的装置；母差保护装置利用合并单元上传的一次侧的数字化电压电流信息进行计算，从而完成变电站母线保护功能。采用并行冗余通信网络，工作时，合并单元（Merging Unit，MU）同时向两个独立的过程层A、B网络发送采样值信息，支持并行冗余协议（Parallel Redundancy Protocol，PRP）的合并单元的链路冗余控制模块可将网络层下发的数据进行以太网封装，产生的两个数据帧从不同的端口分别发送到A网和B网的网络接口上，在A网和B网中传输的数据完全相同。接收端（保护及测控装置或母差保护单元）同时从A网和B网获取采样值报文，优先利用先收到的采样值信息，另一个则丢弃，如果收不到另一个网络的信息就告警。当A网和B网的结构相似，且布线路径相近时，A网和B网具有相同或相近的网络性能。当数据拥塞时，两个网络会同时发生拥塞，此时将导致数据接收延时增大。

母差保护单元必须在接收到A网或B网中传输的所有线路间隔的电气量信息后才能进行母线保护运算，只是在其中一个网络出现故障时才会利用另一个冗余网络的数据信息，而不是充分利用两个网络中先到的电气量信息，因此在智能变电站中采用并行冗余协议的通信网络并没有提升过程层通信网络的性能尤其是母差保护的快速动作特性，而母差保护的快速动作特性关系到母线故障的快速隔离以及变电站的安全运行，尤为重要。

发明内容

本发明目的在于提供一种智能变电站的母差保护优化方法及母差保护系统，以解决智能变电站中采用并行冗余协议的通信网络并没有提升过程层通信网络的性能尤其是母差保护的快速动作特性的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种智能变电站的母差保护优化方法，包括以下步骤：

S1：将向母差保护设备发送采样值数据的合并单元分为第一合并单元组和第二合并单元组，第一合并单元组和第二合并单元组均包括一个以上的合并单元；

S2：在第一合并单元组中的每个合并单元上设置第一网络端口和第二网络端口，将第一合并单元组中的合并单元通过第一网络端口与第一网络相连并通过第一网络向母差保护设备发送采样值数据帧，将第一合并单元组中的合并单元通过第二网络端口与第二网络相连并通过第二网络向母差保护设备发送采样值数据帧；在封装采样值数据时，第一网络端口将其发送的采样值数据帧的优先级设置为高于第二网络端口发送的采样值数据帧的优先级；

S3：在第二合并单元组中的每个合并单元上设置第三网络端口和第四网络端口，将第二合并单元组中的合并单元通过第三网络端口与第一网络相连并通过第一网络向母差保护设备发送采样值数据帧，通过第四网络端口与第二网络相连并通过第二网络向母差保护设备发送采样值数据帧；在封装采样值数据时，第四网络端口将其发送的采样值数据帧的优先级设置为高于第三网络端口发送的采样值数据帧的优先级；

S6：母差保护设备根据接收到的采样值数据帧进行母差保护计算，在接收到数据内容相同的采样值数据帧时，选取优先级高的采样值数据帧进行母差保护计算。

作为本发明的方法的进一步改进：

在步骤S2和步骤S3中，设置第一网络端口发送的采样值数据帧的优先级等于第四网络端口发送的采样值数据帧的优先级；并设置第二网络端口发送的采样值数据帧的优先级等于第三网络端口发送的采样值数据帧的优先级。

在步骤S3完成后，步骤S6进行前，该方法还包括步骤：

S4：将所有合并单元的与第一网络相连的网络端口和母差保护装置设置于第一虚拟局域网中，将所有合并单元的与第二网络相连的网络端口和母差保护装置设置于第二虚拟局域网中；

S5：将第一网络中与第一合并单元组相连的网络端口的优先级设置为高于第一网络中与第二合并单元组相连的网络端口的优先级，将第二网络中与第二合并单元组相连的网络端口的优先级设置为高于第二网络中与第一合并单元组相连的网络端口的优先级。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种智能变电站的母差保护系统，包括分别与第一网络和第二网络相连的母差保护装置、以及第一合并单元组和第二合并单元组，第一合并单元组和第二合并单元组均包括一个以上的合并单元；其中，

第一合并单元组中的合并单元上设置有第一网络端口和第二网络端口，第一合并单元组中的合并单元通过第一网络端口与第一网络相连并通过第一网络向母差保护设备发送采样值数据，第一合并单元组中的合并单元通过第二网络端口与第二网络相连并通过第二网络向母差保护设备发送采样值数据；第一网络端口发送的采样值数据帧的优先级高于第二网络端口发送的采样值数据帧的优先级；

第二合并单元组中的合并单元上设置有第三网络端口和第四网络端口，第二合并单元组中的合并单元通过第三网络端口与第一网络相连并通过第一网络向母差保护设备发送采样值数据帧，第二合并单元组中的合并单元通过第四网络端口与第二网络相连并通过第二网络向母差保护设备发送采样值数据帧；第四网络端口发送的采样值数据帧的优先级高于第三网络端口发送的采样值数据帧的优先级。

作为本发明的系统的进一步改进：

第一网络端口发送的采样值数据帧的优先级等于第四网络端口发送的采样值数据帧的优先级，第二网络端口发送的采样值数据帧的优先级等于第三网络端口的发送的采样值数据帧优先级。

第一合并单元组中的合并单元数量与第二合并单元组中合并单元数量之差小于等于一。

所有合并单元的与第一网络相连的网络端口和母差保护装置同处于第一虚拟局域网中，所有合并单元的与第二网络相连的网络端口和母差保护装置同处于第二虚拟局域网中。

第一合并单元组中的合并单元通过第一网络端口相连于与第一网络相连的交换机上，并通过第二网络端口相连于与第二网络相连的交换机上；

第二合并单元组中的合并单元通过第三网络端口相连于与第一网络相连的交换机上，并通过第四网络端口相连于与第二网络相连的交换机上。

 本发明具有以下有益效果：

1、本发明的智能变电站的母差保护优化方法，通过网络和端口设置，利用并行冗余网络同时传送母差保护计算所需的电压电流信息，并在并行冗余网络中将不同网络发送的同样内容的采样数据帧设置不同的优先级，母差保护装置根据接收到的报文（采样数据帧）的优先级的不同，优先利用优先级高的报文，收到所有合并单元发送来的报文后即进行母差保护计算，继而判定母差保护是否动作，这样，可以减少母差保护接收到所有间隔合并单元信息以及处理这些信息所需的时间，从而加快母差保护的快速动作，更快的隔离故障，能有效提升过程层通信网络的性能尤其是母差保护的快速动作特性，效率高且实施成本低。

2、本发明的智能变电站的母差保护系统，在原有的网络结构上通过合并单元的分组、以及网络端口的优先级区分，实现在并行冗余网络中将不同网络发送的同样内容的采样数据帧设置不同的优先级，使得母差保护装置能够根据接收到的报文（采样数据帧）的优先级的不同选择采用的采样值数据帧，尽快地计算和动作，更快的隔离故障，本发明效率更高且实施成本低。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是背景技术的智能变电站的过程层网络结构示意图；

图2是本发明优选实施例的智能变电站的母差保护优化方法的流程示意图； 

图3是本发明优选实施例的智能变电站的母差保护系统示意图；以及

图4是图3中母差保护装置与A网相连的网络端口的接收数据帧队列（队列X）以及与B网相连的网络端口的接收数据帧队列（队列Y）示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图2，本发明的智能变电站的母差保护优化方法，包括以下步骤：

S1：将向母差保护设备发送采样值数据的合并单元分为第一合并单元组和第二合并单元组，第一合并单元组和第二合并单元组均包括一个以上的合并单元。

S2：在第一合并单元组中的每个合并单元上设置第一网络端口和第二网络端口，将第一合并单元组中的合并单元通过第一网络端口与第一网络相连并通过第一网络向母差保护设备发送采样值数据帧，将第一合并单元组中的合并单元通过第二网络端口与第二网络相连并通过第二网络向母差保护设备发送采样值数据帧；在封装采样值数据时，第一网络端口将其发送的采样值数据帧的优先级设置为高于第二网络端口发送的采样值数据帧的优先级。

S3：在第二合并单元组中的每个合并单元上设置第三网络端口和第四网络端口，将第二合并单元组中的合并单元通过第三网络端口与第一网络相连并通过第一网络向母差保护设备发送采样值数据帧，通过第四网络端口与第二网络相连并通过第二网络向母差保护设备发送采样值数据帧；在封装采样值数据时，第四网络端口将其发送的采样值数据帧的优先级设置为高于第三网络端口发送的采样值数据帧的优先级。

S6：母差保护设备根据接收到的采样值数据帧进行母差保护计算，在接收到数据内容相同的采样值数据帧时，选取优先级高的采样值数据帧进行母差保护计算。

以上步骤利用并行冗余网络同时传送母差保护计算所需的电压电流信息，并在并行冗余网络中将不同网络发送的同样内容的采样数据帧设置不同的优先级，母差保护装置根据接收到的报文（采样数据帧）的优先级的不同，优先利用优先级高的报文，收到所有合并单元发送来的报文后即进行母差保护计算，继而判定母差保护是否动作，这样，可以减少母差保护接收到所有间隔合并单元信息所需的时间，从而加快母差保护的快速动作，更快的隔离故障，能有效提升过程层通信网络的性能尤其是母差保护的快速动作特性，效率高且实施成本低。

本实施例中，以上方法还可进行以下优化和改进。

在步骤S2和步骤S3中，设置第一网络端口发送的采样值数据帧的优先级等于第四网络端口发送的采样值数据帧的优先级；并设置第二网络端口发送的采样值数据帧的优先级等于第三网络端口发送的采样值数据帧的优先级。这样将进行母差保护计算所需的所有合并单元的信息分成两份并在第一网络（A网）和第二网络（B网）中同时传输，优先级仅需设置两个不同的级别，减少了数据处理的时间。

在步骤S3完成后，步骤S6进行前，以上方法还可包括步骤：

S4：将所有合并单元的与第一网络相连的网络端口和母差保护装置设置于第一虚拟局域网中，将所有合并单元的与第二网络相连的网络端口和母差保护装置设置于第二虚拟局域网中。

S5：将第一网络中与第一合并单元组相连的网络端口的优先级设置为高于第一网络中与第二合并单元组相连的网络端口的优先级，将第二网络中与第二合并单元组相连的网络端口的优先级设置为高于第二网络中与第一合并单元组相连的网络端口的优先级。

这样，通过不同优先级的设置、合并单元的划分与虚拟局域网和网络端口的设置匹配协作，将进行母差保护计算所需的所有合并单元的信息分成两份并在第一网络（A网）和第二网络（B网）中同时传输，减少了信息传输的时间，从而使母差保护能够更快的接收到所需的合并单元信息，并通过优先级的识别进行快速处理和保护判定，能更快的隔离故障。

参见图3、图4，本发明的智能变电站的母差保护系统，包括分别与第一网络（本实施例中，即为图3中的A网）和第二网络（本实施例中，即为图3中的B网）相连的母差保护装置、以及第一合并单元组（本实施例中，即为图3中的a1、a2和a3）和第二合并单元组（本实施例中，即为图3中的b1、b2和b3），第一合并单元组和第二合并单元组均包括一个以上的合并单元；其中，第一合并单元组中的合并单元上设置有第一网络端口和第二网络端口，第一合并单元组中的合并单元通过第一网络端口与第一网络相连并通过第一网络向母差保护设备发送采样值数据，第一合并单元组中的合并单元通过第二网络端口与第二网络相连并通过第二网络向母差保护设备发送采样值数据；第一网络端口发送的采样值数据帧的优先级（参见图3，本实施例中，优先级设置为6）高于第二网络端口发送的采样值数据帧的优先级（参见图3，本实施例中，优先级设置为5）；第二合并单元组中的合并单元上设置有第三网络端口和第四网络端口，第二合并单元组中的合并单元通过第三网络端口与第一网络相连并通过第一网络向母差保护设备发送采样值数据帧，第二合并单元组中的合并单元通过第四网络端口与第二网络相连并通过第二网络向母差保护设备发送采样值数据帧；第四网络端口发送的采样值数据帧的优先级（参见图3，本实施例中，优先级设置为6）高于第三网络端口发送的采样值数据帧的优先级（参见图3，本实施例中，优先级设置为5）。

上述结构的母差保护系统可根据接收报文的优先级的不同，优先利用优先级高的报文，收到所有合并单元发送来的报文后即进行母差保护计算，继而判定母差保护是否动作，这样，可以减少母差保护接收到所有间隔合并单元信息以及处理这些信息所需的时间，从而加快母差保护的快速动作，更快的隔离故障。

本实施例中，第一网络端口发送的采样值数据帧的优先级等于第四网络端口发送的采样值数据帧的优先级，第二网络端口发送的采样值数据帧的优先级等于第三网络端口的发送的采样值数据帧优先级。这样可实现将进行母差保护计算所需的所有合并单元的信息分成两份并在第一网络（A网）和第二网络（B网）中同时传输（传输流程参见图3中的箭头所示），优先级仅需设置两个不同的级别，减少了数据处理的时间。

本实施例中，第一合并单元组中的合并单元数量与第二合并单元组中合并单元数量之差小于等于一，当合并单元的总数量为偶数时，第一合并单元组中的合并单元数量与第二合并单元组中合并单元数量相等，当合并单元的总数量为奇数时，第一合并单元组中的合并单元数量与第二合并单元组中合并单元数量相差一。

本实施例中，所有合并单元的与第一网络相连的网络端口和母差保护装置同处于第一虚拟局域网中，所有合并单元的与第二网络相连的网络端口和母差保护装置同处于第二虚拟局域网中。这样设置能够保证相应合并单元信息只在相应的虚拟局域网中传输，避免网络风暴的发生。

在实际使用中，为了连接方便，通常通过交换机实现网络间的连接，。本实施例中，可将第一合并单元组中的合并单元通过第一网络端口相连于与第一网络相连的交换机上，并通过第二网络端口相连于与第二网络相连的交换机上；第二合并单元组中的合并单元通过第三网络端口相连于与第一网络相连的交换机上，并通过第四网络端口相连于与第二网络相连的交换机上。

综上所述，本发明的智能变电站的母差保护系统，通过合并单元的划分、网络端口和虚拟局域网等设置，使得母差保护装置可根据接收报文的优先级的不同，优先利用优先级高的报文（参见图4，图中两个队列X、Y表示A网、B网中的传输的合并单元数据帧按照优先级到达母差保护设备的顺序；X队列中，由于a1、a2和a3合并单元向A网络发送的采样值信息的优先级要高于b1、b2和b3合并单元向A网络发送信息的优先级，故a1、a2和a3合并单元信息先于b1、b2和b3合并单元到达母差保护设备；由于优先级相同，a1、a2和a3之间的排列顺序以及b1、b2和b3之间的排列顺序是随机的，Y队列中合并单元发送信息到达顺序同理。），收到所有合并单元发送来的报文后即进行母差保护计算，继而判定母差保护是否动作，这样，可以减少母差保护接收到所有间隔合并单元信息以及处理这些信息所需的时间，从而加快母差保护的快速动作，更快的隔离故障。本发明能有效提升过程层通信网络的性能尤其是母差保护的快速动作特性，效率高且实施成本低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。