适用5G差动保护的数据传输和保护系统、方法及存储设备与流程

适用5g差动保护的数据传输和保护系统、方法及存储设备
技术领域
1.本发明涉及电力系统继电技术领域，具体涉及一种适用5g差动保护的数据传输和保护系统、方法及存储设备。


背景技术：

2.差动保护相比电流保护和距离保护具有择性好、快速灵敏、简单可靠等优点，所以高压特高压输电线路保护中光纤差动保护已成为标准配置。随着“碳达峰碳中和”全球发展战略的日益深化落地，配电网正在形成以光伏和风电为主的分布式电源(dg)多点接入、dg渗透率快速大幅提升、多电源合环运行的高渗透率有源配电网局面。为了应对高渗透率有源配电网的发展、提升城市配电网的供电可靠性，在中压配电网中采用差动保护的必要性越加凸显。随着具有高可靠、超低时延5g无线通讯技术的大规模成熟应用，在光纤通讯未覆盖地区，采用基于5g无线通讯的中压配电网线路差动保护正在成为技术趋势。
3.当前智能变电站线路光纤纵差保护装置普遍采用每周波80点采样，如果每个差动保护按照每个采样点都向差动保护其他节点发送采样点数据和相量数据，每帧传输按100字节计算，单节点每个月的数据发送流量为：100字节
×
80点
×
50hz
×
60秒
×
60分钟
×
24小时
×
30天＞1tb。以往电力系统高压线路差动保护均采用光纤实现数据传输无需考虑通讯流量问题，而基于5g通讯的差动保护相对于光纤通讯，过高的无线通讯流量消耗以及流量成本将是限制其推广应用的重要障碍，所以研究通过有效数据传输方法用较低的流量消耗实现5g差动保护是推广应用5g差动保护的重要命题。


技术实现要素：

4.本发明提出的一种适用5g差动保护的数据传输和保护系统、方法及存储设备，能够在较低采样数据传输流量的情况下，实现满足应用需要的中压配电网5g差动保护性能。
5.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
6.一种适用5g差动保护的数据传输和保护系统，基于差动保护硬件单元，所述差动保护硬件单元包括差动保护控制模块、5g通讯模块和外部精确授时模块，所述5g通讯模块和外部精确授时模块分别与差动保护控制模块对应的接口连接；
7.差动保护每一端节点部署一套差动保护硬件单元，或者每一端节点部署两套差动保护硬件单元构成双重化差动保护系统；
8.其中，
9.差动保护控制模块，用于完成所在节点电压电流电气信息采集、逻辑运算和断路器跳合闸控制；
10.外部精确授时模块，基于北斗授时、gps授时、5g授时或者多模式混合应用这些外部精确授时系统完成差动保护各端节点的授时；
11.5g通讯模块，基于5g通讯网络完成线路各端的差动保护装置模块间数据通讯。
12.进一步的，各节点5g通讯根据运行状态按每一周波1次或者每数周波1次或者每个
采样间隔1次向本差动保护其他节点发送模拟量相量数据或者采样点数据报文，报文的有效数据信息包含：主节点标志、本节点号、外部授时标志、本节点系统频率、采样同步标志、相量数据第一个采样点或者采样数据本采样点的采样序号和采样点时间标签、三相电压数据、三相电流数据、开关量、逻辑控制信息。
13.另一方面，本发明还公开一种适用5g差动保护的数据传输和保护方法，基于上述系统的差动保护控制模块，包括以下步骤，
14.所有节点装置运行后按照每周波差动保护用采样点数x实现并持续维持采样的同步控制，x取16或20或24；
15.正常运行时，各节点装置按每一周波1次或者每数周波1次将本节点同步相量数据发送给差动保护的其他节点，采样点数据不发送；同步相量数据发送的间隔周波数，根据本节点相量数据的幅值或角度稳定度进行控制。所有差动保护装置统一按模拟量额定值的百分比数设定幅值稳定度阈值v1、v2、v3，统一按角度差设定角度稳定度阈值d1、d2、d3，以上次发送相量数据为基准，若幅值变化超过v3或角度变化超过d3，则每一周波发送1次；否则若幅值变化超过v2或角度变化超过d2，则每两周波发送1次；否则若幅值变化超过v1或角度变化超过d1，则每五周波发送1次；否则若幅值变化在v1范围内且角度变化在d1范围内，则每十周波发送1次。幅值稳定度阈值v1、v2、v3可参考1％、2％、5％选择，角度稳定度阈值d1、d2、d3可参考1
°
、2
°
、5
°
选择；
16.正常运行时，所有节点保持每一周波进行1次相量差动保护数据运算和逻辑判断，但当某节点按间隔数周波发送1次同步相量数据时，在等待合理通讯延时时间后，本节点本周波未接收到的其他节点相量数据以最近接收到的该节点相量数据按整周波时序同步填充，但此时差动保护非瞬时动作而是按照本节点(最新相量数据发送间隔周波数 2周波)设定为动作时间，动作时间内持续满足差动保护动作条件才动作出口跳开本节点开关。
17.进一步的，还包括以下步骤，在高压线路发生故障时，各节点会各自感受到本节点安装处的电压电流发生突变量变化，一旦本节点检测到电压或电流发生突变量变化、并且连续多点满足下式，则置位本节点突变量启动标志；
18.或
[0019][0020]
本节点突变量启动后，从第一个突变点开始按每周波的差动保护用采样点数x主动将本节点的采样数据发送给差动保护的其他节点，采样数据中包含本节点突变量启动标志，同时按每一周波1次将本节点相量数据发送给差动保护的其他节点；从第一个突变点开始满1周波后，再增加发送1次以第一个突变点为相量计算起始点的本节点突变周波相量数据发送给差动保护的其他节点；突变量启动后的第二个及以后周波，不追加发送突变周波相量数据；
[0021]
差动保护任一节点接收到其他节点突变量启动标志初始置位和差动保护用采样点数据后，若本节点未置位突变量启动标志，则置位本节点突变量启动标志，并以早发生突变节点装置的第一个突变点开始按每周波的差动保护用采样点数x主动将本节点的采样数据发送给差动保护的其他节点，同时按每一周波1次将本节点相量数据发送给差动保护的
其他节点。
[0022]
进一步的，还包括以下步骤，当本节点收到差动保护其他节点的采样点数据满1/4周波后，启动快速采样点差动保护算法，每采样点进行1次采样点差动保护数据运算和逻辑判断，同时保持每周波进行1次相量差动保护数据运算和逻辑判断；采样点差动保护与相量差动保护并行运行，任一差动保护动作条件满足后瞬时动作跳开本节点开关。
[0023]
进一步的，还包括以下步骤，在本节点突变量启动标志置位后，若y周波内持续判别差动保护始终均不满足动作条件，则取消本节点突变量启动标志置位状态，不再按每周波的差动保护用采样点数x发送本节点的采样数据，只按每一周波1次或者每数周波1次将本节点相量数据发送给差动保护的其他节点，各差动保护节点每周波进行1次相量差动保护数据运算和逻辑判断，y取2至8之间的整数。
[0024]
进一步的，正常运行相量数据帧与突变周波相量数据帧格式相同，相量数据帧报文携带的数据信息包括：相量数据帧标志、主节点标志、本节点号、外部授时标志、本节点系统频率、采样同步标志、本相量数据第一个采样点的采样序号及其采样时刻标签、三相电压相量数据、三相电流相量数据、开关量以及逻辑控制信息，其中逻辑控制信息包含本节点突变量启动标志、相量差动保护动作标志、采样点差动保护动作标志；
[0025]
采样点数据帧报文携带的数据信息包括：采样点数据帧标志、主节点标志、本节点号、外部授时标志、本节点系统频率、采样同步标志、本采样点的采样序号及其采样时刻标签、三相电压采样点数据、三相电流采样点数据、开关量以及逻辑控制信息，其中逻辑控制信息包含本节点突变量启动标志、相量差动保护动作标志、采样点差动保护动作标志；
[0026]
进一步的，还包括，
[0027]
所有相量数据帧和采样点数据帧均会重复发送2遍，以确保无线通讯偶发误码时仍然能够保证及时接收到正确数据帧；
[0028]
差动保护动作节点在本节点差动保护自发动作后主动向其他节点发送相量差动保护动作数据帧或采样点差动保护动作数据帧；
[0029]
相量差动保护动作数据帧报文携带的数据信息包括：相量差动保护动作数据帧标志、主节点标志、本节点号、外部授时标志、相量差动保护动作计算用相量数据第一个采样点的采样序号及其采样时刻标签、三相电压相量数据、三相电流相量数据、开关量以及逻辑控制信息；
[0030]
采样点差动保护动作数据帧报文携带的数据信息包括：采样点差动保护动作数据帧标志、主节点标志、本节点号、外部授时标志、本节点系统频率、采样同步标志、采样点差动保护动作计算用最后一个采样点的采样序号及其采样时刻标签、三相电压采样点数据、三相电流采样点数据、开关量以及逻辑控制信息。
[0031]
其他差动保护节点若差动保护未动作，则将接收到的差动保护动作数据帧报文与本节点缓存信息比对判断信息一致性，若信息完全一致则置位本节点差动保护动作标志并控制本节点跳闸出口，但由于并非本节点差动保护自发动作不发送差动保护动作数据帧。
[0032]
又一方面，本发明还公开一种嵌入式计算机可读存储介质，存储有嵌入式计算机程序，所述嵌入式计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
[0033]
再一方面，本发明还公开一种嵌入式计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有嵌入式计算机程序，所述嵌入式计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理
器执行如上述方法的步骤。
[0034]
由上述技术方案可知，本发明的适用5g差动保护的数据传输和保护系统及方法具有以下有益效果：
[0035]
1、在正常运行状态下，不发送采样点数据，只是每一周波或者每数周波发送一次相量数据每次发送两遍，差动保护产生的无线流量大大降低。
[0036]
按每十周波发送1次相量数据，每帧传输50字节计算并且发送两遍，单节点每个月的发送流量为：50字节
×
2遍
×
50hz
×
(1/10间隔周波数)
×
60秒
×
60分钟
×
24小时
×
30天＝1.296gb，仅为按智能变电站光纤纵差保护80点/周波采样点及相量数据发送一遍流量的不足2
‰
。
[0037]
2、通过少量数据的重复发送，在整体流量可控的情况下，极大地降低无线通讯偶发误码形成的不利影响，能够保证故障时刻差动保护数据的正确传输和接收，无须插值等复杂算法就能保障实现差动保护的快速动作。
[0038]
3、发生严重故障时，由于各节点能够突变量启动并发送差动保护全采样点数据，按照采样点快速差动保护算法能够快速识别故障，最快能够在收到5～8个采样点数据即可实现差动保护动作跳闸出口，较相量差动保护动作时间提升十几毫秒。
[0039]
4、对较轻故障，若电压电流突变发生在正常相量计算中部采样点，并且出现极端情况采样点数据仍然发生丢点导致采样点差动不能准确动作，通过追加的突变周波相量数据帧能够再次起到弥补作用，实现差动保护获取故障后仅一周波数据即可快速跳闸，相较等待正常相量差动数据帧再跳闸平均提升10ms动作时间。也就是说在较轻故障并且采样点丢点时，不需要复杂插值运算仍然能实现差动保护快速动作特性。
[0040]
5、发生轻微故障时，若突变量不能启动，仍然可以通过每周波20ms一次的相量差动保护，发挥差动保护的灵敏性选择性优势、快速动作跳闸。
[0041]
6、对单端电源供电轻微故障，以及其他特殊情况可能存在的所有节点差动保护不能同步动作跳闸情况，通过差动保护自发动作节点发送差动保护动作数据帧，实现对差动保护非动作节点的“远方安全跳闸”效果，特别是通过对差动保护动作数据帧内包含的历史缓存数据进行信息一致性比对，极大降低了单一“远方跳闸”信号存在的数据入侵误跳闸风险。
附图说明
[0042]
图1是本发明的结构示意图；
[0043]
图2是本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0044]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0045]
如图1所示，本实施例所述的适用5g差动保护的数据传输和保护系统，基于用于实现差动保护的差动保护硬件单元，所述硬件单元包含差动保护控制模块、5g通讯模块和外部精确授时模块；
[0046]
其中，差动保护控制模块每一端节点部署一套该硬件装置，或者每一端节点部署两套该硬件装置构成双重化差动保护系统；
[0047]
差动保护控制模块，完成所在节点电压电流电气信息采集、逻辑运算和断路器跳合闸控制，并具备必要的5g通讯、外部精确授时和运行维护接口。
[0048]
外部精确授时模块，基于北斗授时、gps授时、5g授时或者多模式混合应用等外部精确授时系统完成差动保护各端节点的授时。
[0049]
5g通讯模块，基于5g通讯网络完成线路各端的差动保护装置模块间数据通讯。各节点5g通讯根据运行状态按每一周波1次或者每数周波1次或者每个采样间隔1次向本差动保护其他节点发送模拟量相量数据或者采样点数据报文，报文的有效数据信息包含：主节点标志、本节点号、外部授时标志、本节点系统频率、采样同步标志、相量数据第一个采样点或者采样数据本采样点的采样序号和采样点时间标签、三相电压数据、三相电流数据、开关量、逻辑控制信息。
[0050]
如图2所示，其中，差动保护控制模块具体的保护方法如下：
[0051]
1、所有节点装置运行后已经按照每周波差动保护用采样点数x实现了并持续维持采样的同步控制。(x一般取16或20或24)
[0052]
2、正常运行时，各节点装置按每一周波1次或者每数周波1次将本节点同步相量数据发送给差动保护的其他节点，采样点数据不发送。同步相量数据发送的间隔周波数，根据本节点相量数据的幅值或角度稳定度进行控制。所有差动保护装置统一按模拟量额定值的百分比数设定幅值稳定度阈值v1、v2、v3，统一按角度差设定角度稳定度阈值d1、d2、d3，以上次发送相量数据为基准，若幅值变化超过v3或角度变化超过d3，则每一周波发送1次；否则若幅值变化超过v2或角度变化超过d2，则每两周波发送1次；否则若幅值变化超过v1或角度变化超过d1，则每五周波发送1次；否则若幅值变化在v1范围内且角度变化在d1范围内，则每十周波发送1次。幅值稳定度阈值v1、v2、v3可参考1％、2％、5％选择，角度稳定度阈值d1、d2、d3可参考1
°
、2
°
、5
°
选择。
[0053]
正常运行时，所有节点保持每一周波进行1次相量差动保护数据运算和逻辑判断，但当某节点按间隔数周波发送1次同步相量数据时，在等待合理通讯延时时间后，本节点本周波未接收到的其他节点相量数据以最近接收到的该节点相量数据按整周波时序同步填充，但此时差动保护非瞬时动作而是按照本节点(最新相量数据发送间隔周波数 2周波)设定为动作时间，动作时间内持续满足差动保护动作条件才动作出口跳开本节点开关。
[0054]
3、在高压线路发生严重故障时，各节点会各自感受到本节点安装处的电压电流发生突变量变化，一旦本节点检测到电压或电流发生突变量变化、并且连续多点满足下式，则置位本节点突变量启动标志。
[0055]
或
[0056][0057]
本节点突变量启动后，从第一个突变点开始按每周波的差动保护用采样点数x主动将本节点的采样数据发送给差动保护的其他节点，采样数据中包含本节点突变量启动标志，同时按每一周波1次将本节点相量数据发送给差动保护的其他节点。从第一个突变点开始满1周波后，再增加发送1次以第一个突变点为相量计算起始点的本节点突变周波相量数
据发送给差动保护的其他节点。突变量启动后的第二个及以后周波，不追加发送突变周波相量数据。
[0058]
4、差动保护任一节点接收到其他节点突变量启动标志初始置位和差动保护用采样点数据后，若本节点未置位突变量启动标志，则置位本节点突变量启动标志，并以早发生突变节点装置的第一个突变点开始按每周波的差动保护用采样点数x主动将本节点的采样数据发送给差动保护的其他节点，同时按一每周波1次将本节点相量数据发送给差动保护的其他节点。
[0059]
5、当本节点收到差动保护其他节点的采样点数据满1/4周波后，启动快速采样点差动保护算法，每采样点进行1次采样点差动保护数据运算和逻辑判断，同时保持每周波进行1次相量差动保护数据运算和逻辑判断。采样点差动保护与相量差动保护并行运行，任一差动保护动作条件满足后瞬时动作跳开本节点开关。
[0060]
6、在本节点突变量启动标志置位后，若y周波内持续判别差动保护始终均不满足动作条件，则取消本节点突变量启动标志置位状态，不再按每周波的差动保护用采样点数x发送本节点的采样数据，只按每一周波1次或者每数周波1次将本节点相量数据发送给差动保护的其他节点，各差动保护节点每周波进行1次相量差动保护数据运算和逻辑判断。(y一般取2至8之间的整数)
[0061]
7、正常运行相量数据帧与突变周波相量数据帧格式相同，报文携带的数据信息包括：相量数据帧标志、主节点标志、本节点号、外部授时标志、本节点系统频率、采样同步标志、本相量数据第一个采样点的采样序号及其采样时刻标签、三相电压相量数据、三相电流相量数据、开关量以及逻辑控制信息，其中逻辑控制信息包含本节点突变量启动标志、相量差动保护动作标志、采样点差动保护动作标志等。
[0062]
8、采样点数据帧报文携带的数据信息包括：采样点数据帧标志、主节点标志、本节点号、外部授时标志、本节点系统频率、采样同步标志、本采样点的采样序号及其采样时刻标签、三相电压采样点数据、三相电流采样点数据、开关量以及逻辑控制信息，其中逻辑控制信息包含本节点突变量启动标志、相量差动保护动作标志、采样点差动保护动作标志等。
[0063]
9、考虑到5g无线通讯可能存在的误码问题导致个别数据接收失效，本方案所有相量数据帧和采样点数据帧均会重复发送2遍，以确保无线通讯偶发误码时仍然能够保证及时接收到正确数据帧。
[0064]
10、理论上由于所有差动保护节点用于差动保护的数据均相同，各节点差动保护应具备相同的动作行为，但为了防止动作边界轻微故障计算误差或者通讯影响等意外情况造成各节点差动保护不能同时动作，差动保护动作节点在本节点差动保护自发动作后主动向其他节点发送相量差动保护动作数据帧或采样点差动保护动作数据帧。
[0065]
相量差动保护动作数据帧报文携带的数据信息包括：相量差动保护动作数据帧标志、主节点标志、本节点号、外部授时标志、相量差动保护动作计算用相量数据第一个采样点的采样序号及其采样时刻标签、三相电压相量数据、三相电流相量数据、开关量以及逻辑控制信息。
[0066]
采样点差动保护动作数据帧报文携带的数据信息包括：采样点差动保护动作数据帧标志、主节点标志、本节点号、外部授时标志、本节点系统频率、采样同步标志、采样点差动保护动作计算用最后一个采样点的采样序号及其采样时刻标签、三相电压采样点数据、
三相电流采样点数据、开关量以及逻辑控制信息。
[0067]
其他差动保护节点若差动保护未动作，则将接收到的差动保护动作数据帧报文与本节点缓存信息比对判断信息一致性，若信息完全一致则置位本节点差动保护动作标志并控制本节点跳闸出口，但由于并非本节点差动保护自发动作不发送差动保护动作数据帧。
[0068]
本发明的有益效果是：
[0069]
1、在正常运行状态下，不发送采样点数据，只是每一周波或者每数周波发送一次相量数据每次发送两遍，差动保护产生的无线流量大大降低。
[0070]
按每十周波发送1次相量数据，每帧传输50字节计算并且发送两遍，单节点每个月的发送流量为：50字节
×
2遍
×
50hz
×
(1/10间隔周波数)
×
60秒
×
60分钟
×
24小时
×
30天＝1.296gb，仅为按智能变电站光纤纵差保护80点/周波采样点及相量数据仅发送一遍流量的不足2
‰
。
[0071]
2、通过少量数据的重复发送，在整体流量可控的情况下，极大地降低无线通讯偶发误码形成的不利影响，能够保证故障时刻差动保护数据的正确传输和接收，无须插值等复杂算法就能保障实现差动保护的快速动作。
[0072]
3、发生严重故障时，由于各节点能够突变量启动并发送差动保护全采样点数据，按照采样点快速差动保护算法能够快速识别故障，最快能够在收到5～8个采样点数据即可实现差动保护动作跳闸出口，较相量差动保护动作时间提升十几毫秒。
[0073]
4、对较轻故障，若电压电流突变发生在正常相量计算中部采样点，并且出现极端情况采样点数据仍然发生丢点导致采样点差动不能准确动作，通过追加的突变周波相量数据帧能够再次起到弥补作用，实现差动保护获取故障后仅一周波数据即可快速跳闸，相较等待正常相量差动数据帧再跳闸平均提升10ms动作时间。也就是说在较轻故障并且采样点丢点时，不需要复杂插值运算仍然能实现差动保护快速动作特性。
[0074]
5、发生轻微故障时，若突变量不能启动，仍然可以通过每周波20ms一次的相量差动保护，发挥差动保护的灵敏性选择性优势、快速动作跳闸。
[0075]
6、对单端电源供电轻微故障，以及其他特殊情况可能存在的所有节点差动保护不能同步动作跳闸情况，通过差动保护自发动作节点发送差动保护动作数据帧，实现对差动保护非动作节点的“远方安全跳闸”效果，特别是通过对差动保护动作数据帧内包含的历史缓存数据进行信息一致性比对，极大降低了单一“远方跳闸”信号存在的数据入侵误跳闸风险。
[0076]
又一方面，本发明还公开一种嵌入式计算机可读存储介质，存储有嵌入式计算机程序，所述嵌入式计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
[0077]
再一方面，本发明还公开一种嵌入式计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有嵌入式计算机程序，所述嵌入式计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
[0078]
可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。
[0079]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机
可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0080]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0081]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0082]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0083]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。