双端线路差动保护系统及方法与流程

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，特别涉及一种双端线路差动保护系统及方法。

背景技术：

线路分相电流差动保护由于其固有的选相能力、躲负荷能力、抗振荡能力，无论是可靠性、灵敏性、快速性和选择性都较线路纵联距离保护和纵联方向保护性能更加优良，并且其判据同电压无关，因此被广泛应用于高压线路，南方电网220kV及以上线路甚至全部采用线路分相电流差动保护作为两套主保护。

目前线路分相电流差动保护通常采用复用通道或专用光纤作为通信通道。采用复用通道时，保护装置设有一收一发两个光口，和安装于通信机房的光电转换装置的一发一收两个光口连接，将光信号转换成电信号，通过SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系)网络对侧光电转换装置和对侧保护装置通信。采用专用光纤方式时，保护装置设有一发一收两个光口，通过线路OPGW(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，光纤复合架空地线)的两根光纤纤芯和对侧保护装置的一收一发两个光口通信。

上述通信方式，特别是专用光纤方式，一个通信通道需要占用两根纤芯，实际传输带宽双向也就4M带宽，造成了光纤纤芯资源的极大浪费。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供一种双端线路保护系统及方法，解决双端线路差动保护造成光纤资源大量浪费的问题。

根据本发明实施例第一方面，提供了一种双端线路差动保护系统，所述双端线路包括：设有主第一母线和第一断路器的第一变电站、设有第二母线和第二断路器的第二变电站，以及连接于所述第一变电站与所述第二变电站之间的输电线路，所述系统包括：保护主机、保护从机、光线路终端、光网络单元及光纤；

所述保护主机及所述光线路终端设于所述第一变压站内；

所述保护从机及所述光网络单元设于所述第二变压站内；

所述保护主机通过所述光线路终端与所述光纤连接；

所述保护从机通过所述光网络单元与所述光纤连接；

所述光纤由一根纤芯构成。

所述保护主机用于采集第一电气量，所述第一电气量为所述第一母线一端的输电线路的电气量；接收第二电气量，所述第二电气量为所述第二母线一端的输电线路的电气量；根据所述第一电气量和所述第二电气量计算得出第一差动电流；根据所述第一差动电流判断所述双端线路是否发生故障；如果所述双端线路发生故障，则所述保护主机发出所述第一断路器及所述第二断路器的跳闸信号；

所述保护从机用于与所述保护主机同步，采集第二电气量；接收所述第一电气量；根据所述第二电气量和所述第一电气量计算得出第二差动电流；根据所述第二差动电流判断所述双端线路是否发生故障；如果所述双端线路发生故障，则所述保护主机发出所述第一断路器及所述第二断路器的跳闸信号。

进一步地，所述的双端线路差动保护系统中，所述光线路终端和所述光网络单元只传输商用数据。

进一步地，所述的双端线路差动保护系统中，所述光线路终端和所述光网络单元由专用芯片或现场可编程门阵列构成。

根据本发明实施例第二方面，提供了一种双端线路差动保护方法，用于上述双端线路差动保护系统，所述方法包括以下步骤：

获取第一电气量及第二电气量，所述第一电气量为所述第一母线一端的输电线路的电气量，由所述保护主机采集得到，所述第二电气量为所述第二母线一端的输电线路的电气量，由所述保护从机与所述保护主机同步采集得到；

根据所述第一电气量及所述第二电气量计算得出第一差动电流及所述第二差动电流，第一差动电流由所述保护主机计算得出，第二差动电流由所述保护从机计算得出；

根据所述第一差动电流及所述第二差动电流判断所述双端线路是否发生故障；

如果所述双端线路发生故障，则发出所述第一断路器及所述第二断路器的跳闸信号；

进一步地，所述双端线路差动保护方法中，所述根据第一电气量及所述第二电气量计算得出第一差动电流及所述第二差动电流之前，包括：

所述保护主机与所述保护从机之间，通过所述光线路终端和光网络单元之间交换电气量信息。

进一步地，所述双端线路差动保护方法中，所述保护主机与所述保护从机之间，通过所述光线路终端和光网络单元之间交换电气量信息，具体为：所述光线路终端和所述光网络单元之间通过私有协议交换电气量信息，或通过IEC 61850协议交换SMV、GOOSE报文和MMS报文。

进一步地，所述双端线路差动保护方法中，所述光线路终端和所述光网络单元之间通过IEC 61850协议交换SMV、GOOSE报文和MMS报文，具体为：所述SMV、所述GOOSE报文和所述MMS报文带宽分配采用固定轮询周期和动态带宽分配的方法。

进一步地，所述双端线路差动保护方法中，所述SMV、GOOSE报文和MMS报文带宽分配采用固定轮询周期和动态带宽分配的方法，具体为：

设置一种新的REPORT上传和/或GATE下发机制，上行带宽划分为所述SMV、所述GOOSE报文、所述MMS报文三类，设置三个优先级，所述SMV优先级最高，所述GOOSE报文次之，所述MMS报文最低。

进一步地，所述双端线路差动保护方法中，所述保护从机与所述保护主机同步采集，具体为：采用延时补偿手段或IEEE 1588对时方式实现采样信息同步。

进一步地，所述双端线路差动保护方法中，所述采用延时补偿手段或IEEE 1588对时方式实现采样信息同步，具体为：

所述光线路终端根据内部晶振、同步于外部GPS或北斗时钟，输出秒脉冲或对时报文至所述保护主机；

所述保护主机的采样脉冲同步于所述光线路终端的秒脉冲或对时报文；

所述光网络单元通过延时补偿手段或IEEE 1588和所述光线路终端的秒脉冲实现同步对时，并输出秒脉冲或对时报文；

所述保护从机的采样脉冲同步于所述光网络单元的秒脉冲或对时报文。

由以上技术方案可知，本发明提供的一种双端线路差动保护系统及方法。所述双端线路包括：设有第一母线和第一断路器的第一变电站、设有第二母线和第二断路器的第二变电站，以及连接于所述第一变电站与所述第二变电站之间的输电线路，所述系统包括：保护主机、保护从机、光线路终端、光网络单元及光纤；所述保护主机及所述光线路终端设于所述第一变压站内，所述保护从机及所述光网络单元设于所述第二变压站内，所述保护主机通过所述光线路终端与所述光纤连接，所述保护从机通过所述光网络单元与所述光纤连接，所述光纤由一根纤芯构成。所述方法包括：获取第一电气量及第二电气量，所述第一电气量为所述第一母线一端的输电线路的电气量，由所述保护主机采集得到，所述第二电气量为所述第二母线一端的输电线路的电气量，由所述保护从机与所述保护主机同步采集得到；根据所述第一电气量及所述第二电气量计算得出第一差动电流及所述第二差动电流，第一差动电流由所述保护主机计算得出，第二差动电流由所述保护从机计算得出；根据所述第一差动电流及所述第二差动电流判断所述双端线路是否发生故障。本发明利用以太网无源光网络的点对点通信的快速稳定的延时特性，仅用一根纤芯就可以在保证同步性能和SMV、GOOSE报文快速可靠传输的基础上，还能传输MMS报文，实现装置的远端配置和信息调用，可节省光纤纤芯资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据实施例示出的一种双端线路差动保护系统结构示意图；

图2为根据实施例示出的另一种双端线路差动保护系统结构示意图；

图3为根据实施例示出的一种双端线路差动保护方法流程图；

图4为根据实施例示出的固定轮询周期和动态宽带分配机制的原理图。

图示说明：

其中，1-第一变压站，2-第一母线，3-第一断路器，4-保护主机，5-输电线路，6-光纤，7-从变电站，8-第二母线，9-第二断路器，10-保护从机，11-光线路终端，12-光网络单元。

具体实施方式

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的第一方面，提供一种双端线路差动保护系统。

实施例一

请参阅图1，本实施例提供了一种双端线路差动保护系统，所述双端线路包括：设有第一母线2和第一断路器3的第一变电站1、数个设有第二母线8和第二断路器9的第二变电站7，以及连接于所述第一变电站1与所述第二变电站7之间的输电线路5，所述系统包括：保护主机4、保护从机10、光线路终端11、光网络单元12和光纤6；

所述保护主机4及所述光线路终端11设于所述第一变压站1内；

所述保护从机10及所述光网络单元12设于所述第二变压站7内；

所述保护主机4通过所述光线路终端11与光纤6连接；

所述保护从机10通过所述光网络单元12与光纤6连接；

所述光纤6由一根纤芯构成；

所述保护主机4用于采集第一电气量，所述第一电气量为所述第一母线2一端的输电线路的电气量；接收第二电气量，所述第二电气量为所述第二母线8一端的输电线路的电气量；根据所述第一电气量和所述第二电气量计算得出第一差动电流；根据所述第一差动电流判断所述双端线路是否发生故障；如果所述双端线路发生故障，则所述保护主机4发出所述第一断路器3及所述第二断路器9的跳闸信号；

所述保护从机10用于与所述保护主机4同步，采集第二电气量；接收所述第一电气量；根据所述第二电气量和所述第一电气量计算得出第二差动电流；根据所述第二差动电流判断所述双端线路是否发生故障；如果所述双端线路发生故障，则所述保护主机4发出所述第一断路器3及所述第二断路器9的跳闸信号。

本发明的一种双端线路差动保护系统的工作过程为：保护从机1与保护主机4同步采集电气量，保护主机4采集所述第一母线2一端的输电线路的第一电气量，保护主机10采集所述第二母线8一端的输电线路的第二电气量，保护从机10与保护主机4之间交换电气量信息，保护从机10与保护主机4根据第一电气量和第二电气量分别计算差动电流，根据差动电流判断所述双端线路是否发生故障。若双端线路发生故障，跳第一断路器3和第二断路器9以隔离故障。

本发明利用以太网无源光网络的点对点通信的快速稳定的延时特性，仅用一根纤芯就可以在保证同步性能和SMV、GOOSE报文快速可靠传输的基础上，还能传输MMS报文，实现装置的远端配置和信息调用，可节省光纤纤芯资源。

进一步地，所述的双端线路差动保护系统中，所述光线路终端11和所述光网络单元12只传输商用数据。支撑以太网无源光网络的光线路终端11和光网络单元12不同于传统用于家庭上网，仅仅传输商用数据的光线路终端11和光网络单元12，其管理功能可相对简化，实现光线路终端11和光网络单元12之间的高精度同步和报文的快速、可靠传输。

进一步地，所述的双端线路差动保护系统中，所述光线路终端11和所述光网络单元12由专用芯片或现场可编程门阵列构成。光线路终端11和光网络单元12管理功能相对简化，实现光线路终端11和光网络单元12之间的高精度同步和报文的快速、可靠传输。

实施例二

请参阅图2，本实施例提供了另一种双端线路差动保护系统，光线路终端11内置于所述保护主机4；光网络单元12内置于所述保护从机10；本实施例提供的双端线路差动保护系统的其他结构均参照实施例一提供的双端线路差动保护系统，在此不再赘述。

由以上技术方案可知，本发明提供的一种双端线路差动保护系统。所述双端线路包括：设有第一母线2和第一断路器3的主变电站1、设有第二母线8和第二断路器9的从变电站7，以及连接于所述主变电站2与所述从变电站7之间的输电线路5，所述系统包括：保护主机4、保护从机10、光线路终端11、光网络单元12和光纤6；所述保护主机4及所述光线路终端11设于所述第一变压站1内；所述保护从机10及所述光网络单元12设于所述第二变压站7内；所述保护主机4通过所述光线路终端11与光纤6连接；所述保护从机10通过所述光网络单元12与光纤6连接；所述光纤6由一根纤芯构成。本发明利用以太网无源光网络的点对点通信的快速稳定的延时特性，仅用一根纤芯就可以在保证同步性能和SMV、GOOSE报文快速可靠传输的基础上，还能传输MMS报文，实现装置的远端配置和信息调用，可节省光纤纤芯资源。

根据本发明的第二方面，提供一种双端线路差动保护方法。

请参阅图3，本实施例提供了一种双端线路差动保护方法，用于本发明的第一方面提供的双端线路差动保护系统，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、获取第一电气量及第二电气量，所述第一电气量为所述第一母线一端的输电线路的电气量，由所述保护主机采集得到，所述第二电气量为所述第二母线一端的输电线路的电气量，由所述保护从机与所述保护主机同步采集得到；

步骤S2、根据所述第一电气量及所述第二电气量计算得出第一差动电流及所述第二差动电流，第一差动电流由所述保护主机计算得出，第二差动电流由所述保护从机计算得出；

步骤S3、根据所述第一差动电流及所述第二差动电流判断所述双端线路是否发生故障；

如果所述双端线路发生故障，则执行S4；

步骤S4、发出所述第一断路器及所述第二断路器的跳闸信号。

本发明利用以太网无源光网络的点对点通信的快速稳定的延时特性，仅用一根纤芯就可以在保证同步性能和SMV、GOOSE报文快速可靠传输的基础上，还能传输MMS报文，实现装置的远端配置和信息调用，可节省光纤纤芯资源。

进一步地，所述双端线路差动保护方法中，所述根据第一电气量及所述第二电气量计算得出第一差动电流及所述第二差动电流之前，包括：

所述保护主机4与所述保护从机10之间，通过所述光线路终端11和光网络单元12之间交换电气量信息。

进一步地，所述双端线路差动保护方法中，所述保护主机4与所述保护从机10之间，通过所述光线路终端11和光网络单元12之间交换电气量信息，具体为：所述光线路终端11和所述光网络单元12之间通过私有协议交换电气量信息，或通过IEC 61850协议交换SMV、GOOSE报文和MMS报文。用上述报文实现线路分相电流差动保护计算，实现线路保护远方配置和信息调用。

进一步地，所述双端线路差动保护方法中，所述光线路终端11和所述光网络单元12之间通过IEC 61850协议交换SMV、GOOSE报文和MMS报文，具体为：所述SMV、所述GOOSE报文和所述MMS报文带宽分配采用固定轮询周期和动态带宽分配的方法。采用固定轮询周期和动态带宽分配的方法解决了IEC61850协议中SMV、GOOSE和MMS报文对于通信快速性、可靠性的协调问题；确保SMV每秒4000点等间隔传输，GOOSE报文开关量是否变位以动态间隔可靠传输，同时确保MMS报文的传输效率。

进一步地，所述双端线路差动保护方法中，所述SMV、GOOSE报文和MMS报文带宽分配采用固定轮询周期和动态带宽分配的方法，具体为：

设置一种新的REPORT上传和/或GATE下发机制，上行带宽划分为所述SMV、所述GOOSE报文、所述MMS报文三类，设置三个优先级，所述SMV优先级最高，所述GOOSE报文次之，所述MMS报文最低。

请参阅图4，在每个轮询周期内，光线路终端给每一个光网络单元下发两次GATE授权，第一次下发的GATE授权包括最高优先级业务(SMV)带宽授权，如G1、G2、G'1、G'2，第二次下发的GATE授权包括中优先级业务(GOOSE报文)和低优先级业务(MMS报文)的带宽授权，如Gs1、Gs2、Gs'1和Gs'2。

光网络单元1(ONU1)在G1授权窗口内，首先上传SMV，并在SMV之后紧接着上传一个REPORT报文，光网络单元申请带宽时，按三个优先级别分开申请，光线路终端收到ONU1上传的REPORT报文时，首先对SMV带宽申请立即进行分配，并下发一个授权G'1至ONU1；同理，光网络单元2(ONU2)在G2授权窗口内做同样处理；在光线路终端收到所有光网络单元上传的REPORT报文后，统计所有光网络单元的中、低优先级带宽申请，统筹分配带宽，并将中、低优先级业务分配的带宽通过Gs'1、Gs'2授权下发告之相应的光网络单元。

本算法是根据在第N个轮询周期内收到的REPORT报文，对第(N+1)个轮询周期内带宽进行动态分配。从上述原理描述可以看出，动态带宽分配算法计算处理时间，并不占用带宽资源，整个动态带宽分配周期内不存在着任何空闲带宽浪费。

本算法采用带宽三次分配两次下发机制：光线路终端按SMV、GOOSE及MMS三种优先级依次完成对三种类型业务的带宽分配；高优先级SMV业务带宽单独用一个GATE授权报文下发；中、低优先级GOOSE、MMS业务带宽，为了避免过频繁下发GATE报文导致占用过多下行带宽资源，GOOSE、MMS业务带宽合并到一个GATE授权中进行下发。

本算法将每个动态带宽轮询周期人为划分为两段：SMV上传部分Tup和GOOSE、MMS上传部分Tdown，Tdba＝Tup+Tdown，初始化时设定Tup＝TN/2，Tup和Tdown示意说明如图1所示。在Tup时间段内，当光线路终端收到光网络单元上传的REPORT报文时，立即对REPORT中申请的最高优先级业务(SMV)带宽申请进行授权，并下发一个授权GATE给光网络单元，并更新一下轮询周期内的Tup值；在Tup窗口结束时，光线路终端开始统计所有光网络单元上传的GOOSE、MMS带宽申请，首先依次对所有光网络单元申请的中优先级业务(GOOSE报文)带宽申请进行带宽分配，然后再依次对所有光网络单元的申请的低优先级业务(MMS报文)带宽申请进行带宽分配，最后将GOOSE、MMS带宽授权合并到一个授权GATE中并下发给相应的光网络单元。

其中，Tup为SMV上传部分；Tdown为GOOSE，MMS上传部分；SV1、SV2分别为ONU1、ONU2在第N个BDA轮询周期内的SMV；R1、R2分别为ONU1、ONU2在第N个BDA轮询周期内的REPORT报文；G1、G2分别为OLT在第N个BDA轮询周期内下发给ONU1、ONU2用于第N+1个BDA轮询周期内的用于传输SV1、SV2的授权窗口；GOOSE1、MMS1、GOOSE2、MMS2分别为ONU1、ONU2在第N个BDA轮询周期内的GOOSE报文和MMS报文；Gs1、Gs2分别为OLT在第N个BDA轮询周期内下发给ONU1、ONU2用于第N+1个BDA轮询周期内的用于传输GOOSE1、MMS1、GOOSE2、MMS2的授权窗口。

采用两种带宽授权，三种不同带宽优先级分配；其中第一个带宽授权用于IEC 61850的SMV传送，第二个带宽授权用于IEC 61850协议的GOOSE报文和MMS报文传送，两者冲突时优先分配带宽给GOOSE报文。之所以采用两种带宽授权，首先是为了确保每个轮询周期内，所有光网络单元均能得到窗口授权，保证各SMV上传的实时性和可靠性。将GOOSE和MMS的授权合一，是为了减少授权开销，提高通信效率，在第二个授权内，当GOOSE和MMS带宽申请冲突时，将带宽优先分配给GOOSE报文，是为了确保GOOSE报文对实时性的要求。

进一步地，所述双端线路差动保护方法中，所述保护从机10与所述保护主机4同步采集得到，具体为：采用延时补偿手段或IEEE标准对时方式实现采样信息同步。采用延时补偿手段或IEEE标准对时方式实现采样信息同步可以使计算的差动电流更准确，避免由于时间不准而产生误差。

进一步地，所述双端线路差动保护方法中，所述采用延时补偿手段或IEEE 1588对时方式实现采样信息同步，具体为：

所述光线路终端11根据内部晶振、同步于外部GPS或北斗时钟，输出秒脉冲或对时报文至所述保护主机4；

所述保护主机4的采样脉冲同步于所述光线路终端11的秒脉冲或对时报文；

所述光网络单元12通过延时补偿手段或IEEE标准和所述光线路终端11的秒脉冲实现同步对时，并输出秒脉冲或对时报文；

所述保护从机10的采样脉冲同步于所述光网络单元12的秒脉冲或对时报文。

和保护主机相连的光线路终端依据一个本地时钟或时间计数器，按一个采样周期产生一个周期性采样时刻序列，并将包含采样时刻、采样周期、往返路径时延或下行路径时延的同步采样信息下发给和保护从机的光网络单元，从机采样时刻都由主机光线路终端产生并下发，从机依据此同步采样信息产生周期性采样脉冲；

由以上技术方案可知，本发明提供了一种双端线路差动保护系统及方法。所述双端线路包括：设有第一母线2和第一断路器3的主变电站1、设有第二母线8和第二断路器9的从变电站7，以及连接于所述主变电站2与所述从变电站7之间的输电线路5，所述系统包括：保护主机4、保护从机10、光线路终端11、光网络单元12和光纤6；所述保护主机4及所述光线路终端11设于所述第一变压站1内；所述保护从机10及所述光网络单元12设于所述第二变压站7内；所述保护主机4通过所述光线路终端11与光纤6连接；所述保护从机10通过所述光网络单元12与光纤6连接；所述光纤6由一根纤芯构成。所述方法包括：获取第一电气量及第二电气量，所述第一电气量为所述第一母线2一端的输电线路的电气量，由所述保护主机4采集得到，所述第二电气量为所述第二母线8一端的输电线路的电气量，由所述保护从机10与所述保护主机4同步采集得到；根据所述第一电气量及所述第二电气量计算得出第一差动电流及所述第二差动电流，第一差动电流由所述保护主机4计算得出，第二差动电流由所述保护从机10计算得出；根据所述第一差动电流及所述第二差动电流判断所述双端线路是否发生故障。本发明利用以太网无源光网络的点对点通信的快速稳定的延时特性，仅用一根纤芯就可以在保证同步性能和SMV、GOOSE报文快速可靠传输的基础上，还能传输MMS报文，实现装置的远端配置和信息调用，可节省光纤纤芯资源。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。