光纖復(fù)用保護通道傳輸時延差指標(biāo)研究

滕 玲，丁慧霞，劉 革，盧 錕

（1.中國電力科學(xué)研究院 北京 100192；2.四川省電力公司通信自動化中心通信處 成都 610041）

1 引言

線路保護類型主要有電流差動保護、距離保護和方向保護。對于線路縱聯(lián)距離和方向保護，沒有雙向時延差的要求。需要強調(diào)的是，在線路差動保護運行過程中，目前實用的線路差動保護均采用基于數(shù)據(jù)通道的同步方法，通道延時的雙向一致性是保證兩側(cè)保護裝置采樣同步的前提。

由于光纖傳輸網(wǎng)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，兩個節(jié)點之間不同方向的通信路由并不能完全保證一致。對于基于數(shù)據(jù)通道同步方法的線路差動保護，通信路由不同會導(dǎo)致雙向延時的不一致。裝置投運時即使雙向通道一致，運行過程中通道運行工況也可能發(fā)生變化，引起通道雙向延時不一致。通道雙向延時不一致，會影響兩側(cè)裝置采樣的同步性，輕則反映為差流異常，重則導(dǎo)致當(dāng)前實用的線路差動保護誤動，嚴重影響保護裝置甚至整個電力系統(tǒng)的安全運行。因為保護裝置沒有辦法監(jiān)視通道雙向延時的一致性，與通道誤碼不同，這個影響往往是隱性的，也被廣大設(shè)計和運行人員所忽略[1～5]。

本論文結(jié)合理論和測試分析，得出差動保護時延差對保護裝置的影響結(jié)論，分析并提出差動保護裝置所允許的最大時延差指標(biāo)，最后對現(xiàn)有差動保護的同步采樣算法進行改進，以提高保護裝置可靠性。

2 差動保護時延差要求

對于線路保護來說，分相電流差動保護具有選相能力和網(wǎng)絡(luò)拓撲能力，不受系統(tǒng)振蕩、非全相運行的影響，可以反映各種類型的故障，是理想的線路主保護。目前，光纖差動電流保護應(yīng)用廣泛[6～9]，其構(gòu)成如圖1所示。保護設(shè)備根據(jù)本側(cè)和對側(cè)的電流計算差動電流和制動電流，并根據(jù)計算結(jié)果判別區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障。傳輸線路兩側(cè)信息的光纖通道是保護系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠、快速和準(zhǔn)確地傳輸信號是保護正確動作的前提。

當(dāng)雙向通道延時不相等時，存在一定的時延差。設(shè)從機向主機發(fā)送方向通道延時為Td1，主機向從機發(fā)送方向通道延時為Td2，則橫向不對稱延時為T1=|td1-td2|，通道縱向?qū)ΨQ延時為，為發(fā)送延時與接收延時的平均值。

由于發(fā)送延時與接收延時不等造成的同步調(diào)整時間誤差為：

50 Hz的交流量1 ms相應(yīng)角度為360°/20=18°，同步調(diào)整誤差

若橫向不對稱延時為2 ms，則同步調(diào)整誤差θ=18°，若橫向不對稱延時為1 ms，則同步調(diào)整誤差θ=9°。

圖2中，主機以內(nèi)部時鐘為基準(zhǔn)，按固定周期采樣，同時向從機發(fā)送電流報文。從機根據(jù)報文接收時刻減去通道時延得出主機的采樣時刻，再與本機采樣時刻比較得到兩側(cè)裝置的采樣時刻誤差，如圖2所示，此誤差ΔTs=ΔTd。正常運行或區(qū)外故障時，若不考慮電容電流，由于兩側(cè)通道延時不一致而得到的差動電流Icd為：

其中，IL為線路負荷電流。

若制動電流為Isd=2ILk，其中k為制動系數(shù)，如果滿足Icd≥Isd即：則兩側(cè)裝置啟動后，線路差動保護就可能誤動，此時k=1/6,θ≥19°，相應(yīng)橫向允許不對稱延時為2 ms。

以上分析得出：對于差動保護,雙向時延差直接影響同步調(diào)整誤差；差動保護最大允許傳輸時延差與制動系數(shù)相關(guān),呈反正弦函數(shù)。

3 時延差測試與分析

3.1 時延差對保護裝置的影響

保護裝置的一路經(jīng)通信接口裝置與2 M復(fù)用數(shù)字通道連接，另一路用光纖通道直連，如圖3所示，使保護裝置的收發(fā)路徑不一致，從而引入時延差，測試時延差對保護裝置的影響。

圖 3中，A、B、C 和D表示SDH（synchronous digital hierarchy,同步數(shù)字體系）傳輸設(shè)備的4個網(wǎng)元。實驗室測試時信號從A網(wǎng)元上板卡，從C網(wǎng)元下板卡,A和B網(wǎng)元間通過20.04 km的光纖連接，其他網(wǎng)元之間的光纖0.04 km。保護裝置之間及保護裝置與通信接口裝置之間的光纖長度為5 m。

按圖連接好裝置后，專用光纖通道的時延不變；2M復(fù)用數(shù)字通道的時延可通過改變傳輸信號在 A—B—C—D網(wǎng)元之間傳輸?shù)娜?shù)來改變信號的傳輸時延。如半圈時信號路由儀表—A—B—C—儀表，一圈半時信號路由儀表—A—B—C—D—A—B—C—儀表，依此類推，可以得到不同的時延差。

2M復(fù)用通道這一路的時延用2M測試儀表測量，如圖4所示。

圖4中，網(wǎng)元A、C之間開通2M業(yè)務(wù)，其中，A的發(fā)送端和C的接收端直連，A的接收端接測試儀表Acterna 2M的發(fā)送口，C的發(fā)送端接測試儀表Acterna 2M的接收口。

通過Acterna 2M測試表可以得出信號在復(fù)用通道傳輸?shù)拇_切時延，當(dāng)此時延在30 ms以上時，信號通過通信接口和繼電保護產(chǎn)生的傳輸時延均可以忽略不計，因為通信接口與繼電保護裝置間通過5 m光纖連接，產(chǎn)生的時延是0.005 km×5 μs/km，此值很小可以忽略；信號通過通信接口和保護裝置的時延小于0.1 ms，相對于30 ms可以忽略不計。專用光纖通道長度為5 m，產(chǎn)生的時延為0.025 μs，也可以忽略。

所以，圖4中所示連接方式的通道時延差在幾十ms量級時，通道時延差可以約等于由Acterna 2M測試表測得信號在復(fù)用通道的傳輸時延。

通過測試可得，當(dāng)時延差小于38.534 ms時，繼電保護裝置正常，當(dāng)時延差再增大時，兩側(cè)繼電保護裝置均無采樣報文，但沒有告警。所以，繼電保護通道時延差不易過大。

測試證明：差動保護裝置對通道時延雙向不一致，缺少規(guī)避措施，在實際運行中時延不一致將是造成保護誤動的重要因素。

3.2 保護裝置、通道和電網(wǎng)的聯(lián)動測試

為更真實地反應(yīng)通道時延差對保護裝置動作的影響，將保護裝置、通道和電網(wǎng)進行聯(lián)動測試，如圖5搭建聯(lián)動試驗環(huán)境。

在繼電保護通道單方向增加時延,制造保護通道雙向時延差,同時模擬電網(wǎng)故障,觀察保護裝置的動作情況。測試時，在保護通道的單方向串進時間延遲裝置,另一方向無延遲，設(shè)置傳輸時延延遲參數(shù)，使雙向通道時延差由1 ms增加至9 ms，同時模擬線路區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，測試國內(nèi)主流廠家的傳統(tǒng)保護與數(shù)字式保護的動作情況。

測試結(jié)果表明：通道雙向時延差在4 ms內(nèi)，所有裝置區(qū)內(nèi)故障均能正確選相動作，區(qū)外故障不誤動；當(dāng)通道雙向時延差達到5 ms時，所有裝置區(qū)內(nèi)故障均能正確選相動作，部分保護裝置在區(qū)外故障時出現(xiàn)誤動；當(dāng)通道時延差增加到9 ms時，所有裝置區(qū)內(nèi)故障均能正確選相動作，所有保護裝置在區(qū)外故障時均誤動。

由此看出：通道時延差對裝置區(qū)外故障比區(qū)內(nèi)故障的影響嚴重，時延差一定時，區(qū)外故障更易引起裝置誤動。

4 判斷路由變化的算法研究

上述測試中，通信電路單向傳輸時延都采用環(huán)回測試，即在測試遠端將信號環(huán)回至近端，儀表發(fā)送信號經(jīng)電路環(huán)回，根據(jù)儀表的發(fā)送和接收時鐘得出雙向時延，測試結(jié)果的一半即為單向時延，所以實際通道中雙向時延差的確定很難。線路差動保護也采用該時延測試方法，若能分別測試單向時延，則能夠準(zhǔn)確計算出雙向時延差，拓展了現(xiàn)有差動保護的應(yīng)用條件。

理論上，可在現(xiàn)場電路兩端各配置一組精確的時鐘源，兩時鐘源要求完全同步，一端向?qū)Χ税l(fā)送帶有時間標(biāo)簽的報文，對端將收到報文的時間與對端時間的差值即為單向時延。此方法理論上可行，但測試成本昂貴，并不實用。

這里首次提出一種路由時延變化判斷的算法，通過此方法在雙向路由一致的初始條件下，即使無法精確計算出單向時延和時延差，也可以準(zhǔn)確判斷出傳輸時延是變大或變小，傳輸路由是變長或變短，從而觸發(fā)裝置進行重新采樣同步調(diào)整，以減小時延差對傳輸通道的影響。

如圖6所示，主機發(fā)送從機接收的單向傳輸時延變化的計算步驟如下。

①首先配置雙向路由一致，并按照圖6通道時延測試方法測試雙向時延之和。由于雙向路由一致，因此單向時延為雙向時延之和的一半，以此作為該計算的起始條件。

②主機向從機發(fā)送帶有時間標(biāo)記（Tmt1）的報文，Tmt1以主機時間為基準(zhǔn)。

③從機記錄接收到含Tmt1報文的時間Tsr1，Tsr1以從機的時間為基準(zhǔn)；

④計算并保存△Tms1=Tsr1-Tmt1；

⑤主機在下一報文發(fā)送時刻，向從機發(fā)送帶有時間Tmt2的報文，Tmt2以主機時間為基準(zhǔn)；

⑥從機記錄接收到含Tmt2報文的時間Tsr2，Tsr2以從機的時間為基準(zhǔn)；

⑦計算并保存△Tms2=Tsr2-Tmt2；

⑧計算并保存△Tms2-△Tms1；

⑨以此不斷重復(fù)，計算并保存△Tms(n)-△Tms(n-1)。

記錄分析相鄰△Tms的變化，即△Tms(n)-△Tms(n-1)。當(dāng)主機發(fā)送從機接收的單向路由沒有發(fā)生改變時，該結(jié)果應(yīng)為0；當(dāng)主機發(fā)送從機接收的單向路由發(fā)生改變時該結(jié)果不為0。若差值為正值，說明通道路由變長，傳輸時延變大；若差值為負值，說明路由變短，傳輸時延變小。

本算法特點是：判斷雙向路由的改變不需添加硬件設(shè)備，只需對軟件進行部分修改，即可改善差動保護動作的可靠性。另外，也可應(yīng)用于對傳輸時延變化敏感的業(yè)務(wù)中，如PMU等。

5 差動保護時延差性能指標(biāo)

光纖網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸環(huán)節(jié)復(fù)雜，信號的傳輸時延存在抖動，要求光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延絕對一致是不嚴格的。差動保護時延差會引起保護裝置誤動，為保證裝置的可靠動作，在配置光纖復(fù)用通道時應(yīng)盡量遵循以下要求[14～16]：

·網(wǎng)元的交叉連接采用雙向交叉連接配置；

·定期檢查通道路由，對于差動保護裝置測得的傳輸時延進行定期查看，對由于運行狀況引起的路由變化進行重點檢查，保持雙向路由一致。

6 結(jié)束語

傳輸通道路由不一致必然引入時延差，時延差過大繼電保護裝置顯示無采樣報文，區(qū)外故障更易引起保護裝置誤動，因此通道時延差是影響繼電保護動作可靠性的一個重要指標(biāo)。由于傳輸線路自身的時延具有一定變化，要求雙向時延絕對一致是不可能的，理論分析和測試證明時延差小于，即可滿足通道雙向時延差要求。為了提高保護裝置動作的可靠性，文中對現(xiàn)有的同步采樣算法進行深化，給出了判斷時延變化的算法，根據(jù)時延變化程度判定路由改變，同時觸發(fā)裝置進行重新采樣同步調(diào)整，避免保護裝置的誤判，具有可行性。

1 周玉蘭，王永俊，舒治淮.2002全國繼電保護與安全自動裝置運行情況.電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(9)：55～60

2 周玉蘭，詹榮榮，舒治淮等.2003年全國電網(wǎng)繼電保護與安全自動裝置運行情況與分析.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(20)：48～53

3 周玉蘭，王玉玲，趙曼勇.2004年全國電網(wǎng)繼電保護與安全自動裝置運行情況.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(16)：42～48

4 沈曉凡，舒治淮，呂鵬飛等.2006年國家電網(wǎng)公司繼電保護裝置運行情況.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(3)：18～21

5 沈曉凡，舒治淮，劉寧等.2007年國家電網(wǎng)公司繼電保護裝置運行情況.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(16)：5～8

6 王鋼,丁茂生,李曉華等.數(shù)字繼電保護裝置可靠性研究.中國電機工程學(xué)報,2004,24(7):47～52.

7 王明俊.繼電保護中的信息技術(shù).電網(wǎng)技術(shù)，1999，23(1)：1-3,8.

8 吳彥皎,王澎,孫剛.分析繼電保護不正確動作的主要步驟和方法.電網(wǎng)技術(shù),2004,28(20):80～82

9 高厚磊,江世芳，賀家李.輸電線路新型電流差動保護的研究.中國電機工程學(xué)報,1999,19(8):49～53

10 王旭青.繼電保護的監(jiān)測與分析.電網(wǎng)技術(shù),2006（30）

11 石昭郡，林小村，文杰等.電力系統(tǒng)繼電保護配置及定值管理系統(tǒng).電網(wǎng)技術(shù)，1996，20(8)：26～29

12 趙大平，孫業(yè)成.淺析SDH光纖通信傳輸繼電保護信號的誤碼特性和時間延遲.電網(wǎng)技術(shù)，2002，26(10)：66～70

13 陳為化，江全元，曹一家.考慮繼電保護隱性故障的電力系統(tǒng)連鎖故障風(fēng)險評估.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(13)：14～19

14 林鋼松，楊先貴，楊勇.湖北電網(wǎng)繼電保護運行管理系統(tǒng).電網(wǎng)技術(shù)，1997，21(8)：49～51

15 曾克娥.電力系統(tǒng)繼電保護裝置運行可靠性指標(biāo)探討.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(14)：83～85

16 張葆紅.廣東電網(wǎng)220 kV及以上系統(tǒng)繼電保護運行管理.電網(wǎng)技術(shù)，1998，22(11)：10～14