數字化光纖差動保護改進插值法與時鐘接力法數據同步

曹小拐，曹團結,張青杰，宋艷

（1.中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州510405;2.國網電力科學研究院，江蘇南京210003）

數字化線路光纖差動保護需要解決以下幾個關鍵問題。

1）按照IEC 60044-7/8標準[1]制造的電子式互感器及其合并單元（MU），不具備接收從保護裝置到MU方向的控制命令（如采樣時刻調整）的接口，以致目前廣泛使用的通過調整采樣時刻實現兩側數據同步的方法在ET接入的光纖差動保護裝置中不能適用。

2）線路一次電流經ET變換，再經合MU傳送到保護裝置的過程,存在比較明顯的延時，一般在幾百微秒以上，甚至超過1 ms。

3）先期投運的數字化變電站中的線路對側互感器仍然是傳統互感器，光纖差動保護裝置要能適應這種一側是ET接入,另一側是傳統互感器接入的情況。

4）采用IEC 61850-9[2-3]接口協議輸出的電子式互感器，受過程層網絡工況的影響，二次傳輸延時可能會不穩定，且變動幅度較大。最大的變動幅度可能將近4 ms。

由于以上幾個方面的困難，在傳統光纖差動保護中應用良好的數據同步方法將不能或不能直接應用于ET接入的光纖差動保護裝置中。

使用全球定位系統GPS（Global Position System）為整個差動保護系統提供一個統一的高穩定的基準時鐘，來實現采樣數據的同步,這是一個簡單直接的方法[4]。但保護裝置若依賴GPS，可靠性會降低。另外，使用他國控制的GPS系統，還可能會受國際政治、軍事關系的影響。

繼電保護專業注重可靠性，保護裝置的設計總是希望用盡可能少的設備、器件、外部條件來完成所需的功能。減少對外部設備的依賴,從體系結構上減少了可能的故障點，對保證保護的可靠性有全局性的意義。本文基于這一原則探討適用于數字化光纖差動保護的數據同步新方法。

1 插值法數據同步的改進

針對上節所提問題，文獻[5-6]提出了一種不依賴于GPS同步，而通過插值實現數據同步的新方法。該方法可以在不調整采樣時刻的情況下,通過插值得到虛擬的同步采樣值，可以有效解決引言中提出的第1個問題，同時不依賴于GPS。下面在該方法的基礎上討論如何解決余下的問題。

現有的各種不依賴于GPS的數據同步方法，包括文獻[5]提出的插值法，應用的立足點都是在傳統互感器接入的基礎上。在這一應用基礎上，一個隱含的前提是裝置在二次側某時刻得到的采樣值，就代表了同一時刻（差別極小以致可以忽略差別）的一次側的量值，在裝置中（二次側）實施的采樣數據在時間維度上的同步處理，與在一次側處理是等效的。

ET接入的光纖差動保護，兩側一次電量變送到二次側要有延時，首先考慮兩側二次變送延時都是穩定的情況。參考圖1的示意，圖中M1、M2、M3（N1、N2、N3），代表本側（對側）ET的采樣時刻，由于ET采樣部分晶振的相對穩定性，在較長的時間內是等間隔的（M1與M2之間的時間間隔與N1與N2之間的時間間隔肯定存在微小的差別，但由于量值太小，可忽略）。設本側電量經ET變送延時te1到達二次側保護裝置，對側電量經ET變送延時te2到達二次側保護裝置，兩側測量值的交換與同步過程在二次側即保護裝置之間完成。若按照前文插值法的處理過程，在本側m1點（m1時刻）發送一幀數據報文給對側，對側在收到報文之后于n2點回送一幀數據報文，該報文中包含了回送延時tm，本側裝置于mr時刻收到對側回送報文。在假設通信通道雙向延時相等的條件下，本側裝置可根據式td=（mr-m1-tm）/2算得通道延時td，進而推斷對側n2時刻對應本側的mr點之前td時間的mc點時刻。傳統插值法在m2和m3點之間通過插值求得虛擬的mc點采樣值，mc點與對側n2點同步。但在ET接入的情況下，需要對上述方法做出修正。修正的原則是保證兩側二次側同步過程的結果使得對應的一次電流值是同一時刻的，即同步的。圖1中的對側二次n2點對應到一次側為N2點，兩者間隔te2，N2點對應本側一次側為Md點，再對應到本側二次側為md點，Md與md點之間間隔時間為te1，md與mc之間間隔Δte=te2-te1，要使兩側一次電量在二次側處理成同步，插值點應由mc點前推Δte時間至md點。

圖1 改進插值法數據同步過程示意圖

以上過程的前提條件有2個，一個是保護裝置之間的通信通道雙向延時相等，這跟傳統光纖差動保護的數據同步方法的前提是一樣的，在工程中也是完全能保證的；另外一個是兩側的二次變送延時是穩定的，這一條件在MU輸出接口采用滿足IEC 60044-8標準規定的點對點或點對多點的串行接口時也是完全可以滿足的。因此可以說，引言中提出的第2個問題，只要MU輸出時使用IEC 60044-8的接口，保護裝置采用本文提出的改進插值法進行數據同步即可解決。

MU使用IEC 60044-8接口向保護裝置輸出數據時，整個系統二次傳變延時是可計算，也可實測出來的。由于該延時穩定，可在事先測出后，以整定值的形式通知保護裝置。二次傳變延時由以下幾個部分組成。

1）從ET的AD采樣啟動開始，到MU收到的延時。該延時在IEC 60044-8有規定，額定為2或3個采樣周期時間。如北京南瑞航天電氣公司生產的NAELOSZB-220W型全光纖式電流互感器，其采樣周期為208.3 μs（采樣速率為96點/20 ms）,額定延時為2個采樣周期，計416.6 μs。

2）從MU處理器接收到AD數據,然后進行處理、打包成幀開始，到處理器開始從串行口發送第一幀數據的時間。該時間不易直接計算，但可實測得到。

3）MU處理器通過串行口向保護裝置發送完一幀完整的數據報文的時間。該時間可由數據速率的倒數和傳送字節總數相乘得到。標準規定MU數字輸出接口速率為2.5 Mbit/s，每幀報文長度為56 byte，共448 bit，總計耗時可計算得知為179.2 μs。

4）從保護裝置處理器接收到MU傳來的數據,然后進行處理,到將數據用于同步過程的時間。該時間也可經測算得到。

以上4部分的總和即為整個二次傳變延時。

對引言中第3個問題所提的一側ET接入，一側傳統互感器接入的情況，只要將傳統互感器的二次變送延時視為零值，問題即迎刃而解。

改進插值法進行數據同步不依賴于任何外部設備，可靠性高；不調整采樣時刻，適應于IEC 6004-8標準規定的合并單元功能結構條件，并能靈活適用于線路一側為ET,一側為傳統互感器的情況。

下面考慮如何解決MU以IEC 61850-9標準接口傳送采樣數據的數字化光纖差動保護的雙端數據同步問題。

2 解決IEC 61850-9標準接口保護裝置數據同步問題的思路

圖1所示的數據傳送與同步的過程分析，給出了一些一般性的啟示。

1）數據同步的目標，始終是要保證參加差動運算的電壓電流值，追溯到一次側是同一時刻的。為此，各側ET二次變送延時的影響必須被計及到保護裝置的數據同步過程之中。

2）對保護裝置而言，從本質上看，補償兩側ET二次變送延時的時間差,而非它們的數值本身是數據同步的核心內容。

在考慮解決引言中提出的第4個問題，即采用IEC 61850-9接口協議輸出的電子式互感器，受過程層網絡工況的影響，二次變送延時不穩定的問題時，努力方向應該是，實時獲得每一幀從ET經MU傳送到保護裝置的采樣數據的二次變送延時，或者每一次的兩側延時差,在此基礎上才有可能在二次側實施補償，保證一次側數據同步。

從實際情況來看，符合IEC 61850-9標準的MU輸出接口，并沒有也不能直接給出每幀采樣數據報文的二次變送延時，引言中第4個問題要單純限定在IEC 61850-9標準本身的框架內不能被解決。當然，上述評判是在不依賴除MU和保護裝置本身之外的其他設備而能完成數據同步的前提下作出的。

3 解決IEC 61850-9接口的裝置數據同步問題的外部技術條件與基礎

1）分別安裝于兩變電站中的保護裝置之間的縱聯光纖通信通道，未因數字化變電站技術的推廣和應用而有太多變化，電力運行部門自建或租用的光纖通道，提供給線路差動保護用的通道及其路由雙向延時是相等的，這跟傳統光纖差動保護的數據同步方法的前提相同，在工程中也是完全能保證的。

2）在數字化變電站內，所有間隔層設備（如保護裝置）與過程層設備（如MU裝置）的采樣脈沖信號每秒鐘接受全站同一基準時鐘的秒脈沖信號1 pulse/s同步一次（相位鎖定）。全站基準時鐘（主鐘）通過GPS接收機接收天空中GPS衛星的授時信號，該信號的上升沿與國際標準時間UTC（Universal Time Coordinated，世界調整時間）的同步誤差不超過1 μs。站內主鐘自身具有高精度守時時鐘，若與GPS時鐘同步后再失步，在其后較長時間內仍然可以保持與UTC同步。

3）ET的傳感頭部分或遠端模塊的ADC采樣起動由MU發來的采樣信號起動，MU的采樣信號由1 pulse/s經倍頻后變成ET的采樣頻率，發送到ET的ADC轉換部分，啟動AD采樣。這樣一來ET的采樣時刻通過公共的1 pulse/s與保護裝置之間保持了一種固定的關系。

4）線路各相ET經同步采樣得到的數據,先經MU合并打包成幀，然后送給保護裝置。IEC 61850-9規定的MU輸出通信報文中，包含一個16位的樣本計數，此16位計數用以檢查連續更新的幀數，在每出現一個新幀時加1，并且該計數隨每一個同步脈沖1 pulse/s出現時置零。因此可以說，樣本計數值實際上具有相對時間的意義。

5）MU輸出的標準幀格式中，包含有ET的額定延時時間，可以是2Ts、3T（sTs為采樣周期），對采用同步脈沖的MU，也可以為3 ms（10% ～100%）。該延時時間給出了一次電流變送到MU的過程延時。

4 適用于IEC 61850-9過程層標準的時鐘接力法數據同步方法

在第3節討論的技術條件和基礎之上，數字化線路差動保護的數據同步可按下述方法進行。

線路兩側4臺裝置處理器各設一個內部計時器（時鐘），參考圖2的示意，對側MU、對側保護裝置、本側保護裝置、本側MU的內部計時器分別用tN、tn、tm、tM表示，圖中橫向從左到右表示絕對時間的先后。

圖2 時鐘接力法數據同步過程示意圖

在本方法中，要求本側MU與本側保護裝置之間通過本側1 pulse/s（M）同步，在每個1 pulse/s（M）脈沖的前沿，tM、tm同時置0；對側MU與對側保護裝置之間通過對側1pulse/s（N）同步，在每個1 pulse/s（N）脈沖的前沿，tN、tn同時置0。注意1 pulse/s（M）與1 pulse/s（N）之間不要求同步。

由于各側MU與保護裝置之間有了同步的時鐘，MU的任一幀數據傳送到保護裝置的延時就可以測得，MU傳送到保護裝置的數據報文中包含了樣本計數值，該樣本計數值乘以ET的采樣間隔時間Ts,就是MU的計時器讀數。如對側MU發送一個樣本計數為N1的數據幀，對側保護裝置收到后可知該幀發出時tN的讀數為N1·Ts。設保護裝置收到該幀數據時tn的讀數為tn1，則可知該幀數據的延時為tn1-N1·Ts。該延時與數據報文中包含的ET額定延時Tp2之和即為對側ET的二次傳變總延時te2。

本側ET二次傳變延時也可通過同樣的方法實時測得。一旦兩側ET二次變送延時可知，數據同步的過程就可以完全參照圖1所示的方法進行。這里討論另外一種新方法，可以更簡潔地完成兩側的數據同步。

設本側保護裝置在tm1時刻發送一幀報文到對側保護裝置，對側保護裝置于tn2點收到并于tn3點回送一幀報文給本側保護裝置，該幀報文中包含了最新收到的同側MU送來的采樣數據、tn2、tn3以及同側ET二次變送延時Tp2。本側保護裝置于tm4點收到返回報文，于是可根據等腰梯形法計算出通道延時td。

也可計算出tn與tm兩個計時器的讀數差Δtmn。

由于tn與tN,tm與tM已各自經1 pulse/s（N）和1 pulse/s（M）同步，于是我們也可知兩側MU的計時器的讀數差tM-tN=ΔtMN=Δtmn。這就是時鐘的接力。

得知了兩側MU的時鐘差以后，便很容易知道，對側送來的樣本計數為N1的采樣數據與本側計時器讀數為tmd=N1·Ts+ΔtMN時的數據是同步的。以上是假設兩側ET額定延時相等時的結論，若兩側ET額定延時不相等，對側樣本計數為N1的的采樣數據與本側計時器讀數為tmd=N1·Ts-Tp2+ΔtMN+Tp1時的數據才是同步的，式中Tp1為本側ET額定延時。又由于tmd不太可能恰巧是Ts的整數倍，也即tmd時刻本側MU并沒有恰好采樣得到一個采樣點數據，可以在樣本計數為M1=Mod（tmd,Ts）（以Ts為模數對tmd作取整運算）和M2=Mod（tmd,Ts）+1=M1+1的兩采樣點數據之間通過插值的方法求得1個“虛擬”的采樣點數據，該點距M1點的時間長度Ta=tmd-M1·Ts，距M1點的時間長度Tb=M2·Ts-t md。若采用拉格朗日插值法作一階線性插值，則該點采樣值A計算為：

式中,A（M1）、A（M2）分別為M1、M2兩點的采樣值。至此，一個完整的數據同步過程完成。

關于插值計算的誤差評估可參考文獻[5]，此處不復述。

上述數據同步過程所依據的條件全部在相關技術標準的框架內，沒有任何違背或變更。注意到1 pulse/s（M）與1 pulse/s（N）之間不要求同步，因此同步算法不依賴于GPS或其他廣域的導航定位系統做站間的1 pulse/s同步。

5 時鐘接力中進一步提高保護系統可靠性的措施

時鐘接力同步法依賴各站的公共1 pulse/s同步各自站的MU與保護裝置，若1 pulse/s由外部公共時鐘源產生，如圖3中N側變電站一樣，則保護的可靠性將很受公共時鐘源的影響。在公共時鐘源長時間故障時，MU與保護裝置之間失去1 pulse/s的同步作用，兩側保護之間的數據同步將不可能正確進行。為解決這個問題，可由MU輸出1 pulse/s同時供自身和保護裝置使用，如圖3中M側變電站的連接方式，這樣，保護功能便僅依賴于保護裝置與MU，而擺脫了公共時鐘源可靠性的影響。

圖3 時鐘接力法數據同步過程示意圖

為與標準相容并保證保護裝置及MU可以與GPS的1 pulse/s信號保持完全同步，MU設計得既可以接受外部1 pulse/s的同步脈沖,同時無延時的轉發輸出該脈沖信號，也可以在無外部1 pulse/s輸出時自動輸出替代的1 pulse/s給自身和保護裝置使用，如圖4所示。

圖4 MU的1 pulse/s輸出邏輯

圖4中的控制邏輯模塊通過檢測外部1 pulse/s信號和內部時鐘的狀態，并切換電子開關的位置來完成上述的功能。在控制邏輯檢測出外部1 pulse/s輸入源丟失時，1 pulse/s輸出信號已丟失一個，其后，控制邏輯才能切換為內部時鐘輸出。保護裝置與MU要適應這一狀況并不困難，方法如下：MU的采樣脈沖由經1 pulse/s同步后的內部計時器倍頻后發出，內部計時器與1 pulse/s同步的條件為檢測到連續3次1 pulse/s脈沖，失步的條件是1 pulse/s連續缺失3次；保護裝置內部計時器的處理機制與之類似；各裝置讀內部計時器讀數時，取其對整秒的余數。這樣各裝置在外部1 pulse/s丟失1次（甚至連續2次）時，采樣、同步與保護功能都不會受到影響。這種方法對內部計時器（或其晶振）守時精度的要求不高，只要能保證3 s內的時間誤差不致影響到保護功能要求的采樣同步精度即可。

國電南瑞科技股份有限公司開發的NSR3261型MU已經可以滿足上述要求。

對引言中所提的線路一側為ET，另一側為傳統互感器接入保護裝置的情況，數據同步過程中只要將傳統互感器的額定延時視為零值即可。

6 總結

改進插值法可以解決MU按IEC 60044-8標準接口接入情況下線路兩側的數據同步問題，時鐘接力同步法可以解決MU按IEC 61850-9標準接口接入時的數據同步問題。前一種應用需要將兩側ET的二次變送延時作為整定值；后一種應用無需此整定值，兩側采樣數據從MU到保護裝置的延時不影響時鐘差的計算。

2種方法都不調整采樣時刻，適應于ET標準規定的MU功能結構條件；并能靈活適用于線路一側為ET，一側為傳統互感器的情況。2種方法完全擺脫了GPS，大大提高了繼電保護的可靠性。本文另提出了保護裝置及MU共用的1 pulse/s信號由MU轉發或自產的邏輯和應用方法，應用該措施，可進一步提高保護的可靠性，做到保護功能不依賴于除MU和保護裝置本身之外的任何其他設備。目前，具備該功能的MU已開發完成并應用。

[1] IEC TC38.IEC 60044-8 Instrument Transformers-Part8:Electronic Cu-rrent Transformers[S].IEC 2002.

[2] IEC TC57.IEC 61850-9-1 Communication Networks and Systems in Substations Part9-1:Specific Communication Service Mapping (SCSM)-Sampled Values over Serial Unidirectional Multidrop Point to Point Link[S].IEC 2003.

[3] IEC TC57 IEC 61850-9-2 Communication Networks and Systems in Substations Part9-2:Specific Communication Service Mapping(SCSM)Sampled Values over ISO/IEC 8802.3 Link[S].IEC 2003.

[4] 高厚磊，江世芳，賀家李.數字電流差動保護中的幾種采樣同步方法[J].電力系統自動化,1996,20(9)：46-49，53.

[5] 曹團結，尹項根，張哲，等.通過插值實現光纖差動保護數據同步的研究[J].繼電器,2006,34(18):4-8.

[6] 曹團結，徐建松，尹項根，等.光纖差動保護插值法數據同步的實現[J].繼電器,2007，35（S1）:134-137.