線路光纖縱差等腰梯形同步技術

鄒運和 朱發國

(航天科工深圳(集團)有限公司,廣東深圳 518034)

線路光纖縱差等腰梯形同步技術

鄒運和 朱發國

(航天科工深圳(集團)有限公司,廣東深圳 518034)

光纖差動保護是電力繼電保護中優秀的保護元件,而實現這一元件的最重要的技術之一就是光纖數據同步。本文重點介紹了線路差動保護動作原理及差電流和制動電流計算方法,解釋了光纖數據傳輸原理和過程,以及兩端數據傳輸模型-等腰梯形算法,和同步計算時所涉及到的相位因子的形成方法。光纖通信和數據同步技術是線路縱差保護的基礎理論和關鍵技術,必將在電力系統保護與自動控制中得到廣泛的推廣應用。

通道傳輸延時 等腰梯形算法 相位因子

大型變壓器、發電機、母線，以及短線路導引線保護等，宜采用差動保護作為主保護，帶方向或不帶方向電流保護作為后備保護[1]，而主保護要能夠滿足系統穩定和設備安全要求，要以最快的速度有選擇性切除設備或線路故障。差動保護作為主保護，相對其它方式的保護有著顯著的優點，差動保護有絕對的選擇性，較高的靈敏性和快速性，能夠實現整個保護范圍內的快速動作，而且保護原理相對簡單，實現方法也不復雜。隨著電力繼電保護技術和光纖通信技術的發展，中短距離輸電線路甚至長距離輸電線路，也可以像元件保護那樣實現分相電流差動保護，這要比以往輸電線路依靠縱聯方向或縱聯距離，從保護原理上更加完善、可靠，而且解決了TV斷線、系統振蕩、過渡電阻、高阻接地等諸多問題，并且有天然的選相能力等優點[2]。跟一次元件的差動保護直接對各側電流進行同步采樣相比，線路差動需要在線路各端獨立采集電流信號，并通過光纖信道將本端電流信號傳輸到其他各端，再利用技術手段在各端進行同步計算，這是線路縱差保護多出來的一個環節，也是線路縱差保護需要解決的重點和難點問題。

1 光纖縱差保護原理

光纖作為保護通道在抗干擾方面有著得天獨厚的優勢，可大大加強繼電保護動作行為的正確性和可靠性。目前地方電網110kV及以上線路保護多采用光纖作為保護通道。

光纖縱聯差動保護就是在輸電線路沿線鋪設光纖信道，實現線路兩端數據實時傳輸，然后對兩端數據進行同步計算，再用同步后數據進行差動保護計算，以實現分相電流差動保護。兩端互傳的電流數據可以是經過計算得到的向量值，也可以是電流采樣值。而差動保護動作特性，和一次元件差動保護等沒有區別，可以采用復式比率制動原理等。遇變壓器等具有特殊接線形式時，一樣需要對相關電流相位和幅值進行補償計算，這些可以查閱相關資料文獻。本文重點介紹差動電流的計算方法，以及兩端數據在光纖通道中的傳輸原理和數據同步方法，以兩端線路光纖縱差保護為例說明。

圖1是線路光纖縱差保護接線圖，兩端保護裝置通過光纖通道連接，兩端均應采用相同型號和參數的CT，以減小差異性，并設計CT斷線閉鎖措施。

圖1 光纖縱差保護一次系統示意圖

兩端均以指向線路為電流正方向，

2 數據傳輸通道延時

光纖縱差保護在數據同步之前首先需要確定參考端(主端)和同步端(從端)[2]。如圖2，為敘述方便，后文均以主端、從端叫法，主從端之間的空間代表光纖信道或通信傳輸距離。1～13代表兩端其中的13個采樣點；A～H代表兩端采樣時間軸上的不同時刻；整個一輪數據傳輸過程：主端在采樣點1完成采樣計算后啟動數據傳輸，將本端的電流數據傳給對端，在A時刻發送完第1個字節，在C時刻發送完最后一個字節。從端在B時刻接收到第一個字節，在D時刻接收到完整一幀數據。并在下一個采樣點8采樣并計算本端數據，接著啟動數據發送，在E時刻發送完第1個字節，在G時刻發送完最后一個字節。主端在F時刻接收到第一個字節，在H時刻接收到完整一幀數據。

圖2 光纖數據傳輸時間示意圖

數據在光纖信道中傳輸是需要時間的，B時刻肯定要落后A時刻一個時間。同樣，D時刻落后C時刻、F時刻落后E時刻，數字信號在同一根光纖信道中來回傳輸所用的時間相等，所以，，CDEF組成一個等腰梯形，這種同步計算方法也叫等腰梯形算法，這個時間就是圖2中的t2-通道傳輸延時。

時間段t1為啟動發送之前的那個采樣點時刻到發送完第一個字節所用的時間，包括數據采樣時間、向量計算的時間和發送第一個字節所用的時間。忽略極限情況下的誤差，兩端完全相同的兩套保護裝置所測得的t1相等。時間段t3為接收端收到完整一幀數據的時刻距離下一個采樣點的時間；

t1同樣可以通過定時器計時直接得到，t3在從端通過定時器計時得到后傳送給主端。t2就很容易計算出來了，t2的大小跟通信距離，以及光信號在光纖信道中的傳輸速度有關。主從兩端應定時(eg.每隔5ms)完成一輪數據交換，每一輪都由主端發起從端收到后回傳。這樣，兩端就都能夠得到對端實時的電流數據，再做差動保護計算。這一過程所用的時間大小，取決于數據幀的大小、通信速率、傳輸距離，以及所采用的通信方式等。可以根據這一時間，確定出多長時間組織一輪數據傳輸合適，每收到一幀對端的數據都要進行同步計算，保護計算的頻度將影響保護的性能指標。數據通信幀結構可以根據需要靈活設計，幀格式通常包括幀頭和幀尾校驗字節，信息體內容除了電流有效數據外，主端還需要往從端傳送t2通道傳輸延時時間，從端需要往主端傳送t3時間(用于主端計算t2)，此外還需包括兩端開關狀態信息、CT斷線相關信息、遠方跳閘信息等，必要時還應包括一些調試信息、狀態信息等。

3 數據同步方法

數據同步方法有多種：采樣數據修正法、采樣時刻調整法、時鐘校正法、采樣序號調整法、GPS同步法、參考向量同步法等，前4種都是基于數字通道收發延時相等的“等腰梯形算法”，但具體處理方法又各不相同[2]。實現數據同步就是將對端某一時刻的數據，與本端同一時刻的數據對應起來，做差動計算。如果兩端數據時刻不一致或者說兩端數據同步的不好，會造成差動保護計算的誤差，對保護是不利的。圖2中，各端完成一數據幀發送的時間可以用t4表示，加上通道傳輸延時(t2)和t1，這個時間t4+t2+t1等于對端數據超前于本端接收到完整一幀數據時刻(記為t時刻)數據的時間，也就是說本端t時刻的電流數據需要往前推t4+t2+t1時間，才能與對端傳來的這一幀數據同步。但是，t時刻并不一定就是既定的采樣時刻，還應該考慮t時刻到前一個采樣點的時間差，圖2中表示為t5，如果在從端用第6號采樣點的數據與收到的主端的數據計算同步，兩端數據時間差實際為t4+t2+t1-t5。

按照采樣數據修正法，計算第6采樣點時刻的電流數據，乘以一個相位因子，就可以完成數據同步。但實際操作中并不以t時刻附近的采樣點去同步對端數據，而是將本端數據往前推適當多個采樣點，到與對端數據所對應的采樣點最接近的那個點，再進行相位調整操作，才能更真實地反應兩端電流的實時性，并減小誤差。往前推幾個采樣點要看t4+t2+t1中包含了幾個采樣周期T(假設n個)，往前推n個采樣點計算那一時刻的電流數據，再乘以相位因子。顯然，這樣處理更貼近實際，計算也會更精確。

4 結語

如今，光纖縱聯差動保護應用越來越廣泛，已不僅僅局限于短線路縱差保護，實踐中曾遇到變壓器一個分支伸出去一公里多遠，要求采用光纖縱差保護的情形。所以，光纖通信和數據同步技術可以非常靈活地應用于電力系統要求兩端數據交換及同步的場合。隨著電力系統通信技術的發展，會出現更多的可以應用光纖通信數據傳輸和數據同步計算的場合，這項技術的推廣應用也將為電力系統某些疑難問題的解決提供很好的啟發和思路。

[1]GB/T 14285-2006繼電保護和安全自動裝置技術規程.全國量度繼電器和保護設備標準化技術委員會.

[2]李瑞生.光纖電流差動保護與通道試驗技術.北京：中國電力出版社,2006．

[3]楊新民,楊雋琳,等.電力系統微機保護培訓教材第二版.北京：中國電力出版社.

[4]GB50062-2008電力裝置的繼電保護和自動裝置-保護功能配置.北京：中國計劃出版社,2009．

鄒運和(1972-),男,山東菏澤人,工程師,研究方向：電力系統繼電保護及配網自動化技術。