基于北斗的智能化光纖差動保護裝置

吳 騫

（國電南瑞科技股份有限公司，南京 210061）

智能變電站是智能電網發展的重要方向，與智能變電站相關的技術研究也成為電網技術的研究熱點。作為智能化變電站的重要組成部分，光纖差動保護也成為重要研究對象。相對于其他保護，光纖差動保護具有原理簡單、可靠性較高、動作迅速等優勢。為確保差動保護正確動作，控制系統需要同時獲得線路兩端的瞬時采樣數據，數據是否是同一時刻的采樣值對于差動保護能否正確動作有很大的影響。因此線路兩側的同步問題是需要解決重要問題。

對于線路差動保護的同步方式有很多種方法，但這些數據同步方式存在著結構復雜，精度不高或信息安全的問題，并不適用于現在國內的智能化變電站。本文介紹了一種基于北斗對時的智能光纖差動保護裝置，比較了幾種常用的對時方式優缺點，分析了各同步方式在智能化變電站的適用性。同時介紹了北斗對時方式在光纖線路差動保護的應用及改進。

1 北斗衛星系統

北斗二代衛星系統是一種類似于美國GPS和俄羅斯 GLONASS的衛星導航和對時系統[1]，是我國正在實施的具有自主知識產權的獨立運行的第一個區域衛星導航系統。系統于2004年啟動，并計劃在2020年完成整體系統的構建。北斗二代衛星系統除了兼容北斗一代系統的具有雙向定位、授時和通信等功能外，還具有無源定位和授時功能，用戶容量不受任何限制。同時，與北斗一代相比，定位精度有了很大提高，覆蓋區域也大幅擴展，用戶終端的體積和成本也大大降低。隨著北斗二代衛星系統建設進程，北斗授時產品也取得了快速發展：目前，基于北斗的授時產品已經在我國通信、電力行業取得了部分應用，基于北斗的授時技術已基本成熟。

電力輸配系統對設備的時間同步提出了非常高的技術要求。以前電力設備對時間同步的精準度要求是微秒級，現在正慢慢過渡到納秒級。因此，必須為電力系統配置高精度、高可靠的授時系統。而作為擁有我國自主知識產權的北斗衛星導航技術，其授時精度可以達到單向100ns，雙向20ns的精度[2]，完全可以滿足電力授時的精度需要。

2 同步采樣的實現

2.1 同步方案介紹

對于數據通道的同步問題，目前各生產廠家通常采用的方法包括：采樣時刻調整法、采樣數據修正法、參考相量同步法[3]和 GPS同步法[4]。其中，采樣時刻調整法和采樣數據修正法都是基于光纖通道收、發延時相等的“等腰梯形算法”（即乒乓算法）[5]。如果收發延時不同則會產生較大誤差。采樣時刻調整法需要從站根據主站的數據進行采樣時刻的修正，這與智能化變電站站內的合并單元根據對時脈沖進行同步采樣的設計相沖突。而數據修正法對裝置晶振的要求很高，一般硬件很難實現。參考相量法受電氣量測量的誤差影響較大，其精度不能得到保證，同時參考向量的選取也較為困難[6]。

采用GPS同步的方法依賴于GPS脈沖對時。這種方法精度基本可以達到要求，但GPS是由美國軍方掌控，而且擁有局部屏蔽GPS信號的技術，使得其可用性和授時精度均受制于美國的GPS政策[1]，信息安全得不到保障。同時GPS名義上雖能全球覆蓋，但由于運行軌道較低，遮蔽角過大，GPS信號在山區或城市容易被物體遮擋；而且GPS信號的精度跟接收到衛星的個數密切相關，連接的衛星少時精度較差。

隨著智能化變電站在我國的推廣，應用的數目越來越多?，F階段的智能化變電站站內一般都配置有一個統一的授時裝置，采用北斗二代兼容GPS的對時模式，同時待北斗技術更加成熟后，將逐步淘汰GPS，實現北斗的單一授時定位，保障電網和新能源建設的堅強可靠。研制基于北斗的智能化光纖差動保護既能解決傳統同步方式的精度問題，又可以解決依靠GPS同步帶來的信息安全問題，保障我國電網的安全運行，也不需要另外加對時裝置。

2.2 北斗同步實現方案

利用北斗對時實現數據的同步時，線路兩側的保護不分主從。如圖1所示，兩側的變電站中安裝完全相同的北斗接收機。接收機接收到衛星發出的脈沖信號后給智能變電站所有智能化裝置授時。合并單元（MU）接收電子式電流互感器/電壓互感器（ECT/EVT）的采樣數據及信號調理延時、AD采樣延時[7]等數據，根據延時對數據進行重采樣[5]，以達到數據的同步。MU將重采樣后的采樣數據、額定延時等都打包發送給保護裝置處理。保護裝置利用北斗授時脈沖分頻后的脈沖信號作為重采樣脈沖，根據各MU的延時對多個MU數據進行重采樣及插值計算，完成本側所有保護采樣數據的同步。保護裝置把同步好的數據、時間標簽以及采樣序號通過專用光纖發送給對側保護裝置，同時也接收對側發過來的相關數據。兩側的保護裝置經光纖通道交換采樣數據信息，完成差動保護的邏輯。

圖1 基于北斗的電流差動保護構成框圖

考慮到北斗衛星系統的用戶容量和光纖差動保護裝置的性能要求，設計中采用單向授時方式給裝置授時，精度能夠滿足保護裝置對同步信號的要求。由于重采樣脈沖都是由北斗授時脈沖分頻的，時間誤差很小，光纖差動保護裝置只需要根據重采樣數據的序號進行處理即能實現線路兩側的同步，也不需要根據對側數據做任何處理。

2.3 可靠性問題討論及改進

如果北斗接收機在在某種情況下不能接收到北斗信號，考慮到差動保護的對電網穩定重要性，要實現在無北斗信號時也能完成差動保護。設計中做了進一步的改進方法以提高保護裝置的可靠性：在正常情況能接收到北斗衛星信號時，采用北斗衛星對時信號作為同步信號，一旦監視到北斗信號丟失，立即采用常規同步方式。裝置實用北斗信號同步為基本算法，采用常規同步算法作為輔助算法。為適應智能化變電站的特殊要求，常規同步方式采用通過插值方法來實現[8]。這種同步方式是根據梯形算法得到的采樣偏差值，把從合并單元接收的數據進行重采樣，與北斗對時同步方式數據處理的方式相近，可以方便切換。

由于裝置本身及光纖數據傳輸通道的影響，常規的同步方式在同步時會產生同步誤差。此誤差在一些情況下比較大，會降低保護裝置的靈敏度，甚至造成裝置誤動或拒動。智能化變電站使用全站統一授時，可以通過授時系統對常規的同步方式加以改進，提高裝置性能。

1）裝置本身晶振漂移引起的誤差[5]

線路兩側保護裝置的晶振都有相對的漂移，這是常規的同步方式偏差的原因之一。裝置同步后在一段時間后要再次對兩端重采樣時刻進行調整，否則采樣數據就會失去同步。如果兩側晶振相對漂移過大，則需要經常發起同步過程，增加了保護和通道的負擔。

智能化變電站采用統一授時方式，由接收機接收北斗信號后給裝置授時。即使丟失北斗信號，授時裝置靠本身的晶振時間給裝置授時。接收機采用的都是高精度、高溫寬的晶振，線路兩側接收機晶振漂移很小，可以保持幾個小時內誤差值不超過允許范圍。因此可以減少同步次數，無疑就減輕了保護工作量。

2）光纖通道延時不等的引起的誤差[5]

插值同步方式是基于“等腰梯形算法”的，需要假設光纖的收、發通道延時相等。如果光纖通道收發延時不等，采用梯形算法計算的同步時刻會有一個固定的偏差。

如圖2所示，本側保護裝置在本側采樣時刻t0通過光纖發出同步信號，在t1時刻對側接收到同步信號，傳輸時間為Td0=t1-t0。對側保護裝置接收到信號處理后在采樣時刻t2返回同步信號，在t3時刻本側接收到同步信號，傳輸時間為Td1=t3-t2。如果Td0等于Td1，通過t0～t3就可以算出采樣時刻的偏差即如圖中ΔT。但是如果不相等，則由不對稱通道引起的偏差為：Δt=|Td0-Td1|/2。此值根據光纖通道是否復用及光纖的距離不同會有不同的數值，最大可能達到數個ms；而且在常規同步方式中不能計算出此偏差的具體數值，會導致保護在發生區內故障時靈敏度降低，發生區外故障時可能會引起誤動，影響保護裝置性能。

圖2 通道延時不等引起的誤差

本方案中，在保護裝置正常工作時是使用北斗信號同步，兩側使用同一個時鐘源，因此t0～t3是有同一個參考量，可以直接計算出Td0和Td1的值，計算出的值用于常規同步算法，從而解決由于通道延時不等的引起的同步誤差問題。

2.4 同步方案特點

該同步方法具有以下特點：

1）同步精度高。線路兩端都采用高精度的北斗授時系統，同時又不受光纖通道延時的影響，因此擁有很高的精度。

2）可靠性高。北斗衛星位于上空 36000km的靜止軌道，地面用戶基本都處于高仰角工作狀態，信號不容易被附近的高大物體遮蔽，接收模塊更容易接收到信號。該特點使得北斗衛星授時特別適用中國偏遠地區和城市的變電站授時系統。

3）設計簡單。區別于其他同步方式，基于北斗授時的差動保護，簡單地使用采樣序號即能完成差動保護，程序設計簡單且不易出錯。

4）北斗授時系統越來越多地應用于智能變電站，光纖差動保護不需要另外設計對時系統。

5）促進具有名族特色國家堅強智能電網建設。通過北斗電力授時技術在電力行業的推廣，使得我國的電力行業擁有自主知識產權的授時技術。加強對我國自主知識產權的北斗授時技術在電力行業的推廣可以完全消除對GPS依賴的嚴重安全隱患。

6）適用性。裝置支持兩種同步方法并可相互切換，在增強保護裝置可靠性同時也增加了裝置的適用性。既可以用在有衛星對時的智能化變電站，也可以用在沒有衛星對時的常規變電站。

3 結論

本文介紹了采用北斗授時的線路差動保護同步采樣方法。該方法具有高精度、高可靠性等特點，其性能較傳統同步方法具有一定優勢。同時提出了利用北斗實現同步采樣的實施方案，并給出利用北斗優化常規同步方式的方法。在實際應用中檢測到應用北斗對時的裝置時間偏差不大于 1μs，因此利用北斗實現不同變電站之間同步采樣的方案是完全可行的。建立在此方法上的新型線路差動保護解決了以往常規差動保護精度差、計算量大及安全性方面的問題，同時也降低了保護軟件的復雜程度。本方案是一種值得推廣的智能化變電站差動保護方案，具有廣闊的應用前景。

[1] 陳孟元, 凌有鑄, 王冠凌. 北斗衛星導航系統與GPS互備的廣播電視授時單元[J]. 電視技術, 2010, 34(6):60-63.

[2] 姜彤, 艾琳, 楊以涵. 北斗導航系統及其在電力系統中的應用[J]. 華東電力, 2009, 37(4): 611-614.

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

[4] 高厚磊, 江世芳, 賀家李. 輸電線路新型電流差動保護的研究[J]. 中國電機工程學報, 1999, 19(8):49-53.

[5] 王爾寒, 王強, 文明浩, 等. 光纖縱差保護中數據同步的誤差分析及補償辦法[J]. 繼電器, 2003, 31(8):43-45.

[6] 高厚磊, 賀家李, 李永麗, 等. 應用GPS的數字式電流差動保護[J]. 電力系統及其自動化學報, 1994,6(4): 64-67.

[7] 李文正, 李寶偉, 倪傳坤, 等. 智能變電站光纖差動保護同步方案研究[J]. 電力系統保護與控制, 2012,40(16): 136-140.

[8] 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): 4-8,26.