滕 玲，丁慧霞，劉 革，盧 錕

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

1 引言

線路保護(hù)類(lèi)型主要有電流差動(dòng)保護(hù)、距離保護(hù)和方向保護(hù)。對(duì)于線路縱聯(lián)距離和方向保護(hù)，沒(méi)有雙向時(shí)延差的要求。需要強(qiáng)調(diào)的是，在線路差動(dòng)保護(hù)運(yùn)行過(guò)程中，目前實(shí)用的線路差動(dòng)保護(hù)均采用基于數(shù)據(jù)通道的同步方法，通道延時(shí)的雙向一致性是保證兩側(cè)保護(hù)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(gè)節(jié)點(diǎn)之間不同方向的通信路由并不能完全保證一致。對(duì)于基于數(shù)據(jù)通道同步方法的線路差動(dòng)保護(hù)，通信路由不同會(huì)導(dǎo)致雙向延時(shí)的不一致。裝置投運(yùn)時(shí)即使雙向通道一致，運(yùn)行過(guò)程中通道運(yùn)行工況也可能發(fā)生變化，引起通道雙向延時(shí)不一致。通道雙向延時(shí)不一致，會(huì)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(shí)用的線路差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，嚴(yán)重影響保護(hù)裝置甚至整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因?yàn)楸Ｗo(hù)裝置沒(méi)有辦法監(jiān)視通道雙向延時(shí)的一致性，與通道誤碼不同，這個(gè)影響往往是隱性的，也被廣大設(shè)計(jì)和運(yùn)行人員所忽略[1～5]。

本論文結(jié)合理論和測(cè)試分析，得出差動(dòng)保護(hù)時(shí)延差對(duì)保護(hù)裝置的影響結(jié)論，分析并提出差動(dòng)保護(hù)裝置所允許的最大時(shí)延差指標(biāo)，最后對(duì)現(xiàn)有差動(dòng)保護(hù)的同步采樣算法進(jìn)行改進(jìn)，以提高保護(hù)裝置可靠性。

2 差動(dòng)保護(hù)時(shí)延差要求

對(duì)于線路保護(hù)來(lái)說(shuō)，分相電流差動(dòng)保護(hù)具有選相能力和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰Γ皇芟到y(tǒng)振蕩、非全相運(yùn)行的影響，可以反映各種類(lèi)型的故障，是理想的線路主保護(hù)。目前，光纖差動(dòng)電流保護(hù)應(yīng)用廣泛[6～9]，其構(gòu)成如圖1所示。保護(hù)設(shè)備根據(jù)本側(cè)和對(duì)側(cè)的電流計(jì)算差動(dòng)電流和制動(dòng)電流，并根據(jù)計(jì)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(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠、快速和準(zhǔn)確地傳輸信號(hào)是保護(hù)正確動(dòng)作的前提。

當(dāng)雙向通道延時(shí)不相等時(shí)，存在一定的時(shí)延差。設(shè)從機(jī)向主機(jī)發(fā)送方向通道延時(shí)為T(mén)d1，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送方向通道延時(shí)為T(mén)d2，則橫向不對(duì)稱(chēng)延時(shí)為T(mén)1=|td1-td2|，通道縱向?qū)ΨQ(chēng)延時(shí)為，為發(fā)送延時(shí)與接收延時(shí)的平均值。

由于發(fā)送延時(shí)與接收延時(shí)不等造成的同步調(diào)整時(shí)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(duì)稱(chēng)延時(shí)為2 ms，則同步調(diào)整誤差θ=18°，若橫向不對(duì)稱(chēng)延時(shí)為1 ms，則同步調(diào)整誤差θ=9°。

圖2中，主機(jī)以?xún)?nèi)部時(shí)鐘為基準(zhǔn)，按固定周期采樣，同時(shí)向從機(jī)發(fā)送電流報(bào)文。從機(jī)根據(jù)報(bào)文接收時(shí)刻減去通道時(shí)延得出主機(jī)的采樣時(shí)刻，再與本機(jī)采樣時(shí)刻比較得到兩側(cè)裝置的采樣時(shí)刻誤差，如圖2所示，此誤差ΔTs=ΔTd。正常運(yùn)行或區(qū)外故障時(shí)，若不考慮電容電流，由于兩側(cè)通道延時(shí)不一致而得到的差動(dòng)電流Icd為：

其中，IL為線路負(fù)荷電流。

若制動(dòng)電流為Isd=2ILk，其中k為制動(dòng)系數(shù)，如果滿(mǎn)足Icd≥Isd即：則兩側(cè)裝置啟動(dòng)后，線路差動(dòng)保護(hù)就可能誤動(dòng)，此時(shí)k=1/6,θ≥19°，相應(yīng)橫向允許不對(duì)稱(chēng)延時(shí)為2 ms。

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

3 時(shí)延差測(cè)試與分析

3.1 時(shí)延差對(duì)保護(hù)裝置的影響

保護(hù)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(hù)裝置的收發(fā)路徑不一致，從而引入時(shí)延差，測(cè)試時(shí)延差對(duì)保護(hù)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(gè)網(wǎng)元。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)信號(hào)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(guò)20.04 km的光纖連接，其他網(wǎng)元之間的光纖0.04 km。保護(hù)裝置之間及保護(hù)裝置與通信接口裝置之間的光纖長(zhǎng)度為5 m。

按圖連接好裝置后，專(zhuān)用光纖通道的時(shí)延不變；2M復(fù)用數(shù)字通道的時(shí)延可通過(guò)改變傳輸信號(hào)在 A—B—C—D網(wǎng)元之間傳輸?shù)娜?shù)來(lái)改變信號(hào)的傳輸時(shí)延。如半圈時(shí)信號(hào)路由儀表—A—B—C—儀表，一圈半時(shí)信號(hào)路由儀表—A—B—C—D—A—B—C—儀表，依此類(lèi)推，可以得到不同的時(shí)延差。

2M復(fù)用通道這一路的時(shí)延用2M測(cè)試儀表測(cè)量，如圖4所示。

圖4中，網(wǎng)元A、C之間開(kāi)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(cè)試儀表Acterna 2M的發(fā)送口，C的發(fā)送端接測(cè)試儀表Acterna 2M的接收口。

通過(guò)Acterna 2M測(cè)試表可以得出信號(hào)在復(fù)用通道傳輸?shù)拇_切時(shí)延，當(dāng)此時(shí)延在30 ms以上時(shí)，信號(hào)通過(guò)通信接口和繼電保護(hù)產(chǎn)生的傳輸時(shí)延均可以忽略不計(jì)，因?yàn)橥ㄐ沤涌谂c繼電保護(hù)裝置間通過(guò)5 m光纖連接，產(chǎn)生的時(shí)延是0.005 km×5 μs/km，此值很小可以忽略；信號(hào)通過(guò)通信接口和保護(hù)裝置的時(shí)延小于0.1 ms，相對(duì)于30 ms可以忽略不計(jì)。專(zhuān)用光纖通道長(zhǎng)度為5 m，產(chǎn)生的時(shí)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(shí)延差在幾十ms量級(jí)時(shí)，通道時(shí)延差可以約等于由Acterna 2M測(cè)試表測(cè)得信號(hào)在復(fù)用通道的傳輸時(shí)延。

通過(guò)測(cè)試可得，當(dāng)時(shí)延差小于38.534 ms時(shí)，繼電保護(hù)裝置正常，當(dāng)時(shí)延差再增大時(shí)，兩側(cè)繼電保護(hù)裝置均無(wú)采樣報(bào)文，但沒(méi)有告警。所以，繼電保護(hù)通道時(shí)延差不易過(guò)大。

測(cè)試證明：差動(dòng)保護(hù)裝置對(duì)通道時(shí)延雙向不一致，缺少規(guī)避措施，在實(shí)際運(yùn)行中時(shí)延不一致將是造成保護(hù)誤動(dòng)的重要因素。

3.2 保護(hù)裝置、通道和電網(wǎng)的聯(lián)動(dòng)測(cè)試

為更真實(shí)地反應(yīng)通道時(shí)延差對(duì)保護(hù)裝置動(dòng)作的影響，將保護(hù)裝置、通道和電網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)測(cè)試，如圖5搭建聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境。

在繼電保護(hù)通道單方向增加時(shí)延,制造保護(hù)通道雙向時(shí)延差,同時(shí)模擬電網(wǎng)故障,觀察保護(hù)裝置的動(dòng)作情況。測(cè)試時(shí)，在保護(hù)通道的單方向串進(jìn)時(shí)間延遲裝置,另一方向無(wú)延遲，設(shè)置傳輸時(shí)延延遲參數(shù)，使雙向通道時(shí)延差由1 ms增加至9 ms，同時(shí)模擬線路區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，測(cè)試國(guó)內(nèi)主流廠家的傳統(tǒng)保護(hù)與數(shù)字式保護(hù)的動(dòng)作情況。

測(cè)試結(jié)果表明：通道雙向時(shí)延差在4 ms內(nèi)，所有裝置區(qū)內(nèi)故障均能正確選相動(dòng)作，區(qū)外故障不誤動(dòng)；當(dāng)通道雙向時(shí)延差達(dá)到5 ms時(shí)，所有裝置區(qū)內(nèi)故障均能正確選相動(dòng)作，部分保護(hù)裝置在區(qū)外故障時(shí)出現(xiàn)誤動(dòng)；當(dāng)通道時(shí)延差增加到9 ms時(shí)，所有裝置區(qū)內(nèi)故障均能正確選相動(dòng)作，所有保護(hù)裝置在區(qū)外故障時(shí)均誤動(dòng)。

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

4 判斷路由變化的算法研究

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

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

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

如圖6所示，主機(jī)發(fā)送從機(jī)接收的單向傳輸時(shí)延變化的計(jì)算步驟如下。

①首先配置雙向路由一致，并按照?qǐng)D6通道時(shí)延測(cè)試方法測(cè)試雙向時(shí)延之和。由于雙向路由一致，因此單向時(shí)延為雙向時(shí)延之和的一半，以此作為該計(jì)算的起始條件。

②主機(jī)向從機(jī)發(fā)送帶有時(shí)間標(biāo)記（Tmt1）的報(bào)文，Tmt1以主機(jī)時(shí)間為基準(zhǔn)。

③從機(jī)記錄接收到含Tmt1報(bào)文的時(shí)間Tsr1，Tsr1以從機(jī)的時(shí)間為基準(zhǔn)；

④計(jì)算并保存△Tms1=Tsr1-Tmt1；

⑤主機(jī)在下一報(bào)文發(fā)送時(shí)刻，向從機(jī)發(fā)送帶有時(shí)間Tmt2的報(bào)文，Tmt2以主機(jī)時(shí)間為基準(zhǔn)；

⑥從機(jī)記錄接收到含Tmt2報(bào)文的時(shí)間Tsr2，Tsr2以從機(jī)的時(shí)間為基準(zhǔn)；

⑦計(jì)算并保存△Tms2=Tsr2-Tmt2；

⑧計(jì)算并保存△Tms2-△Tms1；

⑨以此不斷重復(fù)，計(jì)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(jī)發(fā)送從機(jī)接收的單向路由沒(méi)有發(fā)生改變時(shí)，該結(jié)果應(yīng)為0；當(dāng)主機(jī)發(fā)送從機(jī)接收的單向路由發(fā)生改變時(shí)該結(jié)果不為0。若差值為正值，說(shuō)明通道路由變長(zhǎng)，傳輸時(shí)延變大；若差值為負(fù)值，說(shuō)明路由變短，傳輸時(shí)延變小。

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

5 差動(dòng)保護(hù)時(shí)延差性能指標(biāo)

光纖網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸環(huán)節(jié)復(fù)雜，信號(hào)的傳輸時(shí)延存在抖動(dòng)，要求光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延絕對(duì)一致是不嚴(yán)格的。差動(dòng)保護(hù)時(shí)延差會(huì)引起保護(hù)裝置誤動(dòng)，為保證裝置的可靠動(dòng)作，在配置光纖復(fù)用通道時(shí)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(duì)于差動(dòng)保護(hù)裝置測(cè)得的傳輸時(shí)延進(jìn)行定期查看，對(duì)由于運(yùn)行狀況引起的路由變化進(jìn)行重點(diǎn)檢查，保持雙向路由一致。

6 結(jié)束語(yǔ)

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

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