鄒運(yùn)和 朱發(fā)國

(航天科工深圳(集團(tuán))有限公司,廣東深圳 518034)

線路光纖縱差等腰梯形同步技術(shù)

鄒運(yùn)和 朱發(fā)國

(航天科工深圳(集團(tuán))有限公司,廣東深圳 518034)

光纖差動保護(hù)是電力繼電保護(hù)中優(yōu)秀的保護(hù)元件,而實(shí)現(xiàn)這一元件的最重要的技術(shù)之一就是光纖數(shù)據(jù)同步。本文重點(diǎn)介紹了線路差動保護(hù)動作原理及差電流和制動電流計(jì)算方法,解釋了光纖數(shù)據(jù)傳輸原理和過程,以及兩端數(shù)據(jù)傳輸模型-等腰梯形算法,和同步計(jì)算時所涉及到的相位因子的形成方法。光纖通信和數(shù)據(jù)同步技術(shù)是線路縱差保護(hù)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù),必將在電力系統(tǒng)保護(hù)與自動控制中得到廣泛的推廣應(yīng)用。

通道傳輸延時 等腰梯形算法 相位因子

大型變壓器、發(fā)電機(jī)、母線，以及短線路導(dǎo)引線保護(hù)等，宜采用差動保護(hù)作為主保護(hù)，帶方向或不帶方向電流保護(hù)作為后備保護(hù)[1]，而主保護(hù)要能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和設(shè)備安全要求，要以最快的速度有選擇性切除設(shè)備或線路故障。差動保護(hù)作為主保護(hù)，相對其它方式的保護(hù)有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，差動保護(hù)有絕對的選擇性，較高的靈敏性和快速性，能夠?qū)崿F(xiàn)整個保護(hù)范圍內(nèi)的快速動作，而且保護(hù)原理相對簡單，實(shí)現(xiàn)方法也不復(fù)雜。隨著電力繼電保護(hù)技術(shù)和光纖通信技術(shù)的發(fā)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(hù)那樣實(shí)現(xiàn)分相電流差動保護(hù)，這要比以往輸電線路依靠縱聯(lián)方向或縱聯(lián)距離，從保護(hù)原理上更加完善、可靠，而且解決了TV斷線、系統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)[2]。跟一次元件的差動保護(hù)直接對各側(cè)電流進(jìn)行同步采樣相比，線路差動需要在線路各端獨(dú)立采集電流信號，并通過光纖信道將本端電流信號傳輸?shù)狡渌鞫?，再利用技術(shù)手段在各端進(jìn)行同步計(jì)算，這是線路縱差保護(hù)多出來的一個環(huán)節(jié)，也是線路縱差保護(hù)需要解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

1 光纖縱差保護(hù)原理

光纖作為保護(hù)通道在抗干擾方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，可大大加強(qiáng)繼電保護(hù)動作行為的正確性和可靠性。目前地方電網(wǎng)110kV及以上線路保護(hù)多采用光纖作為保護(hù)通道。

光纖縱聯(lián)差動保護(hù)就是在輸電線路沿線鋪設(shè)光纖信道，實(shí)現(xiàn)線路兩端數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸，然后對兩端數(shù)據(jù)進(jìn)行同步計(jì)算，再用同步后數(shù)據(jù)進(jìn)行差動保護(hù)計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)分相電流差動保護(hù)。兩端互傳的電流數(shù)據(jù)可以是經(jīng)過計(jì)算得到的向量值，也可以是電流采樣值。而差動保護(hù)動作特性，和一次元件差動保護(hù)等沒有區(qū)別，可以采用復(fù)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(guān)電流相位和幅值進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，這些可以查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)。本文重點(diǎn)介紹差動電流的計(jì)算方法，以及兩端數(shù)據(jù)在光纖通道中的傳輸原理和數(shù)據(jù)同步方法，以兩端線路光纖縱差保護(hù)為例說明。

圖1是線路光纖縱差保護(hù)接線圖，兩端保護(hù)裝置通過光纖通道連接，兩端均應(yīng)采用相同型號和參數(shù)的CT，以減小差異性，并設(shè)計(jì)CT斷線閉鎖措施。

圖1 光纖縱差保護(hù)一次系統(tǒng)示意圖

兩端均以指向線路為電流正方向，

2 數(shù)據(jù)傳輸通道延時

光纖縱差保護(hù)在數(shù)據(jù)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(diǎn)；A～H代表兩端采樣時間軸上的不同時刻；整個一輪數(shù)據(jù)傳輸過程：主端在采樣點(diǎn)1完成采樣計(jì)算后啟動數(shù)據(jù)傳輸，將本端的電流數(shù)據(jù)傳給對端，在A時刻發(fā)送完第1個字節(jié)，在C時刻發(fā)送完最后一個字節(jié)。從端在B時刻接收到第一個字節(jié)，在D時刻接收到完整一幀數(shù)據(jù)。并在下一個采樣點(diǎn)8采樣并計(jì)算本端數(shù)據(jù)，接著啟動數(shù)據(jù)發(fā)送，在E時刻發(fā)送完第1個字節(jié)，在G時刻發(fā)送完最后一個字節(jié)。主端在F時刻接收到第一個字節(jié)，在H時刻接收到完整一幀數(shù)據(jù)。

圖2 光纖數(shù)據(jù)傳輸時間示意圖

數(shù)據(jù)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(shù)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(jì)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(fā)送之前的那個采樣點(diǎn)時刻到發(fā)送完第一個字節(jié)所用的時間，包括數(shù)據(jù)采樣時間、向量計(jì)算的時間和發(fā)送第一個字節(jié)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(hù)裝置所測得的t1相等。時間段t3為接收端收到完整一幀數(shù)據(jù)的時刻距離下一個采樣點(diǎn)的時間；

t1同樣可以通過定時器計(jì)時直接得到，t3在從端通過定時器計(jì)時得到后傳送給主端。t2就很容易計(jì)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(guān)。主從兩端應(yīng)定時(eg.每隔5ms)完成一輪數(shù)據(jù)交換，每一輪都由主端發(fā)起從端收到后回傳。這樣，兩端就都能夠得到對端實(shí)時的電流數(shù)據(jù)，再做差動保護(hù)計(jì)算。這一過程所用的時間大小，取決于數(shù)據(jù)幀的大小、通信速率、傳輸距離，以及所采用的通信方式等?？梢愿鶕?jù)這一時間，確定出多長時間組織一輪數(shù)據(jù)傳輸合適，每收到一幀對端的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行同步計(jì)算，保護(hù)計(jì)算的頻度將影響保護(hù)的性能指標(biāo)。數(shù)據(jù)通信幀結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)，幀格式通常包括幀頭和幀尾校驗(yàn)字節(jié)，信息體內(nèi)容除了電流有效數(shù)據(jù)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(jì)算t2)，此外還需包括兩端開關(guān)狀態(tài)信息、CT斷線相關(guān)信息、遠(yuǎn)方跳閘信息等，必要時還應(yīng)包括一些調(diào)試信息、狀態(tài)信息等。

3 數(shù)據(jù)同步方法

數(shù)據(jù)同步方法有多種：采樣數(shù)據(jù)修正法、采樣時刻調(diào)整法、時鐘校正法、采樣序號調(diào)整法、GPS同步法、參考向量同步法等，前4種都是基于數(shù)字通道收發(fā)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步就是將對端某一時刻的數(shù)據(jù)，與本端同一時刻的數(shù)據(jù)對應(yīng)起來，做差動計(jì)算。如果兩端數(shù)據(jù)時刻不一致或者說兩端數(shù)據(jù)同步的不好，會造成差動保護(hù)計(jì)算的誤差，對保護(hù)是不利的。圖2中，各端完成一數(shù)據(jù)幀發(fā)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(shù)據(jù)超前于本端接收到完整一幀數(shù)據(jù)時刻(記為t時刻)數(shù)據(jù)的時間，也就是說本端t時刻的電流數(shù)據(jù)需要往前推t4+t2+t1時間，才能與對端傳來的這一幀數(shù)據(jù)同步。但是，t時刻并不一定就是既定的采樣時刻，還應(yīng)該考慮t時刻到前一個采樣點(diǎn)的時間差，圖2中表示為t5，如果在從端用第6號采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)與收到的主端的數(shù)據(jù)計(jì)算同步，兩端數(shù)據(jù)時間差實(shí)際為t4+t2+t1-t5。

按照采樣數(shù)據(jù)修正法，計(jì)算第6采樣點(diǎn)時刻的電流數(shù)據(jù)，乘以一個相位因子，就可以完成數(shù)據(jù)同步。但實(shí)際操作中并不以t時刻附近的采樣點(diǎn)去同步對端數(shù)據(jù)，而是將本端數(shù)據(jù)往前推適當(dāng)多個采樣點(diǎn)，到與對端數(shù)據(jù)所對應(yīng)的采樣點(diǎn)最接近的那個點(diǎn)，再進(jìn)行相位調(diào)整操作，才能更真實(shí)地反應(yīng)兩端電流的實(shí)時性，并減小誤差。往前推幾個采樣點(diǎn)要看t4+t2+t1中包含了幾個采樣周期T(假設(shè)n個)，往前推n個采樣點(diǎn)計(jì)算那一時刻的電流數(shù)據(jù)，再乘以相位因子。顯然，這樣處理更貼近實(shí)際，計(jì)算也會更精確。

4 結(jié)語

如今，光纖縱聯(lián)差動保護(hù)應(yīng)用越來越廣泛，已不僅僅局限于短線路縱差保護(hù)，實(shí)踐中曾遇到變壓器一個分支伸出去一公里多遠(yuǎn)，要求采用光纖縱差保護(hù)的情形。所以，光纖通信和數(shù)據(jù)同步技術(shù)可以非常靈活地應(yīng)用于電力系統(tǒng)要求兩端數(shù)據(jù)交換及同步的場合。隨著電力系統(tǒng)通信技術(shù)的發(fā)展，會出現(xiàn)更多的可以應(yīng)用光纖通信數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)同步計(jì)算的場合，這項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用也將為電力系統(tǒng)某些疑難問題的解決提供很好的啟發(fā)和思路。

[1]GB/T 14285-2006繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程.全國量度繼電器和保護(hù)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.

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

[3]楊新民,楊雋琳,等.電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)培訓(xùn)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(hù)和自動裝置-保護(hù)功能配置.北京：中國計(jì)劃出版社,2009．

鄒運(yùn)和(1972-),男,山東菏澤人,工程師,研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及配網(wǎng)自動化技術(shù)。