黃景光，梅李鵬，林湘寧，翁漢琍

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

故障行波特性對(duì)光纖差動(dòng)保護(hù)時(shí)延的影響分析

黃景光1，梅李鵬1，林湘寧2，翁漢琍1

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

電力系統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)對(duì)保護(hù)兩側(cè)電氣量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性提出了更高的要求，過(guò)大的時(shí)延將會(huì)影響數(shù)據(jù)的同步精度從而造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。在實(shí)際運(yùn)用中，必須充分考慮保護(hù)通道時(shí)延問(wèn)題。而在特高壓遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)中電氣量的時(shí)延效應(yīng)不容忽視，傳統(tǒng)的時(shí)延分析方法沒(méi)有考慮到電氣量的行波效應(yīng)。綜合考慮了自故障發(fā)生到保護(hù)完成故障判斷的過(guò)程中，電氣量行波和光纖信號(hào)在各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)延效應(yīng)。由于故障發(fā)生的位置不同和光纖通信設(shè)備之間的差異性導(dǎo)致了總時(shí)延的不確定性，并通過(guò)三種隨機(jī)型分布的概率時(shí)延模型來(lái)反映總時(shí)延的差異，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。結(jié)果表明正態(tài)分布模型更適合時(shí)延分布規(guī)律，總時(shí)延可以作為保護(hù)裝置的選型優(yōu)化和兩側(cè)數(shù)據(jù)同步提供依據(jù)。最后運(yùn)用正態(tài)分布模型對(duì)廣域保護(hù)通信結(jié)構(gòu)時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的關(guān)系進(jìn)行了分析。

光纖通信；差動(dòng)保護(hù)；時(shí)延；行波；隨機(jī)分布

0 引言

隨著光纖技術(shù)的發(fā)展以及成本的大幅下降，促進(jìn)了差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用，使其儼然成為超特高壓輸電線路的主保護(hù)[1]。輸電線路差動(dòng)保護(hù)是根據(jù)線路兩側(cè)電氣量進(jìn)行計(jì)算、判別的全線速動(dòng)保護(hù)。保護(hù)借助于通信通道雙向傳輸電氣量數(shù)據(jù)，根據(jù)本側(cè)和對(duì)側(cè)電流計(jì)算出差動(dòng)與制動(dòng)電流，并據(jù)此來(lái)判別區(qū)內(nèi)、外故障。因此，必須保證兩側(cè)采集的數(shù)據(jù)必須是同時(shí)刻的。但目前組成通道的各個(gè)裝置由不同廠家生產(chǎn)的裝置因硬件特性的不同，可能出現(xiàn)固有延時(shí)不一致的情況，而且對(duì)通道時(shí)延還沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要充分考慮通道造成的時(shí)延問(wèn)題，為了準(zhǔn)確測(cè)量通道的時(shí)延，文獻(xiàn)[2]對(duì)線路差動(dòng)保護(hù)PTN時(shí)分復(fù)用業(yè)務(wù)進(jìn)行時(shí)延分析，文獻(xiàn)[3]提出了智能變電站過(guò)程層交換機(jī)延時(shí)測(cè)量方案，文獻(xiàn)[4]提出了光纖通道時(shí)延的計(jì)算方法，文獻(xiàn)[5-7]針對(duì)SDH自愈環(huán)網(wǎng)光纖通道傳輸繼電保護(hù)信號(hào)的可靠性和時(shí)延進(jìn)行了分析。以上相關(guān)文獻(xiàn)研究中，整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程只考慮了二次電流在通信通道的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，沒(méi)有考慮一次電流電氣量在電力系統(tǒng)中作為行波在輸電線路的傳輸造成的時(shí)延，對(duì)光纖差動(dòng)保護(hù)通道時(shí)延分析不全面。而隨著特高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)建立，在實(shí)際中故障發(fā)生后一次側(cè)故障電氣量達(dá)到兩側(cè)檢測(cè)裝置時(shí)間并不相同，故障發(fā)生后電氣量以行波的方式向兩側(cè)傳播，兩側(cè)最大檢測(cè)時(shí)延為行波在整條線路傳輸?shù)臅r(shí)間，這個(gè)時(shí)間差對(duì)于光纖保護(hù)通道總時(shí)延的影響必須加以考慮。文獻(xiàn)[8]提出了電氣量行波特性對(duì)高頻保護(hù)通道時(shí)延的影響，但還沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)論述電氣量行波特性對(duì)于光纖保護(hù)通道時(shí)延的影響。本文綜合考慮了自故障發(fā)生時(shí)刻到保護(hù)完成判斷全過(guò)程，電氣量行波和隨后發(fā)出的光纖信號(hào)在各個(gè)環(huán)節(jié)傳輸所導(dǎo)致的時(shí)延不確定性，建立了三種總時(shí)延隨機(jī)概率模型，更能反映實(shí)際傳輸時(shí)延情況，結(jié)果對(duì)依據(jù)通道的數(shù)據(jù)同步方法有一定參考性。

1 光纖差動(dòng)保護(hù)

1.1 光纖差動(dòng)保護(hù)通道

光纖通道使用光纖作為傳輸介質(zhì)，本身就是有抗干擾能力強(qiáng)、是絕緣體、傳輸損耗低、傳輸容量大、不受電網(wǎng)運(yùn)行方式的影響等優(yōu)點(diǎn)，為電流差動(dòng)保護(hù)的推廣也提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。由于光纖通道在工程應(yīng)用中較低的故障率，對(duì)于設(shè)備日常運(yùn)維及繼電保護(hù)的可靠性要求都是具有很大的優(yōu)勢(shì)，所以，光纖通道將會(huì)作為保護(hù)通道的主流被廣泛應(yīng)用。其通道的配置主要有兩種方式：專用光纖方式和復(fù)用光纖方式。

(1) 專用光纖通道

專用光纖通道方式采用兩端的保護(hù)裝置直接通過(guò)光纖連接，不經(jīng)過(guò)任何復(fù)接設(shè)備的通信方式。該保護(hù)通道誤碼率低，在現(xiàn)場(chǎng)差動(dòng)保護(hù)的情況下得到了較廣泛應(yīng)用。但這種通道一旦斷纜，將影響繼電保護(hù)信號(hào)的傳輸，無(wú)替代路由傳輸[9-10]，同時(shí)對(duì)纖芯資源的需求量大，而繼電保護(hù)的信息量較小，直接采用獨(dú)立的纖芯，使纖芯資源浪費(fèi)，無(wú)法滿足保護(hù)通道長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的要求。

(2) 復(fù)用光纖通道

光纖復(fù)用主要應(yīng)用于SDH環(huán)網(wǎng)中，其中復(fù)用光纖通道根據(jù)繼電保護(hù)接口速率的不同又可分為2 Mbps數(shù)字通道和64 kbps數(shù)字通道。通常利用64 kbps接口經(jīng)由PCM設(shè)備接入SDH網(wǎng)絡(luò)或直接利用2 Mbps接口直接接入SDH網(wǎng)絡(luò)。為了保證電力系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性，必須保證在有直連通道故障的情況下有代替路由，因此大多數(shù)采用復(fù)用光纖通道的形式。

以云南電網(wǎng)220 kV線路保護(hù)通道配置為例，2 Mbps復(fù)用光纖通道占到35.79%， 64 kbps復(fù)用光纖通道僅占0.68%，專用光纖通道占到21.23%，光纖通道的比重57.71%，比整個(gè)保護(hù)通道配置的一半還多，其中4條線路暫未開(kāi)通保護(hù)通道占0.68%。500 kV線路保護(hù)通道配置中，只選用2 Mbps復(fù)用光纖通道，未選用64 kbps復(fù)用光纖通道，其中2 Mbps復(fù)用光纖通道占77.39%，專用光纖通道占2.03%，光纖通道的比重79.42%，接近整個(gè)保護(hù)通道配置的80%[11]。

1.2 輸電線路故障電氣量的行波分析

無(wú)論是區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障，電氣量的突變都會(huì)使故障點(diǎn)成為一個(gè)波源，故障暫態(tài)量以行波的方式以接近于光速向兩側(cè)傳播。導(dǎo)線上產(chǎn)生波過(guò)程是因?yàn)樗哂蟹植嫉碾姼泻碗娙?，使得電壓或電流既與坐標(biāo)x有關(guān)，也與時(shí)間t有關(guān)，它們始終是x和t的函數(shù)。在輸電線路中的x點(diǎn)，某時(shí)刻t下電壓、電流瞬時(shí)值應(yīng)滿足下列方程：

應(yīng)用拉普拉斯變換可得無(wú)損單導(dǎo)線線路波動(dòng)方程：

對(duì)此方程進(jìn)行相模變換[12]，把相互耦合的三相電壓、電流轉(zhuǎn)換為相互獨(dú)立的模量，即a模量、b模量和0模量，通常采用Karen-Bauer變換，式(2)變換為：

式中：v、z為對(duì)應(yīng)a模量、b模量和0模量的電磁波速和波阻抗；qu、qi、fu和fi分別為前行波和反行波電壓、電流。

電力系統(tǒng)某點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，該點(diǎn)電氣量會(huì)發(fā)生突然變化，故障點(diǎn)此時(shí)成為一個(gè)波源，暫態(tài)故障量以行波的形式向兩端傳播。由于系統(tǒng)中各點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離不同，行波到達(dá)的時(shí)間就各不相同。輸電線路兩側(cè)保護(hù)檢測(cè)到故障發(fā)生的時(shí)間也就不相同，在分析光纖電流差動(dòng)保護(hù)時(shí)延特性時(shí)，這點(diǎn)應(yīng)該加以考慮。

一條長(zhǎng)為L(zhǎng)的輸電線路，行波從一端傳播到另一端的時(shí)間為：

式中，v為行波的傳播速度，對(duì)架空線線路取

當(dāng)線路外部發(fā)生故障時(shí)，如圖1所示的k1點(diǎn)，該故障點(diǎn)處電氣量發(fā)生改變，故障行波ws先到達(dá)近故障側(cè)N，經(jīng)過(guò)時(shí)間tL后，故障電流產(chǎn)生的行波到達(dá)遠(yuǎn)故障側(cè)M。在近故障側(cè)N保護(hù)檢測(cè)到故障后，將故障電氣信息由電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)ns，通過(guò)光纖通道傳到遠(yuǎn)故障側(cè)，在經(jīng)過(guò)時(shí)間M0t后，光信號(hào)達(dá)到M側(cè)。而M側(cè)在收到故障電氣量后，將故障電氣量信息量由電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)ms，通過(guò)光纖通道傳到近故障側(cè)，在經(jīng)過(guò)時(shí)間N0t后，光信號(hào)達(dá)到N側(cè)。對(duì)于假設(shè)通道雙向傳輸時(shí)延一致時(shí)，則有對(duì)于M側(cè)保護(hù)，通信端口收到的信號(hào)就應(yīng)該考慮行波在整條線路傳輸?shù)难訒r(shí)。

圖1 外部故障時(shí)的通道時(shí)延效應(yīng)Fig. 1 Channel delay effect on an external fault

線路內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，如圖2所示k2點(diǎn)，該故障點(diǎn)處電氣量發(fā)生改變，故障行波ws分別向線路兩端M、N側(cè)，分別經(jīng)過(guò)L1t和L2t后到達(dá)M、N側(cè)。兩側(cè)保護(hù)在檢測(cè)到故障后，將故障電氣信息由電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)ms、ns，在分別經(jīng)過(guò)時(shí)間N0t、M0t后光信號(hào)ms、ns到達(dá)N、M側(cè)。因此，M側(cè)的輸電線路延時(shí)為當(dāng)故障靠近M側(cè)時(shí)，延時(shí)效應(yīng)最大為同理，當(dāng)故障靠近N側(cè)時(shí)，延時(shí)效應(yīng)最大也為假設(shè)通道雙向傳輸時(shí)延一致時(shí)，則有對(duì)于內(nèi)部故障，兩側(cè)通信端口收到的信號(hào)時(shí)延差為

圖2 內(nèi)部故障時(shí)的通道時(shí)延效應(yīng)Fig. 2 Channel delay effect on an internal fault

1.3 通道傳輸總時(shí)延

時(shí)延是繼保信號(hào)傳輸性能的重要指標(biāo)，若保護(hù)設(shè)備在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到命令信號(hào)，將引起保護(hù)設(shè)備的誤操作。因此一些發(fā)達(dá)國(guó)家制訂了關(guān)于差動(dòng)保護(hù)時(shí)延的規(guī)定，對(duì)于220 kV及其以上系統(tǒng)，南瑞系列高壓線路保護(hù)裝置單向通信通道最大允許傳輸時(shí)間不得大于15 ms。國(guó)內(nèi)許多生產(chǎn)廠家都有自己的時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)，單向通信通道傳輸一般處于20 ms以內(nèi)。光纖通信領(lǐng)域不斷出現(xiàn)新技術(shù)，每種新技術(shù)的引入可能會(huì)減少時(shí)延，也可能會(huì)增加時(shí)延，具體取決于其保護(hù)配置。

造成時(shí)延的主要因素有：

(1) 故障發(fā)生后電氣量以行波方式在線路上傳播造成的時(shí)延。

(2) 傳輸設(shè)備SDH、PCM、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)造成的時(shí)延。

(3) 光纖傳輸介質(zhì)造成的時(shí)延。

故障點(diǎn)位置不同導(dǎo)致行波時(shí)延的不確定性，而不同的傳輸設(shè)備因組合方式不同造成的時(shí)延也不相同，對(duì)于主要行波、SDH設(shè)備、PCM設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備(中繼復(fù)用器)、光纖通道等部分時(shí)延典型值[13]如表1所示。

表1 傳輸時(shí)延構(gòu)成Table 1 Structure of the transmission delay

2 通道時(shí)延計(jì)算模型

2.1 單向通道總時(shí)延計(jì)算公式

總時(shí)延為數(shù)字信號(hào)或光信號(hào)通過(guò)某些介質(zhì)所經(jīng)歷的時(shí)間總和，對(duì)于差動(dòng)保護(hù)而言，其總時(shí)延T可以表示為

式中：TL為行波每公里傳輸時(shí)延；L0為故障點(diǎn)到某側(cè)的距離，因此故障點(diǎn)發(fā)生位置不同而導(dǎo)致是不固定的；SDHT為兩端SDH設(shè)備復(fù)用、解復(fù)用時(shí)延；PCMT為兩端PCM設(shè)備復(fù)用、解復(fù)用時(shí)延，對(duì)于2 Mbps接口PCMT時(shí)延為零；N為中間節(jié)點(diǎn)設(shè)備個(gè)數(shù)；0T為節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)延；HT為光纖通道傳播時(shí)延；n為光在纖芯中的折射率，一般取值1.48；L為傳輸距離。則光纖通道延時(shí)為：

2.2 單向通道總時(shí)延計(jì)算模型

對(duì)于式(7)而言，顯然若知道通道每個(gè)環(huán)節(jié)的確定時(shí)延則能得出T的固定值，這雖然有利于減少保護(hù)誤動(dòng)的概率，但這與實(shí)際情況并不相符，在實(shí)際中這些設(shè)備的時(shí)延存在很大的隨機(jī)性，設(shè)備性能的穩(wěn)定性值得考慮，因此需要根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷，為了更好地闡述總時(shí)延的變化規(guī)律，根據(jù)數(shù)學(xué)概率論方法建立三種連續(xù)隨機(jī)分布模型：(1) 均勻分布模型；(2) 指數(shù)分布模型；(3) 正態(tài)分布模型。

和定值計(jì)算相比，隨機(jī)計(jì)算模型更能夠反映總時(shí)延的變化趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果更具有普遍性，也可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)對(duì)中間設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置以及不同設(shè)備對(duì)總時(shí)延的影響程度。根據(jù)相關(guān)時(shí)延典型值以及文獻(xiàn)中所測(cè)得的相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)[14]可以發(fā)現(xiàn)，光纖差動(dòng)保護(hù)總時(shí)延具有以下特點(diǎn)：

1)單個(gè)設(shè)備時(shí)延大多數(shù)情況集中在某一范圍內(nèi)波動(dòng)，不會(huì)發(fā)生太大變化；

2)不同中間設(shè)備對(duì)總時(shí)延的影響程度不同；

3)行波對(duì)于傳輸時(shí)延有一定影響；

4)光信號(hào)傳輸時(shí)延對(duì)行波傳輸時(shí)延相對(duì)穩(wěn)定。

超高壓通信方式一般采用復(fù)式通道形式，由64 kbps接口和2 Mbps接口計(jì)算總時(shí)延公式有差別，需要分別計(jì)算。

64 kbps接口總時(shí)延計(jì)算公式為：

2 Mbps接口總時(shí)延計(jì)算公式為：

令式(7)中SDHT、PCMT、0T、0L為隨機(jī)變量，并分別服從均勻分布、二項(xiàng)分布、正態(tài)分布。我們假設(shè)：

1) 對(duì)于正態(tài)分布各種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)差因性能區(qū)別而不一樣，其反映了時(shí)延值偏離典型值的程度，為了簡(jiǎn)化計(jì)算假定所有正態(tài)分布(除了0L)中標(biāo)準(zhǔn)差取5，這也比較符合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)延值的波動(dòng)情況。

2) 對(duì)于0L而言，0L可能取0～L中間各個(gè)值，但也服從正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差取10較合理。根據(jù)表1相關(guān)數(shù)據(jù)，其總時(shí)延概率模型如表2。

表2 概率時(shí)延模型Table 2 Probability model of delay

3 通道時(shí)延計(jì)算分析

為了更直觀地研究總時(shí)延的概率分布特性和數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性，在確定了傳輸線的長(zhǎng)度后，依據(jù)表2中三個(gè)隨機(jī)分布模型，利用Matlab產(chǎn)生108個(gè)分別服從均勻分布、二項(xiàng)分布、正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)組成總體，再采取系統(tǒng)抽樣的方法從總體中抽取105個(gè)數(shù)據(jù)組成樣本空間，最后通過(guò)查找Matlab公式求取三個(gè)分布模型的概率分布函數(shù)，按照式(9)和式(10)分別計(jì)算64 kbps接口和2 Mbps接口的累計(jì)概率分布函數(shù)。

3.1 不考慮行波時(shí)延時(shí)，計(jì)算總時(shí)延

考慮到超高壓(500 kV及其以上)輸電線路比一般電壓等級(jí)線路長(zhǎng)，令L=300 km，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)N=18，針對(duì)三種分布模型編輯程序計(jì)算總時(shí)延。其運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

圖3 不考慮行波的時(shí)延概率分布Fig. 3 Delay probability distribution without considering the traveling wave

圖3 中從左到右分別為2 Mbps接口和64 kbps接口不考慮行波時(shí)延特性時(shí)服從均勻分布、正態(tài)分布、二項(xiàng)分布概率累計(jì)積分函數(shù)圖。由圖可知對(duì)于兩種接口其均勻分布模型平均時(shí)延略大于正態(tài)分布模型時(shí)延和二項(xiàng)分布模型時(shí)延。對(duì)于2 Mbps接口通道其總時(shí)延處于2 ms左右，而64 kbps接口通道其總時(shí)延處于2.6 ms左右，均小于單向通信通道的最大允許傳輸時(shí)間。

3.2 考慮行波時(shí)延時(shí)，計(jì)算總時(shí)延

考慮到電氣量的行波特性時(shí)，同樣L=300 km，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)N=18，針對(duì)三種分布模型編輯程序計(jì)算總時(shí)延。其運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

圖4中從左到右分別為2 Mbps接口和64 kbps接口考慮行波時(shí)延特性時(shí)服從均勻分布、正態(tài)分布、二項(xiàng)分布概率累計(jì)積分函數(shù)圖。結(jié)論與圖3一致，對(duì)于2 Mbps接口通道其總時(shí)延處于2.7 ms左右，而64 kbps接口通道其總時(shí)延處于3.4 ms左右，也均小于單向通信通道的最大允許傳輸時(shí)間。

3.3 分析結(jié)論

對(duì)比分析圖3和圖4結(jié)果，可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：

圖4 考慮行波的時(shí)延概率分布Fig. 4 Delay probability distribution considering the traveling wave

1) 在不考慮行波效應(yīng)和考慮行波效應(yīng)時(shí)，無(wú)論是2 Mbps接口還是64 kbps接口，都是服從正態(tài)分布和二項(xiàng)分布時(shí)分布曲線較平均分布陡峭，說(shuō)明服從正態(tài)分布和二項(xiàng)分布時(shí)，時(shí)延更集中，表示正常情況下設(shè)備時(shí)延參數(shù)大多數(shù)處于穩(wěn)定值，波動(dòng)范圍較小。正態(tài)分布相對(duì)于二項(xiàng)分布而言更適合描述設(shè)備時(shí)延隨機(jī)分布特征。

2) 無(wú)論是2 Mbps接口還是64 kbps接口服從何種分布時(shí)，其單相傳輸時(shí)延均滿足小于15 ms要求。在實(shí)際中輸電線路距離、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)可能小于假設(shè)數(shù)據(jù)也可能大于假設(shè)數(shù)據(jù)，10 ms冗余足夠。

3) 不論隨機(jī)時(shí)延服從何種分布，64 kbps接口總時(shí)延明顯均大于2 Mbps接口總時(shí)延，說(shuō)明PCM設(shè)備的時(shí)延對(duì)總時(shí)延有一定的影響。應(yīng)盡量?jī)?yōu)化配置，使用2 Mbps接口通道減少中間環(huán)節(jié)。

4) 對(duì)于L=300 km的線路而言，考慮行波時(shí)延效應(yīng)時(shí)，兩種通道接口總時(shí)延都增加了大約0.75 ms，而當(dāng)故障發(fā)生在輸電線路保護(hù)兩側(cè)時(shí)，總延時(shí)將增加約1.5 ms，換算成角度差為18°，這種角度差對(duì)于光纖差動(dòng)兩側(cè)電氣量數(shù)據(jù)同步將會(huì)產(chǎn)生影響，相位滯后或者超前都會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)計(jì)算靈敏度降低，在實(shí)際中還會(huì)有許多不利因素：輸電線路長(zhǎng)度更長(zhǎng)，設(shè)備老化等造成更長(zhǎng)的時(shí)延，若區(qū)內(nèi)故障兩側(cè)達(dá)到極限相角差為90°，保護(hù)將拒動(dòng)作。因此通道的延時(shí)或相位的滯后對(duì)差動(dòng)保護(hù)有不可忽略的影響，在計(jì)算通道時(shí)延時(shí)或基于通道數(shù)據(jù)同步時(shí)，應(yīng)充分考慮行波在輸電線路產(chǎn)生的時(shí)延。

4 廣域保護(hù)通信結(jié)構(gòu)時(shí)延

當(dāng)電力系統(tǒng)通信普遍使用的光纜網(wǎng)絡(luò)受損嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成通信中斷，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置退出或者誤動(dòng)作，因此當(dāng)電力通信通道發(fā)生堵塞、故障或中斷時(shí)， 利用現(xiàn)有健全通信通道，采用迂回的方式搭建新的傳輸通道，然而新的信道時(shí)延可能不滿足保護(hù)對(duì)于時(shí)延要求，時(shí)延過(guò)長(zhǎng)將不能用于保護(hù)動(dòng)作，而只能作為事后效驗(yàn)計(jì)算。

圖5為廣域保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)[15]拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，假設(shè)每條線路長(zhǎng)度都一樣，當(dāng)B5和B4之間直連鏈路發(fā)生故障時(shí)，兩側(cè)雖然可以接收到電氣故障量信息，卻不能將雙方采集到的故障信息在最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行交換，需要利用迂回通道進(jìn)行交換，例如C5-C1-C2-C4、C5-C2-C3-C4、C5-C7-C6-C4等都可以作為備用通道，這樣通道不僅增加了傳輸距離，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量也相應(yīng)的增加，相比于傳輸距離而言，其對(duì)傳輸總時(shí)延的影響更大，因此在通道重構(gòu)時(shí)必須考慮節(jié)點(diǎn)數(shù)量。在考慮行波時(shí)延情況下對(duì)于兩種接口選取正態(tài)分布模型來(lái)考慮節(jié)點(diǎn)數(shù)與總時(shí)延關(guān)系，圖6為兩種通道網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)與總時(shí)延概率分布圖。

圖5 廣域保護(hù)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 5 Topological structure of communication network in wide area protection

圖6 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)與時(shí)延概率分布Fig. 6 Network nodes and delay probability distribution

從圖6可以看出迂回通道總時(shí)延與節(jié)點(diǎn)數(shù)呈線性關(guān)系，64 kbps通道節(jié)點(diǎn)數(shù)為45時(shí)的時(shí)延值低于10 ms，說(shuō)明在隨機(jī)通道路徑情況下總時(shí)延均能滿足小于15 ms要求，但不一定滿足區(qū)內(nèi)區(qū)外故障正確動(dòng)作的要求。在實(shí)際廣域保護(hù)組網(wǎng)中，為了使時(shí)延盡可能小，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)通常小于假設(shè)值，而且經(jīng)過(guò)優(yōu)化算法所選路徑也是最優(yōu)值。也可通過(guò)此方法進(jìn)一步分析計(jì)算出滿足一定可靠性前提下廣域網(wǎng)傳輸通道中所包含最大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

5 總結(jié)

光纖差動(dòng)保護(hù)作為超高壓線路的主保護(hù)，對(duì)超高壓電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用，準(zhǔn)確傳遞和同步兩側(cè)電氣量是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，而傳遞過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生時(shí)延，傳統(tǒng)通道時(shí)延分析方法只考慮了PCM、SDH、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等設(shè)備產(chǎn)生時(shí)延，忽略了電氣量作為行波產(chǎn)生的時(shí)延效應(yīng)。介于時(shí)延的隨機(jī)性，以行波和通信設(shè)備的延遲時(shí)間概率密度函數(shù)為基礎(chǔ)建立了三種隨機(jī)時(shí)延分布模型，得到的數(shù)據(jù)更符合時(shí)間傳輸時(shí)延情況，結(jié)果表明：正態(tài)分布模型更適合隨機(jī)時(shí)延分布情況：考慮行波之后的總時(shí)延大約增加了0.75 ms左右，可以對(duì)提高差動(dòng)數(shù)據(jù)同步精度提供依據(jù)。最后對(duì)廣域保護(hù)組網(wǎng)通信時(shí)延進(jìn)行了定量分析，給出了占主要時(shí)延比重的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)與總時(shí)延的關(guān)系。本文不足之處在于只對(duì)故障行波的影響進(jìn)行了定性的研究，沒(méi)有進(jìn)行定量具體的研究，怎么避免行波時(shí)延的影響這是今后研究的重點(diǎn)。

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(編輯 周金梅)

Influence on the optical fiber differential protection delay based on characteristic of
fault traveling wave

HUANG Jingguang1, MEI Lipeng1, LIN Xiangning2, WENG Hanli1
(1. College of Electrical Engineering & New Energy, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The differential protection of power system puts forward higher requirements on the real-time data transmission for double terminals' information. Larger transmission delay is likely to influence the synchronization precision and cause the refusing act and incorrect operation of relay protection. So the channel delay problem must be given full consideration to protect in practical application. But the delay effect caused by electrical measurement cannot be ignored in UHV long-distance transmission system, the traditional method of delay analysis without considering the effect of electric parameters as traveling wave. This paper considers the process from the failure happening to the protection completing fault diagnosis, and the delay of electric parameters traveling wave and the optical signals in each link. Different fault location and communication equipment lead to uncertainty of channel delay, then through three kinds of random distribution of delay model are used to reflect the differences in total delay and the results are compared and analyzed. The result shows that normal distribution is more suitable for delay distribution, research conclusion can be applied in optimal selection of protective devices and data synchronization on both sides. Finally, the relationship between the delay of communication and the network nodes is analyzed by using the normal distribution.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51477090).

optical fiber communications; differential protection; delay; traveling wave; random distribution

10.7667/PSPC150920

2015-06-03；

2015-12-20

黃景光(1968-)，男，副教授，研究方向?yàn)樾盘?hào)分析和電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究；

梅李鵬(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)；E-mail: 894363779@qq.com

林湘寧(1970-)，男，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51477090)