线路光纤纵差等腰梯形同步技术

邹运和 朱发国

(航天科工深圳(集团)有限公司,广东深圳 518034)

线路光纤纵差等腰梯形同步技术

邹运和 朱发国

(航天科工深圳(集团)有限公司,广东深圳 518034)

光纤差动保护是电力继电保护中优秀的保护元件,而实现这一元件的最重要的技术之一就是光纤数据同步。本文重点介绍了线路差动保护动作原理及差电流和制动电流计算方法,解释了光纤数据传输原理和过程,以及两端数据传输模型-等腰梯形算法,和同步计算时所涉及到的相位因子的形成方法。光纤通信和数据同步技术是线路纵差保护的基础理论和关键技术,必将在电力系统保护与自动控制中得到广泛的推广应用。

通道传输延时 等腰梯形算法 相位因子

大型变压器、发电机、母线，以及短线路导引线保护等，宜采用差动保护作为主保护，带方向或不带方向电流保护作为后备保护[1]，而主保护要能够满足系统稳定和设备安全要求，要以最快的速度有选择性切除设备或线路故障。差动保护作为主保护，相对其它方式的保护有着显著的优点，差动保护有绝对的选择性，较高的灵敏性和快速性，能够实现整个保护范围内的快速动作，而且保护原理相对简单，实现方法也不复杂。随着电力继电保护技术和光纤通信技术的发展，中短距离输电线路甚至长距离输电线路，也可以像元件保护那样实现分相电流差动保护，这要比以往输电线路依靠纵联方向或纵联距离，从保护原理上更加完善、可靠，而且解决了TV断线、系统振荡、过渡电阻、高阻接地等诸多问题，并且有天然的选相能力等优点[2]。跟一次元件的差动保护直接对各侧电流进行同步采样相比，线路差动需要在线路各端独立采集电流信号，并通过光纤信道将本端电流信号传输到其他各端，再利用技术手段在各端进行同步计算，这是线路纵差保护多出来的一个环节，也是线路纵差保护需要解决的重点和难点问题。

1 光纤纵差保护原理

光纤作为保护通道在抗干扰方面有着得天独厚的优势，可大大加强继电保护动作行为的正确性和可靠性。目前地方电网110kV及以上线路保护多采用光纤作为保护通道。

光纤纵联差动保护就是在输电线路沿线铺设光纤信道，实现线路两端数据实时传输，然后对两端数据进行同步计算，再用同步后数据进行差动保护计算，以实现分相电流差动保护。两端互传的电流数据可以是经过计算得到的向量值，也可以是电流采样值。而差动保护动作特性，和一次元件差动保护等没有区别，可以采用复式比率制动原理等。遇变压器等具有特殊接线形式时，一样需要对相关电流相位和幅值进行补偿计算，这些可以查阅相关资料文献。本文重点介绍差动电流的计算方法，以及两端数据在光纤通道中的传输原理和数据同步方法，以两端线路光纤纵差保护为例说明。

图1是线路光纤纵差保护接线图，两端保护装置通过光纤通道连接，两端均应采用相同型号和参数的CT，以减小差异性，并设计CT断线闭锁措施。

图1 光纤纵差保护一次系统示意图

两端均以指向线路为电流正方向，

2 数据传输通道延时

光纤纵差保护在数据同步之前首先需要确定参考端(主端)和同步端(从端)[2]。如图2，为叙述方便，后文均以主端、从端叫法，主从端之间的空间代表光纤信道或通信传输距离。1～13代表两端其中的13个采样点；A～H代表两端采样时间轴上的不同时刻；整个一轮数据传输过程：主端在采样点1完成采样计算后启动数据传输，将本端的电流数据传给对端，在A时刻发送完第1个字节，在C时刻发送完最后一个字节。从端在B时刻接收到第一个字节，在D时刻接收到完整一帧数据。并在下一个采样点8采样并计算本端数据，接着启动数据发送，在E时刻发送完第1个字节，在G时刻发送完最后一个字节。主端在F时刻接收到第一个字节，在H时刻接收到完整一帧数据。

图2 光纤数据传输时间示意图

数据在光纤信道中传输是需要时间的，B时刻肯定要落后A时刻一个时间。同样，D时刻落后C时刻、F时刻落后E时刻，数字信号在同一根光纤信道中来回传输所用的时间相等，所以，，CDEF组成一个等腰梯形，这种同步计算方法也叫等腰梯形算法，这个时间就是图2中的t2-通道传输延时。

时间段t1为启动发送之前的那个采样点时刻到发送完第一个字节所用的时间，包括数据采样时间、向量计算的时间和发送第一个字节所用的时间。忽略极限情况下的误差，两端完全相同的两套保护装置所测得的t1相等。时间段t3为接收端收到完整一帧数据的时刻距离下一个采样点的时间；

t1同样可以通过定时器计时直接得到，t3在从端通过定时器计时得到后传送给主端。t2就很容易计算出来了，t2的大小跟通信距离，以及光信号在光纤信道中的传输速度有关。主从两端应定时(eg.每隔5ms)完成一轮数据交换，每一轮都由主端发起从端收到后回传。这样，两端就都能够得到对端实时的电流数据，再做差动保护计算。这一过程所用的时间大小，取决于数据帧的大小、通信速率、传输距离，以及所采用的通信方式等。可以根据这一时间，确定出多长时间组织一轮数据传输合适，每收到一帧对端的数据都要进行同步计算，保护计算的频度将影响保护的性能指标。数据通信帧结构可以根据需要灵活设计，帧格式通常包括帧头和帧尾校验字节，信息体内容除了电流有效数据外，主端还需要往从端传送t2通道传输延时时间，从端需要往主端传送t3时间(用于主端计算t2)，此外还需包括两端开关状态信息、CT断线相关信息、远方跳闸信息等，必要时还应包括一些调试信息、状态信息等。

3 数据同步方法

数据同步方法有多种：采样数据修正法、采样时刻调整法、时钟校正法、采样序号调整法、GPS同步法、参考向量同步法等，前4种都是基于数字通道收发延时相等的“等腰梯形算法”，但具体处理方法又各不相同[2]。实现数据同步就是将对端某一时刻的数据，与本端同一时刻的数据对应起来，做差动计算。如果两端数据时刻不一致或者说两端数据同步的不好，会造成差动保护计算的误差，对保护是不利的。图2中，各端完成一数据帧发送的时间可以用t4表示，加上通道传输延时(t2)和t1，这个时间t4+t2+t1等于对端数据超前于本端接收到完整一帧数据时刻(记为t时刻)数据的时间，也就是说本端t时刻的电流数据需要往前推t4+t2+t1时间，才能与对端传来的这一帧数据同步。但是，t时刻并不一定就是既定的采样时刻，还应该考虑t时刻到前一个采样点的时间差，图2中表示为t5，如果在从端用第6号采样点的数据与收到的主端的数据计算同步，两端数据时间差实际为t4+t2+t1-t5。

按照采样数据修正法，计算第6采样点时刻的电流数据，乘以一个相位因子，就可以完成数据同步。但实际操作中并不以t时刻附近的采样点去同步对端数据，而是将本端数据往前推适当多个采样点，到与对端数据所对应的采样点最接近的那个点，再进行相位调整操作，才能更真实地反应两端电流的实时性，并减小误差。往前推几个采样点要看t4+t2+t1中包含了几个采样周期T(假设n个)，往前推n个采样点计算那一时刻的电流数据，再乘以相位因子。显然，这样处理更贴近实际，计算也会更精确。

4 结语

如今，光纤纵联差动保护应用越来越广泛，已不仅仅局限于短线路纵差保护，实践中曾遇到变压器一个分支伸出去一公里多远，要求采用光纤纵差保护的情形。所以，光纤通信和数据同步技术可以非常灵活地应用于电力系统要求两端数据交换及同步的场合。随着电力系统通信技术的发展，会出现更多的可以应用光纤通信数据传输和数据同步计算的场合，这项技术的推广应用也将为电力系统某些疑难问题的解决提供很好的启发和思路。

[1]GB/T 14285-2006继电保护和安全自动装置技术规程.全国量度继电器和保护设备标准化技术委员会.

[2]李瑞生.光纤电流差动保护与通道试验技术.北京：中国电力出版社,2006．

[3]杨新民,杨隽琳,等.电力系统微机保护培训教材第二版.北京：中国电力出版社.

[4]GB50062-2008电力装置的继电保护和自动装置-保护功能配置.北京：中国计划出版社,2009．

邹运和(1972-),男,山东菏泽人,工程师,研究方向：电力系统继电保护及配网自动化技术。