线路保护光纤通道延时判别及实用方案研究

朱 丹

（云南电网有限责任公司德宏供电局）

0 引言

线路光纤差动保护是一种结构清晰并且具备较高灵敏度的保护类型，其对同杆双回线的故障具有较好的针对性，尤其是能够很好地针对跨线异名相故障并对其有效遏制，因此在电力系统中所适用的范围较广。设立线路光纤差动保护要严格按照技术指标进行设置，一般情况下对线路两侧电气量进行同步处理后运用乒乓对时法将线路两侧的电气量数据进行处理，使数据能够相互匹配，同时要求光纤通道收发路由需要相互适应以保证系统的稳定，因此光纤差动保护的光纤通道在整个电网线路中的使用程度较为有限。

现阶段电网线路中运用较为广泛的是光纤自愈环网技术，其能够保证光纤通信的运行稳定，但唯一的不足在于光纤差动保护通道与光纤自愈环网不能进行相互协调应用，究其原因在于两者的数据恢复传输模式之间存在一定的冲突，使得线路电流差动保护不能正常进行同步工作，并且可能会对区外的保护造成一定程度的影响，使其再出现故障时无法正确调用保护而造成电路的损坏。

本文根据现阶段线路光纤保护所存在的局限与不足，对收发通道延时进行了处理，提出了一个新的保护模式，使其能够克服线路光纤保护现在所面临的问题。具体原理表现为在通道处于正常状态下时运用光纤差动保护，而当通道被延时或者进行越限的情况发生时，运用光纤距离保护，并且实现两种保护的灵活替换。在对该方案进行实际运行验证后表明，本文所提出的方法能够使光纤保护在任何情况下都能够完成保护任务，其能够完美地应用于自愈环网这一类通信路由不断发生改变的位置，使得线路光纤保护能够更加适应不同条件下线路的需求。

1 光纤通道变化对差动保护的影响

1.1 光纤通道路由变化分析

图 1对光纤自愈环网的运行规律进行了明确阐述，如果在A、B两点之间设置线路光纤差动保护通道，光纤AB段使用各自的光纤通道来完成通信，A、B两个接点保持收发路由的一致性，在这样的情况下光纤差动保护可以处于正常保护状态。当 A点沿着通道向 B点进行通道故障的发送时，在使用光纤自愈环网方案时光纤路由会进行智能转换通道，光纤路由的顺序由A到C，再由C到D这样顺时针回到B，将其通道延时设置为Td2，光纤接收路由B到A的通道设置为Td1。进行切换后收发路由器的运行方式受到影响导致传输延时发生改变，使差动保护不能合理发挥其保护功能。

根据图1的内容可以看出，主通道传输在正常运行过程中被切断后，为了保证通道的持续，将会自动转换到备用的通道。但是主通道与备用通道所使用的路由不同，直接对差动保护收发延时造成了较大影响，这个程度的影响使得以乒乓对时算法为基础的差动保护装置内部算法出现错误，使得其同步性被影响。

图1 光纤自愈环网示意图

1.2 光纤收发路由变化对差动保护的影响分析

图2对乒乓对时法的运行规律进行了明确阐述，在线路两侧的保护中进行主站设置，不论是选择哪边为主站，相应地违背选择的那一方就成为了从站，两侧具有相同的固有采样率，作为主站的tm1持续不断地向从站发送信息命令，其具体性质为计算通道延时tm，从站收到相关信息后，将其与延时时间参数tm一起发送至主站。

因为两个方向传输的信息实际是通过一条线路，因此在对其进行计算时需要将接收与发送两个方面的延时设置为相同的参数，具体的通道延时计算式为：

SDH自愈环网由于存在数据信息的切换过程，使得路由对两侧的保护装置收发信息不同，线路两侧的通道延时分别设置为Td1与Td2，两侧数据所产生的偏差计算如下式：

当系统的运行工频参数满足f=50Hz时，时间差异数值所对应的角度偏差计算如下式：

式中，Δθ 表示时间差异数值所对应的角度偏差数值，f表示系统频率参数，Td1和Td2是来回两次传输通道的延时参数。Δθ 将对纵差保护区内故障的灵敏度造成较大程度的影响，并且会使区外保护装置形成误动而不能合理发挥其保护功能。

1.3 光纤收发路由不一致对光纤距离和方向保护的影响

从线路光纤纵联方向与距离保护的实质来看，主要是对线路两侧的保护方向元件动作进行判断，对其开关量信息进行正确的研判，以此来对线路故障进行区内外分析与处理。光纤线路的纵联方向与距离保护逻辑对于两侧保护以及开入量采集没有进行严格要求，可以允许其将传输延时控制在 8ms之内。光纤自愈环网切换收发延时的参数要远小于8ms，因此即便自愈环网中出现路由切换的现象造成光纤收发路由出现偏差，线路光纤纵联中的距离保护与方向保护的功能依旧是正常的，光纤自愈环网切换对其所造成的影响程度有限。

2 光纤通道收发路由延时不一致的判断方法

光纤收发通道延时对纵差保护区内故障的灵敏度有较大程度的影响，并且对区外故障时的保护装置也能造成影响。目前的数据通道纵差保护还不能提供完善的通道监控，在这样的情况下，本文设定一种以线路参数模型来计算电压相量角差，对通道双向延时进行一致处理。

具体的判断方式原理是当线路不带高抗时，图3a对线路的π 形正序网络模型进行了描述，当线路带高抗时，图 3b对线路的π 形正序网络模型进行了描述。M 侧能够利用对侧电压值进行计算，并且根据图3能够以本侧电流与电压以及线路模型为依据，使对侧电压相量能够计算，具体如下式所示：

式中，UM为M侧测量的电压相量；Z1为线路正序阻抗参数值；I1为M侧正序电流参数；C1为线路正序电容参数。图3较为显著地将输电线路集中参数等效电路进行了合理描述，式（4）是图3a的计算式，式（5）是图3b的计算式。

图3 输电线路集中参数等效电路

通道双向延时参数一致的情况下，2个电压相量角的数值应该相等，以此其差值应该等于零，但在实际的现实电路中，由于多方面的因素，最为常见的包括各种数值误差，以及线路模型不精确等因素造成的影响，其差值可能不会为零，而是生成一个较小的数值，当通道来回双路由是不同数值时，电压相量角差会产生一个数值，通过式（2）与式（3）进行综合推导能够对其双向延时参数进行计算，具体过程如下式所示：

3 新型线路光纤保护实用集成方案

3.1 集成方案

该方案内容主要是将线路光纤纵联差动保护与其他保护，如光纤纵联距离与方向保护进行整合，使它们构成一个保护，在对光纤收发传输延时进行监测的过程中，对其进行正确的研判并作出相应的动作，例如光纤双向传输延时与延时门槛值相比较小的情况下，采用线路光纤差动保护来进行实时保护；如果光纤双向传输延时与延时门槛值相比较大的情况下，采用闭锁差动保护来进行实时保护，实现保护模式根据实际现状的自由切换。

将线路光纤纵联差动保护与光纤纵联距离与方向保护进行整合，能够使新的保护具备纵差保护的特点，同时也能使线路不受纵联距离保护所造成的相关影响，如通道路由不一致的情况等，使保护系统与自愈环进行连接后，其运行性能不受到影响，并且在某些程度还有部分提升。将保护装置进行整合集成而构成新的保护装置，得益于装置设备硬件技术的不断发展与提升，使得多种保护优势能够集中起来。

纵差保护与纵联距离保护的编码具有一定程度的相似性，并且可以将二者进行整帧信息的编辑，因此纵差保护与纵联距离保护在系统中能够共同使用一个信道来进行信息传输收发，获取的发信开关量以及两侧交互的信息量来进行同步保护逻辑的决策依据，实现保护的出口跳闸。

3.2 实验验证

在完成了整个方案的逻辑与理论构建后，需要进行最后的实践来对其功效进行检测，以此来证明该方法是否具备科学性与逻辑性，最为重要的是该方法是否能够成功。由于不能将该方案直接投入到现实电力系统中进行检测，因此需要通过RTDS系统来对该方案进行仿真实验，具体的实验接线图如图4所示。

图4 RTDS系统仿真实验接线图

对该仿真系统中的参数模型设置上将保护装置的采样速率定为48点；对于分散参数模型来说其采样速率定为240点，由此来看，随着采样率的不断提升，um(t-τ )和im(t-τ )的差值就会越来越准确。保护装置延时误差的限定值设为1.6ms，如果实验设定通道来回延时差大于这个设定值，装置将会显示其处于越限状态，并发出相应的信号，同时开始自动运行对保护逻辑进行切换。如果在仿真测试中的人为通道延时差值达到5ms，具体的计算结果如下表所示。

表 光纤通道延时计算结果

在上述仿真实验的过程中如果互感器与模型参数都处于标准的状态，该实验能够对模型通道延时参数进行精确的验证。根据表1的实验结果数据显示，线路长度在 300km以下时，分布参数模型的计算精度要显得更高，长度大于300km的线路能够运用分布参数模型来对其进行计算，在超长线路中运用分布参数模型进行计算能够有效提升计算结果的精确程度。

4 结束语

本文对新的判别光纤收发通道路由延时具有差异性的情况进行分析并提出一种新的算法，在该算法的基础上研究了一种整合光纤纵联差动保护与总量距离方面保护的装置，使光纤双向传输的过程中出现延时情况后能够对该延时参数进行实时判别，并将该延时的参数与装置设置的延时参数进行对比，如果实际延时数值小于该装置延时参数，光纤保护采取光纤电流差动保护模式；如果实际延时数值大于该装置延时参数，光纤保护采取光纤距离与方向保护模式，使得光纤线路保护能够根据不同的状况进行灵活调整，极大提高了光纤线路保护的效率。随着电网技术的发展，电网线路的建设也越来越多。在这样的环境下，线路保护在其发展中也面临着机遇与挑战。在保持线路保护传统优势的前提下，持续改进保护的功能、提高工作性能、突破传统的局限是今后需要重点关注与投入的。伴随着智能电网不断发展，智能化电网会越来越多地得到公众的关注与研究，整合保护装置将会得到更好地发展空间，为智能电站的建设提供重要的基础。

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