光纤自愈环网电流纵差保护的数据同步方法

光纤自愈环网电流纵差保护的数据同步方法

索南加乐，张怿宁，焦在滨

(西安交通大学电气工程学院，陕西省西安市 710049)

摘要：针对基于数据通道的同步方法不能适应光纤自愈环网通信路由的变化，提出了基于分布

参数线路模型的同步方法。该方法选用分布参数线路模型，分别从线路两端计算保护安装处的

电流量(或电压量)作为数据同步比较的依据，结合数据修正的方法进行采样数据同步处理。该方

法同步速度快，不受通信路由变化和系统振荡的影响，能够解决电流纵差保护在光纤自愈环网

中的采样数据同步问题，RTDS仿真和试验分析结果表明其同步精度满足电流纵差保护的要求。

关键词：差动保护；自愈环网；采样同步；光纤

中图分类号：TM773

0 引言

数字电流纵差保护在算法上要求参加比较的各端电流量必须同步采样或经过采样数据同步处理，这是实现数字电流纵差保护的一个关键问题[1]。

光纤电流纵差保护以光纤为通信媒介，其保护原理简单，保护方式可靠，应用前景十分广阔。随着光纤通信技术的发展，为了提高通信可靠性，光纤自愈环网通信方式越来越多地应用在电力系统中。而这种通信网在运行中通信路由有发生变化的可能性，通信路由的变化给采样数据同步处理提出了新的问题。目前的光纤纵差保护采样数据同步原理是基于收发信通道路由相同，当通信路由发生变化，尤其是收发信路由不一致时会出现假同步现象，而且收发信路由通道延时相差越大，对保护的影响就越大，大到一定程度时将引起保护的不正确动作，使光纤纵差保护在光纤自愈环网上无法正常运行[2]。

总结光纤电流纵差保护的采样数据同步方法，大致可归纳为三类：①基于数据通道的同步方法，包括采样时刻调整法、采样数据修正法和时钟校正法。这些方法都是近年来研究和应用较多的方法，不足之处是无法克服通信通道变化的影响。虽然一些新的研究成果在一定程度上降低了通道的影响，但是当通信路由发生变化，尤其是收发信路由不等的情况下，利用该类方法会产生很大的误差，而且重新建立同步需要较长的时间。②基于参考向量的同步方法。该方法与通信通道无关，能够适应通信路由的变化，但是由于线路模型和向量估计精度等因素的影响，其同步精度尚有待提高。③基于GPS的同步方法。该方法在原理上是一种理想的方法，但需安装GPS接收机及相应的采样时钟同步锁相回路，考虑到GPS系统的受控性，不宜推广应用。

本文分析了自愈环网通信路由变化对基于数据通道的同步方法的影响，借鉴参考向量同步方法的思想，提出基于分布参数线路模型的同步方法，解决电流纵差保护在光纤自愈环网中的采样数据同步问题。试验分析结果表明其准确性满足电流纵差保护的要求。

1 光纤自愈环网的通信路由变化[3]

自愈网是指网络在出现意外故障时能够在极短时间内且无需人为干涉自动恢复所携带业务，即网络具

备发现替代传输路由并重新确立通信的能力。SDH光纤自愈环网是实现自愈网的主要方法之一，具有很强的自愈能力，正在被电力系统通信网广泛采用。SDH光纤自愈环可分为通道保护环和复用段保护环，每种环网按照工作状态可以分为两段，即业务段和保护段(备用段)。通道保护环在正常工作情况下保护段也传输业务信号；而复用段保护环在正常情况下保护段空闲，可用于传输其他业务信号。

SDH自愈环网具有五种典型结构：两纤单向通道保护环、两纤双向通道保护环、两纤单向复用段保护环、两纤双向复用段保护环、四纤双向复用段保护环。两纤环是目前较多采用的方式，限于篇幅，举例说明其工作原理见图1所示。其中左侧图为正常运行的光纤通道示意图，右侧图为自愈环倒换后的光纤通道示意图。A、B、C、D分别为光纤通道上的节点倒换开关，S表示业务段光纤，P表示保护段光纤，AC表示由节点A流向节点C的数据信号，CA表示由节点C流向节点A的数据信号。

(a) 两纤单向通道保护环(b) 两纤双向复用段保护环

图1 光纤自愈环工作原理图

分析上述五种结构形式的光纤自愈环网通信路由情况可知：①两纤单向通道保护环在正常通信时收发信路由不一致，通道故障后收发信路由一致；②两纤单向复用段保护环在正常时和故障后收发信路由均不一致；③两纤双向通道保护环、两纤双向复用段保护环、四纤双向复用段保护环在正常工作时收发信路由一致，故障后通信路由会发生变化，但收发信路由仍然一致。

2 通信路由对数据同步方法的影响

通信路由的变化对基于数据通道的同步方法影响较大。基于参考向量的同步方法则从原理上不受通信路由变化的影响。

基于数据通道的同步方法以假设收发信路由一致为前提。当收发信路由一致时，采用该方法可以使采样数据达到较高的同步精度[1]，但是当收发信路由不一致时，该方法中利用梯形算法计算得出的通道延时就会有一个固定偏差Δt，收发信路由的通道延时相差越大，Δt就越大。以收发信路由时差1ms为例，由梯形算法计算得出Δt=0.5ms，与之相对应的电气量相位差即同步误差θ为

θ=Δt/20*360°=9° (1)

9°的同步误差使差动保护在系统正常运行时计算的差流变大，灵敏度降低很多，发生区外故障时可能会引起误动。由于Δt是难于测量的，所以也很难确定θ值，无法对该误差进行修正。由此可见，光纤自愈环网上收发信路由不一致会导致基于数据通道的同步方法误差很大，并且无法克服。

一旦光纤通道故障，光纤自愈环网通道迅速自动倒换，及时恢复通信，但是通道倒换成功后，由于数据通道发生了变化，保护装置需重新进行采样数据同步处理才能进入正常保护工作状态。当采用基于通道的同步方法时，两侧装置需要经过若干次同步对时的“乒乓”过程才能达到数据同步的目的，这一“握手”过程的时间长达秒级[4]。如此长时间的失去保护是系统安全稳定运行所不允许的。

综上所述，在光纤自愈环网通信系统中，基于数据通道的同步方法无论在适应收发信路由不一致的影

响方面，还是在缩短建立同步时间方面都无法满足电流纵差保护的要求。

3 基于分布参数线路模型的同步方法

3.1 同步原理

基于分布参数线路模型的同步方法借鉴基于参考向量同步方法的思想，继承了其不受通信路由变化影响的优点，利用分布参数线路模型计算出代表同一量的两个电流量(或电压量)，然后对这两个量进行比较，实现采样同步。

分布参数线路模型的等值电路如图2所示。

4R 4R 4R 4R )

图2 分布参数线路模型的等值电路

以比较M 端保护安装处的两个电流量为例，其中一个电流量直接利用M 端保护装置的电流采样值

)(t i m ，另一个电流量是由线路N 端计算得到的M 端保护安装处的电流量),(t L i m

¢¢，其计算过程如下。 将N 端电流、电压的采样值进行相模变换，然后根据文献[5]中计算沿线任意时刻电流分布的方法，利用变换后的电流、电压的各模量瞬时值计算出M 端电流的各模量瞬时值。以a 模量为例

)]4()()([2421)])(/()/([ )4(21)]4()/( )/()[4(21),(000000L r t i t u Z L r Z L r Z v L t i v L t u Z L r Z Z L r Z v L t i v L t u Z L r Z Z t L i n n C

C C n n C C C C n n C C C m ----+---++-++=¢ (2) 式中：m i 为M 端电流的a 模量瞬时值；n u 、n i 分别为N 端电压、电流的a 模量瞬时值；L 为线路长度；001c l v =为线路的波速度；00c l C Z =为线路波阻抗；0r 、0l 、0c 分别为单位长度线路的电阻、电感和电容。

同理求出b 、o 模量瞬时值，经过相模反变换得到各相的瞬时值),(t L i m

¢¢。 ),(t L i m

¢¢经由光纤通道由N 端传送到M 端，与M 端的)(t i m 进行逐一比较，当查找到与之同步的采样值)(1t -t i m 时，)(1t -t i m 和),(t L i m

¢¢即为输电线路上同一时刻、同一地点的电流值，所以有 ),()(1t L i t i m m ¢¢=-t (3)

式中，1t 为M 端接收到N 端传来的数据时的采样时刻；t 为通道延时及采样同步误差，ms 20

式(3)即为采样数据同步判据。利用电压量的同步原理类似，不再赘述。

3.2 同步特点

基于分布参数线路模型的同步方法具有以下特点：

① 分布参数线路模型是针对输电线路的分布特性建立的，是全频带范围内均适用的精确线路模型，