光纤通道延时不一致对差动保护的影响
张兆云，刘宏君，俞伟国
【摘 要】摘要：提出了三端差动保护中三端的同步方法，重点阐述了光纤通道双向延时差的计算方法。在计算了延时差之后，详细分析了单条通道延时不一致和两条通道不一致对差动保护的具体影响，得出结论：三端差动保护中由于存在冗余通道，可以检测部分光纤双向延时不一致的情况，提高保护的可靠性。 【期刊名称】电力系统保护与控制 【年(卷),期】2010(038)014 【总页数】5
【关键词】三端差动保护；通道延时不一致；同步
0 引言
随着光纤通信技术的日益成熟，基于光纤通道的两端电流差动保护在电力系统得到非常广泛的使用。由于T接线路具有经济性好、建设周期短、节约土地等优点，在高压系统中的应用越来越多。而T接线常常联系着大电厂和大系统，发生故障后要求保护能够快速动作。光纤电流差动保护无疑是该类线路最理想的保护，三端差动保护的运用也将更加广泛。
光纤差动保护的双向通道延时不一致，保护将出现差流，甚至引起误动[1-2]。因而为了避免保护的误动，在通信组网时要求通道双向延时严格一致。是否有办法检测双向通道延时不一致呢？对于常规的单通道双端线路差动保护来说，结论无疑是否定的。但三端差动保护能否检测出某条通道双向延时不一致呢？对于目前部分电网使用的双通道保护装置呢？本文将通过理论分析就此给出明确的结论。
1 三端差动的应用现状
三端差动的光纤连接图如图1所示[3]。
三端差动保护装置之间的同步方案：选择其中某一端为参考端，设为M，其余两端为同步端，分别记为S1和S2。同步端和参考端之间利用乒乓原理进行同步，根据同步端之间是否有光纤通道可以分为两种工作方式。 1.1 两通道工作方式
两通道方式下，也就是两个同步端之间无光纤通道，因而同步端之间无数据交换。参考端接收到两个同步端的交流量数据和启动信息，进行差动保护的计算；如果三端的启动元件均动作，同时满足差动保护动作条件，则参考端差动保护动作；同时通过远跳方式联跳两个同步端的相应相别。该方式优势是光纤通道少，且可方便扩展到三端以上的差动保护。 1.2 三通道工作方式
三通道工作方式，也就是两个同步端之间有光纤通道，因而两个同步端可以实时交换数据，这些数据既包括交流信息，也包括控制信息和同步信息。三通道工作方式下任何一端装置都可以收到另外两端保护装置的交流量信息，因而任何一侧保护装置都可独立完成差动保护；在故障时，同步端可以独立计算，在自身差动判据满足且另外两端的启动元件动作的前提下保护跳闸，而不依赖于参考端的远跳功能。该方式的优点是保护可靠性高；同时该方式下，如果某条光纤中断或误码率过高时则可自动切换到两通道工作方式。
2 三端差动中采样同步
三端差动保护中规定一侧为参考端，即主机（M）；另外两侧为同步端，即从机（S1和S2）。
2.1 参考端和同步端之间同步原理
三端差动保护装置参考端M和同步端S1和S2之间的采样同步基于采样时刻调整法，俗称乒乓原理[4-6]。参考端的采样间隔固定。如图2所示，假设两侧采样不同步，从机较主机提前 tc。T为采样周期， tsm为从机发送报文到主机的通道延时， tms为主机发送报文到从机的通道延时；Tm为主机收到从机报文的时刻与本装置上一次采样时刻之间的时间差； Ts为从机收到主机报文的时刻与本装置上一次采样时刻之间的时间差。则有： 则有：
a) 若光纤通信来回通道一致时，则通道延时是一定的，则有 ts m = t ms 、 n 1 = n 2，则有
当从机计算出 tc后，将采样时刻调整 tc，则主 从采样同步。
b) 若光纤通信来回通道不一致时，则双向延时不同，即 tsm ≠tms ，则理论上无法计算出tc。按照乒乓原理中，主装置和从装置之间总是以 tc = 0 为调整成功。即：
参照式（3）可知，此时两侧装置电流采样的时差（S超前M的时间）为： 式（6）表明，当通道收发路径不一致时，因时差造成两侧不同步的相位差为ω?t。
2.2 同步端之间的时差测量
根据乒乓原理，参考端和同步端S1和S2之间分别完成了同步，如图3所示。 图3 中：
参考端M数据传输到同步端S1的延时为 ms1t ，从机S1收到主机M报文的
时刻与本装置上一次采样时刻之间的时间差为 ms1t ；
同步端S1数据传输到参考端M的延时为 s1mt ，主机M收到从机S1报文的时刻与本装置上一次采样时刻之间的时间差为 s1mt ；
参考端M数据传输到同步端S2的延时为 ms2t ，从机S2收到主机M报文的时刻与本装置上一次采样时刻之间的时间差为 tm s2；
同步端S2数据传输到参考端M的延时为 ts 2 m，为主机M收到从机S2报文的时刻与本装置上一次采样时刻之间的时间差为 ts 2 m；
同步端S1数据传输到同步端S2的延时为 ts 1 s2，从机S2收到从机S1报文的时刻与本装置上一次采样时刻之间的时间差为 ts 1 s2；
同步端S2数据传输到同步端S1的延时为 ts 2 s1，从机S1收到从机S2的报文的时刻与本装置上一次采样时刻之间的时间差为 ts 2 s1。
S2?5为同步端S2当前的采样序号，同时S1?3为当前时刻收到从机S1最新数据的采样序号；S2?1为从机S1在S1?3时刻收到的从机S2最新数据的采样点序号。
同步端S1和同步端S2分别和参考端M同步，根据式（6）可知同步之后： 同步端 S1采样超前参考端Tm s1 = T s1m； 同步端 S2采样超前参考端Tm s2 = T s2m。 定义同步端S2计算的双向延时差为：
式（7）中含有S2?5、S2?1、S1?3、Ts1s2、Ts2s1等五个变量。任何一个采样点中，这五个变量都是确定的，因而上述的双向延时差是可以测量的。同时，上述变量是重要的同步信息，在保护中和交流量信息打包一起发送，因而时差的计算和保护的计算是同时的。
同时从图3可知：
将式（8）、（9）代入式（7）得到：
通过式（7）可以准确地测量出?t，通过式（10）可以看出?t从物理意义可以看作是同步端S1依次经过参考端M，同步端S2后环回的通道延时和依次经过同步端S2、参考端M环回的通道延时的时间差。
3 同步端间计算时差的应用
三通道工作方式下两同步端之间可以利用式(7)准确计算出两者传输时差?t，该时差反应了光纤通信系统的双向延时不一致情况。时差的计算和保护判据的计算同时进行，任何一个采样点都可以准确地计算出时差。当该时差大于预定门槛值，两侧电流的角度误差也将达到了一定门槛，需要闭锁差动保护，以防止保护误动作或者误发信。
3.1 单条通道延时不一致对保护的影响
如果在系统中出现单条通道延时不一致的情况。双向延时不一致的通道可能出现在参考端和同步端之间，也可能出现在两个同步端之间。
如果同步端和参考端之间出现双向延时不一致的，可假设 ts 1 s2 = t s2s1、ts 2 m = t ms2，ts1m ≠tms1，根据乒乓原理，同步后如图3所示。参考端M和同步端S2完全同步，参考端M和同步端S1之间采样点存在的时差为，从而同步端S1和S2之间的计算时差为
如果同步端S1和同步端S2之间出现双向延时不一致的，即 ts1s2 ≠ts2s1、ts 2 m= t ms2，ts 1 m = t ms1，那么根据乒乓原理，参考端M、同步端S1和同步端S2三者采样均完全同步，但是S1和S2之间的计算时延
通过上述分析，有且仅有一条通道发生双向传输延时不一致时，三端差动保护
光纤通道延时不一致对差动保护的影响
