光纤纵差保护中数据同步的误差分析

　　 
　　1　引言
　　随着光纤数字通信技术的日益发展及其在电力系统中的逐步应用，光纤纵差保护以其原理简单、性能可靠的优点在高压、超高压输电线路中逐步得到广泛的应用。对于光纤纵差保护装置而言，主要有两大问题必须解决：数据的传输问题和数据的同步问题。

　　
　　对于数据的同步问题，目前各生产厂家通常采用以下几种解决方案［1］：
　　
　　(1)采样数据修正法；
　　
　　(2)采样时刻调整法；
　　
　　(3)参考相量同步法；
　　
　　(4)GPS同步法。
　　
　　其中，前两种解决方案都是基于光纤通道收、发延时相等的“等腰梯形算法”(即乒乓算法)。后两种则与通道无关，但参考相量法受输电线路参数和电气量测量误差的影响，其精度不能得到保证；GPS同步法依赖于GPS对时，可以达到相当高的精度，但它会受到自然环境和社会环境等因素的制约，并且需要相应的硬件支持。由于继电保护装置的特殊性，该方法不能作为保护装置唯一的同步方法。
　　
　　由上可知，采用不同的同步方法会有不同的同步误差源产生。随着电力系统通信网络的日益完善，自愈环网或可变路径的光纤通道逐渐增多。在这种情况下，对每一帧数据都进行“梯形算法”的数据修正法显然已不合适。采用采样时刻调整法能够在同步后的一段时间内不必重新调整同步，这一时间的长短取决于两侧保护装置采样时钟的相对漂移情况。
　　
　　在同步建立期间，光纤通道出现收、发延时不对称的情况时，采用梯形算法计算出的两侧同步时刻会有一个固定偏差ΔT，偏差大小与通道的不对称度有关(具体见下文)，使保护在正常情况下出现差流，失去灵敏度，甚至引起误动。
　　
　　基于以上原因，本文提出运用“采样时刻调整法”为同步方式，“并自适应抬高动作门槛”的补偿办法。该方法已在许继公司的新一代光纤纵差保护装置WXH－803高压线路保护装置中得到成功的运用。
　　
　　WXH－803保护装置每周波96点采样，每5 ms传输一帧数据。该帧数据中包含同步信息和保护信息两大块内容。同步信息包含各类时间标签，主要用于同步计算，一帧数据中所带的信息足以完成一次同步监测；保护信息包含三相电流相量值、状态信息和分时传送电压相量，是保护用作差动判据及双端量测距的数据来源。
　　
　　2　运用“采样时刻调整法”建立统一的时间坐标系
　　采样时刻调整法已在多种文献上有详细论述，以下只作必要说明，不作详细的同步过程分析。
　　
　　如图1所示，定义向上通道延时tdu与向下通道延时tdd，同步端(N侧)采样时刻超前参考端(M侧)ΔT，有：
　　　
　　当tdu＝tdd时，两侧对齐的条件为TM＝TN，所以在对称通道下，理论上可以做到采样时刻同步。由上可知：“梯形算法”的前提是光纤通道必须对称。
　　　
　　同步后将两侧相同时刻的采样值标以相同的时间序号，为充分满足通道的延时要求，笔者采用12周波循环序号(窗口长度240ms)。WXH－803采用每周波96点采样，则统计时间序号为96×12＝1152个。图1所示mi、ni即为各侧时标。同步后应有 m0＝n0，m1＝n1，…，这样两侧的时间坐标建立了基于采样序号的对应关系，为差动计算奠定了基础。
　　
　　3　同步误差分析
　　3．1　晶振漂移引起的误差分析
　　
　　保护系统同步后，造成系统再次失去同步的主要原因是两侧保护晶振的相对漂移，这是一个相对缓慢而非突变的过程(实验表明：在工作频率40MHz、精度为10－9ppm的时钟下，同步后两侧采样时刻偏离0．1 ms的时间约为1．5 min左右)。因此，没有必要对同步端采样时刻实时进行调整，但实时监测系统的同步状况是必要的，也是简单易行的，这样可以按自己的精度要求自适应地进行调整，而非传统地定时调整采样时刻。
　　
　　在该方案具体实施中，笔者采用判据ΔT＝(TM－TN)／2＞0．2 ms且连续出现几次后便启动同步调整过程，使两侧采样时刻再次达到同步。该过程是一种时刻微调，并不破坏数据的连续性，取连续几次的原因主要是防止计算误差或通道因素的影响。
　　
　　3．2　非对称通道延时不等的误差分析
　　
　　在同步建立期间，若光纤通道出现收、发延时不对称的情况时(如图2所示)，采用梯形算法计算出的两侧同步时刻会有一个固定偏差ΔT
　　　
　　式中：ΔT为非对称通道带来的同步误差，与之相对应的电气量的角度差为θ。
　　　
　　　
　　在使保护在区内故障时灵敏度降低，发生区外故障时可能会引起误动。另外，由不对称通道引起的θ角只知其存在，但并不能通过“梯形算法”求出其大小。
　　
　　4　补偿办法
　　在相量差动保护中，总是运用基尔霍夫电流定律，即∑Ik=0其中，Ik为线路各侧保护装置测得的同名相电气量。但在实际的线路相差保护中，上式成立须满足以下几个条件：
　　
　　(1)电容电流(充电电流)为零；
　　
　　(2)两侧计算的相量值必须为同一时刻；
　　
　　(3)装置测量回路(包括CT回路)要有足够高的精度；
　　
　　(4)无区内故障。
　　
　　在系统正常时主要的影响因素为前两条。
　　
　　当电容电流存在时可以进行电容电流补偿，取图3所示等效模型，则电容电流经下式计算：
　　　
　　理论上补偿后同一时刻的电流相量满足KCL方程。
　　
　　在系统正常时，若两侧采样时刻不一致，则会在以下两个方面表现出来：
　　
　　(1)两侧同名相电流相量会存在一个相角差θ；
　　　
　　根据以上两种表现形式，可分别对应两种补偿手段，分述如下。
　　　
　　4．1　结合参考相量法及数据修正法对相量进行调整
　　
　　此方法的关键是借助两侧的电压参考相量近似计算出θ的大小，并利用该偏差角对接收数据进行角度扭转。
　　
　　线路正常时两侧的电压的关系(假设负荷电流IF方向由M侧至N侧为正方向)：
　　　
　　其中：为N侧电压Un折算至M侧的等效电压量。
　　
　　若两电压相量方向不一致，可由余弦定理求出二者夹角，该角度主要是由线路两侧装置采样时刻不一致引起，即为采样时刻偏差角θ，并通过θ角将对侧电流相量进行角度扭转来减小不同步带来的影响：
　　　
　　(本侧超前时θ取正，本侧滞后时θ取负)
　　
　　但该方法要求通道上要传送电压信息，在实际应用中并不方便，且受线路参数的影响较大，精度很难保证。同时，笔者建议不宜通过此θ值对采样时刻进行调整，因为该方法破坏了采样时刻调整法的时钟基准单一性。
　　
　　4．2　根据不平衡输出自适应抬高动作门槛
　　
　　在系统正常的情况下，按照式(7)连续计算A、B、C相的不平衡输出，此不平衡电流是线路流过的负荷电流的2 sin(θ／2)倍，在θ较小时基本为正比关系。由此，可计算出相应的补偿系数，并在差动辅助判据中进行补偿，差动主判据不做任何调整：
　　
　　其中：kBPH＝IBPH／IFC，为不平衡补偿系数，在实际应用中将该系数限定在［0，1］的范围内；IFC为装置本侧补偿后装置测量电流值；IMC、INC均为电容电流补偿后的各侧电流值。
　　
　　该方法简单易行，在不丧失区内故障灵敏度的前提下，能可靠避免区外故障时由于两侧采样不同而可能引起的误动问题。
　　
　　运用该补偿方法时，必须注意运用条件：
　　
　　(1)补偿系数需在系统稳定的情况下求得，突变量启动后要退出计算改而采用记忆值；
　　
　　(2)补偿系数须是一段时间内的平均值，某一次的突变不宜采信。
　　
　　在WXH－803保护装置中采用第二种补偿方式，并在试验中达到了良好的效果。
　　
　　5　结论
　　本文分析了的采样时刻调整法误差根源，并采用根据不平衡输出自适应抬高动作门槛的补偿方法，提高了保护装置的可靠性。基于此原理而设计的“WXH－803高压线路纵差保护装置”已成功通过动模试验及型式试验的严格测试，结果显示该装置具有较高的精度及灵敏度，完全能够满足电力系统需要。

原文转自：http://www.ltesting.net