产品︱基于北斗的智能化光纤差动保护装置
2015第二届轨道交通供电系统技术大会
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国电南瑞科技股份有限公司的研究人员吴骞，在2015年第9期《电气技术》杂志上撰文，光纤差动保护两端电流的同步采样问题是实现差动保护的关键技术之一。为解决这一难题，北斗卫星授时技术被引入光纤差动保护。文中对基于北斗精确对时的同步方式与传统采样同步采样方式进行了对比。重点对基于北斗实现同步采样的智能化保护装置方案的设计思想和工作原理进行了详细阐述，同时提出了可以利用北斗信号时对常规同步方式改进；结果证实了所提出的同步采样方案的正确性和利用北斗实现电流差动保护的可行性。
智能变电站是智能电网发展的重要方向, 与智能变电站相关的技术研究也成为电网技术的研究热点。作为智能化变电站的重要组成部分，光纤差动保护也成为重要研究对象。相对于其它保护，光纤差动保护具有原理简单、可靠性较高、动作迅速等优势。
为确保差动保护正确动作, 控制系统需要同时获得线路两端的瞬时采样数据，数据是否是同一时刻的采样值对于差动保护能否正确动作有很大的影响。因此线路两侧的同步问题是需要解决重要问题。
对于线路差动保护的同步方式有很多种方法，但这些数据同步方式存在着结构复杂，精度不高或信息安全的问题，并不适用于现在国内的智能化变电站。本文介绍了一种基于北斗对时的智能光纤差动保护装置，比较了几种常用的对时方式优缺点，
分析了各同步方式在智能化变电站的适用性。同时介绍了北斗对时方式在光纤线路差动保护的应用及改进。
1 北斗卫星系统
北斗二代卫星系统是一种类似于美国GPS和俄罗斯GLONASS的卫星导航和对时系统[1]，是我国正在实施的具有自主知识产权的独立运行的第一个区域卫星导航系统。系统于2004年启动，并计划在2020年完成整体系统的构建。
北斗二代卫星系统除了兼容北斗一代系统的具有双向定位、授时和通信等功能外，还具有无源定位和授时功能，用户容量不受任何限制。同时，与北斗一代相比，定位精度有了很大提高，覆盖区域也大幅扩展，用户终端的体积和成本也大大降低。
随着北斗二代卫星系统建设进程，北斗授时产品也取得了快速发展：目前，基于北斗的授时产品已经在我国通信、电力行业取得了部分应用，基于北斗的授时技术已基本成熟。
电力输配系统对设备的时间同步提出了非常高的技术要求。以前电力设备对时间同步的精准度要求是微秒级，现在正慢慢过渡到纳秒级。因此，必须为电力系统配置高精度、高可靠的授时系统。而作为拥有我国自主知识产权的北斗卫星导航技术，其授时精度可以达到单向100ns，双向20ns的精度[2]，完全可以满足电力授时的精度需要。
2 同步采样的实现
2.1 同步方案介绍
对于数据通道的同步问题，目前各生产厂家通常采用的方法包括：采样时刻调整法、采样数据修正法、参考相量同步法[3]和GPS同步法[4]。其中，采样时刻调整法和采样数据修正法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) [5]。如果收发延时不同则会产生较大误差。
采样时刻调整法需要从站根据主站的数据进行采样时刻的修正，这与智能化变电站站内的合并单元根据对时脉冲进行同步采样的设计相冲突。而数据修正法对装置晶振的要求很高，一般硬件很难实现。参考相量法受电气量测量的误差影响较大，其精度不能得到保证，同时参考向量的选取也较为困难[6]；
采用GPS同步的方法依赖于GPS脉冲对时。这种方法精度基本可以达到要求，但GPS是由美国军方掌控，而且拥有局部屏蔽GPS信号的技术，使得其可用性和授时精度均受制于美国的GPS政策[1]，信息安全得不到保障。同时GPS名义上虽能全球覆盖，但由于运行轨道较低，遮蔽角过大，GPS信号在山区或城市容易被物体遮挡；而且GPS信号的精度跟接收到卫星的个数密切相关，连接的卫星少时精度较差。
随着智能化变电站在我国的推广，应用的数目越来越多。现阶段的智能化变电站站内一般都配置有一个统一的授时装置，采用北斗二代兼容GPS的对时模式，同时待北斗技术更加成熟后，将逐步淘汰GPS，实现北斗的单一授时定位，保障电网和新能源建设的坚强可靠。研制基于北斗的智能化光纤差动保护既能解决传统同步方式的精度问题，又可以解决依靠GPS同步带来的信息安全问题，保障我国电网的安全运行，也不需要另外加对时装置。
2.2 北斗同步实现方案
利用北斗对时实现数据的同步时，线路两侧的保护不分主从。如图1所示，两侧的变电站中安装完全相同的北斗接收机。接收机接收到卫星发出的脉冲信号后给智能变电站所有智能化装置授时。合并单元（MU）接收电子式电流互感器/电压互感器（ECT/EVT）的采样数据及信号调理延时、AD采样延时[7]等数据，根据延时对数据进行重采样[5]，以达到数据的同步。MU将重采样后的采样数据、额定延时等都打包发送给保护装置处理。保护装置利用北斗授时脉冲分频后的脉冲信号作为重采样脉冲，根据各MU的延时对多个MU 数据进行重采样及插值计算，完成本侧所有保护采样数据的同步。保护装置把同步好的数据、时间标签以及采样序号通过专用光纤发送给对侧保护装置，同时也接收对侧发过来的相关数据。两侧的保护装置经光纤通道交换采样数据信息，完成差动保护的逻辑。
图1 基于北斗的电流差动保护构成框图
考虑到北斗卫星系统的用户容量和光纤差动保护装置的性能要求，设计中采用单向授时方式给装置授时，精度能够满足保护装置对同步信号的要求。由于重采样脉冲都是由北斗授时脉冲分频的，时间误差很小，光纤差动保护装置只需要根据重采样数据的序号进行处理即能实现线路两侧的同步，也不需要根据对侧数据做任何处理。
2.3 可靠性问题讨论及改进
如果北斗接收机在在某种情况下不能接收到北斗信号，考虑到差动保护的对电网稳定重要性，要实现在无北斗信号时也能完成差动保护。设计中做了进一步的改进方法以提高保护装置的可靠性：在正常情况能接收到北斗卫星信号时，采用北斗卫星对时信号作为同步信号，一旦监视到北斗信号丢失，立即采用常规同步方式。
装置实用北斗信号同步为基本算法，采用常规同步算法作为辅助算法。为适应智能化变电站的特殊要求，常规同步方式采用通过插值方法来实现[8]。这种同步方式是根据梯形算法得到的采样偏差值，把从合并单元接收的数据进行重采样，与北斗对时同步方式数据处理的方式相近，可以方便切换。
由于装置本身及光纤数据传输通道的影响，常规的同步方式在同步时会产生同步误差。此误差在一些情况下比较大，会降低保护装置的灵敏度，甚至造成装置误动或拒动。智能化变电站使用全站统一授时，可以通过授时系统对常规的同步方式加以改进，提高装置性能。
1）装置本身晶振漂移引起的误差[5]
线路两侧保护装置的晶振都有相对的漂移，这是常规的同步方式偏差的原因之一。装置同步后在一段时间后要再次对两端重采样时刻进行调整，否则采样数据就会失去同步。如果两侧晶振相对漂移过大，则需要经常发起同步过程，增加了保护和通道的负担。
智能化变电站采用统一授时方式，由接收机接收北斗信号后给装置授时。即使丢失北斗信号，授时装置靠本身的晶振时间给装置授时。接收机采用的都是高精度、高温宽的晶振，线路两侧接收机晶振漂移很小，可以保持几个小时内误差值不超过允许范围。因此可以减少同步次数，无疑就减轻了保护工作量。
2）光纤通道延时不等的引起的误差[5]
插值同步方式是基于“等腰梯形算法”的，需要假设光纤的收、发通道延时相等。如果光纤通道收发延时不等，采用梯形算法计算的同步时刻会有一个固定的偏差。
图2 通道延时不等引起的误差
如图2所示，本侧保护装置在本侧采样时刻t0通过光纤发出同步信号，在t1时刻对侧接收到同步信号，传输时间为Td0=t1-t0。对侧保护装置接收到信号处理后在采样时刻t2返回同步信号，在t3时刻本侧接收到同步信号，传输时间为Td1=t3-t2。
如果Td0等于Td1，通过t0~t3就可以算出采样时刻的偏差即如图中⊿T。但是如果不相等，则由不对称通道引起的偏差为：⊿t=| Td0- Td1|/2。此值根据光纤通道是否复用及光纤的距离不同会有不同的数值，最大可能达到数个毫秒；而且在常规同步方式中不能计算出此偏差的具体数值，会导致保护在发生区内故障时灵敏度降低, 发生区外故障时可能会引起误动，影响保护装置性能。
本方案中，在保护装置正常工作时是使用北斗信号同步，两侧使用同一个时钟源，因此t0~t3是有同一个参考量，可以直接计算出Td0和Td1的值，计算出的值用于常规同步算法，从而解决由于通道延时不等的引起的同步误差问题；
2.4 同步方案特点
该同步方法具有以下特点:
1）同步精度高。线路两端都采用高精度的北斗授时系统，同时又不受光纤通道延时的影响，因此拥有很高的精度。
2）可靠性高。北斗卫星位于上空36000 千米的静止轨道，地面用户基本都处于高仰角工作状态，信号不容易被附近的高大物体遮蔽，接收模块更容易接收到信号。该特点使得北斗卫星授时特别适用中国偏远地区和城市的变电站授时系统。
3）设计简单。区别于其它同步方式，基于北斗授时的差动保护，简单地使用采样序号即能完成差动保护，程序设计简单且不易出错。
4）北斗授时系统越来越多地应用于智能变电站，光纤差动保护不需要另外设计对时系统。
5）促进具有民族特色国家坚强智能电网建设。通过北斗电力授时技术在电力行业的推广，使得我国的电力行业拥有自主知识产权的授时技术。加强对我国自主知识产权的北斗授时技术在电力行业的推广可以完全消除对GPS依赖的严重安全隐患。
6）适用性。装置支持两种同步方法并可相互切换，在增强保护装置可靠性同时也增加了装置的适用性。既可以用在有卫星对时的智能化变电站，也可以用在没有卫星对时的常规变电站。
3 结论
本文介绍了采用北斗授时的线路差动保护同步采样方法。该方法具有高精度、高可靠性等特点, 其性能较传统同步方法具有一定优势。同时提出了利用北斗实现同步采样的实施方案，并给出利用北斗优化常规同步方式的方法。
在实际应用中检测到应用北斗对时的装置时间偏差不大于1μs，因此利用北斗实现不同变电站之间同步采样的方案是完全可行的。建立在此方法上的新型线路差动保护解决了以往常规差动保护精度差、计算量大及安全性方面的问题，同时也降低了保护软件的复杂程度。
本方案是一种值得推广的智能化变电站差动保护方案，具有广阔的应用前景。
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