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國(guó)電南瑞科技股份有限公司的研究人員吳騫，在2015年第9期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，光纖差動(dòng)保護(hù)兩端電流的同步采樣問題是實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為解決這一難題，北斗衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)被引入光纖差動(dòng)保護(hù)。文中對(duì)基于北斗精確對(duì)時(shí)的同步方式與傳統(tǒng)采樣同步采樣方式進(jìn)行了對(duì)比。重點(diǎn)對(duì)基于北斗實(shí)現(xiàn)同步采樣的智能化保護(hù)裝置方案的設(shè)計(jì)思想和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述，同時(shí)提出了可以利用北斗信號(hào)時(shí)對(duì)常規(guī)同步方式改進(jìn)；結(jié)果證實(shí)了所提出的同步采樣方案的正確性和利用北斗實(shí)現(xiàn)電流差動(dòng)保護(hù)的可行性。

智能變電站是智能電網(wǎng)發(fā)展的重要方向, 與智能變電站相關(guān)的技術(shù)研究也成為電網(wǎng)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。作為智能化變電站的重要組成部分，光纖差動(dòng)保護(hù)也成為重要研究對(duì)象。相對(duì)于其它保護(hù)，光纖差動(dòng)保護(hù)具有原理簡(jiǎn)單、可靠性較高、動(dòng)作迅速等優(yōu)勢(shì)。

為確保差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作, 控制系統(tǒng)需要同時(shí)獲得線路兩端的瞬時(shí)采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是否是同一時(shí)刻的采樣值對(duì)于差動(dòng)保護(hù)能否正確動(dòng)作有很大的影響。因此線路兩側(cè)的同步問題是需要解決重要問題。

對(duì)于線路差動(dòng)保護(hù)的同步方式有很多種方法，但這些數(shù)據(jù)同步方式存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度不高或信息安全的問題，并不適用于現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的智能化變電站。本文介紹了一種基于北斗對(duì)時(shí)的智能光纖差動(dòng)保護(hù)裝置，比較了幾種常用的對(duì)時(shí)方式優(yōu)缺點(diǎn)，

分析了各同步方式在智能化變電站的適用性。同時(shí)介紹了北斗對(duì)時(shí)方式在光纖線路差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用及改進(jìn)。

1　北斗衛(wèi)星系統(tǒng)

北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)是一種類似于美國(guó)GPS和俄羅斯GLONASS的衛(wèi)星導(dǎo)航和對(duì)時(shí)系統(tǒng)[1]，是我國(guó)正在實(shí)施的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的獨(dú)立運(yùn)行的第一個(gè)區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)于2004年啟動(dòng)，并計(jì)劃在2020年完成整體系統(tǒng)的構(gòu)建。

北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)除了兼容北斗一代系統(tǒng)的具有雙向定位、授時(shí)和通信等功能外，還具有無源定位和授時(shí)功能，用戶容量不受任何限制。同時(shí)，與北斗一代相比，定位精度有了很大提高，覆蓋區(qū)域也大幅擴(kuò)展，用戶終端的體積和成本也大大降低。

隨著北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)程，北斗授時(shí)產(chǎn)品也取得了快速發(fā)展：目前，基于北斗的授時(shí)產(chǎn)品已經(jīng)在我國(guó)通信、電力行業(yè)取得了部分應(yīng)用，基于北斗的授時(shí)技術(shù)已基本成熟。

電力輸配系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的時(shí)間同步提出了非常高的技術(shù)要求。以前電力設(shè)備對(duì)時(shí)間同步的精準(zhǔn)度要求是微秒級(jí)，現(xiàn)在正慢慢過渡到納秒級(jí)。因此，必須為電力系統(tǒng)配置高精度、高可靠的授時(shí)系統(tǒng)。而作為擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，其授時(shí)精度可以達(dá)到單向100ns，雙向20ns的精度[2]，完全可以滿足電力授時(shí)的精度需要。

2　同步采樣的實(shí)現(xiàn)

2.1　同步方案介紹

對(duì)于數(shù)據(jù)通道的同步問題，目前各生產(chǎn)廠家通常采用的方法包括：采樣時(shí)刻調(diào)整法、采樣數(shù)據(jù)修正法、參考相量同步法[3]和GPS同步法[4]。其中，采樣時(shí)刻調(diào)整法和采樣數(shù)據(jù)修正法都是基于光纖通道收、發(fā)延時(shí)相等的“等腰梯形算法”(即乒乓算法) [5]。如果收發(fā)延時(shí)不同則會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

采樣時(shí)刻調(diào)整法需要從站根據(jù)主站的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣時(shí)刻的修正，這與智能化變電站站內(nèi)的合并單元根據(jù)對(duì)時(shí)脈沖進(jìn)行同步采樣的設(shè)計(jì)相沖突。而數(shù)據(jù)修正法對(duì)裝置晶振的要求很高，一般硬件很難實(shí)現(xiàn)。參考相量法受電氣量測(cè)量的誤差影響較大，其精度不能得到保證，同時(shí)參考向量的選取也較為困難[6]；

采用GPS同步的方法依賴于GPS脈沖對(duì)時(shí)。這種方法精度基本可以達(dá)到要求，但GPS是由美國(guó)軍方掌控，而且擁有局部屏蔽GPS信號(hào)的技術(shù)，使得其可用性和授時(shí)精度均受制于美國(guó)的GPS政策[1]，信息安全得不到保障。同時(shí)GPS名義上雖能全球覆蓋，但由于運(yùn)行軌道較低，遮蔽角過大，GPS信號(hào)在山區(qū)或城市容易被物體遮擋；而且GPS信號(hào)的精度跟接收到衛(wèi)星的個(gè)數(shù)密切相關(guān)，連接的衛(wèi)星少時(shí)精度較差。

隨著智能化變電站在我國(guó)的推廣，應(yīng)用的數(shù)目越來越多?，F(xiàn)階段的智能化變電站站內(nèi)一般都配置有一個(gè)統(tǒng)一的授時(shí)裝置，采用北斗二代兼容GPS的對(duì)時(shí)模式，同時(shí)待北斗技術(shù)更加成熟后，將逐步淘汰GPS，實(shí)現(xiàn)北斗的單一授時(shí)定位，保障電網(wǎng)和新能源建設(shè)的堅(jiān)強(qiáng)可靠。研制基于北斗的智能化光纖差動(dòng)保護(hù)既能解決傳統(tǒng)同步方式的精度問題，又可以解決依靠GPS同步帶來的信息安全問題，保障我國(guó)電網(wǎng)的安全運(yùn)行，也不需要另外加對(duì)時(shí)裝置。

2.2 北斗同步實(shí)現(xiàn)方案

利用北斗對(duì)時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步時(shí)，線路兩側(cè)的保護(hù)不分主從。如圖1所示，兩側(cè)的變電站中安裝完全相同的北斗接收機(jī)。接收機(jī)接收到衛(wèi)星發(fā)出的脈沖信號(hào)后給智能變電站所有智能化裝置授時(shí)。合并單元（MU）接收電子式電流互感器/電壓互感器（ECT/EVT）的采樣數(shù)據(jù)及信號(hào)調(diào)理延時(shí)、AD采樣延時(shí)[7]等數(shù)據(jù)，根據(jù)延時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣[5]，以達(dá)到數(shù)據(jù)的同步。MU將重采樣后的采樣數(shù)據(jù)、額定延時(shí)等都打包發(fā)送給保護(hù)裝置處理。保護(hù)裝置利用北斗授時(shí)脈沖分頻后的脈沖信號(hào)作為重采樣脈沖，根據(jù)各MU的延時(shí)對(duì)多個(gè)MU 數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣及插值計(jì)算，完成本側(cè)所有保護(hù)采樣數(shù)據(jù)的同步。保護(hù)裝置把同步好的數(shù)據(jù)、時(shí)間標(biāo)簽以及采樣序號(hào)通過專用光纖發(fā)送給對(duì)側(cè)保護(hù)裝置，同時(shí)也接收對(duì)側(cè)發(fā)過來的相關(guān)數(shù)據(jù)。兩側(cè)的保護(hù)裝置經(jīng)光纖通道交換采樣數(shù)據(jù)信息，完成差動(dòng)保護(hù)的邏輯。

圖1　基于北斗的電流差動(dòng)保護(hù)構(gòu)成框圖

考慮到北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶容量和光纖差動(dòng)保護(hù)裝置的性能要求，設(shè)計(jì)中采用單向授時(shí)方式給裝置授時(shí)，精度能夠滿足保護(hù)裝置對(duì)同步信號(hào)的要求。由于重采樣脈沖都是由北斗授時(shí)脈沖分頻的，時(shí)間誤差很小，光纖差動(dòng)保護(hù)裝置只需要根據(jù)重采樣數(shù)據(jù)的序號(hào)進(jìn)行處理即能實(shí)現(xiàn)線路兩側(cè)的同步，也不需要根據(jù)對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)做任何處理。

2.3　可靠性問題討論及改進(jìn)

如果北斗接收機(jī)在在某種情況下不能接收到北斗信號(hào)，考慮到差動(dòng)保護(hù)的對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定重要性，要實(shí)現(xiàn)在無北斗信號(hào)時(shí)也能完成差動(dòng)保護(hù)。設(shè)計(jì)中做了進(jìn)一步的改進(jìn)方法以提高保護(hù)裝置的可靠性：在正常情況能接收到北斗衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，采用北斗衛(wèi)星對(duì)時(shí)信號(hào)作為同步信號(hào)，一旦監(jiān)視到北斗信號(hào)丟失，立即采用常規(guī)同步方式。

裝置實(shí)用北斗信號(hào)同步為基本算法，采用常規(guī)同步算法作為輔助算法。為適應(yīng)智能化變電站的特殊要求，常規(guī)同步方式采用通過插值方法來實(shí)現(xiàn)[8]。這種同步方式是根據(jù)梯形算法得到的采樣偏差值，把從合并單元接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，與北斗對(duì)時(shí)同步方式數(shù)據(jù)處理的方式相近，可以方便切換。

由于裝置本身及光纖數(shù)據(jù)傳輸通道的影響，常規(guī)的同步方式在同步時(shí)會(huì)產(chǎn)生同步誤差。此誤差在一些情況下比較大，會(huì)降低保護(hù)裝置的靈敏度，甚至造成裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)。智能化變電站使用全站統(tǒng)一授時(shí)，可以通過授時(shí)系統(tǒng)對(duì)常規(guī)的同步方式加以改進(jìn)，提高裝置性能。

1）裝置本身晶振漂移引起的誤差[5]

線路兩側(cè)保護(hù)裝置的晶振都有相對(duì)的漂移，這是常規(guī)的同步方式偏差的原因之一。裝置同步后在一段時(shí)間后要再次對(duì)兩端重采樣時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整，否則采樣數(shù)據(jù)就會(huì)失去同步。如果兩側(cè)晶振相對(duì)漂移過大，則需要經(jīng)常發(fā)起同步過程，增加了保護(hù)和通道的負(fù)擔(dān)。

智能化變電站采用統(tǒng)一授時(shí)方式，由接收機(jī)接收北斗信號(hào)后給裝置授時(shí)。即使丟失北斗信號(hào)，授時(shí)裝置靠本身的晶振時(shí)間給裝置授時(shí)。接收機(jī)采用的都是高精度、高溫寬的晶振，線路兩側(cè)接收機(jī)晶振漂移很小，可以保持幾個(gè)小時(shí)內(nèi)誤差值不超過允許范圍。因此可以減少同步次數(shù)，無疑就減輕了保護(hù)工作量。

2）光纖通道延時(shí)不等的引起的誤差[5]

插值同步方式是基于“等腰梯形算法”的，需要假設(shè)光纖的收、發(fā)通道延時(shí)相等。如果光纖通道收發(fā)延時(shí)不等，采用梯形算法計(jì)算的同步時(shí)刻會(huì)有一個(gè)固定的偏差。

圖2　通道延時(shí)不等引起的誤差

如圖2所示，本側(cè)保護(hù)裝置在本側(cè)采樣時(shí)刻t0通過光纖發(fā)出同步信號(hào)，在t1時(shí)刻對(duì)側(cè)接收到同步信號(hào)，傳輸時(shí)間為Td0=t1-t0。對(duì)側(cè)保護(hù)裝置接收到信號(hào)處理后在采樣時(shí)刻t2返回同步信號(hào)，在t3時(shí)刻本側(cè)接收到同步信號(hào)，傳輸時(shí)間為Td1=t3-t2。

如果Td0等于Td1，通過t0~t3就可以算出采樣時(shí)刻的偏差即如圖中⊿T。但是如果不相等，則由不對(duì)稱通道引起的偏差為：⊿t=| Td0- Td1|/2。此值根據(jù)光纖通道是否復(fù)用及光纖的距離不同會(huì)有不同的數(shù)值，最大可能達(dá)到數(shù)個(gè)毫秒；而且在常規(guī)同步方式中不能計(jì)算出此偏差的具體數(shù)值，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)靈敏度降低, 發(fā)生區(qū)外故障時(shí)可能會(huì)引起誤動(dòng)，影響保護(hù)裝置性能。

本方案中，在保護(hù)裝置正常工作時(shí)是使用北斗信號(hào)同步，兩側(cè)使用同一個(gè)時(shí)鐘源，因此t0~t3是有同一個(gè)參考量，可以直接計(jì)算出Td0和Td1的值，計(jì)算出的值用于常規(guī)同步算法，從而解決由于通道延時(shí)不等的引起的同步誤差問題；

2.4　同步方案特點(diǎn)

該同步方法具有以下特點(diǎn):

1）同步精度高。線路兩端都采用高精度的北斗授時(shí)系統(tǒng)，同時(shí)又不受光纖通道延時(shí)的影響，因此擁有很高的精度。

2）可靠性高。北斗衛(wèi)星位于上空36000 千米的靜止軌道，地面用戶基本都處于高仰角工作狀態(tài)，信號(hào)不容易被附近的高大物體遮蔽，接收模塊更容易接收到信號(hào)。該特點(diǎn)使得北斗衛(wèi)星授時(shí)特別適用中國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)和城市的變電站授時(shí)系統(tǒng)。

3）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。區(qū)別于其它同步方式，基于北斗授時(shí)的差動(dòng)保護(hù)，簡(jiǎn)單地使用采樣序號(hào)即能完成差動(dòng)保護(hù)，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且不易出錯(cuò)。

4）北斗授時(shí)系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用于智能變電站，光纖差動(dòng)保護(hù)不需要另外設(shè)計(jì)對(duì)時(shí)系統(tǒng)。

5）促進(jìn)具有民族特色國(guó)家堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)。通過北斗電力授時(shí)技術(shù)在電力行業(yè)的推廣，使得我國(guó)的電力行業(yè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的授時(shí)技術(shù)。加強(qiáng)對(duì)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗授時(shí)技術(shù)在電力行業(yè)的推廣可以完全消除對(duì)GPS依賴的嚴(yán)重安全隱患。

6）適用性。裝置支持兩種同步方法并可相互切換，在增強(qiáng)保護(hù)裝置可靠性同時(shí)也增加了裝置的適用性。既可以用在有衛(wèi)星對(duì)時(shí)的智能化變電站，也可以用在沒有衛(wèi)星對(duì)時(shí)的常規(guī)變電站。

3　結(jié)論

本文介紹了采用北斗授時(shí)的線路差動(dòng)保護(hù)同步采樣方法。該方法具有高精度、高可靠性等特點(diǎn), 其性能較傳統(tǒng)同步方法具有一定優(yōu)勢(shì)。同時(shí)提出了利用北斗實(shí)現(xiàn)同步采樣的實(shí)施方案，并給出利用北斗優(yōu)化常規(guī)同步方式的方法。

在實(shí)際應(yīng)用中檢測(cè)到應(yīng)用北斗對(duì)時(shí)的裝置時(shí)間偏差不大于1μs，因此利用北斗實(shí)現(xiàn)不同變電站之間同步采樣的方案是完全可行的。建立在此方法上的新型線路差動(dòng)保護(hù)解決了以往常規(guī)差動(dòng)保護(hù)精度差、計(jì)算量大及安全性方面的問題，同時(shí)也降低了保護(hù)軟件的復(fù)雜程度。

本方案是一種值得推廣的智能化變電站差動(dòng)保護(hù)方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。