線路縱差保護(hù)與通道雙向約束度的關(guān)系

線路縱差保護(hù)與通道雙向約束度的關(guān)系

0傳輸信道設(shè)計(jì)保護(hù)的發(fā)展由于線路縱差保護(hù)原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作速度快、靈活性強(qiáng)、自然選相功能、不受系統(tǒng)干擾等優(yōu)點(diǎn)，隨著電氣系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，線路縱差保護(hù)成為高壓線路的主要保護(hù)首選。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式,由于收、發(fā)兩根纖芯往往在同一光纖內(nèi),并且在整個(gè)傳輸通道中沒(méi)有光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),因此具有通道傳輸延時(shí)小、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)。早期的線路縱差保護(hù)通常采用專用光纖作為信息傳輸通道,運(yùn)行過(guò)程中也確實(shí)很少碰到與通道有關(guān)的問(wèn)題。長(zhǎng)度超過(guò)100km的線路,或者線路兩端變電站之間沒(méi)有光纖直聯(lián)、經(jīng)迂回后通道長(zhǎng)度超過(guò)100km的情況,由于受發(fā)光功率的限制,只能采用復(fù)用通道作為傳輸信道。隨著線路縱差保護(hù)的大范圍推廣,從節(jié)省通信資源的角度出發(fā),也要求采用復(fù)用通道作為傳輸信道。另一方面,電力光纜一般架設(shè)在高壓輸電線路的鐵塔上,線路倒桿或盜竊行為導(dǎo)致光纜發(fā)生中斷等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,高壓線路兩套主保護(hù)的傳輸信道都采用專用光纖也不利于提高保護(hù)運(yùn)行的可靠性。采用復(fù)用通道,當(dāng)業(yè)務(wù)通道光纖中斷時(shí),能夠利用通信網(wǎng)絡(luò)的自愈功能,在極短的時(shí)間內(nèi)使業(yè)務(wù)從失效故障中恢復(fù),提高保護(hù)運(yùn)行的可靠性。基于上述幾點(diǎn)原因,越來(lái)越多的線路縱差保護(hù)開始采用復(fù)用通道作為信息傳輸通道。一個(gè)龐大的傳輸網(wǎng),除了光纜線路系統(tǒng)或微波接力系統(tǒng)等傳輸設(shè)備外,終結(jié)、交叉連接、復(fù)用和交換等功能都是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傳輸設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的接口稱為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口(NNI),它能結(jié)合不同的傳輸設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),對(duì)網(wǎng)絡(luò)的演變和發(fā)展具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性,是通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)備。NNI通過(guò)大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)所需功能,難免受一些具有突發(fā)性質(zhì)的脈沖例如外部電磁干擾、靜電放電、系統(tǒng)倒換、電源瞬態(tài)干擾等的影響,誤碼出現(xiàn)往往呈突發(fā)性質(zhì),且?guī)в袠O大的隨機(jī)性。實(shí)際系統(tǒng)由于受配線架接觸不良、信號(hào)線接線不合理、通信系統(tǒng)電源抗干擾能力不夠等影響,對(duì)于突發(fā)性質(zhì)的輸電線路故障,可能伴隨通信系統(tǒng)的突發(fā)性誤碼,影響線路縱差保護(hù)動(dòng)作速度,甚至拒動(dòng)。誤碼對(duì)線路縱差保護(hù)有什么影響,或者說(shuō)線路縱差保護(hù)對(duì)通道誤碼有什么要求,是廣大設(shè)計(jì)、運(yùn)行人員關(guān)心的問(wèn)題,本文對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)分析。由于光纖傳輸網(wǎng)往往采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不同方向的通信路由并不能完全保證一致。對(duì)于基于數(shù)據(jù)通道同步方法的線路縱差保護(hù),通信路由不同會(huì)導(dǎo)致雙向延時(shí)的不一致,進(jìn)而影響兩側(cè)裝置采樣的同步性,嚴(yán)重影響保護(hù)裝置甚至整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因?yàn)楸Ｗo(hù)裝置沒(méi)有辦法監(jiān)視通道雙向延時(shí)的一致性,與通道誤碼不同,這個(gè)影響往往是隱性的,也被廣大設(shè)計(jì)和運(yùn)行人員所忽略,本文將對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行探討。1物理層結(jié)果分析線路縱差保護(hù)的基本原理是利用同一時(shí)刻的各側(cè)電流進(jìn)行差動(dòng)判別,本側(cè)裝置能夠通過(guò)通道可靠地得到對(duì)側(cè)電流是差動(dòng)計(jì)算的前提。因此,通道的可用度及質(zhì)量問(wèn)題是影響線路縱差保護(hù)裝置使用的重要因素。表征通道質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)是誤碼(BE),即經(jīng)過(guò)接收判決再生后,數(shù)字流的某些比特發(fā)生了差錯(cuò),使傳輸信息的質(zhì)量發(fā)生損傷。傳統(tǒng)上常用長(zhǎng)期平均誤比特率(BER,又稱誤碼率)來(lái)衡量信息傳輸質(zhì)量,即以某一特定觀測(cè)時(shí)間內(nèi)錯(cuò)誤比特?cái)?shù)與傳輸比特總數(shù)之比作為BER。這一定義在理論上表示誤碼過(guò)程是穩(wěn)態(tài)過(guò)程?？紤]到實(shí)際系統(tǒng)誤碼的突發(fā)性,因而用長(zhǎng)期平均誤碼率來(lái)度量通信系統(tǒng)的性能是不合適的,為此,ITU-T制定的G.821給出了具有短期特性的兩個(gè)誤碼性能指標(biāo):1)誤碼秒(ES):表示至少有1個(gè)誤碼的秒;2)嚴(yán)重誤碼秒(SES):表示BER≥10-3的秒。ITU-T建議G.821對(duì)于64kbit/s全程27500km端到端連接的性能要求為ES占可用時(shí)間的比例小于8%;SES占可用時(shí)間的比例小于0.2%。上述性能要求都在可用時(shí)間內(nèi)計(jì)算,即需扣除不可用時(shí)間。不可用時(shí)間從連續(xù)10s都是SES開始(包括這10s時(shí)間);當(dāng)連續(xù)10s都未檢測(cè)到SES,不可用時(shí)間結(jié)束(不包含這10s);除了不可用時(shí)間以外的即為可用時(shí)間?？偟臏y(cè)量時(shí)間為1個(gè)月,其中SES指標(biāo)中的一半分配給微波接力和衛(wèi)星系統(tǒng),光纖部分的可分配指標(biāo)只有0.1%。如圖1所示,G.821把27500km分成3個(gè)部分,即高級(jí)部分、中級(jí)部分和本地級(jí)部分。對(duì)于光纜通信系統(tǒng),由于其固有的高傳輸質(zhì)量,無(wú)論應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度部分還是市內(nèi)區(qū)間中繼部分,其誤碼性能指標(biāo)均可按高級(jí)部分對(duì)待,相當(dāng)于每km分得總指標(biāo)的0.0016%。G.821對(duì)于光纖通信系統(tǒng)64kbit/s數(shù)字連接每km的ES誤碼性能要求為占可用時(shí)間的比例小于6.4×10-7,對(duì)應(yīng)每km的BER為小于1.0×10-11;SES的誤碼性能要求為占可用時(shí)間的比例小于1.6×10-8。電力系統(tǒng)光纖通信網(wǎng)傳輸繼電保護(hù)信息只占業(yè)務(wù)的一小部分,并且光纖通信網(wǎng)往往先于利用光纖通信的保護(hù)裝置而存在,因此,要求現(xiàn)存的光纖通信網(wǎng)適應(yīng)繼電保護(hù)裝置是不現(xiàn)實(shí)的。同樣,從保護(hù)裝置的角度出發(fā),對(duì)通信網(wǎng)誤碼指標(biāo)也不需要提出具體要求,原則是能收到對(duì)側(cè)裝置完整的信息時(shí),線路縱差保護(hù)能正常運(yùn)行;一旦收不到對(duì)側(cè)完整的信息,包括誤碼,線路縱差保護(hù)就只能短暫退出,直到通道恢復(fù)正常。從運(yùn)行的角度,可以計(jì)算由通道質(zhì)量問(wèn)題引起的保護(hù)日閉鎖時(shí)間,來(lái)考察通道傳輸繼電保護(hù)信號(hào)的可靠性。目前,保護(hù)裝置常采用同步通信方式,按固定間隔Ts,通常Ts=1.667ms,3.33ms,5.00ms;設(shè)每幀報(bào)文的長(zhǎng)度(有效時(shí)間)為Tf,每一誤幀引起的保護(hù)閉鎖時(shí)間為Tb,光纖通道長(zhǎng)度為L(zhǎng),可以得到在G.821規(guī)定的通道性能要求下,線路縱差保護(hù)日閉鎖時(shí)間tb為:式中:Pe,km為每km的BER。假設(shè)L=1000km,Tb=Tf=Ts=5.00ms,有tb<276ms,即只要光纖通道滿足G.821的誤碼性能要求,保護(hù)裝置即使采用長(zhǎng)度為1000km的光纖通信網(wǎng)絡(luò),線路縱差保護(hù)日閉鎖時(shí)間也不會(huì)超過(guò)276ms。大量采用復(fù)用通道方式的線路縱差保護(hù)的實(shí)際運(yùn)行情況表明,國(guó)內(nèi)絕大部分電力通信網(wǎng)的誤碼性能符合G.821標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于G.821定義的誤碼性能,BER要靠離線測(cè)量得到,但實(shí)際系統(tǒng)特別是在裝置運(yùn)行過(guò)程中,BER是不可能通過(guò)在線監(jiān)視得到的。與G.826/G.828定義的性能參數(shù)一樣,保護(hù)裝置可以通過(guò)以“幀”為基礎(chǔ)的一組參數(shù),用于不停業(yè)務(wù)監(jiān)視。當(dāng)一幀內(nèi)的任意比特發(fā)生差錯(cuò),就稱該幀為差錯(cuò)幀或誤幀,檢測(cè)誤幀的最常用方法是CRC校驗(yàn)。對(duì)應(yīng)地,可以定義2個(gè)性能指標(biāo)如下:1)誤幀秒(EFS):表示至少有1個(gè)誤幀的秒;2)嚴(yán)重誤幀秒(SEFS):當(dāng)1s內(nèi)包含不少于30%的誤幀時(shí)認(rèn)為該秒是SEFS。上述指標(biāo)在可用時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì),對(duì)保護(hù)本身的運(yùn)行并沒(méi)有實(shí)際意義,但可以作為通道在線監(jiān)視的一種手段,考察繼電保護(hù)運(yùn)行的可靠性?？梢詮囊韵?個(gè)方面來(lái)提高線路縱差保護(hù)裝置動(dòng)作的可靠性:1)提高通信系統(tǒng)的可靠性,包括信號(hào)線、配線架連接的可靠性、通信電源的抗干擾能力等;2)縮短保護(hù)裝置在通道誤碼時(shí)保護(hù)的退出時(shí)間。不管采取何種措施,在通道誤碼瞬間,保護(hù)裝置由于收不到對(duì)側(cè)數(shù)據(jù),線路縱差保護(hù)總是要退出的。因此,對(duì)于采用復(fù)用通道的線路縱差保護(hù),不要期望能夠100%正確動(dòng)作。2兩側(cè)通道雙向延遲不等目前,實(shí)用的線路縱差保護(hù)采用的同步方法有采樣時(shí)刻調(diào)整法、采樣數(shù)據(jù)修正法和時(shí)鐘校正法,統(tǒng)稱為基于數(shù)據(jù)通道的同步方法,特點(diǎn)是都要求通道雙向延時(shí)相等。典型的采樣時(shí)刻調(diào)整法分兩步:先測(cè)通道延時(shí)再根據(jù)通道延時(shí),由從機(jī)測(cè)定兩側(cè)裝置采樣時(shí)刻的誤差,從而調(diào)整從機(jī)的采樣脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣同步。如圖2所示,設(shè)一側(cè)裝置為主機(jī),另一側(cè)為從機(jī)。從機(jī)上電后,向主機(jī)發(fā)送一幀測(cè)定通道延時(shí)的報(bào)文,同時(shí)以本側(cè)裝置的相對(duì)時(shí)鐘為基準(zhǔn)記錄報(bào)文發(fā)送時(shí)刻tss;主機(jī)收到該報(bào)文后,以本側(cè)裝置的相對(duì)時(shí)鐘為基準(zhǔn),記錄該報(bào)文接收時(shí)刻tmr,等到下一個(gè)定時(shí)發(fā)送時(shí)刻tms,向從機(jī)回應(yīng)一幀通道延時(shí)測(cè)試報(bào)文,同時(shí)將tms-tmr作為報(bào)文內(nèi)容;從機(jī)在tsr時(shí)刻收到主機(jī)的通道延時(shí)測(cè)試報(bào)文,并得到tms-tmr。由此可以計(jì)算得到通道延時(shí)Td:式(2)對(duì)于得到通道延時(shí)的前提條件是:通道收、發(fā)雙向延時(shí)相等。如圖3所示,測(cè)定通道延時(shí)后,假設(shè)在一段時(shí)間內(nèi)通道延時(shí)Td是固定不變的。主機(jī)以裝置內(nèi)部時(shí)鐘為基準(zhǔn),按固定間隔Tsm進(jìn)行采樣,同時(shí)向從機(jī)發(fā)送電流報(bào)文。從機(jī)收到主機(jī)發(fā)送的電流報(bào)文,根據(jù)通道延時(shí)可以得到主機(jī)在什么時(shí)刻采樣,同時(shí)根據(jù)本側(cè)電流采樣時(shí)刻,得到兩側(cè)裝置采樣時(shí)刻的誤差ΔTs。如圖3所示,此時(shí)從機(jī)采樣時(shí)刻超前于主機(jī)采樣時(shí)刻△Ts,從機(jī)調(diào)整下一個(gè)采樣間隔Tss>Tsm,使得ΔTs→0。當(dāng)ΔTs<ξ時(shí),可以認(rèn)為兩側(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了同步采樣。雙向通道延時(shí)不相等,設(shè)從機(jī)向主機(jī)發(fā)送方向通道延時(shí)為Td1,主機(jī)向從機(jī)發(fā)送方向通道延時(shí)為Td2,根據(jù)式(2)測(cè)定的通道延時(shí)為:兩個(gè)方向?qū)嶋H通道延時(shí)和測(cè)定的通道延時(shí)的誤差為:對(duì)應(yīng)圖3的兩側(cè)裝置采樣時(shí)刻的誤差ΔTs=ΔTd。正常運(yùn)行或區(qū)外故障時(shí),若不考慮電容電流,由于兩側(cè)通道延時(shí)不一致而得到的差動(dòng)電流Icd為:式中:IL為線路負(fù)荷電流。若制動(dòng)電流為Izd=2ILk,其中k為制動(dòng)系數(shù),如果滿足:則兩側(cè)裝置啟動(dòng)后,線路縱差保護(hù)就可能誤動(dòng)。通道雙向延時(shí)不一致,即使沒(méi)有達(dá)到引起線路縱差保護(hù)誤動(dòng)的程度,但可以反映為差流異常。保護(hù)裝置可利用這一特點(diǎn)作為通道延時(shí)監(jiān)視手段。正常情況下,對(duì)于短線,保護(hù)裝置顯示的差流應(yīng)該接近于0,長(zhǎng)線應(yīng)該等于線路(或經(jīng)補(bǔ)償以后)的電容電流,基本上不受負(fù)荷電流的影響。一旦發(fā)現(xiàn)裝置顯示的差流不等于電容電流,或者是差流隨著負(fù)荷電流的變化而變化,最有可能的原因是通道雙向延時(shí)不一致。線路縱差保護(hù)裝置投運(yùn)時(shí),不管線路兩側(cè)系統(tǒng)是否合環(huán),只要線路帶電,線路縱差保護(hù)顯示的差流就應(yīng)該是線路的電容電流。當(dāng)線路單側(cè)空充時(shí),另一側(cè)電流必然為0,此時(shí)合閘側(cè)電流就是線路電容電流。因此,可以觀察線路合環(huán)后保護(hù)裝置顯示的差流是否等于線路單側(cè)空充時(shí)的充電電流,來(lái)間接判斷通道雙向延時(shí)是否一致。有條件增加線路負(fù)荷后,觀察差流的變化規(guī)律,更能判斷通道雙向延時(shí)的一致性。另一方面,裝置投運(yùn)時(shí)即使通道雙向延時(shí)一致,但運(yùn)行過(guò)程中通道運(yùn)行工況也可能發(fā)生變化,對(duì)此,線路縱差保護(hù)裝置可以利用線路電容電流的相對(duì)穩(wěn)定性來(lái)判別變化后的通道雙向延時(shí)是否一致,當(dāng)實(shí)測(cè)差流變化較大時(shí),裝置報(bào)警(可考慮同時(shí)閉鎖線路縱差保護(hù))以便做相應(yīng)處理。某500kV線路,長(zhǎng)度為287km,電容電流經(jīng)高抗完全補(bǔ)償,線路縱差保護(hù)裝置實(shí)測(cè)差流應(yīng)為0。裝置所在的自愈環(huán)全長(zhǎng)1327km,共17個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中裝置采用的主用通道全長(zhǎng)407km,中間經(jīng)7個(gè)節(jié)點(diǎn)。理論估算,主用通道延時(shí)約2.7ms,備用通道延時(shí)約5.5ms。正常運(yùn)行時(shí),保護(hù)裝置顯示通道延時(shí)為2.7ms,差流為0.01A,與理論估算值相符。2004年12月10日,線路縱差保護(hù)裝置報(bào)警,裝置顯示通道延時(shí)約4.0ms,線路負(fù)荷為0.33A,電容電流(差流)約0.14A。雖然4.0ms既不是主用通道延時(shí),也不是備用通道延時(shí),但正好約為兩者的平均值,并且顯示的差流,雙向通道延時(shí)和負(fù)荷電流之間的關(guān)系也正好滿足式(5),因此懷疑線路縱差保護(hù)實(shí)際使用的通道雙向路由可能不一致,一個(gè)方向在主用通道,另一個(gè)方向在備用通道。并且,在此過(guò)程中,多次上電試驗(yàn),通道延時(shí)始終顯示4.0ms,確認(rèn)4.0ms的延時(shí)不是通道切換過(guò)程中的一個(gè)瞬時(shí)狀態(tài)。需要強(qiáng)調(diào)的是,目前實(shí)用的線路縱差保護(hù)均采用基于數(shù)據(jù)通道的同步方法。上述分析說(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題:線路縱差保護(hù)如果采用基于數(shù)據(jù)通道的同步方法,通道延時(shí)的雙向一致性是保證兩側(cè)保護(hù)裝置采樣同步的前提。通道雙向延時(shí)的一致性和通道的BER是保證線路縱差保護(hù)安全、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。通道延時(shí)的長(zhǎng)短主要由通道的長(zhǎng)度決定,對(duì)保護(hù)的主要影響體現(xiàn)在通過(guò)影響通道BER來(lái)間接影響保護(hù)的日閉鎖時(shí)間。3線路縱差保護(hù)間隔退出一段時(shí)間如上所述,線路縱差保護(hù)運(yùn)行過(guò)程中,與通道相關(guān)的問(wèn)題主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是誤碼或通道中斷造成線路縱差保護(hù)退出;二是通道雙向延時(shí)不一致造成兩側(cè)裝置采樣不同步,影響線路縱差保護(hù)的安全運(yùn)行?，F(xiàn)有的保護(hù)裝置往往可以提供“通道告警”、“失步次數(shù)”、“誤碼總數(shù)”(見:南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS-931系列超高壓線路成套保護(hù)裝置技術(shù)說(shuō)明書.2004)等信號(hào)或狀態(tài)統(tǒng)計(jì)來(lái)反映通道運(yùn)行狀況。通常由通道問(wèn)題引起線路縱差保護(hù)連續(xù)退出一段時(shí)間(各廠家設(shè)定的時(shí)間可能不同,幾十毫秒到幾秒不等)來(lái)觸發(fā)“通道告警”。對(duì)于如隨機(jī)性誤碼等無(wú)法完全杜絕的通道短暫?jiǎn)栴},裝置不一定觸發(fā)告警信號(hào)來(lái)通知運(yùn)行人員。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,特定情況下,例如光纖與保護(hù)裝置或光電轉(zhuǎn)換裝置連接時(shí)砝瑯盤沒(méi)有卡緊、光電轉(zhuǎn)換裝置與配線架之間的通信線連接松動(dòng)或中間有轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)、通信設(shè)備(包括光電轉(zhuǎn)換裝置)的48V電源正極沒(méi)有可靠接地、線路刀