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数字式高压线路电流纵差保护的通信技术

北极星电力网技术频道    作者:廖泽友 鲍伟廉 杨奇逊 杨维娜 蔡虎   2000/6/18 0:00:00   

摘 要 介绍了一种新型数字式高压线路电流纵差保护装置的通信技术。给出了不同的通道形式下装置的通信连接整体方案。在评价已有的几种交流采样同步方法和分析电力光纤通信的发展趋势与特点之后,提出了一种改进的交流采样同步方法。该方法是一种自适应型的采样时刻调整法,其通信方式简单,可适应路由变化的通信自愈环网。分析了通信过程中数据出错的原因和特点,然后给出了根据汉明码纠错原理推出的纵差保护数据通信的纠错方法,借以提高保护的动作速度。为了防止误纠错,采用了CRC检验与纠错相结合的方法。最后提出了一种通道监视的方法,以方便装置的调试与运行。该技术已应用到实际装置中,效果良好。
关键词 电流纵差保护 数据通信 同步采样 通信纠错

0 引言
  高压线路电流纵差保护是一种理想的保护原理,其保护方式简单可靠。随着光纤数字通信技术的快速发展及其在电力系统中的逐步应用,高压线路电流纵差保护将有非常光明的应用前景。而实现数字式高压线路电流纵差保护的一个焦点就是线路各侧纵差保护装置之间的通信问题。本文将介绍一种新型高压线路电流纵差保护装置的通信技术。
1 通信的整体方案
  目前,高压线路纵差保护常用的通信媒介有3种,即微波、复用光纤和专用光缆。对于微波和复用光纤,均采用PCM方式下的多路复用通道。根据原电力部颁标准《微波电路传输继电保护信息设计技术规定》的要求,纵差保护装置接入通信系统的方式,必须占用复用通信系统的1路数据通道;保护装置与通信系统的接口,应采用64 kbit/s数字接口。对于专用光缆,纵差保护装置的通信方案则相对较为灵活。考虑到我国变电站中,运行在继电保护室的保护装置与安装在通信室的PCM之间的距离一般较远(电气距离超过50 m),为了保证纵差保护装置的可靠性,其间的通信媒介宜采用光纤,这样还可以使保护装置的通信接口方式更趋简化统一。
1.1 使用微波或复用光纤的方案
  图1表示使用微波或复用光纤时,两端线路的纵差保护装置之间的通信连接方案。整个方案分为安装在通信室的通信接口箱和保护装置侧的通信接口。保护装置经光纤连到通信接口箱。接口箱再与PCM相连。接口箱与PCM之间采用64 kbit/s同向接口,接口的电气规范符合CCITT的G.703建议。

图1 使用微波通信或复用光纤通信系统的两端线路的纵差保护通信连接方案
Fig.1 Communication link scheme of differential feeder protection relay with microwave or optical communication system
1.2 使用专用通信光缆的方案
  采用专用通信光缆时,两端线路的差动保护装置之间通过专用光缆直接相连。根据通信距离的长度不同,保护装置的光接口及相应的光缆的规格不同。新保护装置可允许采用的专用光缆的距离最长可达50 km。
1.3 双通道及T型分支线路的考虑
  考虑到通道有可能被损坏或短时间阻塞,为保证高压线路的安全运行,必须要求作为主保护的纵差保护不致由于通道故障而退出运行,因此,实际运行中,确实有必要也有条件为同一套纵差保护装置配置双通道。新纵差保护装置中设有两个接口电路完全相同的通信口。在运行中,这两个通信口同时工作,实现无需任何切换的热备用双通道工作方式。作为线路纵差保护的设计,还应考虑T型分支线路情况下,线路三端的差动保护装置之间的通信连接方案,可参照上述两端线路方案,将线路三端的差动保护装置的两个通信口分别一一连接起来即可。
2 电流采样同步
2.1 对已有电流采样同步方法的评价
  迄今为止,已有的电流采样同步方法为[1]:采样数据修正法[2]、采样时刻调整法[3]、时钟校正法[4]、参考相量同步法和GPS同步法[1,5]。限于篇幅,仅简述笔者对这些方法的评价。
  a.采样数据修正法。优点是各装置自由采样,通信干扰或中断不影响采样同步。通信恢复正常,保护即可根据新收的报文进行保护算法处理,有利于保护的快速性。缺点是每次的保护算法处理,均要进行数据修正,且总离不开通道延时Td;要求通信路由固定,电网频率的变化也会影响其相量移位修正结果;只能送相量,不能送采样瞬时值。
  b.采样时刻调整法。优点是采样同步后的保护算法处理简单,与通道延时Td无直接联系;采样同步通信与电流数据通信是分开处理的,采样时刻的误差测量及调整的前后间隔可以较长,因此,受通道误码干扰的影响较少,可适应通信路由的变化;保护装置用于采样同步的通信处理较少,有利于提高传送电流数据的效率;既能送相量,也能送采样瞬时值。缺点是调整过程较长,不利于一旦采样失步后的快速恢复同步;在测量装置之间的采样时刻误差时,仍然与通道延时Td有关,不能适应收发路由不等的通信系统。
  c.时钟校正法。时钟的测量和校正与采样时刻调整法中采样时刻误差的测量和调整相似,因此,其优缺点与采样时刻调整法一致。而另一略显不足之处是每次的保护算法中仍有修正计算。
  d.参考相量同步法。优点是采样同步与通道无关,但受电力线路参数的准确性和电气量测量误差的影响。不同的电力线路以及线路的运行方式的经常变化,都会给装置的安装、运行带来一些麻烦。此方法不能确保精度。
  e. GPS同步法。优点也是采样同步与通道无关,且精度高,不受电网频率的影响。缺点是要安装GPS接收机及相应的采样时钟同步锁相回路,可靠性是关键。另外,GPS的战时受控性也应适当重视。
2.2 新装置的电流采样同步方法
  在研究采样同步时,要涉及到通信收发路由是否相同和通信路由发生变化的问题。众所周知,通常的通信系统中,每条通信线路总是同时铺设来回双向传输路由的,其节点间的通信收发路由距离自然是相等的。但随着通信技术的不断发展,为了提高通信可靠性,有些复杂的光纤通信系统(如电信)已采用自愈环。其优点是如果预定的通信路由故障或被占用,则由通信调度选择新的路由,保证通信畅通。因而这种通信网在运行中存在某时刻前后,两节点之间的通信路由发生变化的情况。另外,自愈环的工作方式有单向和双向之分。双向自愈环网中,两节点之间的通信收发路由可认为是相同的,而单向自愈环网,两节点之间的通信收发路由一般不相同。这其中以双向方式更接近实用化[6],应用也更广泛,代表着未来的光纤通信网的发展潮流。为了满足纵差保护的快速动作的要求,笔者认为,作为纵差保护所使用的通信环网应有其特殊的要求。因为高压线路的主保护的动作时间是毫秒级的,而普通的电话通信响应不会有这么快的要求。文献[7]已提出了较为具体的指标,即通信路由最大传输延时Td不宜超过6 ms,接收路由的时差不宜超过1 ms。另外,电力光纤通信环不可能有电信系统那样的密度,而且光纤通信投资大,在形成通信环之前,常会有一段较长时间的运行。因此,笔者认为电力通信的光纤不宜采用单向方式,在研究纵差保护的通信时,可以只考虑在电力光纤通信环网的运行中,虽然存在某时刻前后,保护装置之间的通信路由不同的情况,而认为其收发路由总是相同的。
  本方案的采样同步方法为改进的采样时刻调整法。线路各侧的保护装置,设一个为基准端,其余为同步端。各同步端通过与基准端的同步通信应答,测出本端采样时刻与基准端采样时刻的差别,然后自动调整本端的采样时刻,以保持与基准端采样时刻同步。
  每次的同步通信应答过程是(参见图2):①同步端在采样中断t1时刻,向基准端发送采样同步请求命令。②基准端收到请求命令后,在采样中断t3时刻,向同步端回答同步响应报文。同步响应报文中包括从收到请求命令到发出应答的延时以及参考端的本次采样序号等内容。③同步端收到参考端的同步响应报文后,分别计算出通道延时Td和两侧采样中断之间的时差Δt,得到结果后,同步端自动调整自己的采样时刻。调整的方法有两种:装置上电时的同步调整,这时采样区还是空白,同步端在未经过采样同步之前不采样,因此,在第1次完成同步通信应答后,将两侧采样中断之间的Δt一次调整完毕;正常的同步调整,两侧采样中断之间的Δt分多次平均调整完成,好处是能保证整个采样区中采样数据的延续性,便于数据窗的选取。为了防止因在同步通信应答过程中出现通信路由变化而造成误调整,在每次同步通信应答完成后,总是先将本次的通道延时Td的结果与前一次的结果相比较。如果不一致,经延时后重新进行同步通信应答。实际测量结果表明,这种采样同步方法的最大误差小于2°,完全能满足差动保护的要求。新装置可适应由于通信路由发生变化而造成传输达20 ms之久的延时。


图2 同步采样原理
Fig.2 Synchronous sampling principle
3 数据通信与纠错
  新装置采用送电流相量的方式,同时还有控制和状态信息。其帧格式为:起始标志控制字,采样标号,电流相量,纠错码和CRC校验码。通信报文的长度为17字节。装置可每隔3 ms送一帧,这有利于加快差动保护的动作速度。
  由于纵差保护需送的数据太多,不可能重发,一旦出错,只能舍弃这帧数据。如果能采用纠错技术,纠正所收的错误报文,使本帧报文可用,这将有利于加快差动保护的动作速度。由于光缆本身不受电磁干扰的影响,光纤通信的可靠性高。但对于整个光纤通道而言,还包括通信传输设备。传输设备的内部噪声是光纤通信中一个重要的误码产生源。另一个原因主要是光纤色散引起的码间干扰和光纤系统的定位抖动。这些干扰具有随机性,而不具有突发性,因此,在光纤通道中传输上述一帧报文的过程中,出现一位错误的可能性是有的,而出现两位或两位以上错误的可能性几乎没有。如果纵差保护使用微波通道,除了类似的随机误码外,还会有因衰落造成的较长时间的突发性干扰。这种干扰会造成连续多帧报文同时出现多位误码。对于这样的干扰很难通过纠错来保证差动保护的运行,只有退出保护。综上所述,在纵差保护中采用纠错技术,对于提高保护的可靠性和动作速度还是有意义的。
  新装置采用汉明码纠错。具体的检错、纠错过程如下:接收到报文后,先用CRC码检测报文的正确性;发现不正确,则根据纠错算法,更正报文中的错误位;最后再用CRC码检验,正确则表明纠错成功,该报文有效,不正确,则舍弃该报文。这样处理是为了防止可能因为误纠错造成差动保护误动作。汉明码和CRC码的分工原则是CRC码检错,汉明码纠错。由于计算的实时性要求和考虑到上述的误码特点,不采用纠正多位错误的纠错码。
  数据帧不包括CRC码的长度为15字节。设从帧首的第1字节的最低位开始,依次用a0~a119来表示。根据汉明码的编码原理,可以得出监督码的编码计算公式为:
  a112=前14字节的b0,b2,b4,b6位和
  a113=前14字节的b1,b2,b5,b6位和
  a114=前14字节的b3,b4,b5,b6位和
  a115=前14字节的b7位和
  a116=第1,3,5,7,9,11,13字节所有位和
  a117=第2,3,6,7,10,11,14字节所有位和
  a118=第4,5,6,7,12,13,14字节所有位和
  a119=第8,9,10,11,12,13,14字节所有位和
根据汉明码的译码原理,可以得出误码位置的计算公式为:
s0=前14字节的b0,b2,b4,b6位和a112
s1=前14字节的b1,b2,b5,b6位和a113
s2=前14字节的b3,b4,b5,b6位和a114
s3=前14字节的b7位和a115
s4=第1,3,5,7,9,11,13字节所有位和a116
s5=第2,3,6,7,10,11,14字节所有位和a117
s6=第4,5,6,7,12,13,14字节所有位和a118
s7=第8,9,10,11,12,13,14字节所有位和a119
  根据汉明码的纠错原理,可以推出:计算结果s7,s6,…,s0字节,如果是01H,02H,04H,08H,10H,20H,40H,80H其中之一,则分别指示为a112~a119位的误码。除此之外,计算结果s7,s6,…,s0字节的高4位指示误码的字节位置,低4位的值再减去1之后,即指示误码位的位置。这样找到误码位之后,即可纠正误码。
4 通道的监视
  如能方便地监视通道的传送好坏及保护装置的通信工作情况,对纵差保护的实际运行还是比较重要的。新装置的LCD显示面板上,正常运行时每4 s更新显示线路两侧装置的测量电流相量之间的相位差和统计得到的每连续接收600帧电流报文中所舍弃的报文数。通过这两个数据可以清楚地观察到差动保护通信的采样同步和通道通信质量的情况。
5 结语
  按照本文所述通信方案设计的CSL103型高压输电线路电流纵差保护装置的样机已经完成。在实验室的各种试验表明,装置的性能较为理想。目前,装置已投入现场试运行。
作者简介:廖泽友,男,1964年生,高级工程师,博士研究生,研究方向为电力系统继电保护与自动化。
     鲍伟廉,男,1931年生,教授,主要从事电力通信的研究开发与教学工作。
     杨奇逊,男,1937年生,教授,博士生导师,中国工程院院士,主要从事电力系统继电保护与自动化的研究开发与教学工作。
作者单位:华北电力大学电力系 100085 北京
参考文献
1 高厚磊,江世芳,贺家李.数字电流差动保护中几种采样同步方法.电力系统自动化,1996,20(9)
2 杨维娜,鲍伟廉.PCM系统传送继电保护数据的信号处理.电力系统通信,1992(2)
3 许建德,陆以群.新型数字电流差动保护装置中的数据采样同步和通信方式.电力系统自动化,1993,17(4)
4 Einarsson T, Wennerlund P, Cederblad L, et al. Experiences of Current Differential Protections for Multi-Terminal Power Lines Using Multiplexed Data Transmission Systems. In: CIGRE. Paris: 1994.34~203
5 Li H Y, Southern E P, Crossley P A, et al. A New Type of Differential Feeder Protection Relay Using the Global Positioning System for Data Synchronization. IEEE Transactions on Power Delivery, 1997, 12(3)
6 韦乐平,李英灏.同步数字体系(SDH)原理与技术.北京:人民邮电出版社,1997
7 Koreman C G A, Morren E, Nuljs G W. Requirements for SDH Networks Due to Protection Signalling. In: CIGRE. Paris: 1995.400~402

来源:电力系统自动化
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