光纤复用保护通道传输时延差指标研究

滕 玲，丁慧霞，刘 革，卢 锟

（1.中国电力科学研究院 北京 100192；2.四川省电力公司通信自动化中心通信处 成都 610041）

1 引言

线路保护类型主要有电流差动保护、距离保护和方向保护。对于线路纵联距离和方向保护，没有双向时延差的要求。需要强调的是，在线路差动保护运行过程中，目前实用的线路差动保护均采用基于数据通道的同步方法，通道延时的双向一致性是保证两侧保护装置采样同步的前提。

由于光纤传输网采用网状结构，两个节点之间不同方向的通信路由并不能完全保证一致。对于基于数据通道同步方法的线路差动保护，通信路由不同会导致双向延时的不一致。装置投运时即使双向通道一致，运行过程中通道运行工况也可能发生变化，引起通道双向延时不一致。通道双向延时不一致，会影响两侧装置采样的同步性，轻则反映为差流异常，重则导致当前实用的线路差动保护误动，严重影响保护装置甚至整个电力系统的安全运行。因为保护装置没有办法监视通道双向延时的一致性，与通道误码不同，这个影响往往是隐性的，也被广大设计和运行人员所忽略[1～5]。

本论文结合理论和测试分析，得出差动保护时延差对保护装置的影响结论，分析并提出差动保护装置所允许的最大时延差指标，最后对现有差动保护的同步采样算法进行改进，以提高保护装置可靠性。

2 差动保护时延差要求

对于线路保护来说，分相电流差动保护具有选相能力和网络拓扑能力，不受系统振荡、非全相运行的影响，可以反映各种类型的故障，是理想的线路主保护。目前，光纤差动电流保护应用广泛[6～9]，其构成如图1所示。保护设备根据本侧和对侧的电流计算差动电流和制动电流，并根据计算结果判别区内故障或区外故障。传输线路两侧信息的光纤通道是保护系统的重要组成部分，其可靠、快速和准确地传输信号是保护正确动作的前提。

当双向通道延时不相等时，存在一定的时延差。设从机向主机发送方向通道延时为Td1，主机向从机发送方向通道延时为Td2，则横向不对称延时为T1=|td1-td2|，通道纵向对称延时为，为发送延时与接收延时的平均值。

由于发送延时与接收延时不等造成的同步调整时间误差为：

50 Hz的交流量1 ms相应角度为360°/20=18°，同步调整误差

若横向不对称延时为2 ms，则同步调整误差θ=18°，若横向不对称延时为1 ms，则同步调整误差θ=9°。

图2中，主机以内部时钟为基准，按固定周期采样，同时向从机发送电流报文。从机根据报文接收时刻减去通道时延得出主机的采样时刻，再与本机采样时刻比较得到两侧装置的采样时刻误差，如图2所示，此误差ΔTs=ΔTd。正常运行或区外故障时，若不考虑电容电流，由于两侧通道延时不一致而得到的差动电流Icd为：

其中，IL为线路负荷电流。

若制动电流为Isd=2ILk，其中k为制动系数，如果满足Icd≥Isd即：则两侧装置启动后，线路差动保护就可能误动，此时k=1/6,θ≥19°，相应横向允许不对称延时为2 ms。

以上分析得出：对于差动保护,双向时延差直接影响同步调整误差；差动保护最大允许传输时延差与制动系数相关,呈反正弦函数。

3 时延差测试与分析

3.1 时延差对保护装置的影响

保护装置的一路经通信接口装置与2 M复用数字通道连接，另一路用光纤通道直连，如图3所示，使保护装置的收发路径不一致，从而引入时延差，测试时延差对保护装置的影响。

图 3中，A、B、C 和D表示SDH（synchronous digital hierarchy,同步数字体系）传输设备的4个网元。实验室测试时信号从A网元上板卡，从C网元下板卡,A和B网元间通过20.04 km的光纤连接，其他网元之间的光纤0.04 km。保护装置之间及保护装置与通信接口装置之间的光纤长度为5 m。

按图连接好装置后，专用光纤通道的时延不变；2M复用数字通道的时延可通过改变传输信号在 A—B—C—D网元之间传输的圈数来改变信号的传输时延。如半圈时信号路由仪表—A—B—C—仪表，一圈半时信号路由仪表—A—B—C—D—A—B—C—仪表，依此类推，可以得到不同的时延差。

2M复用通道这一路的时延用2M测试仪表测量，如图4所示。

图4中，网元A、C之间开通2M业务，其中，A的发送端和C的接收端直连，A的接收端接测试仪表Acterna 2M的发送口，C的发送端接测试仪表Acterna 2M的接收口。

通过Acterna 2M测试表可以得出信号在复用通道传输的确切时延，当此时延在30 ms以上时，信号通过通信接口和继电保护产生的传输时延均可以忽略不计，因为通信接口与继电保护装置间通过5 m光纤连接，产生的时延是0.005 km×5 μs/km，此值很小可以忽略；信号通过通信接口和保护装置的时延小于0.1 ms，相对于30 ms可以忽略不计。专用光纤通道长度为5 m，产生的时延为0.025 μs，也可以忽略。

所以，图4中所示连接方式的通道时延差在几十ms量级时，通道时延差可以约等于由Acterna 2M测试表测得信号在复用通道的传输时延。

通过测试可得，当时延差小于38.534 ms时，继电保护装置正常，当时延差再增大时，两侧继电保护装置均无采样报文，但没有告警。所以，继电保护通道时延差不易过大。

测试证明：差动保护装置对通道时延双向不一致，缺少规避措施，在实际运行中时延不一致将是造成保护误动的重要因素。

3.2 保护装置、通道和电网的联动测试

为更真实地反应通道时延差对保护装置动作的影响，将保护装置、通道和电网进行联动测试，如图5搭建联动试验环境。

在继电保护通道单方向增加时延,制造保护通道双向时延差,同时模拟电网故障,观察保护装置的动作情况。测试时，在保护通道的单方向串进时间延迟装置,另一方向无延迟，设置传输时延延迟参数，使双向通道时延差由1 ms增加至9 ms，同时模拟线路区内、区外故障，测试国内主流厂家的传统保护与数字式保护的动作情况。

测试结果表明：通道双向时延差在4 ms内，所有装置区内故障均能正确选相动作，区外故障不误动；当通道双向时延差达到5 ms时，所有装置区内故障均能正确选相动作，部分保护装置在区外故障时出现误动；当通道时延差增加到9 ms时，所有装置区内故障均能正确选相动作，所有保护装置在区外故障时均误动。

由此看出：通道时延差对装置区外故障比区内故障的影响严重，时延差一定时，区外故障更易引起装置误动。

4 判断路由变化的算法研究

上述测试中，通信电路单向传输时延都采用环回测试，即在测试远端将信号环回至近端，仪表发送信号经电路环回，根据仪表的发送和接收时钟得出双向时延，测试结果的一半即为单向时延，所以实际通道中双向时延差的确定很难。线路差动保护也采用该时延测试方法，若能分别测试单向时延，则能够准确计算出双向时延差，拓展了现有差动保护的应用条件。

理论上，可在现场电路两端各配置一组精确的时钟源，两时钟源要求完全同步，一端向对端发送带有时间标签的报文，对端将收到报文的时间与对端时间的差值即为单向时延。此方法理论上可行，但测试成本昂贵，并不实用。

这里首次提出一种路由时延变化判断的算法，通过此方法在双向路由一致的初始条件下，即使无法精确计算出单向时延和时延差，也可以准确判断出传输时延是变大或变小，传输路由是变长或变短，从而触发装置进行重新采样同步调整，以减小时延差对传输通道的影响。

如图6所示，主机发送从机接收的单向传输时延变化的计算步骤如下。

①首先配置双向路由一致，并按照图6通道时延测试方法测试双向时延之和。由于双向路由一致，因此单向时延为双向时延之和的一半，以此作为该计算的起始条件。

②主机向从机发送带有时间标记（Tmt1）的报文，Tmt1以主机时间为基准。

③从机记录接收到含Tmt1报文的时间Tsr1，Tsr1以从机的时间为基准；

④计算并保存△Tms1=Tsr1-Tmt1；

⑤主机在下一报文发送时刻，向从机发送带有时间Tmt2的报文，Tmt2以主机时间为基准；

⑥从机记录接收到含Tmt2报文的时间Tsr2，Tsr2以从机的时间为基准；

⑦计算并保存△Tms2=Tsr2-Tmt2；

⑧计算并保存△Tms2-△Tms1；

⑨以此不断重复，计算并保存△Tms(n)-△Tms(n-1)。

记录分析相邻△Tms的变化，即△Tms(n)-△Tms(n-1)。当主机发送从机接收的单向路由没有发生改变时，该结果应为0；当主机发送从机接收的单向路由发生改变时该结果不为0。若差值为正值，说明通道路由变长，传输时延变大；若差值为负值，说明路由变短，传输时延变小。

本算法特点是：判断双向路由的改变不需添加硬件设备，只需对软件进行部分修改，即可改善差动保护动作的可靠性。另外，也可应用于对传输时延变化敏感的业务中，如PMU等。

5 差动保护时延差性能指标

光纤网络的信号传输环节复杂，信号的传输时延存在抖动，要求光纤网络的传输时延绝对一致是不严格的。差动保护时延差会引起保护装置误动，为保证装置的可靠动作，在配置光纤复用通道时应尽量遵循以下要求[14～16]：

·网元的交叉连接采用双向交叉连接配置；

·定期检查通道路由，对于差动保护装置测得的传输时延进行定期查看，对由于运行状况引起的路由变化进行重点检查，保持双向路由一致。

6 结束语

传输通道路由不一致必然引入时延差，时延差过大继电保护装置显示无采样报文，区外故障更易引起保护装置误动，因此通道时延差是影响继电保护动作可靠性的一个重要指标。由于传输线路自身的时延具有一定变化，要求双向时延绝对一致是不可能的，理论分析和测试证明时延差小于，即可满足通道双向时延差要求。为了提高保护装置动作的可靠性，文中对现有的同步采样算法进行深化，给出了判断时延变化的算法，根据时延变化程度判定路由改变，同时触发装置进行重新采样同步调整，避免保护装置的误判，具有可行性。

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