数字化光纤差动保护改进插值法与时钟接力法数据同步

曹小拐，曹团结,张青杰，宋艳

（1.中国南方电网超高压输电公司广州局，广东广州510405;2.国网电力科学研究院，江苏南京210003）

数字化线路光纤差动保护需要解决以下几个关键问题。

1）按照IEC 60044-7/8标准[1]制造的电子式互感器及其合并单元（MU），不具备接收从保护装置到MU方向的控制命令（如采样时刻调整）的接口，以致目前广泛使用的通过调整采样时刻实现两侧数据同步的方法在ET接入的光纤差动保护装置中不能适用。

2）线路一次电流经ET变换，再经合MU传送到保护装置的过程,存在比较明显的延时，一般在几百微秒以上，甚至超过1 ms。

3）先期投运的数字化变电站中的线路对侧互感器仍然是传统互感器，光纤差动保护装置要能适应这种一侧是ET接入,另一侧是传统互感器接入的情况。

4）采用IEC 61850-9[2-3]接口协议输出的电子式互感器，受过程层网络工况的影响，二次传输延时可能会不稳定，且变动幅度较大。最大的变动幅度可能将近4 ms。

由于以上几个方面的困难，在传统光纤差动保护中应用良好的数据同步方法将不能或不能直接应用于ET接入的光纤差动保护装置中。

使用全球定位系统GPS（Global Position System）为整个差动保护系统提供一个统一的高稳定的基准时钟，来实现采样数据的同步,这是一个简单直接的方法[4]。但保护装置若依赖GPS，可靠性会降低。另外，使用他国控制的GPS系统，还可能会受国际政治、军事关系的影响。

继电保护专业注重可靠性，保护装置的设计总是希望用尽可能少的设备、器件、外部条件来完成所需的功能。减少对外部设备的依赖,从体系结构上减少了可能的故障点，对保证保护的可靠性有全局性的意义。本文基于这一原则探讨适用于数字化光纤差动保护的数据同步新方法。

1 插值法数据同步的改进

针对上节所提问题，文献[5-6]提出了一种不依赖于GPS同步，而通过插值实现数据同步的新方法。该方法可以在不调整采样时刻的情况下,通过插值得到虚拟的同步采样值，可以有效解决引言中提出的第1个问题，同时不依赖于GPS。下面在该方法的基础上讨论如何解决余下的问题。

现有的各种不依赖于GPS的数据同步方法，包括文献[5]提出的插值法，应用的立足点都是在传统互感器接入的基础上。在这一应用基础上，一个隐含的前提是装置在二次侧某时刻得到的采样值，就代表了同一时刻（差别极小以致可以忽略差别）的一次侧的量值，在装置中（二次侧）实施的采样数据在时间维度上的同步处理，与在一次侧处理是等效的。

ET接入的光纤差动保护，两侧一次电量变送到二次侧要有延时，首先考虑两侧二次变送延时都是稳定的情况。参考图1的示意，图中M1、M2、M3（N1、N2、N3），代表本侧（对侧）ET的采样时刻，由于ET采样部分晶振的相对稳定性，在较长的时间内是等间隔的（M1与M2之间的时间间隔与N1与N2之间的时间间隔肯定存在微小的差别，但由于量值太小，可忽略）。设本侧电量经ET变送延时te1到达二次侧保护装置，对侧电量经ET变送延时te2到达二次侧保护装置，两侧测量值的交换与同步过程在二次侧即保护装置之间完成。若按照前文插值法的处理过程，在本侧m1点（m1时刻）发送一帧数据报文给对侧，对侧在收到报文之后于n2点回送一帧数据报文，该报文中包含了回送延时tm，本侧装置于mr时刻收到对侧回送报文。在假设通信通道双向延时相等的条件下，本侧装置可根据式td=（mr-m1-tm）/2算得通道延时td，进而推断对侧n2时刻对应本侧的mr点之前td时间的mc点时刻。传统插值法在m2和m3点之间通过插值求得虚拟的mc点采样值，mc点与对侧n2点同步。但在ET接入的情况下，需要对上述方法做出修正。修正的原则是保证两侧二次侧同步过程的结果使得对应的一次电流值是同一时刻的，即同步的。图1中的对侧二次n2点对应到一次侧为N2点，两者间隔te2，N2点对应本侧一次侧为Md点，再对应到本侧二次侧为md点，Md与md点之间间隔时间为te1，md与mc之间间隔Δte=te2-te1，要使两侧一次电量在二次侧处理成同步，插值点应由mc点前推Δte时间至md点。

图1 改进插值法数据同步过程示意图

以上过程的前提条件有2个，一个是保护装置之间的通信通道双向延时相等，这跟传统光纤差动保护的数据同步方法的前提是一样的，在工程中也是完全能保证的；另外一个是两侧的二次变送延时是稳定的，这一条件在MU输出接口采用满足IEC 60044-8标准规定的点对点或点对多点的串行接口时也是完全可以满足的。因此可以说，引言中提出的第2个问题，只要MU输出时使用IEC 60044-8的接口，保护装置采用本文提出的改进插值法进行数据同步即可解决。

MU使用IEC 60044-8接口向保护装置输出数据时，整个系统二次传变延时是可计算，也可实测出来的。由于该延时稳定，可在事先测出后，以整定值的形式通知保护装置。二次传变延时由以下几个部分组成。

1）从ET的AD采样启动开始，到MU收到的延时。该延时在IEC 60044-8有规定，额定为2或3个采样周期时间。如北京南瑞航天电气公司生产的NAELOSZB-220W型全光纤式电流互感器，其采样周期为208.3 μs（采样速率为96点/20 ms）,额定延时为2个采样周期，计416.6 μs。

2）从MU处理器接收到AD数据,然后进行处理、打包成帧开始，到处理器开始从串行口发送第一帧数据的时间。该时间不易直接计算，但可实测得到。

3）MU处理器通过串行口向保护装置发送完一帧完整的数据报文的时间。该时间可由数据速率的倒数和传送字节总数相乘得到。标准规定MU数字输出接口速率为2.5 Mbit/s，每帧报文长度为56 byte，共448 bit，总计耗时可计算得知为179.2 μs。

4）从保护装置处理器接收到MU传来的数据,然后进行处理,到将数据用于同步过程的时间。该时间也可经测算得到。

以上4部分的总和即为整个二次传变延时。

对引言中第3个问题所提的一侧ET接入，一侧传统互感器接入的情况，只要将传统互感器的二次变送延时视为零值，问题即迎刃而解。

改进插值法进行数据同步不依赖于任何外部设备，可靠性高；不调整采样时刻，适应于IEC 6004-8标准规定的合并单元功能结构条件，并能灵活适用于线路一侧为ET,一侧为传统互感器的情况。

下面考虑如何解决MU以IEC 61850-9标准接口传送采样数据的数字化光纤差动保护的双端数据同步问题。

2 解决IEC 61850-9标准接口保护装置数据同步问题的思路

图1所示的数据传送与同步的过程分析，给出了一些一般性的启示。

1）数据同步的目标，始终是要保证参加差动运算的电压电流值，追溯到一次侧是同一时刻的。为此，各侧ET二次变送延时的影响必须被计及到保护装置的数据同步过程之中。

2）对保护装置而言，从本质上看，补偿两侧ET二次变送延时的时间差,而非它们的数值本身是数据同步的核心内容。

在考虑解决引言中提出的第4个问题，即采用IEC 61850-9接口协议输出的电子式互感器，受过程层网络工况的影响，二次变送延时不稳定的问题时，努力方向应该是，实时获得每一帧从ET经MU传送到保护装置的采样数据的二次变送延时，或者每一次的两侧延时差,在此基础上才有可能在二次侧实施补偿，保证一次侧数据同步。

从实际情况来看，符合IEC 61850-9标准的MU输出接口，并没有也不能直接给出每帧采样数据报文的二次变送延时，引言中第4个问题要单纯限定在IEC 61850-9标准本身的框架内不能被解决。当然，上述评判是在不依赖除MU和保护装置本身之外的其他设备而能完成数据同步的前提下作出的。

3 解决IEC 61850-9接口的装置数据同步问题的外部技术条件与基础

1）分别安装于两变电站中的保护装置之间的纵联光纤通信通道，未因数字化变电站技术的推广和应用而有太多变化，电力运行部门自建或租用的光纤通道，提供给线路差动保护用的通道及其路由双向延时是相等的，这跟传统光纤差动保护的数据同步方法的前提相同，在工程中也是完全能保证的。

2）在数字化变电站内，所有间隔层设备（如保护装置）与过程层设备（如MU装置）的采样脉冲信号每秒钟接受全站同一基准时钟的秒脉冲信号1 pulse/s同步一次（相位锁定）。全站基准时钟（主钟）通过GPS接收机接收天空中GPS卫星的授时信号，该信号的上升沿与国际标准时间UTC（Universal Time Coordinated，世界调整时间）的同步误差不超过1 μs。站内主钟自身具有高精度守时时钟，若与GPS时钟同步后再失步，在其后较长时间内仍然可以保持与UTC同步。

3）ET的传感头部分或远端模块的ADC采样起动由MU发来的采样信号起动，MU的采样信号由1 pulse/s经倍频后变成ET的采样频率，发送到ET的ADC转换部分，启动AD采样。这样一来ET的采样时刻通过公共的1 pulse/s与保护装置之间保持了一种固定的关系。

4）线路各相ET经同步采样得到的数据,先经MU合并打包成帧，然后送给保护装置。IEC 61850-9规定的MU输出通信报文中，包含一个16位的样本计数，此16位计数用以检查连续更新的帧数，在每出现一个新帧时加1，并且该计数随每一个同步脉冲1 pulse/s出现时置零。因此可以说，样本计数值实际上具有相对时间的意义。

5）MU输出的标准帧格式中，包含有ET的额定延时时间，可以是2Ts、3T（sTs为采样周期），对采用同步脉冲的MU，也可以为3 ms（10% ～100%）。该延时时间给出了一次电流变送到MU的过程延时。

4 适用于IEC 61850-9过程层标准的时钟接力法数据同步方法

在第3节讨论的技术条件和基础之上，数字化线路差动保护的数据同步可按下述方法进行。

线路两侧4台装置处理器各设一个内部计时器（时钟），参考图2的示意，对侧MU、对侧保护装置、本侧保护装置、本侧MU的内部计时器分别用tN、tn、tm、tM表示，图中横向从左到右表示绝对时间的先后。

图2 时钟接力法数据同步过程示意图

在本方法中，要求本侧MU与本侧保护装置之间通过本侧1 pulse/s（M）同步，在每个1 pulse/s（M）脉冲的前沿，tM、tm同时置0；对侧MU与对侧保护装置之间通过对侧1pulse/s（N）同步，在每个1 pulse/s（N）脉冲的前沿，tN、tn同时置0。注意1 pulse/s（M）与1 pulse/s（N）之间不要求同步。

由于各侧MU与保护装置之间有了同步的时钟，MU的任一帧数据传送到保护装置的延时就可以测得，MU传送到保护装置的数据报文中包含了样本计数值，该样本计数值乘以ET的采样间隔时间Ts,就是MU的计时器读数。如对侧MU发送一个样本计数为N1的数据帧，对侧保护装置收到后可知该帧发出时tN的读数为N1·Ts。设保护装置收到该帧数据时tn的读数为tn1，则可知该帧数据的延时为tn1-N1·Ts。该延时与数据报文中包含的ET额定延时Tp2之和即为对侧ET的二次传变总延时te2。

本侧ET二次传变延时也可通过同样的方法实时测得。一旦两侧ET二次变送延时可知，数据同步的过程就可以完全参照图1所示的方法进行。这里讨论另外一种新方法，可以更简洁地完成两侧的数据同步。

设本侧保护装置在tm1时刻发送一帧报文到对侧保护装置，对侧保护装置于tn2点收到并于tn3点回送一帧报文给本侧保护装置，该帧报文中包含了最新收到的同侧MU送来的采样数据、tn2、tn3以及同侧ET二次变送延时Tp2。本侧保护装置于tm4点收到返回报文，于是可根据等腰梯形法计算出通道延时td。

也可计算出tn与tm两个计时器的读数差Δtmn。

由于tn与tN,tm与tM已各自经1 pulse/s（N）和1 pulse/s（M）同步，于是我们也可知两侧MU的计时器的读数差tM-tN=ΔtMN=Δtmn。这就是时钟的接力。

得知了两侧MU的时钟差以后，便很容易知道，对侧送来的样本计数为N1的采样数据与本侧计时器读数为tmd=N1·Ts+ΔtMN时的数据是同步的。以上是假设两侧ET额定延时相等时的结论，若两侧ET额定延时不相等，对侧样本计数为N1的的采样数据与本侧计时器读数为tmd=N1·Ts-Tp2+ΔtMN+Tp1时的数据才是同步的，式中Tp1为本侧ET额定延时。又由于tmd不太可能恰巧是Ts的整数倍，也即tmd时刻本侧MU并没有恰好采样得到一个采样点数据，可以在样本计数为M1=Mod（tmd,Ts）（以Ts为模数对tmd作取整运算）和M2=Mod（tmd,Ts）+1=M1+1的两采样点数据之间通过插值的方法求得1个“虚拟”的采样点数据，该点距M1点的时间长度Ta=tmd-M1·Ts，距M1点的时间长度Tb=M2·Ts-t md。若采用拉格朗日插值法作一阶线性插值，则该点采样值A计算为：

式中,A（M1）、A（M2）分别为M1、M2两点的采样值。至此，一个完整的数据同步过程完成。

关于插值计算的误差评估可参考文献[5]，此处不复述。

上述数据同步过程所依据的条件全部在相关技术标准的框架内，没有任何违背或变更。注意到1 pulse/s（M）与1 pulse/s（N）之间不要求同步，因此同步算法不依赖于GPS或其他广域的导航定位系统做站间的1 pulse/s同步。

5 时钟接力中进一步提高保护系统可靠性的措施

时钟接力同步法依赖各站的公共1 pulse/s同步各自站的MU与保护装置，若1 pulse/s由外部公共时钟源产生，如图3中N侧变电站一样，则保护的可靠性将很受公共时钟源的影响。在公共时钟源长时间故障时，MU与保护装置之间失去1 pulse/s的同步作用，两侧保护之间的数据同步将不可能正确进行。为解决这个问题，可由MU输出1 pulse/s同时供自身和保护装置使用，如图3中M侧变电站的连接方式，这样，保护功能便仅依赖于保护装置与MU，而摆脱了公共时钟源可靠性的影响。

图3 时钟接力法数据同步过程示意图

为与标准相容并保证保护装置及MU可以与GPS的1 pulse/s信号保持完全同步，MU设计得既可以接受外部1 pulse/s的同步脉冲,同时无延时的转发输出该脉冲信号，也可以在无外部1 pulse/s输出时自动输出替代的1 pulse/s给自身和保护装置使用，如图4所示。

图4 MU的1 pulse/s输出逻辑

图4中的控制逻辑模块通过检测外部1 pulse/s信号和内部时钟的状态，并切换电子开关的位置来完成上述的功能。在控制逻辑检测出外部1 pulse/s输入源丢失时，1 pulse/s输出信号已丢失一个，其后，控制逻辑才能切换为内部时钟输出。保护装置与MU要适应这一状况并不困难，方法如下：MU的采样脉冲由经1 pulse/s同步后的内部计时器倍频后发出，内部计时器与1 pulse/s同步的条件为检测到连续3次1 pulse/s脉冲，失步的条件是1 pulse/s连续缺失3次；保护装置内部计时器的处理机制与之类似；各装置读内部计时器读数时，取其对整秒的余数。这样各装置在外部1 pulse/s丢失1次（甚至连续2次）时，采样、同步与保护功能都不会受到影响。这种方法对内部计时器（或其晶振）守时精度的要求不高，只要能保证3 s内的时间误差不致影响到保护功能要求的采样同步精度即可。

国电南瑞科技股份有限公司开发的NSR3261型MU已经可以满足上述要求。

对引言中所提的线路一侧为ET，另一侧为传统互感器接入保护装置的情况，数据同步过程中只要将传统互感器的额定延时视为零值即可。

6 总结

改进插值法可以解决MU按IEC 60044-8标准接口接入情况下线路两侧的数据同步问题，时钟接力同步法可以解决MU按IEC 61850-9标准接口接入时的数据同步问题。前一种应用需要将两侧ET的二次变送延时作为整定值；后一种应用无需此整定值，两侧采样数据从MU到保护装置的延时不影响时钟差的计算。

2种方法都不调整采样时刻，适应于ET标准规定的MU功能结构条件；并能灵活适用于线路一侧为ET，一侧为传统互感器的情况。2种方法完全摆脱了GPS，大大提高了继电保护的可靠性。本文另提出了保护装置及MU共用的1 pulse/s信号由MU转发或自产的逻辑和应用方法，应用该措施，可进一步提高保护的可靠性，做到保护功能不依赖于除MU和保护装置本身之外的任何其他设备。目前，具备该功能的MU已开发完成并应用。

[1] IEC TC38.IEC 60044-8 Instrument Transformers-Part8:Electronic Cu-rrent Transformers[S].IEC 2002.

[2] IEC TC57.IEC 61850-9-1 Communication Networks and Systems in Substations Part9-1:Specific Communication Service Mapping (SCSM)-Sampled Values over Serial Unidirectional Multidrop Point to Point Link[S].IEC 2003.

[3] IEC TC57 IEC 61850-9-2 Communication Networks and Systems in Substations Part9-2:Specific Communication Service Mapping(SCSM)Sampled Values over ISO/IEC 8802.3 Link[S].IEC 2003.

[4] 高厚磊，江世芳，贺家李.数字电流差动保护中的几种采样同步方法[J].电力系统自动化,1996,20(9)：46-49，53.

[5] 曹团结，尹项根，张哲，等.通过插值实现光纤差动保护数据同步的研究[J].继电器,2006,34(18):4-8.

[6] 曹团结，徐建松，尹项根，等.光纤差动保护插值法数据同步的实现[J].继电器,2007，35（S1）:134-137.