CN102158306A - 单通道条件下纵差和纵联保护无缝切换方法 - Google Patents

Abstract

单通道条件下纵差和纵联保护无缝切换方法,将纵联信息集成在差动帧的最前端部分，并且在应用层给集成了纵联信息差动帧添加一个应用层CRC校验码，作为HDLC帧的一部分一起传送；纵联信息加纵联信息应用层CRC校验码加纵差信息组成一帧HDLC帧，并且在链路层中自动生成一个链路层CRC校验码，随HDLC帧一起发送。本发明的有益效果在于充分利用了纵联保护对通道要求低、对误码容忍能力强、支持单向工作方式、适应通道双向延时不对称等特点。

Description

单通道条件下纵差和纵联保护无缝切换方法

技术领域

本发明涉及电力系统线路纵差和纵联保护，尤其是涉及一种单通道条件下，单套保护装置内部根据通道状况自动实现纵差保护和纵联保护无缝切换的方法。

背景技术

线路纵差保护原理简单、动作速度快、灵敏度高、具有天然的选相能力、不受系统振荡、弱馈等运行方式等影响，随着电力系统通信网络的发展，线路纵差保护已经成为高压线路主保护的首选。对于点对点的专用光纤通信方式，由于收、发两根纤芯往往在同一光纤内，并且在整个传输通道中没有光电转换环节，因此具有通道传输延时小且来回双向延时一致、抗干扰能力强、运行维护工作量小等优点。近年来，随着SDH光纤自愈环网在电力系统中的广泛应用，越来越多的线路纵差保护开始采用复用通道作为信息传输通道。采用复用通道，当业务通道光纤中断时，能够利用通信网络的自愈功能，在极短的时间内使业务从失效故障中恢复，提高保护运行的可靠性。但另一方面，复用通道也给纵差保护带来了新的问题，其一是复用通道涉及光电转换，电光转换的环节，且通道中继节点多，相对专用光纤更容易发生通道故障。纵差保护数据传送量较大，在有通道误码导致差动退出一定时间再恢复后要有一个同步再恢复的过程，因此导致纵差保护退出时间较长；其二是自愈环网在切换过程中，有可能导致通道来回路由不一致，而基于数据通道的采样同步方案，其前提均要求通道双向延时一致，否则可能导致差动保护不正确动作。

传统的高频保护，一般采用载波通道作为传输媒介，传送简单的开关量。随着光纤通道的应用，近年也出现了光纤纵联保护，通过光纤通道传送信息。相对纵差保护，纵联保护对通道的要求较低，仅需传送简单的开关量，且不受来回路由不一致的影响，在通道有误码（故障）导致纵联保护退出，通道恢复后马上就能时投入使用，因此纵联保护相对纵差保护对通道误码的容忍能力更强，通道故障再恢复时主保护退出时间更短。纵联保护还有一个优点是支持单向工作方式，即一个方向的光纤异常（如断开），另一个方向的纵联保护可以照常工作，这点对于需要双向同步调整的差动保护是无法达到的。

综上，纵差保护在保护原理上有优势，但对通道要求高。纵联保护对通道要求较低，更能适应复用通道的场合，在通道误码率较高，或通道延时不对称时仍能投入使用，譬如对于经常容易受冰灾等恶劣天气影响导致通道故障的场合，以及复用通道中自愈光纤环网可能出现来回路由不一致的场合，尤能发挥出纵联保护的优势。

为了充分发挥两者的优势，目前在一些通道误码率较高的场合，较普遍的一种做法是将纵差保护和纵联保护集成在一个装置中，纵差保护采用光纤通道，纵联保护采用载波通道。当光纤通道正常时，投入纵差保护；当光纤通道故障时，投入纵联保护。这种做法的好处是通道异常导致纵差保护退出的情况下，能确保装置仍有全线速动的纵联保护存在，缺点是必须增加一个载波通道，增加了投资和维护成本。另有文献提出在差动帧中增加一个字节传输纵联信息，同时计算纵差保护和纵联保护，参见刘宏君等，光纤通道路径不一致对线路差动保护的影响，电力系统保护与控制，2008，36（12）。这种方法实现了纵差保护和纵联保护共用一个通道运行的目标，但差动信息和纵联信息放在一帧中，由于差动信息数据量很大，当整帧有任意一位（bit）受破坏时，整帧内容都不可用，因此没能发挥出纵联信息量小，对通道误码容忍力强的优势。

对于通道双向延时不相等问题，目前的保护装置尚没有很好的办法监视通道双向延时的不一致性，只能通过一些辅助条件进行判别，如：负荷电流较大时，通过观察差流是否异常来识别通道双向延时是否一致，但当负荷较小或轻载时，尚没有较好的方法识别，参见金华锋等，复用通道误码和延时对线路纵差保护的影响，电力系统自动化，2005，29（12）。因此尚没有较好的办法解决通道双向延时不相等时从纵差保护切换为纵联保护的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，解决如何在纵差保护和纵联保护共用一个通道情况下，建立有效的切换方法，保证既能发挥纵差保护的原理优势，又发挥纵联保护对通道要求低，纵联信息量小，对通道误码容忍能力较强的优势；解决纵差保护装置无法监视通道双向延时一致性的问题，实现光纤自愈环网通道切换导致来回路由延时不一致时纵差保护和纵联保护的自动切换。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案具如下：

单通道条件下纵差和纵联保护无缝切换方法,将纵联信息集成在差动帧的最前端部分，并且在应用层给集成了纵联信息差动帧添加一个应用层CRC校验码，作为HDLC帧的一部分一起传送；纵联信息加纵联信息应用层CRC校验码加纵差信息组成一帧HDLC帧，并且在链路层中自动生成一个链路层CRC校验码，随HDLC帧一起发送。

以上方案较好的解决了目前光纤纵差保护装置无法监视通道双向延时一致性的普遍性难题，同时给出了通道延时不一致情况下纵差保护和纵联保护相互切换的方法。

本发明的有益效果如下：将纵差保护和纵联保护程序集成在一个装置中，两者共用一个通道，采用基于纵联短帧集成在纵差长帧中，采用双CRC校验的方法，能发挥纵联保护对误码容忍力强、支持单向工作方式等优点。基于线路集中参数模型（π型）判别通道双向延时一致性的方法，解决基于数据通道同步采样的纵差保护无法监视通道双向延时不一致的难题，同时也使通道双向延时不一致时纵差保护和纵联保护相互切换成为可能。单通道条件下纵差和纵联保护无缝切换方法的建立，在发挥纵差保护原理优势的同时，充分利用了纵联保护对通道要求低、对误码容忍能力强、支持单向工作方式、适应通道双向延时不对称等特点，两者互为补充，使线路主保护退出时间大大减少，在不增加保护和通道投资的情况下，极大的提高了保护的可靠性。

附图说明

图1 不带高抗线路π型等效图。

图2 带高抗线路π型等效图。

图3  纵差和纵联保护切换方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图3对本发明专利进一步详细说明，但本发明不限于所给出的例子。

（1）总体实现方案描述

微机保护计算功能强大，可同时将纵差保护和纵联保护程序集成在一个装置中，两者共用一个通道，纵联信息和纵差信息都在一个通道内传送，因为纵差保护所要传送的信息量远大于纵联保护。纵联信息仅相当于纵差信息的十分之一左右，因为两者所需带宽的差异巨大，故两者HDLC（High level Data Link Control，高级数据链路控制）帧的占空比也不一样，在通道相同误码率的情况下，通道误码对纵联保护的影响远小于纵差保护。

当通道正常或较低误码率时，且通道来回路由延时相同时，纵差保护和纵联保护都投入计算，但只有差动投跳闸；当误码率较高，导致差动保护退出，或装置检测到通道双向来回路由不一致时，退出纵差保护，在退出纵差保护的同时，自动切换到投纵联保护跳闸状态。由于在纵差保护投跳闸期间，纵联保护也是一直计算的，因此这种切换是无延时的无缝切换。当通道恢复正常，差动保护重新投入时，保护自动切换回差动保护跳闸方式。这种工作方式可以理解为两者是并行工作方式，但是差动保护有优先跳闸权，确保发挥纵差保护保护原理方面的优势；当通道问题导致纵差退出时，切换到纵联跳闸方式，发挥纵联保护通道适应性强的优势，两者优势互补。在保证保护正确动作的前提下，尽可能的减少主保护退出时间。

（2）纵联短帧集成在纵差长帧中，同时采用双CRC校验的方法

单通道条件下，在一套保护装置内同时实现纵差保护和纵联保护功能的方式有多种，如：

A：纵差信息和纵联信息采用不同HDLC帧分别发送，将差动帧和纵联帧分开，在一个中断内分别发送一帧差动帧和纵联帧。但这种做法使HDLC通信和保护算法均复杂化。

B：将差动信息和纵联信息放在同一HDLC帧中发送，采用单一CRC校验码，接收帧中有任何错误时，纵联保护和纵差保护均退出，无法发挥两者互补作用。

提出一种纵联短帧集成在纵差长帧中，同时采用双CRC校验的方法。将纵联信息集成在差动帧的最前端部分，并且在应用层给这一部分信息添加一个应用层CRC校验码，作为HDLC内容的一部分一起传送。（纵联信息+纵联信息应用层CRC校验码+纵差信息）组成一帧HDLC帧，并且在链路层中自动生成一个链路层CRC校验码，随HDLC帧一起发送。

A：当接收到的HDLC帧帧长正确，且HDLC帧链路层CRC码校验正确时，说明该帧内容完全正确，同时计算纵差保护和纵联保护，纵差保护投跳闸。

B：当HDLC帧帧长正确， HDLC帧链路层CRC码校验错误，纵联信息应用层CRC校验码正确时，说明纵差信息受到破坏，但纵联信息是完好的，此时退出纵差保护，纵联保护切换为投跳闸。

C：当HDLC帧帧长不正确时，退出纵差保护和纵联保护。

采用该方案后，因为纵联信息长度远小于纵差信息（纵联信息约为纵差信息的1/10），在同一误码率的情况下，纵联信息出错的概率远小于纵差信息，因此纵联保护退出的概率远小于纵差保护。采用这种切换方法，将使线路保护主保护退出时间大大减少，在不增加保护和通道投资的情况下，极大的提高了保护的可靠性。

（3）基于线路集中参数模型（π型）判别通道双向延时一致性的方法

基于数据通道的采样同步方案都是在假设两侧通道延时Td1和Td2相等的条件下进行的。在通信网络内，当发送和接收数据都经过同一路由时，基于数据通道的数据同步方法有效且可靠。由于SDH自愈环网由于切换数据信息的路由，造成两侧保护装置收发信息的路由不一致时，线路两侧的通道延时Td1和Td2则可能不等，两侧数据同步就会出现|Td1-Td2|/2的同步时间偏差。当系统运行在工频50HZ系统时，时间偏差对应的角度偏差为

     （1）

的存在不仅会降低电流差动保护在区内故障时的灵敏度，在区外故障时，还可能引起保护装置的误动。

提出一种基于线路集中参数模型（π型）计算电压相量角差来计算通道双向延时差的方法，其原理如下：当线路不带并联电抗器时，线路的π型正序网络模型如附图1所示，当线路两端均安装并联电抗器时，线路的π型正序网络模型如附图2所示。纵差保护将对侧电流电压传送到本侧，本侧利用傅里叶算法，可求得对侧电压相量

；同时，利用附图1或附图2，通过本侧电流、电压和线路模型，也可以求得另一个对侧电压相量

：

              （2）

        （3）

式（2）对应附图1，式（3）对应附图2。

线路的正序阻抗，线路正序电容，

线路正序电流

，

表示线路频率，

并联电抗器的正序电感值。

当通道来回双向路由相等时，两个电压相量角差

应该等于零（实际上由于采样误差、线路模型误差等影响，可能有一个小的角度差）。当通道来回双向路由不相等时，两个电压相量角差不等于零，其对应双向延时差为

。设置一个双向延时差门槛，当连续一段时间

时，表明通道双向路由延时不一致，发“纵联通道双向延时不一致”告警，闭锁纵差保护，自动切换到纵联保护投跳闸状态。当通道双向延时恢复一致后，连续一段时间

时， “纵联通道双向延时不一致”告警恢复，自动切换回纵差保护投跳闸状态。

具体步骤说明如下：

（1）在一台保护装置中集成线路纵差保护和纵联保护程序，共用交流采样，共用出口；

（2）HDLC通信程序处理

A：纵联短帧集成在纵差长帧中，同时采用双CRC校验

纵联短帧集成在纵差长帧中，同时采用双CRC校验的方法。将纵联信息集成在差动帧的最前端部分，并且在应用层给这一部分信息添加一个应用层CRC校验码，作为HDLC内容的一部分一起传送。（纵联信息+纵联信息应用层CRC校验码+纵差信息）组成一帧HDLC帧，并且在链路层中自动生成一个链路层CRC校验码，随HDLC帧一起发送。

纵差保护需要传送的量包括：三相电流值（电流实部和虚部，瞬时值），三相电压值；开关量；用于同步计算的时间量，序号量，纵联识别码；差动保护中的CT饱和、CT断线、电容电流补偿信息等。纵联保护需要传送的信息包括：发信信号（发A，发B，发C），纵联信息等。帧格式见附表1.

序号（byte）	内容	备注
			1	7E（帧头）
2	纵联信息	FA、FB、FC，
			3	应用层CRC8	纵联信息应用层CRC
4~39	差动信息	电流、电压、同步信息，开关量等
			40~43	链路层CRC32	整帧链路层CRC
44	7E（帧头）

表1纵联短帧集成在纵差长帧中，双CRC校验的HDLC帧具体内容

B：基于线路集中参数模型（π型）判别通道双向延时一致性

纵差保护将对侧电流电压传送到本侧，本侧利用傅里叶算法，可求得对侧电压相量

；同时，利用附图1或附图2，通过本侧电流、电压和线路模型，也可以求得另一个对侧电压相量，见式1，式2.

当通道来回双向路由相等时，两个电压相量角差应该等于零（实际上由于采样误差、线路模型误差等影响，可能有一个小的角度差）。当通道来回双向路由不相等时，两个电压相量角差

不等于零，其对应双向延时差为

。设置一个双向延时差门槛

，当连续一段时间

时，表明通道双向路由延时不一致，发“纵联通道双向延时不一致”告警，闭锁纵差保护，自动切换到纵联保护投跳闸状态。当通道双向延时恢复一致后，连续一段时间

时， “纵联通道双向延时不一致”告警恢复，自动切换回纵差保护投跳闸状态。

C：从附图3流程可知共用五种情况：

A：本中断没收到HDLC帧或接收到的HDLC帧长不对时，退出纵差和纵联保护；

B：本中断收到帧长正确的HDLC帧，但链路层CRC校验错，应用层纵联信息CRC校验也错时，退出纵差和纵联保护；

C：本中断收到帧长正确的HDLC帧，但链路层CRC校验错，应用层纵联信息CRC校验对时，退出纵差，纵联保护改为投跳闸状态；

D：本中断收到帧长正确的HDLC帧，链路层CRC校验正确时，判别通道双向延时是否相等，如相等，纵差保护投跳闸，纵联保护只用于计算，不投跳闸；

E：本中断收到帧长正确的HDLC帧，链路层CRC校验正确时，判别通道双向延时是否相等，如不相等，退出纵差保护，纵联保护投跳闸。

（3）以上流程实现了纵差保护和纵联保护在共用一个通道情况下，纵差保护和纵联保护无缝切换方法。为了验证新方案保护对误码的容忍能力，进行了以下四种做法的对比试验：

A：单通道时的纵差保护（保护1）；

B：单通道时的纵联保护（保护2）；

C：单通道时将纵差和纵联集成在一个装置，将差动信息和纵联信息放在同一HDLC帧中发送，采用单一CRC校验码（保护3）；

D：本发明提供的方案（保护4）。

在不同误码率的情况下，做相同的故障（同一误码率重复做10次），试验结果见附表2。从附表可以看出，本发明方案对误码的容忍能力和单纵联通道保护（保护2）差别不大，明显好于保护1和保护3。

Claims (5)

1.单通道条件下纵差和纵联保护无缝切换方法,其特征在于，将纵联信息集成在差动帧的最前端部分，并且在应用层给集成了纵联信息差动帧添加一个应用层CRC校验码，作为HDLC帧的一部分一起传送；纵联信息加纵联信息应用层CRC校验码加纵差信息组成一帧HDLC帧，并且在链路层中自动生成一个链路层CRC校验码，随HDLC帧一起发送。

2.根据权利要求1所述的单通道条件下纵差和纵联保护无缝切换方法,其特征在于，

A：当接收到的HDLC帧帧长正确，且HDLC帧链路层CRC码校验正确时，说明该帧内容完全正确，同时计算纵差保护和纵联保护，纵差保护投跳闸；

B：当HDLC帧帧长正确， HDLC帧链路层CRC码校验错误，纵联信息应用层CRC校验码正确时，说明纵差信息受到破坏，但纵联信息是完好的，此时退出纵差保护，纵联保护切换为投跳闸；

C：当HDLC帧帧长不正确时，退出纵差保护和纵联保护。

3.根据权利要求1或者2所述的单通道条件下纵差和纵联保护无缝切换方法,其特征在于，

纵差保护将对侧电流电压传送到本侧，利用傅里叶算法，求得对侧电压相量                                                

；同时，通过本侧电流、电压和线路模型，求得另一个对侧电压相量

；

当通道来回双向路由相等时，两个电压相量角差

应该等于零，实际上由于采样误差、线路模型误差等影响，可能有一个小的角度差；

当通道来回双向路由不相等时，两个电压相量角差

不等于零，其对应双向延时差为

；

设置一个双向延时差门槛

，当连续一段时间

时，表明通道双向路由延时不一致，闭锁纵差保护，自动切换到纵联保护投跳闸状态；

当通道双向延时恢复一致后，连续一段时间

时，自动切换回纵差保护投跳闸状态。

4.根据权利要求3所述的单通道条件下纵差和纵联保护无缝切换方法,其特征在于，当线路不带并联电抗器时，通过以下公式计算另一个对侧电压相量

：

        

其中，

线路的正序阻抗，

线路正序电容，

线路正序电流

，

表示线路频率。

5.根据权利要求3所述的单通道条件下纵差和纵联保护无缝切换方法,其特征在于，当线路两端均安装并联电抗器时，通过以下公式计算另一个对侧电压相量

：

      

其中，

线路的正序阻抗，

线路正序电容，

线路正序电流，

表示线路频率，并联电抗器的正序电感值。

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