GPS(全球定位系统)同步电流差动保护应用的优点

1、GPS（全球定位系统）同步电流差动保护应用的优点S H Richards, S Potts, N Robinson, S Pickering, A ApostolovALSTOM T&D Protection & Control概论自20世纪80年代中期以来，电流差动保护已经被应用到数字继电器中，并且也被广泛地应用于世界范围的输配电网络作为主保护。除了电流差动不需要VT输入就可工作的优点以外，还有许多理由可以认为电流差动保护是距离保护作为主保护的理想补充。在许多国家，电力部门要降低成本，其中一个方法就是租赁一个保护通讯通道。 对于电流差动保护来讲，这个通道的性能对于保护的可靠动作来说至关重要。

2、可能这个通道只是前电力部门电信网的一部分，后来转变为私人电信网，这样新建的线路就可以从地方/全国电信供应商那里租用一个通道。有一点需要说明的是通道现在不受电力部门的直接管理和监督。电信供应商通常只是按合同提供一条从一个变电站到另一个变电站的通讯路径，却并不保证通讯网络里的数据信息传输路径，因此也就不能保证通道的传输延迟时间等。这篇文章探讨在租用电信电路时会碰到的问题，以及同步数字层级（SDH或SONET环）电信网中，数字继电器的GPS同步电流差动保护如何提供一种强有力的可靠保护。电流差动原理 （参考文献1）差动保护的基本原理是计算流进和流出保护区域的电流差。当这一差值超过一个设定的门槛时保护就

3、会动作。由于CT饱和的缘故，在外部故障条件下也可以产生差流。 为了保证穿越性故障条件下的稳定性，继电器就采用一种制动技术。这种方法能够根据通过的穿越性故障电流值相应地提高继电器的设置，从而能够有效地防止继电器的误动作。图1显示了典型的相电流差元件的动作特性。该图说明了三端线路的应用情况。百分比偏压K2百分比偏压K1制动动作图1：相电流差特性从理论上来说，如果保护区域内没有故障，那么差流应该为零。但是，线路两端CT的特性不完全匹配以及电容性充电电流在实际的系统中总会产生一定的电流差。这种电流差将处在双斜率制动特性曲线以下，产生制动（也就是不会跳闸）。传统的时间调整技术为了计算线路各端间的电流差，

4、必须要同时从线路各端进行电流采样。一般用一个64 kbit/s的通道来传输线路各端相电流矢量。为此，要测量和补偿通道的传播延时。一般来讲，这样一个通道至少会产生3ms的延时才能完全传递一则信息到对端线路继电器。看一下如图2所示的一个两端的系统。传播延时测量取样时间数字通信链继电器A采样时刻继电器B采样时刻从继电器A到B的传播延时从继电器B到A的传播延时tA1到继电器B和信息tB3发出之间的时间信息tB3到达继电器A的时间信息tA1到达继电器B的时间继电器A测量所得的tB3的采样时间 电 流 向 量量B端A端 电 流 向 量图2：传播延时测量两个相同的继电器A和B放置于线路的两端。继电器A在tA

5、1,tA2时刻对电流信号进行采样，继电器B在tB1,tB2时刻对电流信号采样。一般来讲两端的采样时刻不会在时间上正好一致。假设在tA1时刻继电器A发出了一条数据信息给继电器B。信息包含一个时间标签tA1、以及其它计时、状态信息和在tA1计算所得的电流矢量值。经过一段时间的延时tp1之后，信息到达B端。继电器B记录该信息到达的时间为tB*。因为继电器A和继电器B是一样的，所以继电器B也向A端发送信息。假设继电器B在tB3时刻发送了一条数据信息。这条信息就因此包含了一个tB3的时间标签。它还把上次从继电器A收到的时间标签（也就是tA1）以及在接到信息的tB*时间和采样时间tB3之间的延时td反馈回

6、去，也就是td=（tB3-tB*）信息经过一个延时tp2后到达A端。它到达的时间被继电器A记录为tA*。从返回的时间标签tA1，继电器A可以测量出总共经过的时间为（tA*tA1）。这等于传播延时时间tp1，tp2以及在B端延时 td的总和。因此，（tA*-tA1）=（td+tp1+tp2）在传统的技术中，继电器认为发送和接收通道使用同一条路径，因此其传播延时时间也将相同。这个时间因此可以这样计算： tp1=tp2=1/2（tA*-tA1-td）知道了传播延时，接下来就可以按时间来调整电流矢量。例如，如果tp经测量为3ms，则接收到的远端电流和那些存储在当地继电器的3/20ths个周期以前的电流

7、（50Hz 系统）要输入到差动算法。因为这种技术依靠一个传递和返回的时间标签，所以它经常被称为 “乒乓”技术。传统技术的局限假设tp1和tp2相等，传统方式可以提供可靠的保护，。这种假设对于使用直接光纤维连接的两个端口的继电器非常有效。这种状况下输送和接收的路径的长度几乎是一样的。信息以光速传递，因此传播间的延时也就一样了（而且非常小）。直接光纤维通信通常只限于保护那些长度小于80公里的线路、采用复用通道连接方式，对长距离线路更加经济。复用通道使任何光纤主干网的可用带宽得到更充分的利用，继电器信息和电话、传真及其他数字数据公用通道。即使在应用复用多通道的时候，乒乓时间调整仍然是一种有效的补偿通

8、道传播延时的办法，不过前提条件是tp1必须与tp2一样或者十分接近。因此发送和接收到继电器的数据信息的路径必须在电信网络内是同一路由。下面的部分将研究通道断开引起路由不同的场合，并找出tp1和tp2之间可承受的最大不匹配。同步数字层级系统（SDH/SONET）（参考文献3）SDH/SONET在全球电信网络中变得越来越普遍。这种网络可以铺设在具有灵活性和自我修复性的网络布局中。一般采用环状网络布置，这种网络的特点是在一个内部连接的通道发生故障时能够自我修复。图3表示一个简单的有6个节点，从A到 F的环状布置。继电保护设备安装在节点B和C。在正常的条件下，B节点的设备和C 节点的设备直接在B和C节

9、点间联系（反时针，延时=tp1），C处的设备和B处的设备直接在C和B节点间联系（反时针，延时=tp2）。因此，节点B和C之间的通讯传播时间与C和B之间是一样的。所以乒乓技术可以用来进行电流差动保护。节点F节点E备用路径正常路径断电器端2断电器端1节点C节点B节点A节点D图3： 同步数字层级现在假设从B端到C端（tp1）的发送通道故障。SDH布局允许切换数据信息的路由，即从继电器B到C的信息现在反时针输送经由节点A，F，E，D然后到C。因此，传播延时因为路径变长从tp1增加到tp1。可允许的电流传播偏差的变化图（50 Hz）继电器B到C的发送通道故障有可能并没有导致从继电器C到B接收通道故障。在

10、这种情况下，从电信传输的角度上来看就没有必要切换正常直接路径，tp2。延时之差（ms）通道可允许的最大不匹配当SDH系统进行自我修复时，上面部分重点说明了发送和接收传播延时（tp1和tp2）如何可能不相等。要判断乒乓技术是否仍然有效，可以通过粗略假设两种延时为（tp1+tp2）/2来研究。在一个英国的实际情况中，曾记录下一个tp1=7.8ms和tp2=3.8ms的路径。传统的乒乓技术得到的是一个5.8ms延时的电流矢量，误差为2ms。误差是传播延时差额的一半。相位角度误差在50HZ系统中应该是(2/20)x360o)=36o。我们把它叫做角。假设某一负荷电流流经被保护线路，其大小为“X”安培，

11、应用余弦定律将可以用来确定继电器测量出的由于延时误差引起的差流值“Y”。按余弦定律，对于任何一个三条边为a，b，c，三个角为A，B，C的三角形： a2= b 2+c2-（2bc.cosA）重新调整之后得到由误差引起的差流值为： Y=2. x(1-COS)根据不同的负荷电流或故障电流值X和传播延时误差，可以在继电器的特性图上得到差流值，如图1。X等于X轴上的制动电流，Y 等于Y轴上的差动电流。相应地可得到在各个负荷级别的可允许传输延时不匹配的极限。如下面图4所示。负荷或故障，额定电流图4:没有误跳闸的条件下理论上能承受的t p1和tp2间的不匹配继电器的定值按出厂缺省设置，制动斜率k2设置为10

12、0%，在200%的额定电流时，对于稳定性最重要的区域是制动斜率k1和k2的交点处。在这里，甚至不匹配达到2.5m时仍然可以保持稳定性。然而，在实际中制动原理应用到电流差动继电器中不仅是用来消除时间调整产生的误差。另外，制动量补偿了线路两端间的CT和继电器误差、电容性充电电流，以及当自动重合闸时，CT励磁特性在故障前后不同。但是图4显示在200%的制动量时，有80%的 差流，由时间调整误差导致的最大差流值可减少20%（通常为定值1s1），从而抵消充电电流，以及其他误差和饱和作用。应用上一页的余弦定律（X=200%，Y=60%），最大传输不匹配允许值为1ms。对于大部分SDH系统来说，不能保证继电

13、器在传输延时偏差小于1ms。的确，在电力部门租用一个通道的场合下，电讯供应商会拒绝执行有这样性能规定的服务合同。在分路路由可能会影响电流差动继电器动作的情况下，人们开发了一些补偿技术。我们将在下面进行讨论。瞬时制动在一些电信网络中，发送和接收通道不可能在固定的分路路径上运行。参见图3，如果节点B和C之间正常路径发生故障，tp1和tp2路径要转而通过备用路径（节点A，F，E，D）进行通讯。假设是在这种自我修复的模式中，输送和接收路径同时切换，这样传统的乒乓技术依然有效。在实际操作中，几乎不可能保证路径同时切换，在输送和接收路径转换时会有几个微秒或毫秒的时间偏差。如果分路路由的时间偏差比电流差动元

14、件的最小响应时间长（半周=10ms，50Hz），将导致误跳闸。一种对通讯网络进行补偿的措施是计算每个数据信息的传播延时（tp）。在正常操作下，计算所得的新旧数据信息之间的传播延时的变化应该最小（微秒数量级，只考虑电信通道抖动）。 如果连续计算的传播延时变化比一个用户设置的值大得多（2501000us），这就可以用来短时间地改变继电器的定值。这种定值变化如图5所示，继电器制动设置斜率k1提高到200%。这一特性为所有负荷条件提供了稳定性而且仍然会在大部分内部故障发生时跳闸。它相当于在作跳闸决定时引入一个过电流闭锁，并且乒乓技术可以应用在分路路由达到500ms的自我修复的系统中。正常偏压瞬态偏压制

15、动百分比偏压K2动作图5：短暂偏压提高到200%以避免在无并流情形下路径转换时的错误操作GPS同步电流差在SDH/SONET系统的分路径路由时间偏差达1ms以上，而且保持500ms以上时，传统的乒乓技术不能应用。 第二页描述的采样时间调整必须要考虑到不同的传播延时tp1和tp2，也就是继电器需要能够独立计算各个方向的传播延时。有技术要求使用一个精确GPS时钟信号作为电流差动原理的所有继电器的输入。一旦每个继电器被提供这样一个相同的时间参考量，就意味着图2的时间标记tA1随后会变成一个对于继电器B可识别时间。传播延时tp1直接按tB*tA1来计算，类似地可得到tp2=tA*-tB3。 根据时间偏

16、差来调整电流矢量就变成了一个相对简单的过程。后面的图6演示了一个GPS同步的实际应用情况。电流差动保护继电器电流差动保护继电器双重通信通道保护输出输入输入几公里信号同步信号同步GPS计时模块GPS计时模块保护输出图6：使用GPS同步的线路继电器 运用校时模块的简单方法是用850nm短输光纤连接到变电站的保护继电器。一般而言，一个模块可以同步多达四个继电器。选择光纤传递同步信号，避免在GPS接收天线和保护装置之间运用同轴电缆或者双绞线。变电站是一个电磁噪音高的环境，经验表明存在于保护继电器以及多路开关之间的弱电信号如果其运行长度超过50m时就会被干扰。每个GPS模块与一个小天线相连（最大尺寸10

17、cm），这些小天线通常用磁力或螺栓安装在变电站建筑物外面，或者靠近窗户或天窗的位置。GPS模块显示有多少卫星被跟踪，并让位置最佳的天线去同步跟踪尽可能多的卫星。 图7：850nm 光纤同步输出GPS模块输出是一种光亮/光灭的精确方波信号，每秒钟都重复一次。所有的继电器（在变电站1，2）将前沿作为共同时间参考量，如图7所示。GPS信号的可靠性乒乓技术的一个优点是在它应用的场合下，电流差动继电器可以自己同步，而无需依赖其他任何计时的外部设备。这就提高了保护的安全性，因为依赖外部设备通常会增加设备故障频率而不能对线路进行有效保护。当建议使用GPS同步时，一定要考虑到GPS故障的可能性。一个或多个变电

18、站失去GPS脉冲的情况包括：1）天线在海岸边，长时间海水溅蚀而导致盐份堆积会使信号丢失。2）天线连接质量差或被人为损坏，导致天线连接断开。3）维修人员的疏忽导致的天线或光纤断开。4）变电站位置靠近军队驻扎区，那里信号拥塞会导致周围地区的“GPS阴影”。实际上，如果天线位置选择的好，GPS信号丢失的情况是很少的。即使在军事干扰下通常也只是会产生信号的位置歪斜，计时参考量是不受影响的。然而，由于电流差动保护是输配电线路主要保护方式，所以需要采取措施来确保即使是在GPS同步信号消失的情况下电流差保护仍然起作用。这种“退却”技术将在下一部分讨论。关于GPS信号丢失的退却技术在保护领域里，通常需要考虑某

19、一独立设备故障的可能性。主保护1在主保护2出现故障时仍可以跳闸，反之亦然。断路器失灵保护在某一断路器出现故障时会跳开其他相关断路器。同样原理，这也可应用到GPS信号的丢失。这里只考虑一个设备故障的情况，一般不会出现另一台设备随后发生故障而导致SDH/SONET电信网络的路由转换。当电流差保护是GPS同步时，仍然可以用乒乓技术作为后备来进行传播延时测量。因此，不论GPS是否起作用，循环延时总和（tp1+tp2）能够被确定。如果一旦GPS信号丢失而循环延时仍然基本没变，可以推论出随后的通信路由转换没有发生。假设传播延时tp1和tp2在GPS故障中断前已经被记录，电流差动保护则可以继续进行。注意tp

20、1与tp2在故障中断前是否相等并不重要。只有当两个故障同时发生，可靠的时间调整才不再有保障，并且电流差动保护需要被继电器的内部逻辑闭锁。GPS丢失，接着电信路径切换，这时需要在保护中引入备用（非电流差动）元件。另一种方法是提议用一个精确的继电器晶体用来维持时钟脉冲以替换GPS信号消失的继电器。但作者认为退却的方法更好，主要因为以下原因：即使用昂贵而精确的晶体，仍然会有一些相对的时间漂移，因而产生线路两端继电器间的计时错误。这样只能维持几个小时的电流差动保护，因为在这个时间之后，在继电器时钟间会有一毫秒误差。第4页已经解释了为什么这样的小错误有错误跳闸的危险。只要没有发生电信路由转换，即使这种事情发生，也不会每年都发生。本部分所说的“退却”技术会任可无限期地服务。电流差动继电器中的后备保护元件电流差动保护的可靠性取决于电