單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法

《單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法》是國網電力科學研究院於2010年12月23日申請的專利，該專利的申請號為2010106012038，公布號為CN102158306A，授權公布日為2011年8月17日，發明人是吳通華、張哲、蘇理、戴列峰、鄭玉平。

《單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法》是將縱聯信息集成在差動幀的最前端部分，並且在套用層給集成了縱聯信息差動幀添加一個套用層CRC校驗碼，作為HDLC幀的一部分一起傳送；縱聯信息加縱聯信息套用層CRC校驗碼加縱差信息組成一幀HDLC幀，並且在鏈路層中自動生成一個鏈路層CRC校驗碼，隨HDLC幀一起傳送。該發明的有益效果在於利用了縱聯保護對通道要求低、對誤碼容忍能力強、支持單向工作方式、適應通道雙向延時不對稱等特點。

2016年12月7日，《單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法
• 公布號：CN102158306A
• 授權日：2011年8月17日
• 申請號：2010106012038
• 申請日：2010年12月23日
• 申請人：國網電力科學研究院
• 地址：江蘇省南京市鼓樓區南瑞路8號
• 發明人：吳通華、張哲、蘇理、戴列峰、鄭玉平
• Int.Cl.：H04L1/00(2006.01)I；H02H7/26(2006.01)I
• 代理機構：南京知識律師事務所
• 代理人：汪旭東
• 類別：發明專利

專利背景

線路縱差保護原理簡單、動作速度快、靈敏度高、具有天然的選相能力、不受系統振盪、弱饋等運行方式等影響，隨著電力系統通信網路的發展，線路縱差保護已經成為高壓線路主保護的首選。對於點對點的專用光纖通信方式，由於收、發兩根纖芯往往在同一光纖內，並且在整個傳輸通道中沒有光電轉換環節，因此具有通道傳輸延時小且來回雙向延時一致、抗干擾能力強、運行維護工作量小等優點。截至2010年12月，隨著SDH光纖自愈環網在電力系統中的廣泛套用，越來越多的線路縱差保護開始採用復用通道作為信息傳輸通道。採用復用通道，當業務通道光纖中斷時，能夠利用通信網路的自愈功能，在極短的時間內使業務從失效故障中恢復，提高保護運行的可靠性。但另一方面，復用通道也給縱差保護帶來了新的問題，其一是復用通道涉及光電轉換，電光轉換的環節，且通道中繼節點多，相對專用光纖更容易發生通道故障。縱差保護數據傳送量較大，在有通道誤碼導致差動退出一定時間再恢復後要有一個同步再恢復的過程，因此導致縱差保護退出時間較長；其二是自愈環網在切換過程中，有可能導致通道來迴路由不一致，而基於數據通道的採樣同步方案，其前提均要求通道雙向延時一致，否則可能導致差動保護不正確動作。

傳統的高頻保護，一般採用載波通道作為傳輸媒介，傳送簡單的開關量。隨著光纖通道的套用，近年也出現了光纖縱聯保護，通過光纖通道傳送信息。相對縱差保護，縱聯保護對通道的要求較低，僅需傳送簡單的開關量，且不受來迴路由不一致的影響，在通道有誤碼（故障）導致縱聯保護退出，通道恢復後馬上就能時投入使用，因此縱聯保護相對縱差保護對通道誤碼的容忍能力更強，通道故障再恢復時主保護退出時間更短。縱聯保護還有一個優點是支持單向工作方式，即一個方向的光纖異常（如斷開），另一個方向的縱聯保護可以照常工作，這點對於需要雙向同步調整的差動保護是無法達到的。

綜上，縱差保護在保護原理上有優勢，但對通道要求高。縱聯保護對通道要求較低，更能適應復用通道的場合，在通道誤碼率較高，或通道延時不對稱時仍能投入使用，譬如對於經常容易受冰災等惡劣天氣影響導致通道故障的場合，以及復用通道中自愈光纖環網可能出現來迴路由不一致的場合，尤能發揮出縱聯保護的優勢。

為了充分發揮兩者的優勢，2010年12月前在一些通道誤碼率較高的場合，較普遍的一種做法是將縱差保護和縱聯保護集成在一個裝置中，縱差保護採用光纖通道，縱聯保護採用載波通道。當光纖通道正常時，投入縱差保護；當光纖通道故障時，投入縱聯保護。這種做法的好處是通道異常導致縱差保護退出的情況下，能確保裝置仍有全線速動的縱聯保護存在，缺點是必須增加一個載波通道，增加了投資和維護成本。另有文獻提出在差動幀中增加一個位元組傳輸縱聯信息，同時計算縱差保護和縱聯保護，參見劉宏君等，光纖通道路徑不一致對線路差動保護的影響，電力系統保護與控制，2008，36（12）。這種方法實現了縱差保護和縱聯保護共用一個通道運行的目標，但差動信息和縱聯信息放在一幀中，由於差動信息數據量很大，當整幀有任意一位（bit）受破壞時，整幀內容都不可用，因此沒能發揮出縱聯信息量小，對通道誤碼容忍力強的優勢。

對於通道雙向延時不相等問題，2010年12月前的保護裝置尚沒有很好的辦法監視通道雙向延時的不一致性，只能通過一些輔助條件進行判別，如：負荷電流較大時，通過觀察差流是否異常來識別通道雙向延時是否一致，但當負荷較小或輕載時，尚沒有較好的方法識別，參見金華鋒等，復用通道誤碼和延時對線路縱差保護的影響，電力系統自動化，2005，29（12）。因此尚沒有較好的辦法解決通道雙向延時不相等時從縱差保護切換為縱聯保護的方法。

發明內容

專利目的

《單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法》所要解決的技術問題是，解決如何在縱差保護和縱聯保護共用一個通道情況下，建立有效的切換方法，保證既能發揮縱差保護的原理優勢，又發揮縱聯保護對通道要求低，縱聯信息量小，對通道誤碼容忍能力較強的優勢；解決縱差保護裝置無法監視通道雙向延時一致性的問題，實現光纖自愈環網通道切換導致來迴路由延時不一致時縱差保護和縱聯保護的自動切換。

技術方案

單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法，將縱聯信息集成在差動幀的最前端部分，並且在套用層給集成了縱聯信息差動幀添加一個套用層CRC校驗碼，作為HDLC幀的一部分一起傳送；縱聯信息加縱聯信息套用層CRC校驗碼加縱差信息組成一幀HDLC幀，並且在鏈路層中自動生成一個鏈路層CRC校驗碼，隨HDLC幀一起傳送。

以上方案較好的解決了2010年12月前光纖縱差保護裝置無法監視通道雙向延時一致性的普遍性難題，同時給出了通道延時不一致情況下縱差保護和縱聯保護相互切換的方法。

有益效果

《單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法》將縱差保護和縱聯保護程式集成在一個裝置中，兩者共用一個通道，採用基於縱聯短幀集成在縱差長幀中，採用雙CRC校驗的方法，能發揮縱聯保護對誤碼容忍力強、支持單向工作方式等優點。基於線路集中參數模型（π型）判別通道雙向延時一致性的方法，解決基於數據通道同步採樣的縱差保護無法監視通道雙向延時不一致的難題，同時也使通道雙向延時不一致時縱差保護和縱聯保護相互切換成為可能。單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法的建立，在發揮縱差保護原理優勢的同時，充分利用了縱聯保護對通道要求低、對誤碼容忍能力強、支持單向工作方式、適應通道雙向延時不對稱等特點，兩者互為補充，使線路主保護退出時間大大減少，在不增加保護和通道投資的情況下，極大的提高了保護的可靠性。

附圖說明

圖1是不帶高抗線路π型等效圖。

圖2是帶高抗線路π型等效圖。

圖3是縱差和縱聯保護切換方法流程圖。

技術領域

《單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法》涉及電力系統線路縱差和縱聯保護，尤其是涉及一種單通道條件下，單套保護裝置內部根據通道狀況自動實現縱差保護和縱聯保護無縫切換的方法。

權利要求

1.單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法，其特徵在於，將縱聯信息集成在差動幀的最前端部分，並且在套用層給集成了縱聯信息差動幀添加一個套用層CRC校驗碼，作為HDLC幀的一部分一起傳送；縱聯信息加縱聯信息套用層CRC校驗碼加縱差信息組成一幀HDLC幀，並且在鏈路層中自動生成一個鏈路層CRC校驗碼，隨HDLC幀一起傳送；當接收到的HDLC幀幀長正確，且HDLC幀鏈路層CRC碼校驗正確時，說明該幀內容完全正確，同時計算縱差保護和縱聯保護，縱差保護投跳閘；當HDLC幀幀長正確，HDLC幀鏈路層CRC碼校驗錯誤，縱聯信息套用層CRC校驗碼正確時，說明縱差信息受到破壞，但縱聯信息是完好的，此時退出縱差保護，縱聯保護切換為投跳閘；當HDLC幀幀長不正確時，退出縱差保護和縱聯保護。

2.根據權利要求1所述的單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法,其特徵在於，縱差保護將對側電流電壓傳送到本側，利用傅立葉算法，求得對側電壓相量；同時，通過本側電流、電壓和線路模型，求得另一個對側電壓相量；當通道來回雙向路由相等時，兩個電壓相量角差應該等於零，實際上由於採樣誤差、線路模型誤差影響，可能有 一個小的角度差；當通道來回雙向路由不相等時，兩個電壓相量角差 不等於零，其對應雙向延時差為；設定一個雙向延時差門檻T_mk，當連續一段時間時，表明通道雙向路由延時不一致，閉鎖縱差保護，自動切換到縱聯保護投跳閘狀態；當通道雙向延時恢復一致後，連續一段時間時，自動切換回縱差保護投跳閘狀態。

3.根據權利要求2所述的單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法,其特徵在於，當線路不帶並聯電抗器時，通過以下公式計算另一個對側電壓相量：；其中，Z₁線路的正序阻抗，C₁線路正序電容，I₁線路正序電流，ω=2πf，f表示線路頻率，為線路本側電壓相量。

4.根據權利要求2所述的單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法,其特徵在於，當線路兩端均安裝並聯電抗器時，通過以下公式計算另一個對側電壓相量；，其中，Z₁線路的正序阻抗，C₁線路正序電容，I₁線路正序電流，ω=2πf，f表示線路頻率，L_M1並聯電抗器的正序電感值，為線路本側電壓相量。

實施方式

（1）總體實現方案描述

微機保護計算功能強大，可同時將縱差保護和縱聯保護程式集成在一個裝置中，兩者共用一個通道，縱聯信息和縱差信息都在一個通道內傳送，因為縱差保護所要傳送的信息量遠大於縱聯保護。縱聯信息僅相當於縱差信息的十分之一左右，因為兩者所需頻寬的差異巨大，故兩者HDLC（High level DataLink Control，高級數據鏈路控制）幀的占空比也不一樣，在通道相同誤碼率的情況下，通道誤碼對縱聯保護的影響遠小於縱差保護。

當通道正常或較低誤碼率時，且通道來迴路由延時相同時，縱差保護和縱聯保護都投入計算，但只有差動投跳閘；當誤碼率較高，導致差動保護退出，或裝置檢測到通道雙向來迴路由不一致時，退出縱差保護，在退出縱差保護的同時，自動切換到投縱聯保護跳閘狀態。由於在縱差保護投跳閘期間，縱聯保護也是一直計算的，因此這種切換是無延時的無縫切換。當通道恢復正常，差動保護重新投入時，保護自動切換回差動保護跳閘方式。這種工作方式可以理解為兩者是並行工作方式，但是差動保護有優先跳閘權，確保發揮縱差保護保護原理方面的優勢；當通道問題導致縱差退出時，切換到縱聯跳閘方式，發揮縱聯保護通道適應性強的優勢，兩者優勢互補。在保證保護正確動作的前提下，儘可能的減少主保護退出時間。

（2）縱聯短幀集成在縱差長幀中，同時採用雙CRC校驗的方法

單通道條件下，在一套保護裝置內同時實現縱差保護和縱聯保護功能的方式有多種，如：

A：縱差信息和縱聯信息採用不同HDLC幀分別傳送，將差動幀和縱聯幀分開，在一個中斷內分別傳送一幀差動幀和縱聯幀。但這種做法使HDLC通信和保護算法均複雜化。

B：將差動信息和縱聯信息放在同一HDLC幀中傳送，採用單一CRC校驗碼，接收幀中有任何錯誤時，縱聯保護和縱差保護均退出，無法發揮兩者互補作用。

提出一種縱聯短幀集成在縱差長幀中，同時採用雙CRC校驗的方法。將縱聯信息集成在差動幀的最前端部分，並且在套用層給這一部分信息添加一個套用層CRC校驗碼，作為HDLC內容的一部分一起傳送。（縱聯信息+縱聯信息套用層CRC校驗碼+縱差信息）組成一幀HDLC幀，並且在鏈路層中自動生成一個鏈路層CRC校驗碼，隨HDLC幀一起傳送。

A：當接收到的HDLC幀幀長正確，且HDLC幀鏈路層CRC碼校驗正確時，說明該幀內容完全正確，同時計算縱差保護和縱聯保護，縱差保護投跳閘。

B：當HDLC幀幀長正確，HDLC幀鏈路層CRC碼校驗錯誤，縱聯信息套用層CRC校驗碼正確時，說明縱差信息受到破壞，但縱聯信息是完好的，此時退出縱差保護，縱聯保護切換為投跳閘。

C：當HDLC幀幀長不正確時，退出縱差保護和縱聯保護。

採用該方案後，因為縱聯信息長度遠小於縱差信息（縱聯信息約為縱差信息的1/10），在同一誤碼率的情況下，縱聯信息出錯的機率遠小於縱差信息，因此縱聯保護退出的機率遠小於縱差保護。採用這種切換方法，將使線路保護主保護退出時間大大減少，在不增加保護和通道投資的情況下，極大的提高了保護的可靠性。

（3）基於線路集中參數模型（π型）判別通道雙向延時一致性的方法

基於數據通道的採樣同步方案都是在假設兩側通道延時Td1和Td2相等的條件下進行的。在通信網路內，當傳送和接收數據都經過同一路由時，基於數據通道的數據同步方法有效且可靠。由於SDH自愈環網由於切換數據信息的路由，造成兩側保護裝置收發信息的路由不一致時，線路兩側的通道延時Td1和Td2則可能不等，兩側數據同步就會出現|Td1-Td2|/2的同步時間偏差。當系統運行在工頻50HZ系統時，時間偏差對應的角度偏差為

（1）

的存在不僅會降低電流差動保護在區內故障時的靈敏度，在區外故障時，還可能引起保護裝置的誤動。

提出一種基於線路集中參數模型（π型）計算電壓相量角差來計算通道雙向延時差的方法，其原理如下：當線路不帶並聯電抗器時，線路的π型正序網路模型如附圖1所示，當線路兩端均安裝並聯電抗器時，線路的π型正序網路模型如附圖2所示。縱差保護將對側電流電壓傳送到本側，本側利用傅立葉算法，可求得對側電壓相量；同時，利用附圖1或附圖2，通過本側電流、電壓和線路模型，也可以求得另一個對側電壓相量：

（2）

（3）

式（2）對應附圖1，式（3）對應附圖2。

Z₁線路的正序阻抗，C₁線路正序電容，I₁線路正序電流，ω=2πf，f表示線路頻率，L_M1並聯電抗器的正序電感值。

當通道來回雙向路由相等時，兩個電壓相量角差 應該等於零（實際上由於採樣誤差、線路模型誤差等影響，可能有一個小的角度差）。當通道來回雙向路由不相等時，兩個電壓相量角差 不等於零，其對應雙向延時差為。設定一個雙向延時差門檻，當連續一段時間時，表明通道雙向路由延時不一致，發“縱聯通道雙向延時不一致”告警，閉鎖縱差保護，自動切換到縱聯保護投跳閘狀態。當通道雙向延時恢復一致後，連續一段時間時，“縱聯通道雙向延時不一致”告警恢復，自動切換回縱差保護投跳閘狀態。

具體步驟說明如下：

（1）在一台保護裝置中集成線路縱差保護和縱聯保護程式，共用交流採樣，共用出口；

（2）HDLC通信程式處理

A：縱聯短幀集成在縱差長幀中，同時採用雙CRC校驗

縱聯短幀集成在縱差長幀中，同時採用雙CRC校驗的方法。將縱聯信息集成在差動幀的最前端部分，並且在套用層給這一部分信息添加一個套用層CRC校驗碼，作為HDLC內容的一部分一起傳送。（縱聯信息+縱聯信息套用層CRC校驗碼+縱差信息）組成一幀HDLC幀，並且在鏈路層中自動生成一個鏈路層CRC校驗碼，隨HDLC幀一起傳送。

縱差保護需要傳送的量包括：三相電流值（電流實部和虛部，瞬時值），三相電壓值；開關量；用於同步計算的時間量，序號量，縱聯識別碼；差動保護中的CT飽和、CT斷線、電容電流補償信息等。縱聯保護需要傳送的信息包括：發信信號（發A，發B，發C），縱聯信息等。幀格式見附表1。

表1

序號（byte）	內容	備註
1	7E（幀頭）
2	縱聯信息	FA、FB、FC，
3	套用層 CRC8	縱聯信息套用層 CRC
4~39	差動信息	電流、電壓、同步信息，開關量等
40~43	鏈路層 CRC32	整幀鏈路層 CRC
44	7E（幀頭）

表1、縱聯短幀集成在縱差長幀中，雙CRC校驗的HDLC幀具體內容

B：基於線路集中參數模型（π型）判別通道雙向延時一致性

縱差保護將對側電流電壓傳送到本側，本側利用傅立葉算法，可求得對側電壓相量；同時，利用附圖1或附圖2，通過本側電流、電壓和線路模型，也可以求得另一個對側電壓相量，見式1，式2。

當通道來回雙向路由相等時，兩個電壓相量角差 應該等於零（實際上由於採樣誤差、線路模型誤差等影響，可能有一個小的角度差）。當通道來回雙向路由不相等時，兩個電壓相量角差 不等於零，其對應雙向延時差為。設定一個雙向延時差門檻T_mk，當連續一段時間時，表明通道雙向路由延時不一致，發“縱聯通道雙向延時不一致”告警，閉鎖縱差保護，自動切換到縱聯保護投跳閘狀態。當通道雙向延時恢復一致後，連續一段時間時，“縱聯通道雙向延時不一致”告警恢復，自動切換回縱差保護投跳閘狀態。

C：從附圖3流程可知共用五種情況：

A：本中斷沒收到HDLC幀或接收到的HDLC幀長不對時，退出縱差和縱聯保護；

B：本中斷收到幀長正確的HDLC幀，但鏈路層CRC校驗錯，套用層縱聯信息CRC校驗也錯時，退出縱差和縱聯保護；

C：本中斷收到幀長正確的HDLC幀，但鏈路層CRC校驗錯，套用層縱聯信息CRC校驗對時，退出縱差，縱聯保護改為投跳閘狀態；

D：本中斷收到幀長正確的HDLC幀，鏈路層CRC校驗正確時，判別通道雙向延時是否相等，如相等，縱差保護投跳閘，縱聯保護只用於計算，不投跳閘；

E：本中斷收到幀長正確的HDLC幀，鏈路層CRC校驗正確時，判別通道雙向延時是否相等，如不相等，退出縱差保護，縱聯保護投跳閘。

（3）以上流程實現了縱差保護和縱聯保護在共用一個通道情況下，縱差保護和縱聯保護無縫切換方法。為了驗證新方案保護對誤碼的容忍能力，進行了以下四種做法的對比試驗：

A：單通道時的縱差保護（保護1）；

B：單通道時的縱聯保護（保護2）；

C：單通道時將縱差和縱聯集成在一個裝置，將差動信息和縱聯信息放在同一HDLC幀中傳送，採用單一CRC校驗碼（保護3）；

D：《單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法》提供的方案（保護4）。

在不同誤碼率的情況下，做相同的故障（同一誤碼率重複做10次），試驗結果見附表2。從附表可以看出，《單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法》方案對誤碼的容忍能力和單縱聯通道保護（保護2）差別不大，好於保護1和保護3。

誤碼率	方案1		方案2		方案3		方案4
	動作行為	動作時間	動作行為	動作時間	動作行為	動作時間	動作行為	動作時間
1.00E-06	動作	9毫秒	動作	17毫秒	動作	9毫秒	動作	9毫秒
1.00E-06	動作	9毫秒	動作	17毫秒	動作	9毫秒	動作	9毫秒
5.00E-06	動作	9毫秒	動作	17毫秒	動作	9毫秒	動作	9毫秒
1.00E-04	動作	9毫秒	動作	17毫秒	動作	9毫秒	動作	9毫秒
1.10E-04	動作/不動作	9毫秒~50毫秒	動作	17毫秒	動作	9毫秒~17毫秒	動作	9毫秒~17毫秒
1.50E-04	不動作		動作	17毫秒	動作	17毫秒	動作	17毫秒
3.33E-04	不動作		動作	17毫秒	動作	17毫秒	動作	17毫秒
5.00E-04	不動作		動作	17毫秒	不動作		動作	17毫秒
1.00E-03	不動作		動作	17毫秒	不動作		動作	17毫秒
1.10E-03	不動作		動作	17毫秒	不動作		動作	17毫秒
1.20E-03	不動作		動作	17毫秒	不動作		動作	17毫秒
1.30E-03	不動作		動作	17毫秒	不動作		動作	17毫秒
1.40E-03	不動作		動作	17毫秒	不動作		動作	17毫秒
1.50E-03	不動作		動作	17毫秒	不動作		動作	17毫秒
1.50E-03	不動作		動作	17毫秒	不動作		不動作
1.70E-03	不動作		不動作		不動作		不動作
1.80E-03	不動作		不動作		不動作		不動作
1.90E-03	不動作		不動作		不動作		不動作
2.00E-03	不動作		不動作		不動作		不動作

榮譽表彰

2016年12月7日，《單通道條件下縱差和縱聯保護無縫切換方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。