淺談基于光纖結(jié)合載波方式的縱聯(lián)距離保護(hù)

鄭 偉 王 麗

（1.南京國(guó)電南自自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京210032；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京210032）

0 引言

當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，為了有選擇性地快速切除全線故障，需要將線路一側(cè)電氣量的信息傳輸?shù)搅硪粋?cè)去，即在線路兩側(cè)之間發(fā)生縱向的聯(lián)系。線路縱聯(lián)保護(hù)是使兩側(cè)開(kāi)關(guān)同時(shí)快速跳閘的一種保護(hù)裝置，是線路的主保護(hù)。它以線路兩側(cè)判別量的特定關(guān)系作為判據(jù)。即兩側(cè)均將判別量借助通道傳送到對(duì)側(cè)，然后，兩側(cè)分別按照對(duì)側(cè)與本側(cè)判別量之間的關(guān)系來(lái)判別區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障。因此，判別量和通道是縱聯(lián)保護(hù)裝置的主要組成部分。

為了交換信息，需要利用通道。按照傳輸介質(zhì)的不同，縱聯(lián)距離保護(hù)可以分為光纖縱聯(lián)距離保護(hù)和載波縱聯(lián)距離保護(hù)。前者采用光纖通道傳輸信號(hào)，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸容量大、頻帶寬、傳輸衰耗小、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)；后者采用載波通道傳輸信號(hào)，載波通道具有無(wú)中繼通信距離長(zhǎng)、施工簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)因?yàn)檩d波通道直接通過(guò)高壓線路傳送高頻電流，容易受到線路電暈、短路、過(guò)電壓以及開(kāi)關(guān)操作的干擾，因此容易造成保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)。相比之下光纖通道沒(méi)有易受干擾的架空線路設(shè)備，線路故障對(duì)光纖通道干擾較小，可靠性大大高于載波通道，所以目前新上的縱聯(lián)保護(hù)大都采用光纖通信的方式。隨著電力系統(tǒng)對(duì)繼電保護(hù)可靠性和穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高，縱聯(lián)保護(hù)光纖通道配置也由最初的1個(gè)增加到2個(gè)，雙通道應(yīng)用增加了線路保護(hù)運(yùn)行的靈活性和安全性。在光纖通道縱聯(lián)距離保護(hù)基礎(chǔ)上增加載波通道的配置方式目前在國(guó)內(nèi)尚不多見(jiàn)，本文對(duì)其保護(hù)邏輯思想以及實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題加以說(shuō)明。

1 光纖縱聯(lián)保護(hù)與載波縱聯(lián)保護(hù)相關(guān)邏輯

光纖結(jié)合載波方式的縱聯(lián)距離保護(hù)，是在單光纖通道縱聯(lián)距離保護(hù)基礎(chǔ)上增加一個(gè)載波通道的縱聯(lián)距離保護(hù)。光纖縱聯(lián)保護(hù)和載波縱聯(lián)保護(hù)邏輯獨(dú)立，出口也獨(dú)立。光纖縱聯(lián)保護(hù)滿(mǎn)足動(dòng)作條件后直接跳閘出口，載波縱聯(lián)保護(hù)在動(dòng)作的時(shí)候需要進(jìn)行一些額外的判別以決定是否跳閘出口，這區(qū)別于傳統(tǒng)縱聯(lián)距離保護(hù)邏輯，主要是載波縱聯(lián)距離保護(hù)可靠性相對(duì)差些。載波縱聯(lián)保護(hù)允許出口的邏輯如圖1所示。

從圖1可以看出，“光纖通道優(yōu)先”控制字退出時(shí)，載波縱聯(lián)保護(hù)不受光纖縱聯(lián)保護(hù)的影響，滿(mǎn)足動(dòng)作條件后，直接跳閘出口；“光纖通道優(yōu)先”控制字投入時(shí)，若光纖通道異?；蚬饫w縱聯(lián)保護(hù)壓板退出，此時(shí)載波縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作后可直接跳閘出口，否則載波縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作后僅發(fā)報(bào)文，不跳閘出口。

圖1 載波縱聯(lián)保護(hù)跳閘出口邏輯

2 遠(yuǎn)傳與通道告警邏輯

2.1 光纖通道遠(yuǎn)傳與載波通道遠(yuǎn)傳相關(guān)邏輯

過(guò)電壓及遠(yuǎn)跳保護(hù)裝置收信有2種方案：（1）過(guò)電壓及遠(yuǎn)跳保護(hù)裝置設(shè)計(jì)2套通道接口，分別與縱聯(lián)距離保護(hù)和載波機(jī)接口，由過(guò)電壓及遠(yuǎn)跳保護(hù)裝置完成遠(yuǎn)傳信號(hào)合成。（2）過(guò)電壓及遠(yuǎn)跳保護(hù)裝置采用1套通道接口，由縱聯(lián)距離保護(hù)完成光纖與載波機(jī)接口，縱聯(lián)距離保護(hù)再與過(guò)電壓及遠(yuǎn)跳保護(hù)裝置接口，由縱聯(lián)距離保護(hù)完成遠(yuǎn)傳信號(hào)合成，目前華東采用方案2，方案2只有縱聯(lián)保護(hù)重新設(shè)計(jì)，方案1縱聯(lián)保護(hù)和過(guò)電壓及遠(yuǎn)跳保護(hù)都需要重新設(shè)計(jì)，故采用方案1經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本都不劃算。但方案2也并非完美，其線路保護(hù)與過(guò)電壓及遠(yuǎn)跳保護(hù)的回路設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜。下面就將華東電網(wǎng)采用的方案介紹如下：光纖結(jié)合載波方式的縱聯(lián)距離保護(hù)遠(yuǎn)傳邏輯在光纖通道遠(yuǎn)傳的基礎(chǔ)上增加了1個(gè)載波通道遠(yuǎn)傳邏輯，如圖2所示。

圖2 光纖通道遠(yuǎn)傳和載波通道遠(yuǎn)傳邏輯

圖2中M側(cè)、N側(cè)載波縱聯(lián)出口有效是指：當(dāng)“光纖通道優(yōu)先”控制字投入時(shí)，載波收遠(yuǎn)傳需要在光纖縱聯(lián)保護(hù)退出或光纖通道異常時(shí)才能輸出。當(dāng)“光纖通道優(yōu)先”控制字退出時(shí)，載波收遠(yuǎn)傳才可直接輸出。載波收遠(yuǎn)傳受載波縱聯(lián)有效壓板控制，光纖收遠(yuǎn)傳受光纖縱聯(lián)有效壓板控制。

光纖縱聯(lián)距離和載波縱聯(lián)距離共用遠(yuǎn)傳1和遠(yuǎn)傳2兩副接點(diǎn)，遠(yuǎn)傳1和遠(yuǎn)傳2接點(diǎn)接收到斷路器保護(hù)的失靈開(kāi)入時(shí)，光纖通道直接將遠(yuǎn)傳信息打包傳給對(duì)側(cè)縱聯(lián)保護(hù)，而載波通道則開(kāi)出載波發(fā)遠(yuǎn)傳1和載波發(fā)遠(yuǎn)傳2接點(diǎn)到本側(cè)載波機(jī)，本側(cè)載波機(jī)發(fā)信息到對(duì)側(cè)載波機(jī)，對(duì)側(cè)載波機(jī)再開(kāi)出接點(diǎn)到縱聯(lián)保護(hù)載波收遠(yuǎn)傳1和載波收遠(yuǎn)傳2開(kāi)入。當(dāng)光纖通道收遠(yuǎn)傳或載波通道收遠(yuǎn)傳開(kāi)入動(dòng)作時(shí)，開(kāi)出遠(yuǎn)傳1和遠(yuǎn)傳2到過(guò)電壓及遠(yuǎn)跳保護(hù)遠(yuǎn)跳開(kāi)入。

2.2 通道告警邏輯

光纖結(jié)合載波方式的縱聯(lián)距離保護(hù)輸出“光纖通道異?！薄ⅰ拜d波收遠(yuǎn)傳通道故障”、“縱聯(lián)通道告警”3種通道告警信息。

“光纖通道異常”為光纖通道異常信號(hào)。

“載波收遠(yuǎn)傳通道故障”為載波通道故障，包含載波機(jī)故障時(shí)載波機(jī)給縱聯(lián)距離保護(hù)的開(kāi)入信號(hào)。

“縱聯(lián)通道告警”表示載波收遠(yuǎn)傳通道和光纖通道均異常，即整個(gè)遠(yuǎn)傳通道不可用，用于啟動(dòng)過(guò)電壓及遠(yuǎn)跳保護(hù)裝置的通道告警。

3 串補(bǔ)功能邏輯

3.1 距離保護(hù)

加入串補(bǔ)電容可以縮小故障回路的測(cè)量阻抗，但可能導(dǎo)致區(qū)外故障時(shí)距離保護(hù)超越動(dòng)作，這是距離保護(hù)應(yīng)用于串補(bǔ)線路中存在的最大問(wèn)題。采用故障點(diǎn)位置識(shí)別功能并輔以電平檢測(cè)方案來(lái)解決上述問(wèn)題。

（1）距離Ⅰ段故障點(diǎn)位置識(shí)別方案，國(guó)內(nèi)普遍采用串補(bǔ)電容安裝于線路一端的運(yùn)行方式，如圖3所示，故障后保護(hù)首先判別故障點(diǎn)相對(duì)于串補(bǔ)電容的位置，若故障點(diǎn)在串補(bǔ)電容前，距離保護(hù)動(dòng)作行為完全由阻抗繼電器決定，若不能明確判別故障點(diǎn)在串補(bǔ)電容前，則綜合電平檢測(cè)條件決定保護(hù)動(dòng)作行為。

圖3 串補(bǔ)輸電線路模型

故障點(diǎn)位置識(shí)別的基本思想是采用實(shí)時(shí)計(jì)算的電容前線路電壓和保護(hù)安裝處電壓進(jìn)行相位比較。電容前故障時(shí)電壓相位差在180°左右，電容后故障電壓相位差一般較小，據(jù)此判別故障點(diǎn)相對(duì)于串補(bǔ)電容的位置。

（2）電平檢測(cè)方案。電平檢測(cè)條件如下式所示，若滿(mǎn)足則開(kāi)放該回路的阻抗元件。

式中，I為故障回路電流；ZZD為距離Ⅰ段整定阻抗；ZCL為測(cè)量的故障回路阻抗；UMOV為整定的距離動(dòng)作電壓值（MOV拐點(diǎn)電壓定值）。

距離Ⅰ段動(dòng)作邏輯如圖4所示，其中Len＝0表示電容距本側(cè)位置定值為0。

圖4 距離Ⅰ段動(dòng)作邏輯

3.2 縱聯(lián)保護(hù)

縱聯(lián)距離保護(hù)基本不受串補(bǔ)電容的影響，縱聯(lián)零序方向保護(hù)在靠近補(bǔ)償電容側(cè)可能受電容影響誤判方向，具體情況因故障位置和PT安裝位置而異。串補(bǔ)線路內(nèi)部發(fā)生接地故障，其零序回路示意圖如圖5所示，m側(cè)保護(hù)零序方向不受串補(bǔ)電容影響，此處僅分析n側(cè)保護(hù)情況。

圖5 串補(bǔ)線路接地故障零序回路示意圖

（1）PT在母線與電容之間（PT2）時(shí)，零序方向繼電器不會(huì)誤判方向。

（2）PT在線路與電容之間（PT1）時(shí)，反向故障時(shí)不會(huì)誤判方向，正向故障時(shí)零序電流和零序電壓之間的關(guān)系為其中Xn0為n側(cè)系統(tǒng)等效零序電抗，假設(shè)零序阻抗為純電抗，當(dāng)Xn0＜XC時(shí)即出現(xiàn)所謂的電流反向問(wèn)題，零序電流將滯后零序電壓90°，造成零序正方向繼電器拒動(dòng)。

串補(bǔ)線路保護(hù)對(duì)于零序電流反向的解決方案主要有2種：

（1）縱聯(lián)阻抗方向元件優(yōu)先。為了防止零序方向元件在正方向故障后發(fā)生電流反向時(shí)零序正方向元件拒動(dòng)，在方向元件的配置上采用了縱聯(lián)阻抗方向元件優(yōu)先的方法。

（2）采用零序電壓補(bǔ)償?shù)姆椒?。通常情況下，采取阻抗方向元件優(yōu)先的方法已經(jīng)可以防止保護(hù)拒動(dòng)，但在高阻接地造成阻抗方向繼電器靈敏度不足的時(shí)候，保護(hù)可能拒動(dòng)，為此，在新的方案中增加零序電壓補(bǔ)償?shù)姆椒?，零序方向繼電器判據(jù)改為其中XFX.0不需要單獨(dú)整定，自動(dòng)取為XFX.0＝XC。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用說(shuō)明

華東電網(wǎng)對(duì)500kV線路保護(hù)及遠(yuǎn)跳保護(hù)的通道配置要求是雙通道，但不允許采用雙高頻通道，主要是為了防止高頻通道受到干擾造成保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)，可是目前網(wǎng)內(nèi)有一部分運(yùn)行線路保護(hù)通道配置不滿(mǎn)足該要求。為了滿(mǎn)足雙通道配置這一要求，華東電網(wǎng)和保護(hù)廠家以及相關(guān)設(shè)計(jì)試驗(yàn)單位共同商討后決定在單光纖通道縱聯(lián)距離保護(hù)基礎(chǔ)上增加1個(gè)載波通道。500kV堡任5231線采用國(guó)電南自PSL602UN和南瑞繼保PCS902 2套光纖結(jié)合載波方式的縱聯(lián)距離保護(hù)，取代ALPS 2套高頻保護(hù)。保護(hù)采用允許式發(fā)信，載波機(jī)為西門(mén)子載波機(jī)，通道方式為載波通道和復(fù)用光纖通道，線路距離較短沒(méi)有高抗，未投過(guò)電壓保護(hù)。

基于此配置方式的縱聯(lián)保護(hù)主要保護(hù)功能較傳統(tǒng)縱聯(lián)距離保護(hù)得到了優(yōu)化，同時(shí)解決了原有的2個(gè)主要問(wèn)題：

（1）載波通道故障時(shí)不點(diǎn)亮保護(hù)裝置面板的通道故障燈，給運(yùn)行巡視帶來(lái)不便。

（2）過(guò)電壓及遠(yuǎn)跳裝置動(dòng)作后閉鎖中開(kāi)關(guān)和邊開(kāi)關(guān)的重合閘，若同時(shí)啟動(dòng)斷路器保護(hù)的失靈保護(hù)，會(huì)使兩側(cè)保護(hù)不停地相互啟動(dòng)，陷入死循環(huán)。

5 結(jié)語(yǔ)

光纖結(jié)合載波方式的縱聯(lián)距離保護(hù)是一種全新的保護(hù)，保護(hù)邏輯和回路設(shè)計(jì)也比傳統(tǒng)縱聯(lián)距離保護(hù)復(fù)雜，其設(shè)計(jì)思想來(lái)源于華東電網(wǎng)，保護(hù)本身不具有典型性，硬件設(shè)計(jì)上也存在一些瑕疵，但是其開(kāi)發(fā)思想還是有一定的借鑒意義，不僅滿(mǎn)足了老線路保護(hù)改造的要求，而且由于有光纖通道優(yōu)先的設(shè)計(jì)思想，可以有效控制載波縱聯(lián)距離保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，當(dāng)光纖通道中斷（比如極端惡劣天氣下避雷線被壓斷），載波縱聯(lián)距離保護(hù)依然可以正常運(yùn)行，大大提高了線路運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，值得向全國(guó)推廣。

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