一種適用于T接線路電流差動(dòng)保護(hù)裝置的研制

，，，

(1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210003； 2.南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007))

0 引言

近些年電力系統(tǒng)的規(guī)模發(fā)展迅速，用電負(fù)荷密度也越來(lái)越高，從設(shè)備投資的經(jīng)濟(jì)效益與征地的困難出發(fā)，常常出現(xiàn)高壓重負(fù)荷三端(T型)輸電線路。雖然三端線路不僅能夠解決用地緊張問(wèn)題，而且具備較好的經(jīng)濟(jì)效益，但是給傳統(tǒng)繼電保護(hù)帶來(lái)很多新的問(wèn)題。首先，由于T接線路很多位于負(fù)荷密集區(qū)，大多屬于短線路，距離保護(hù)的整定阻抗較小，難以躲過(guò)短路點(diǎn)過(guò)渡電阻的影響，容易造成距離保護(hù)的超越和保護(hù)間配合整定問(wèn)題；其次，T接線路屬于多端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，決定了作為快速段的距離保護(hù)I段不能實(shí)現(xiàn)全線保護(hù)的速動(dòng)[1]。此外，由于T接線路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)于使用縱聯(lián)保護(hù)的方案，各方向元件的相互配合存在困難，并且在非全相運(yùn)行、功率倒送和合閘于故障時(shí)可能不能滿足系統(tǒng)對(duì)保護(hù)的要求[2]，而且在區(qū)內(nèi)故障有電流流出的情況下，會(huì)對(duì)各種保護(hù)元件產(chǎn)生不利影響。而基于光纖通道的電流差動(dòng)保護(hù)具有原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作速度快、選相準(zhǔn)確、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，是解決上述各種問(wèn)題的最好方法[3]。本文結(jié)合國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司開(kāi)發(fā)的三端T接線路保護(hù)裝置，介紹一下基于光纖通道的T接線路差動(dòng)保護(hù)裝置的整體解決方案。

1 T接線路的應(yīng)用現(xiàn)狀

近幾年來(lái)，T接線路在全國(guó)范圍已經(jīng)有大量應(yīng)用。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于110 kV電壓等級(jí)的T接線路有較多應(yīng)用，而對(duì)于220 kV電壓等級(jí)的T接線路，則應(yīng)用較少。對(duì)于現(xiàn)有的T接線路來(lái)說(shuō)，運(yùn)行方式有全接線三端運(yùn)行方式，也有受端備用的非全線三端運(yùn)行方式(三端運(yùn)行方式下又分單端電源和兩端電源2種情況)，也存在T接線路一側(cè)長(zhǎng)期不投入運(yùn)行的兩端運(yùn)行方式。由于T接線路大多處于負(fù)荷密集處，T接線路的一般長(zhǎng)度在0.2～30.0 km之間，大多數(shù)都屬于短線路，所以這些特點(diǎn)使得傳統(tǒng)的兩端保護(hù)方案往往不能夠完全適用。此外，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展和光纖材料成本的下降，目前國(guó)內(nèi)110 kV以上電壓等級(jí)的線路主保護(hù)均采用以2 048 kbit/s速率復(fù)接PDH/SDH(準(zhǔn)同步數(shù)字系列/同步數(shù)字系列)系統(tǒng)或?qū)Ｓ霉饫w通道的差動(dòng)保護(hù)。因此，T接線路保護(hù)系統(tǒng)也能夠采用光纖通道進(jìn)行三端信息的充分交換，實(shí)現(xiàn)三側(cè)光纖差動(dòng)主保護(hù)功能，從而滿足系統(tǒng)對(duì)保護(hù)全線速動(dòng)的要求。

2 三端數(shù)據(jù)同步方法

T接線路光纖差動(dòng)保護(hù)首要需解決的就是各端的采樣數(shù)據(jù)同步問(wèn)題。本裝置采用較為成熟的采樣時(shí)刻調(diào)整法和采樣序列號(hào)相結(jié)合的同步方法，在保證各端在通道正常情況下有較高同步精度的條件下，對(duì)于通道路由切換過(guò)程中造成通道短時(shí)丟點(diǎn)或短時(shí)收發(fā)延時(shí)不一致的情況，仍然能夠保證各側(cè)數(shù)據(jù)的同步，從而提高了保護(hù)裝置的適應(yīng)能力和運(yùn)行可靠性。

本裝置采用同步采樣的數(shù)據(jù)同步技術(shù)，通信報(bào)文包含主從標(biāo)志、實(shí)時(shí)校驗(yàn)。如圖1所示，三端同步采用1個(gè)主機(jī)、2個(gè)從機(jī)的方式。其中，主機(jī)采樣間隔固定，2個(gè)同步從機(jī)根據(jù)主機(jī)發(fā)來(lái)的信息與主機(jī)保持同步，同步后分別向2個(gè)對(duì)側(cè)發(fā)送本側(cè)采樣值。此外，主機(jī)和從機(jī)不需要整定，由裝置上電后自動(dòng)確定，而在任何一個(gè)通道中斷時(shí)，主機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到無(wú)通道異常的裝置側(cè)，從而仍然能夠保證系統(tǒng)的同步采樣進(jìn)行。

圖1 三端輸電線路數(shù)據(jù)同步示意Fig.1 Three-terminal transmission line data synchronization

通道在正常情況下，主機(jī)與從機(jī)之間采用采樣時(shí)刻調(diào)整法，利用經(jīng)典的乒乓同步原理實(shí)現(xiàn)兩側(cè)較高精度的同步采樣，但是當(dāng)通道延時(shí)變化、短時(shí)丟點(diǎn)等通道不穩(wěn)定情況發(fā)生時(shí)，則可以利用之前在通道穩(wěn)定情況下依賴已經(jīng)建立的采樣序列號(hào)同步條件，依靠?jī)蓚?cè)高精度晶振的天然同步性，在短時(shí)間內(nèi)仍然可維持采樣點(diǎn)同步。目前，裝置設(shè)計(jì)晶振頻率穩(wěn)定度為±50 ×10-6，通信中斷后每秒同步誤差最多增加100 μs(1.8°)，完全能夠滿足光差短時(shí)的同步要求。

3 T接線路差動(dòng)保護(hù)判據(jù)方法

分相電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)一般為比例制動(dòng)式，可以用如下形式表述。

(1)

一般基于此判別式的三端線路電流差動(dòng)保護(hù)的差流取值都相同，不同之處在于制動(dòng)電流Ires制動(dòng)量的選取方法。而現(xiàn)有比率制動(dòng)量的取法一般分為以下幾種。

(1)單一的標(biāo)量和制動(dòng)方式：

(2)

(2)最大模值制動(dòng)方式：

(3)

(3)等效為兩端線路的向量和制動(dòng)方式：

(4)

對(duì)于以上3種制動(dòng)電流的取法來(lái)說(shuō)，標(biāo)量和制動(dòng)方式、最大模值制動(dòng)方式區(qū)外故障的制動(dòng)作用相對(duì)較強(qiáng)，但都存在區(qū)內(nèi)故障靈敏度不足的問(wèn)題；等效為兩端的相量和制動(dòng)方式雖然同時(shí)擁有較好的區(qū)外故障制動(dòng)作用和區(qū)內(nèi)故障的動(dòng)作靈敏度，但在三端運(yùn)行方式下區(qū)內(nèi)故障并有汲出電流的情況下，最大相電流選取不易，因此對(duì)于差動(dòng)保護(hù)判別的實(shí)現(xiàn)和分析都會(huì)造成困難。

本文采用如下制動(dòng)電流取值方式：

(5)

該方法采用了獨(dú)特的制動(dòng)電流選取方法，原理簡(jiǎn)單可靠，不受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響。其不僅具有較好的區(qū)外故障制動(dòng)性和區(qū)內(nèi)故障動(dòng)作靈敏度，而且不需要考慮三端運(yùn)行方式下的區(qū)內(nèi)故障，并有汲出電流時(shí)的制動(dòng)量選取困難問(wèn)題。

4 電流互感器(CT)飽和判斷方法

差動(dòng)保護(hù)受到CT飽和引起的電流畸變影響很大，需要重點(diǎn)處理。T接線路外部故障時(shí)，近故障側(cè)CT將流過(guò)另外兩側(cè)故障分量電流之和，其出現(xiàn)CT飽和的可能性更大，此時(shí)二次電流波形嚴(yán)重失真(如圖2所示)，從而可能引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的一些CT飽和檢測(cè)方法：基于飽和開(kāi)始差動(dòng)電流和制動(dòng)電流不同時(shí)出現(xiàn)的時(shí)差法；基于小波算法檢測(cè)CT飽和[4]；通過(guò)計(jì)算電流諧波比確定CT飽和；采用一周波分段波形積分法判別CT飽和[5]以及利用電流的多階差分進(jìn)行CT飽和判別[6]的方法。

圖2 CT飽和電流波形Fig.2 CT saturation current waveform

本文基于以下2種CT飽和綜合判別方法，能夠可靠地識(shí)別出區(qū)外故障情況下的CT飽和情況：(1)基于兩側(cè)電流相位的“電流比相法”；(2)基于故障時(shí)電流諧波含量水平的“相關(guān)系數(shù)法”。其首先利用“電流比相法”判斷出具備區(qū)外故障可能有CT飽和的情況，然后利用“相關(guān)系數(shù)法”可靠識(shí)別CT飽和引起的電流波形畸變的程度，從而最終確認(rèn)區(qū)外故障是否CT飽和。

電流比相法判別式為

(6)

式中：im(t)為某側(cè)相電流瞬時(shí)值；Im為相應(yīng)的全波傅氏算法幅值；iop(t)為此相差流瞬時(shí)值；Iop為相應(yīng)的全波傅氏算法幅值；T為基波周期；m為動(dòng)作門檻。其利用區(qū)外故障時(shí)，相電流與差流變化方向相反的特點(diǎn)進(jìn)行比相。

相關(guān)系數(shù)法則是利用最小二乘法實(shí)時(shí)估計(jì)整周波內(nèi)相電流和差流中的噪聲水平(即諧波含量水平)，從而進(jìn)行CT飽和識(shí)別。其基本公式為

5 運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換方法

在實(shí)際運(yùn)行中，由于受到建設(shè)周期、近遠(yuǎn)期規(guī)劃、負(fù)荷性質(zhì)和不停電檢修的需求影響，T接線路通常存在多種運(yùn)行方式。例如：(1)近期為兩端運(yùn)行線路，遠(yuǎn)期規(guī)劃為三端運(yùn)行線路；(2)三端運(yùn)行方式下，一側(cè)負(fù)荷停止供電，本側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，處于熱備用狀態(tài)；(3)三端運(yùn)行方式下，一側(cè)開(kāi)關(guān)需要檢修，其他兩側(cè)還需要正常運(yùn)行。因此，裝置需要適應(yīng)以上多種運(yùn)行方式的變化。

本保護(hù)裝置通過(guò)設(shè)定一個(gè)“兩端運(yùn)行壓板”，可以有效解決三端線路多種運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換的需求。以圖3中所示的各側(cè)壓板投入情況為例，具體實(shí)現(xiàn)邏輯如下：

(1)當(dāng)M/S/N各側(cè)的“兩端運(yùn)行壓板”都退出時(shí)，各側(cè)均為三端運(yùn)行方式。

(2)當(dāng)M/S/N只有任一側(cè)的“兩端運(yùn)行壓板”投入時(shí)，各側(cè)均為三端運(yùn)行方式。

(3)當(dāng)M側(cè)的“兩端運(yùn)行壓板”先投入時(shí)，如果N側(cè)的“兩端運(yùn)行壓板”也投入后，則M與N側(cè)變成兩端運(yùn)行方式，并一直保持下去。

(4)其他側(cè)情況也依據(jù)上述邏輯進(jìn)行。

圖3 三端和兩端運(yùn)行示意Fig.3 Schematic of three-terminal and two-terminal operation

在圖3b中的壓板投入情況下，S側(cè)停電檢修開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，MN則為兩端運(yùn)行，M和N側(cè)僅使用此兩側(cè)的電流進(jìn)行差流計(jì)算，不會(huì)受到S側(cè)保護(hù)裝置調(diào)試或開(kāi)關(guān)檢修的影響。

6 RTDS動(dòng)態(tài)模擬驗(yàn)證結(jié)果

為驗(yàn)證本文提出原理的正確性和實(shí)用性，基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(RTDS)進(jìn)行了相關(guān)動(dòng)態(tài)模擬驗(yàn)證。圖4為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際系統(tǒng)搭建的T接線路試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀１驹囼?yàn)內(nèi)容包括：(1)區(qū)內(nèi)外金屬性故障；(2)區(qū)內(nèi)外轉(zhuǎn)換性和發(fā)展性故障；(3)區(qū)內(nèi)高阻接地故障；(4)本線路功率倒向；(5)區(qū)內(nèi)故障分支有故障電流流出；(6)空載合閘于故障；(7)小電源和單電源運(yùn)行方式下故障；(8)系統(tǒng)振蕩下區(qū)內(nèi)外故障；(9)三端運(yùn)行方式及兩端運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換；(10)三端運(yùn)行方式1個(gè)通道中斷情況下區(qū)內(nèi)外故障。

圖4 動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?110 kV系統(tǒng))Fig.4 Dynamic simulation test model (110 kV system)

圖5所示為區(qū)內(nèi)高阻故障情況下保護(hù)正確動(dòng)作；圖6所示為區(qū)外故障情況下CT飽和，保護(hù)正確未動(dòng)作。

圖5 區(qū)內(nèi)高阻故障(截屏)Fig.5 High resistance fault in the area

圖6 區(qū)外故障CT飽和(截屏)Fig.6 External fault CT saturation

經(jīng)過(guò)本系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，基于本文原理開(kāi)發(fā)的保護(hù)裝置，不僅在區(qū)內(nèi)外金屬性故障、轉(zhuǎn)換性故障、區(qū)內(nèi)高阻故障和系統(tǒng)振蕩等典型情況下的故障動(dòng)作正確，而且在單通道異常、三端和兩端多種運(yùn)行方式下以及區(qū)內(nèi)故障有汲出電流情況下，都能夠正確動(dòng)作，整體測(cè)試結(jié)果優(yōu)異。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)T接線路的特點(diǎn)進(jìn)行分析和研究，提出了基于光纖差動(dòng)的三端線路保護(hù)方案，并依據(jù)相關(guān)原理研制出了三端線路保護(hù)裝置。經(jīng)過(guò)RTDS動(dòng)態(tài)模擬驗(yàn)證，此裝置具有動(dòng)作速度快、保護(hù)功能完善、技術(shù)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，具有非常好的實(shí)用價(jià)值。