2M光接口的繼電保護(hù)裝置線路隱藏故障檢測(cè)方法

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司信息通信分公司 顧 彬 郭 燾 王義成 紀(jì)大偉 祁步仁

為確保應(yīng)用2M 光接口技術(shù)傳輸保護(hù)業(yè)務(wù)安全可靠，通過(guò)調(diào)研不同品牌傳輸設(shè)備的2M 光接口傳輸技術(shù)原理和實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)，梳理電網(wǎng)220千伏保護(hù)業(yè)務(wù)通道的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和不同場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)需求，協(xié)調(diào)通信廠商定制開(kāi)發(fā)適用于電網(wǎng)保護(hù)業(yè)務(wù)的端口數(shù)量是十分必要的。具備TPS 倒換功能的新型2M 光接口板中，板卡的高集成度滿(mǎn)足了保護(hù)專(zhuān)用傳輸設(shè)備小型化目標(biāo)[1]，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)的TPS（支路保護(hù)切換）倒換功能為支路側(cè)信號(hào)提供冗余保護(hù)，并通過(guò)在多場(chǎng)景、多方面進(jìn)行功能性能測(cè)試[2]，確保了設(shè)備板卡傳輸繼電保護(hù)業(yè)務(wù)應(yīng)用中功能可靠、性能優(yōu)越。

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)編制完善測(cè)試方案，搭建模擬應(yīng)用場(chǎng)景，組織開(kāi)展不同廠商傳輸設(shè)備2M 光接口的功能和性能測(cè)試[3]，并與現(xiàn)網(wǎng)在運(yùn)的十余種品牌、型號(hào)保護(hù)裝置進(jìn)行業(yè)務(wù)對(duì)接，測(cè)試?yán)^電保護(hù)業(yè)務(wù)傳輸性能，確保基于2M 光接口的繼電保護(hù)業(yè)務(wù)安全可靠傳輸是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的[3]。組織開(kāi)展跨品牌、跨型號(hào)傳輸設(shè)備2M 光信號(hào)互聯(lián)互通效果檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)其拓展多元化應(yīng)用場(chǎng)景，為未來(lái)該技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用提供技術(shù)支撐的重要保障[4]。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的繼電保護(hù)裝置線路故障檢測(cè)方法進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，其主要是采用直接檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)的，利用傳感器作為核心構(gòu)建，缺乏對(duì)動(dòng)態(tài)影響因素的考慮，因此檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性也存在一定的提升空間。為進(jìn)一步提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性，優(yōu)化繼電保護(hù)裝置線路門(mén)檻值的設(shè)置是十分必要的。

1 設(shè)置繼電保護(hù)裝置線路門(mén)檻值

為實(shí)現(xiàn)對(duì)2M 光接口繼電保護(hù)裝置線路隱藏故障的檢測(cè)，首先要結(jié)合檢測(cè)裝置的實(shí)際情況設(shè)置合理的門(mén)檻值，并將其作為判定繼電保護(hù)裝置線路是否存在隱藏故障的標(biāo)準(zhǔn)。本文按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電流互感器》（GB/T1208-1997）中的規(guī)定要求，在線路一次電流為額定值的情況下，對(duì)繼電保護(hù)裝置相關(guān)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的誤差允許范圍進(jìn)行界定。

按照表1，采用GPS 同步法對(duì)光2M 光接口纖縱差保護(hù)裝置的運(yùn)行方式進(jìn)行管理，這樣就可忽略由于數(shù)據(jù)采樣同步性問(wèn)題對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)的影響。在利用PMU 裝置對(duì)繼電保護(hù)裝置對(duì)應(yīng)2M 光接口線路數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其可靠性及準(zhǔn)確度都相對(duì)較高。本文將PMU 裝置的測(cè)量值作為繼電保護(hù)裝置線路二次電流的代替值，以此提高其準(zhǔn)確性。通過(guò)這樣的處理方式，正常運(yùn)行狀態(tài)下繼電保護(hù)裝置線路的二次電流與額定值之間的差值實(shí)現(xiàn)最小化。

表1 繼電保護(hù)裝置運(yùn)行參數(shù)誤差允許范圍

在此條件下，將額定情況下的PMU 測(cè)量結(jié)果與繼電保護(hù)裝置的允許誤差進(jìn)行融合，計(jì)算得出繼電保護(hù)裝置線路主站報(bào)警的門(mén)檻值，其可表示為I=2KIPMU(0.005+ε)、U=2KUPMU(0.005+ε)，其中：I 表示繼電保護(hù)裝置線路主站報(bào)警的電流門(mén)檻值，U表示繼電保護(hù)裝置線路主站報(bào)警的電壓門(mén)檻值，IPMU和UPMU分別表示PMU 裝置的測(cè)量得到的電流數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)，K表示協(xié)同系數(shù)，ε表示PMU 裝置的測(cè)量誤差，上文已說(shuō)明，該部分誤差在實(shí)際數(shù)據(jù)中可忽略不計(jì)，但為避免線路運(yùn)行環(huán)境異常對(duì)其的影響，本文將其取值設(shè)置為非常態(tài)值，以測(cè)量數(shù)據(jù)的0.1%表示，通過(guò)這樣的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)裝置線路門(mén)檻值的設(shè)置。

但需注意，一般在輸電線路2M 光接口的兩側(cè)均會(huì)配有相應(yīng)的保護(hù)CT 和測(cè)量CT，而PMU 裝置對(duì)應(yīng)的交流電流回路在保護(hù)CT 和測(cè)量CT 中均可接入。這就意味著當(dāng)其電流回路接入測(cè)量CT，更加傾向于對(duì)穩(wěn)態(tài)電路數(shù)據(jù)的測(cè)量精度。而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，線路出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)誘發(fā)測(cè)量CT 迅速實(shí)現(xiàn)過(guò)飽和，從而加速線路傳變性能的惡化，這就導(dǎo)致PMU 裝置的測(cè)量精度難以得到保證。而直接將電流回路接入保護(hù)CT 會(huì)使電路數(shù)據(jù)的精度降低，但其不會(huì)受到故障狀態(tài)下線路異常的影響。

本文綜合了上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，考慮到隱藏故障是存在于繼電保護(hù)線路的各個(gè)環(huán)節(jié)的，建立了包含數(shù)據(jù)屬性的繼電保護(hù)裝置線路主站報(bào)警的門(mén)檻值，其計(jì)算方式可表示為I=2KIPMU(0.005+ε)/(λ1+λ2)、U=2KUPMU(0.005+ε)/(λ1+λ2)，其中的λ1和λ2分別表示測(cè)量CT 和保護(hù)CT 對(duì)PMU 裝置測(cè)量結(jié)果的影響系數(shù)。通過(guò)這樣的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)裝置線路門(mén)檻值的準(zhǔn)確設(shè)置，為后續(xù)的檢測(cè)工作提供可靠基礎(chǔ)。

2 繼電保護(hù)裝置線路隱藏故障檢測(cè)

在上述基礎(chǔ)上，本文針對(duì)2M 光接口的繼電保護(hù)裝置線路隱藏故障的不同階段展開(kāi)了檢測(cè)方法研究。首先需明確，靜態(tài)特性下的隱藏故障檢測(cè)只需要直接對(duì)線路的電流和電壓與門(mén)檻值之間的關(guān)系進(jìn)行比較即可，其檢測(cè)方式為：I'＞I or U'＞U，其中，I'和U'分別表示采集到的線路數(shù)據(jù)信息，按照此式即可實(shí)現(xiàn)對(duì)線路隱藏故障的檢測(cè)。

對(duì)于動(dòng)態(tài)特性下的隱藏故障檢測(cè)，首先需要對(duì)2M 光接口以及線路采集模擬量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將其作為動(dòng)作的輸入值。在此過(guò)程中需要注意的是，線路中的測(cè)量回路既包括電流互感器、連接電纜、端子，同時(shí)也包括繼電保護(hù)裝置內(nèi)部的前置變送器、濾波電路、A／D 轉(zhuǎn)換器等。因此在對(duì)隱藏故障進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需要對(duì)上述任一環(huán)節(jié)的失效或誤差增大情況作出分析。

以此為基礎(chǔ)，假設(shè)線路中的數(shù)據(jù)為Xi，其代表某一時(shí)刻的PMU 的測(cè)量值，將線路的測(cè)量值之和作為參考基準(zhǔn)，對(duì)各個(gè)線路通道中的故障檢測(cè)方法步驟如下：計(jì)算出線路對(duì)應(yīng)的PMU 以及保護(hù)測(cè)量數(shù)據(jù)的均值，其可表示為其中，表示保護(hù)測(cè)量數(shù)據(jù)的均值，n 表示參與故障檢測(cè)的測(cè)量數(shù)據(jù)總量，其中包含上述的2M 光接口以及線路采集模擬量的所有信息；將該值的均值與上文構(gòu)建的門(mén)檻值進(jìn)行比較，同樣按照上文檢測(cè)方式確定各測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的線路是否存在隱藏故障。

3 仿真測(cè)試

為測(cè)試本文設(shè)計(jì)檢測(cè)方法的應(yīng)用效果，利用MATLAB 構(gòu)建了仿真模型，并選用三相電流突變量作為模擬環(huán)境的啟動(dòng)元件(圖1)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]提出的檢測(cè)方法作為測(cè)試的對(duì)照組，對(duì)所提方法的有效性進(jìn)行分析。

圖1 仿真模型

3.1 仿真環(huán)境設(shè)置

在對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，本文將EA和EB的值一致化處理，并有EB=EA=40kV，其中M、N、P 均為2M 光接口，定義M 和N 之間的線路距離為L(zhǎng)1、對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為150km，定義N 和P 之間的線路距離為L(zhǎng)2、對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為220km。在兩條線路上，單位距離上的阻抗值相同。其中正序阻抗的大小為0.01103+j0.2812Ω/km，對(duì)應(yīng)的R1=0.01103Ω/km、L1=0.9279H/km，零序阻抗大小為0.3645+j1.2775Ω/km，其對(duì)應(yīng)的R0=0.3645Ω/km、L0=4.0644H/km，兩線路正序電容和零序電容分別為C1=0.01304μF/km，C0=0.07561μF/km。

以此為基礎(chǔ)，設(shè)置對(duì)線路信號(hào)的采樣頻率為4000Hz，也就意味著在t=0.1s 時(shí)間范圍內(nèi)會(huì)生成400個(gè)采樣點(diǎn)，此時(shí)設(shè)置的故障為短路，短路位置為距M 端40km 處。與此同時(shí)，提取AB 相短路時(shí)A、B 各相的相電流和電壓值。以表1中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別采用三種檢測(cè)方法對(duì)線路進(jìn)行檢測(cè)。得到響應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果并進(jìn)行分析。

表2 AB 相短路條件下各項(xiàng)電流電壓數(shù)據(jù)

3.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

從圖2（a）中可看出，文獻(xiàn)[1]方法的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的誤差較大，最大值達(dá)到了4.220A，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間為短路發(fā)生后的0.2s，文獻(xiàn)[2]方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)線路電流變化的準(zhǔn)確檢測(cè)，但是在短路出現(xiàn)的初期，對(duì)應(yīng)時(shí)間為0.10s 和0.15s 時(shí)，其對(duì)故障數(shù)據(jù)的檢測(cè)結(jié)果也存在一定的提升空間。本文方法的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際電路數(shù)據(jù)之間的誤差幾乎可忽略不計(jì)，始終穩(wěn)定在0.50A 范圍內(nèi)，不僅實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的故障數(shù)據(jù)檢測(cè)，并具有較高的穩(wěn)定性和靈敏性。觀察圖2（b）可看出，三種方法表現(xiàn)出的特征與電流檢測(cè)結(jié)果一致。由此不難看出，本文設(shè)計(jì)方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)裝置線路隱藏故障的有效檢測(cè)，對(duì)于保障線路安全穩(wěn)定運(yùn)行具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

圖2 三種方法對(duì)A 相短路數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果誤差對(duì)比圖