光纖保護(hù)在京津唐電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

引言

　　當(dāng)前，我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展很快，區(qū)域型大電網(wǎng)已初見(jiàn)規(guī)模，將來(lái)還要實(shí)現(xiàn)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越強(qiáng)，不同地區(qū)之間的聯(lián)系越來(lái)越緊密。在這種形勢(shì)下，對(duì)繼電保護(hù)的要求也越來(lái)越高，而且側(cè)重于動(dòng)作的可信賴(lài)性。要求系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必須快速切除，決不能發(fā)生繼電保護(hù)拒動(dòng)的事故。這樣全線速動(dòng)的縱聯(lián)保護(hù)對(duì)高壓電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到尤為重要的作用，它也是保證電網(wǎng)穩(wěn)定的一道防線。

　　高壓線路縱聯(lián)保護(hù)主要是依賴(lài)于通道，使線路兩端的保護(hù)裝置進(jìn)行故障信息的交換，進(jìn)而判別出是本線故障，還是區(qū)外故障。從而使兩端的保護(hù)裝置：在區(qū)外故障時(shí)，不動(dòng)作；在區(qū)內(nèi)故障時(shí)，快速動(dòng)作，切除故障。在華北網(wǎng)運(yùn)行的縱聯(lián)保護(hù)根據(jù)使用信號(hào)的方式，主要分為下面幾類(lèi)：（1）閉鎖式保護(hù)（2）允許式保護(hù)（3）遠(yuǎn)方跳閘保護(hù)（4）電流差動(dòng)保護(hù)

　　以上保護(hù)的通道類(lèi)型主要有：專(zhuān)用載波（專(zhuān)用收發(fā)信機(jī)）、復(fù)用載波、復(fù)用微波、專(zhuān)用光纖、復(fù)用光纖等方式。其中，專(zhuān)用載波保護(hù)運(yùn)行情況不是很理想，反映在抗誤動(dòng)能力較差，在運(yùn)行中多次發(fā)生因收信間斷而造成的保護(hù)誤動(dòng)事故。復(fù)用載波保護(hù)情況稍好，但也存在抗干擾能力差的問(wèn)題。在華北電網(wǎng)，縱聯(lián)保護(hù)較早的采用了微波作為傳輸介質(zhì)，尤其是500KV系統(tǒng)保護(hù)。最大的特點(diǎn)是：一次系統(tǒng)的故障與微波通信通道發(fā)生故障兩者之間幾乎沒(méi)有相關(guān)性，在系統(tǒng)故障時(shí)，這就為繼電保護(hù)提供了良好的通道條件。但微波通道也存在一些問(wèn)題，如：易發(fā)生衰落，造成通道中斷。中間轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)較多，其間若有一個(gè)中繼站有問(wèn)題，則要停保護(hù)，而且有可能要停數(shù)條線路的保護(hù)。

　　隨著通信技術(shù)的發(fā)展，在縱聯(lián)保護(hù)通道的使用上，已經(jīng)由原來(lái)的單一的載波通道變?yōu)楝F(xiàn)在的載波、微波、光纖等多種通道方式。由于光纖通道所具有的先天優(yōu)勢(shì)，使它與繼電保護(hù)的結(jié)合，在電網(wǎng)中會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

　　1 光纖通道作為縱聯(lián)保護(hù)通道的優(yōu)勢(shì)

　　光纖通道首先在通信技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，它是基于用光導(dǎo)纖維作為傳輸介質(zhì)的一種通信手段。光纖通道相對(duì)于其他傳統(tǒng)通道（如：電纜、微波等）具有如下特點(diǎn)：

　　（1） 傳輸質(zhì)量高，誤碼率低，一般在10-10以下。這種特點(diǎn)使得光纖通道很容易滿足繼電保護(hù)對(duì)通道所要求的“透明度”。即發(fā)端保護(hù)裝置發(fā)送的信息，經(jīng)通道傳輸后到達(dá)收端，使收端保護(hù)裝置所看到的信息與發(fā)端原始發(fā)送信息完全一致，沒(méi)有增加或減少任何細(xì)節(jié)。

　　（2） 光的頻率高，所以頻帶寬，傳輸?shù)男畔⒘看蟆＿@樣可以使線路兩端保護(hù)裝置盡可能多的交換信息，從而可以大大加強(qiáng)繼電保護(hù)動(dòng)作的正確性和可靠性。

　　（3） 抗干擾能力強(qiáng)。由于光信號(hào)的特點(diǎn)，可以有效的防止雷電、系統(tǒng)故障時(shí)產(chǎn)生的電磁方面的干擾，因此，光纖通道最適合應(yīng)用于繼電保護(hù)通道。

　　以上光纖通道的三個(gè)特點(diǎn)，是繼電保護(hù)所采用的常規(guī)通道形式所無(wú)法比擬的。在通道選擇上應(yīng)為首選。但是由于光纜的特點(diǎn)，抗外力破壞能力較差，當(dāng)采用直埋或空中架設(shè)時(shí)，易于受到外力破壞，造成機(jī)械損傷。若采用OPGW，則可以有效的防止類(lèi)似事件的發(fā)生。

　　2 光纖通道與繼電保護(hù)配合的幾種方式

　　目前，縱聯(lián)保護(hù)采用光纖通道的方式，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備中，主要有以下幾種方式：

　　（1）專(zhuān)用光纖保護(hù)：

　　光纖與縱聯(lián)保護(hù)（如：WXB-11C、LFP-901A）配合構(gòu)成專(zhuān)用光纖縱聯(lián)保護(hù)。采用允許式，在光纖通道上傳輸允許信號(hào)和直跳信號(hào)。此種方式，需要專(zhuān)用光纖接口（如：FOX-40），使用單獨(dú)的專(zhuān)用光芯。優(yōu)點(diǎn)是：避免了與其他裝置的聯(lián)系（包括通信專(zhuān)業(yè)的設(shè)備），減少了信號(hào)的傳輸環(huán)節(jié)，增加了使用的可靠性。缺點(diǎn)是：光芯利用率降低（與復(fù)用比較），保護(hù)人員維護(hù)通道設(shè)備沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。而且，在帶路操作時(shí)，需進(jìn)行本路保護(hù)與帶路保護(hù)光芯的切換，操作不便，而且光接頭經(jīng)多次的拔插，易造成損壞。

　　（2）復(fù)用光纖保護(hù)：

　　光纖與縱聯(lián)保護(hù)（如：7SL32、WXH-11、CSL101、WXH-11C保護(hù)）配合構(gòu)成復(fù)用光纖縱聯(lián)保護(hù)。采用允許式，保護(hù)裝置發(fā)出的允許信號(hào)和直跳信號(hào)需要經(jīng)音頻接口傳送給復(fù)用設(shè)備，然后經(jīng)復(fù)用設(shè)備上光纖通道。優(yōu)點(diǎn)是：接線簡(jiǎn)單，利于運(yùn)行維護(hù)。帶路進(jìn)行電信號(hào)切換，利于實(shí)施。提高了光芯的利用率。缺點(diǎn)是：中間環(huán)節(jié)增加，而且?guī)非袚Q設(shè)備在通信室，不利于運(yùn)行人員巡視檢查，通信設(shè)備有問(wèn)題要影響保護(hù)裝置的運(yùn)行。

　　（3）光纖縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)：

　　光纖通道的大容量、較高的抗干擾能力，為縱聯(lián)電流差動(dòng)的應(yīng)用提供了可能。首先得到應(yīng)用的是模擬式的光纖縱聯(lián)電流差動(dòng)，當(dāng)前已很少采用。隨著大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，數(shù)字式電流差動(dòng)廣泛應(yīng)用開(kāi)來(lái)。目前，在華北網(wǎng)運(yùn)行的縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)有：REL-561（ABB）、LFCB-102（GEC）、MCD（三菱）、LFP-943（南瑞）、7SD511（西門(mén)子）等保護(hù)裝置。采用的通道方式有復(fù)用光纖方式和專(zhuān)用光纖方式。

　　因?qū)Ｓ茫ɑ驈?fù)用）光纖保護(hù)主要的區(qū)別就是通道形式不一樣，但構(gòu)成縱聯(lián)的原理與常規(guī)保護(hù)沒(méi)有區(qū)別，所以，不再進(jìn)一步分析。鑒于光纖縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用前景廣泛，對(duì)通道依賴(lài)性強(qiáng)，下面主要對(duì)縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用進(jìn)行分析、討論。

　　3 光纖縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

　　電流差動(dòng)原理的保護(hù)是較為簡(jiǎn)單的，也是最為有效的保護(hù)方式。通過(guò)計(jì)算線路兩側(cè)電流的差值的有無(wú)，從而判別區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障。

　　區(qū)外故障時(shí)：故障電流為穿越性電流，兩側(cè)電流的差值為零。

　　區(qū)內(nèi)故障時(shí)：故障電流由線路兩側(cè)向故障點(diǎn)流，兩側(cè)電流差值為兩側(cè)故障電流的和。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，220KV以上系統(tǒng)保護(hù)多要求采用分相電流差動(dòng)保護(hù)方式，，它是把本側(cè)的三相電流采樣值傳送到對(duì)側(cè)，進(jìn)行同步比較，從而計(jì)算出電流差值，，經(jīng)一定邏輯后，做出跳閘與否的選擇。在動(dòng)作特性上，均采用比例制動(dòng)原理，只是各家的制動(dòng)特性不一樣，有兩段式，也有三段式。各廠家在內(nèi)部算法上也各有千秋，在此不做詳細(xì)的分析，本文從運(yùn)行角度對(duì)實(shí)際運(yùn)行中存在的一些問(wèn)題進(jìn)行分析。

　　1、保護(hù)之間的連接問(wèn)題：

　　縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)與通信設(shè)備的連接有自身的特點(diǎn)，與常規(guī)保護(hù)不一樣。常規(guī)保護(hù)傳輸?shù)脑试S信號(hào)、直跳信號(hào)可以說(shuō)是傳輸?shù)氖敲睿情_(kāi)關(guān)量（或0或1）。而縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)傳輸?shù)闹饕菙?shù)字量（也含開(kāi)關(guān)量），它是把本側(cè)的三相電流采樣值（分相式差動(dòng)）傳送到對(duì)側(cè)，進(jìn)行同步比較，從而計(jì)算出電流差值，經(jīng)一定邏輯后，做出跳閘與否的選擇。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)必須采用特殊的連接方式與設(shè)備，才能達(dá)到目的。通常，有以下幾種連接方式：

　　（1）直接相連方式：

　　A：保護(hù)裝置具有光接口，保護(hù)與保護(hù)之間通過(guò)光纖直接相連。此種方式可靠性高。當(dāng)采用850nm波長(zhǎng)的光纖設(shè)備與多模光纖配合使用時(shí)，具有經(jīng)濟(jì)性好，且易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。但由于光纖衰耗偏大（相對(duì)1300nm波長(zhǎng)），傳輸距離一般不超過(guò)10KM，所以在幾公里的短線路上經(jīng)常采用。

　　B： 在保護(hù)裝置之間，通過(guò)雙絞線或同軸電纜，依照G703同向接口協(xié)議，進(jìn)行電接口直接相連的方式。要求保護(hù)具有電接口，但這種方式抗干擾能力差，而且數(shù)字量不宜進(jìn)行長(zhǎng)距離的傳輸。所以，一般不使用這種方式。

　　（2）復(fù)用方式：

　　A：保護(hù)裝置電接口通過(guò)雙絞線或同軸電纜，與通信PCM設(shè)備64kbps接口直接相連，然后上通道進(jìn)行傳輸。在現(xiàn)場(chǎng)，通常保護(hù)室與通信室較遠(yuǎn)，而且數(shù)字信號(hào)直接在電纜中傳輸極易受干擾，所以，這種方式很少采用。

　　B：保護(hù)裝置光接口通過(guò)光纖與光電轉(zhuǎn)換設(shè)備相連，然后光電轉(zhuǎn)換設(shè)備與通信PCM復(fù)用設(shè)備64kbps接口依照G703協(xié)議，進(jìn)行連接。由于光信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，可以用于變電站內(nèi)保護(hù)室和通信室之間的連接。而且?guī)窌r(shí)可以很方便的進(jìn)行電信號(hào)的切換。所以，這種方式被廣泛的采用。

　　2：同步問(wèn)題：

　　在復(fù)用接口與通信設(shè)備連接時(shí)，大部分接口均支持G703同向方式（也有些設(shè)備要求提供反向接口）。為了滿足64kbps數(shù)據(jù)通道收發(fā)數(shù)據(jù)同步復(fù)接的要求，必須采用主從時(shí)鐘方式。否則，將因時(shí)鐘不同步，造成滑碼的出現(xiàn)，保護(hù)裝置反映出的就是CRC校驗(yàn)碼告警。在某些保護(hù)裝置中，對(duì)接口沒(méi)有做出要求，但時(shí)鐘必須設(shè)為主從方式，因?yàn)閮啥吮Ｗo(hù)裝置在計(jì)算差流時(shí)，必須保證同步，否則，對(duì)差流的計(jì)算就會(huì)造成誤差。

　　有一些縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)內(nèi)部，有多種通道連接方式選擇，如：光纖直聯(lián)方式、經(jīng)光電轉(zhuǎn)換進(jìn)64kbps接口等方式。這些方式均需采用跳線進(jìn)行切換，否則，也會(huì)造成兩側(cè)保護(hù)計(jì)算差流的不同步。在實(shí)際運(yùn)行中，曾發(fā)生過(guò)這種情況：維護(hù)人員更換備用插件時(shí)，由于未對(duì)跳線進(jìn)行核對(duì)，造成保護(hù)裝置CRC校驗(yàn)誤碼增加，有時(shí)達(dá)到告警定值。這也是由于數(shù)據(jù)不同步造成的。

　　縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)涉及通道設(shè)備、通信方式較多，現(xiàn)在運(yùn)行中的有專(zhuān)用光纖保護(hù)、復(fù)用光纖保護(hù)、復(fù)用微波保護(hù)，這些保護(hù)與通常的只傳輸命令信號(hào)的允許式復(fù)用、專(zhuān)用保護(hù)要求不一樣。它要對(duì)通道的方式做出一些要求，比如：要對(duì)光纖直聯(lián)還是經(jīng)光電轉(zhuǎn)換連接上光纖或微波、通信主設(shè)備的同步方式、誤碼率等指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定。正是由于在通道上的技術(shù)環(huán)節(jié)較多，造成保護(hù)裝置通道告警后（有時(shí)是瞬時(shí)的），不容易分辨是保護(hù)的問(wèn)題，還是通信的問(wèn)題。所以，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員來(lái)說(shuō)，要把繼電保護(hù)工作做好，就要加強(qiáng)保護(hù)專(zhuān)業(yè)與通信專(zhuān)業(yè)之間的溝通。

　　3：CT飽和問(wèn)題：

　　在差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)中，CT飽和問(wèn)題是必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。對(duì)于通常的220KV雙母線系統(tǒng)，在發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，由于線路兩端CT特性不一致，有可能在保護(hù)裝置內(nèi)部產(chǎn)生差流，由于整定值小于額定電流，有可能造成保護(hù)誤動(dòng)。這個(gè)問(wèn)題在一般的保護(hù)裝置中靠比例制動(dòng)原理已經(jīng)得到解決。但是在500KV系統(tǒng)，一次系統(tǒng)多采用一個(gè)半接線（如圖），當(dāng)K1點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，流過(guò)5012的電流有兩部分，一部分為1母線通過(guò)5011開(kāi)關(guān)提供的IA，另一部分為對(duì)側(cè)通過(guò)線路提供的IB。此時(shí)，在IA和IB的作用下，5012CT有可能?chē)?yán)重飽和，一般的電流輸入方式下，是5011CT與5012CT合并后進(jìn)入A端保護(hù)裝置，此時(shí)，將使輸入到A端保護(hù)中的電流與一次值有較大誤差，在兩側(cè)保護(hù)裝置中形成差流。而且A側(cè)保護(hù)中制動(dòng)電流是|IA-IB|，此值可能不是很大，造成制動(dòng)電流不夠，極有可能使差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)出口。


　　針對(duì)CT飽和，不同的廠家采用不同應(yīng)對(duì)策略。有采用CT飽和檢測(cè)器以提高制動(dòng)特性的的、有采用自適應(yīng)制動(dòng)特性的等各種方法，但這些方法均影響了保護(hù)動(dòng)作的靈敏度。較為有效的方法就是線路每側(cè)采用兩組CT繞組，進(jìn)入保護(hù)裝置進(jìn)行制動(dòng)（用最大電流進(jìn)行制動(dòng)）。這樣可以在不影響原保護(hù)靈敏度的前提下,提高保護(hù)在區(qū)外故障且CT飽和時(shí),保護(hù)抗誤動(dòng)的能力。

　　4：CT斷線的判別：

　　對(duì)于電流縱差保護(hù)來(lái)說(shuō)，CT斷線的判別是很重要的一個(gè)功能，若處理不當(dāng)，就有可能造成保護(hù)誤動(dòng)。現(xiàn)運(yùn)行的所有縱差保護(hù)中，有如下幾種方式：一種是引入另一個(gè)CT或同一CT的不同繞組，與本身CT進(jìn)行比較（如：零序電流），若不一致則為CT斷線，閉鎖保護(hù)；若一致則為系統(tǒng)故障，開(kāi)放保護(hù)。另一種是利用通道，交換線路兩側(cè)的零序電流情況，判別方法同上。還有利用檢測(cè)電壓變化率或零序電壓來(lái)閉鎖保護(hù)的。以上幾種方式，我們感覺(jué)利用通道比較兩端的零序電流的方式比較好，它充分利用了光纖通道的優(yōu)勢(shì)，又減少了外部的接線，簡(jiǎn)化了裝置。對(duì)于采用電壓變化量來(lái)閉鎖、開(kāi)放保護(hù)的方式，我們認(rèn)為不可取，因?yàn)樵斐呻妷翰▌?dòng)的因素太多，如：投切電抗器、電容器，發(fā)電機(jī)調(diào)整無(wú)功等，而且高阻接地時(shí)，電壓的變化量并不是很大，最大問(wèn)題是躲過(guò)渡電阻能力大大下降。所以，國(guó)產(chǎn)保護(hù)中，還沒(méi)有用電壓變化量來(lái)開(kāi)放保護(hù)的方式。

　　5：電容電流補(bǔ)償問(wèn)題：

　　目前，在500KV超高壓電網(wǎng)中，縱聯(lián)電流差動(dòng)應(yīng)用比較廣泛。針對(duì)超高壓、長(zhǎng)距離輸電線路，電容電流的影響不能不考慮進(jìn)去。現(xiàn)在進(jìn)口保護(hù)普遍的做法是在定值項(xiàng)中，對(duì)電容值（或充電電流）進(jìn)行設(shè)定。但是作為限制一次過(guò)電壓的一種手段，500KV線路普遍裝設(shè)了高壓電抗器對(duì)線路電容進(jìn)行一定的補(bǔ)償。但是，當(dāng)電抗器因故退出運(yùn)行時(shí)，此時(shí)保護(hù)內(nèi)預(yù)設(shè)的充電電流值，就失去了意義，并且影響了保護(hù)的動(dòng)作性能。現(xiàn)場(chǎng)必須重新進(jìn)行定值的整定，給運(yùn)行帶來(lái)不便。是否可以采用一個(gè)開(kāi)入量（如：高壓電抗器的刀閘輔助接點(diǎn)），來(lái)控制此項(xiàng)定值的切換。這樣，運(yùn)行方式切換起來(lái)就較為方便。

　　6：光纜與保護(hù)配合問(wèn)題

　　根據(jù)京津唐電網(wǎng)調(diào)度規(guī)程：線路不允許無(wú)縱聯(lián)保護(hù)運(yùn)行。即：當(dāng)兩套縱聯(lián)保護(hù)因故退出時(shí)，要把線路拉開(kāi)。因此，在光纖與縱聯(lián)保護(hù)的配合上，不允許同一線路的兩套縱聯(lián)保護(hù)使用一條光纜。防止因光纜出現(xiàn)問(wèn)題，造成運(yùn)行線路停運(yùn)。對(duì)于雙回線路，允許每條線路的其中一套可以共用一條光纜，而另一套則必須走其他光纜或通道。

　　目前，在光纖保護(hù)的應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題是：（1）光纖設(shè)備及光纜造價(jià)較高，這成為制約光纖保護(hù)應(yīng)用的主要障礙。但隨著光纜的廣泛應(yīng)用及制造廠家規(guī)模的擴(kuò)大，成本必然會(huì)逐漸降低。（2）目前，縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)國(guó)產(chǎn)化程度不高，制造廠家主要是國(guó)外廠家，如：ABB、三菱、西門(mén)子、GEC等。但是國(guó)產(chǎn)保護(hù)（如：南瑞LFP-943）也有投入運(yùn)行的業(yè)績(jī)。但在超高壓線路上還沒(méi)有得到應(yīng)用。但隨著國(guó)產(chǎn)保護(hù)制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，國(guó)產(chǎn)光纖縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

　　4小結(jié)

　　隨著通信技術(shù)的發(fā)展，繼電保護(hù)可以選擇的通道類(lèi)型越來(lái)越多。當(dāng)前，光纖網(wǎng)絡(luò)的形成，就為繼電保護(hù)采用高性能的通道提供了硬件基礎(chǔ)。但如何有效的利用它，使它為繼電保護(hù)更好的服務(wù)，這也不是很容易做到的。這需要工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)、通信、保護(hù)各專(zhuān)業(yè)之間的協(xié)調(diào)、溝通。總之，光纖通道在以后繼電保護(hù)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，還會(huì)有許多新問(wèn)題有待于我們?nèi)ソ鉀Q。