（电气工程专业论文）光纤自愈环网传输线路纵联保护的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t r e l a yp r o t e c t i o np l a y st h ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l eo fs a f e t ya n dr e l i a b i l i t yi nt h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e m p i l o tp r o t e c t i sa r cw i d e l yu s e da sm a i np r o t e c t i o n0 i lt h et r a n s m i s s i o nl i n e so f2 2 0 k va n d 5 0 0 k v p r o t e c t i o ne q u i p m e n t sn o to n l yi n c l u d ed e p a r t m e n t so f m e a s u r e m e n t ，g a t h e r i n ga n dc o n t r o lb u t a l s or e e dt os e n dp r o t e c t i o ni n f o r m a t i o nc o r r e c t l ya n dq u i c k l yi no r d e rt oc u to f ft h ef a u l t si nas h o r t t i m e t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo p t i cc a b l ec a nm e e tt h ee x i 抡c t a t i o nb e c a u s eo fi t ss t r u c t u r e o p t i cc a b l e s a r cu s e dt ot r a n s m i tt r a n s m i s s i o nl i n e sp i l o tp r o t e c t i o ni n f o r m a t i o na sm a i np r o t e c t i o ni nr e c e n ty e a r s b u tt h eo r i g i n a lm e t h o d so f u s i n gp r i v a t eo p t i cc a b l ea r cw a s t eo f r c s o u g c 2 s a st h eq u i c kd e v e l o p m e n t o fe l e c t r i cp o w e rc o m m u n i c a t i o n ss d hs e l f - h e a l i n gn e t w o r k sa 坞u s e dw i d e l yi nt h ee l e c t r i cp o w e t s y s t e m s d hi sas h o r tw a yo fs a y i n g “s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s d hc a l lm u l t i p l e xm a n y s e r v i c e ss u c ha st e l e p h o n e 。d a t a , f a x 。v o i c ea n ds oo n i th a si n t e m a t i o n a ls t a n d a r d s ，s t a n d a r do p t i c i n t e t f a c ea n dp o w e r f u ln e t w o r km a n a g e m e n t i th a st h ef u n c t i o no fs e l f - h e a l i n gw h e nt h et r a n s m i s s i o n c h a n n e l sa r ei n t e r r u p t e d s ow et h i n ki f w ec a nu s es d hs e l f - h e a l i n gn e t w o r k so f e l e c t r i cp o w e rp r i v a t e c o m m u n i c a t i o nt os e n da n dr e c e i v ep i l o tp r o t e c t i o ni n f o r m a t i o ns u c ha sd i r e c t i o n a lc o m p a r i s o np i l o t p r o t e c t i o na n dc u r r e n td i f i e r e n t i a lp i l o tp r o t e c t i o n i f s u g c e s s w ec a ns a v em o r er 酷o u r c e sa to n et i m ei t h a st i t a n i ca p p l i c a t i o nv a l u e s w es e l e c tt w os u b s t a t i o n si nt h ec i t yo fs u z h o u 1 1 1 e ya r ej i u s h a n s u b s t a t i o na n ds h i s h a hs u b s r a t i o n t h er e a s o nw es e l e c t e dw a st h a tt h et w os u b s t a t i o n sa 】o c a t e di n d i f f e r e n ts d h s e l f - h e a l i n gr i n g s w ec a na d j u s te a s i l y w es t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs d h a n da n a l y z e t h et r a n s m i s s i o ns t r u c t u r e so fp r o t e c t i o n a t i e rm a n ye x p e t i m e n t s ，w ed r a wi m p o r t a n tc o n c l u s i o n s o n e o ft h e mi st h a to n l ym u l t i p l e xs e c t i o ns w i t c h e dr i n go fs d hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fc u r r e n t d i f f e r e n t i a lp i l o tp r o t e c t i o n a f a rw et e s t e dt h et i m ed e l a yo f c h a n n e l so f a l lk i n d so f p i i n tp r o t e c t i o nw e u s es d hs e l f - h e a l i n gr i n gt ot r a n s m i tp i l o tp r o t e c t i o n w es i m u l a t e dm a n yf a u l t so ft r a n s m i s s i o nl i n e s a n ds d hs e l f - h e a l i n gr i n g t h er e s u l t si n d i c a t et h a tp r o t e c t i o ne q u i p m e n t sa c t e dc o r r e c t l ya n dr u nw e l l s of 打t h es d hs e l f - h e a l i n gr i n gt r a n s m i t st h ei n f o r m a t i o no fp i l o tp r o t e c t i o nw e l lb e t w e e nj i n s h a n s u b s t a t i o na n ds h i s h a ns u b s t a t i o nc o r r e c t l y , q u i c k l ya n dr e l i a b l y k e yw o r d s ：p i l o tp r o t e c t i o n ；s d h ；o p t i cc a b l e ；s e l f - h e a l i n gr i n g ；s w i t c h ：d e l a y ：c u r r e n td i f f e r e n t i a l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：兰左堕导师签轧妥当 日期：迎出臆 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和国内外现状 1 1 1 研究背景 电力系统继电保护泛指继电保护技术和由各种继电保护装置组成的继电保护系统。包括继电保护的原 理设计、配置，整定、调试等技术，也包括由获取电量信息的电压，电流互感器二次回路，经过继电保护 装置到断路器跳闸线圈的一整套具体设备，如果需要利用通信手段传送信息，还包括通信设备。电力系统 的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技 术的发展不断地注入了新的活力，因此继电保护技术得天独厚，9 0 年代初集成电路保护的研制、生产、应 用处于主导地位，这是集成电路保护时代。在这方面集成电路工频变化量方向高频保护起了重要作用，集 成电路相电压补偿式方向高频保护也在多条2 2 0 k v 和5 0 0 k v 线路上运行。不同原理、不同机型的微机线 路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全，工作可靠的继电保护装置。 随着微机保护装置的研究，在微机保护软件，算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从9 0 年代开始 我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化。保 护、控制、测量和数据通信一体化发展。随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。电力 系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空 间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息 和网络资源的能力，高级语言编程等。用成套工控机作成继电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的发 展方向之一。继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好地满足电力系统要 求，如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大的经济效益和社会效益，尚须进行具体深入的研究。 到目前为止，除了差动保护和纵联保护外。所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护 的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段。国外早己 提出过系统保护的概念，这在当时主要指安全自动装置。因继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制 事故影响范围( 这是首要任务) ，还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统 的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系 统的安全稳定运行。对于一般的非系统保护，实现保护装置的计算机联网也有很大的好处。继电保护装置 能够得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确。对自适应保护 原理的研究已经过很长的时间。也取得了一定的成果，但要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自 适应，必须获得更多的系统运行和故障信息，只有实现保护的计算机网络化，才能做到这一点。由上述可 知，微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机保护发展的必然趋势。每个微机保护装 置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实 现保护、控制、测量、数据通信一体化。近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊 逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用。在继电保护领域应用的研究也已开始。神经网络是一种非线性 映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。 继电保护是电力系统安全稳定运行的重要保障之一，2 2 0 k v 及以上等级的输电线路主保护均采用纵联 保护。保护装置除测量、采集和控制部分外。还需要传输通道将信息准确、可靠、迅速地传送出去，使线 路故障在晟短时间内被切除。 目前，具有距离测量或相位比较等原理构成的各种快速主保护方案，当用于多端或多回输电线路时， 均有缺陷。它们无论在动作速度，选择性，还是灵敏度等方面，都不能很好的满足输电系统的要求。比如， 在平行双回线路之间的互感耦合往往很强，当一条线路发生接地故障时，故障电流会在另一条线路中反向 并流回线路端点。可能会造成高频保护的故障方向误判。此外，当在靠近线路末端发生跨线异名相故障时， 也会造成单相重合闸方式下的误选相。相比之下，理论上基于基尔霍夫电流定律的分相电流差动保护原理。 对于电力系统的高压、超高压线路保护来说，它具有良好选相功能和良好的网络拓扑适应能力( 能适应任 何形式的输电线路) 。能很好的解决目前高压、超高压线路的在保护选型时，所遇到的同杆并架双回线、 串补电容线路以及t 型分支线路等的保护配置的困难和城域网中的短线路保护难以整定的问题，以及还能 较好的适应架空线路与地下电缆混合输电系统等等。这些优点对于以提高电力系统的安全稳定性和输供电 的灵活性为目标的复杂电网的建设，具有非同寻常的意义。电流差动保护l 1 1 之所以是最为理想的保护形式， 从继电保护的观点来说是因为差动电流完全消除了非故障状态下的电流影响。因此。在各种非正常但有没 有发生故障的电力系统运行状态下，它能够可靠不动作，例如能够适应系统振荡及线路的非全相运行等各 东南大学工程硕士学位论文 种非正常运行状态。同时又能够准确反应各种故障。由于它不测量电压量，所以也不受t v 断线的影响。 由于光纤具有对电不敏感的特性，抗干扰能力极强，传输容量大，用光纤作为保护的通道介质，优势独特。 因此光纤纵联保护被大量应用在2 2 0 k v 及以上等级的输电线路上。 光纤保护有两种方式，第一种是p c m ( p u l s ec o d em o d u l a n o n ，脉冲编码调制) 复接，保护装置独用 一套p c m ，且为点对点的线形通道。第二种是保护装置直接通过光纤芯传输。目前江苏境内的输电线路在 5 0 0 k v 线路上，两种方式都采用：在2 2 0 k v 线路上采用光纤芯直接连接保护装置的方式，每套保护使用 两根光纤芯，并留有一定数量的备用纤芯。由于继电保护对于通道的可靠性要求极高，都采用点对点通道 方式。 随着电力通信专网的高速发展。江苏电网( 接线图见图1 ) 已形成光纤通信为主的通信网络，其中s d h ( s y n c h r o n o u s d i g i t a l h i e r a r c h y ，同步数字体系) 光纤自愈环网例因为其同步复用、标准光接口、强大的网 管能力以及短时实现故障自恢复等特点。在江苏电力通信专网里被广泛地使用。由此设想是否能利用s d h 光纤自愈环网提供的业务保护通道传输继电保护信号? 这无论对于增加继电保护传输通道的可靠性，还是 光纤资源的合理利用都将有十分巨大的实用价值。 1 。1 2 。国内外现状 s d h 是由一些s d h 网元组成的，在光纤( 或无线) 上进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的网 络。它有全世界统一的网络节点接口和一套标准化的信息结构等级。具有丰富的开销比特专用于网络的维 护管理，采用同步复用结构并具有横向兼容性，因而能够灵活动态地适应任何业务和网络的变化，是一种 理想的新一代传输体制。传统的准同步数字体系( p d h ) i 刍于存在一些难以克服的弱点，诸如缺乏标准接口， 僵硬的复用结构和极其有限的网管能力等，无法形成网络规模，而且网络生存性较差，将逐渐被淘汰。自 从1 9 8 8 年s d h 成为世界性标准以来，i t u - t 已经颁布了涉及网络、设备、接口、性能、同步，保护和网 管等一套1 5 个建议，而且日臻趋于完善。目前，s d h 已成为公认的未来信息高速公路的主要物理传送平 台。 输电线路纵联保护主要是依赖于通道，使线路两端的保护装置进行故障信息的交换。进而判别出是本 线故障，还是区外故障。从而使两端的保护装置：在区外故障时，不动作：在区内故障时，快速动作，切 除故障。运行的纵联保护根据使用信号的方式，主要分为下面几类：闭锁式保护，允许式保护、远方跳闸 保护、电流差动保护。由于s d h 光纤的优越性能，目前2 2 0 k v 及以上等级的输电线路在具备条件的情况 下都采用s d h 光纤传输纵联保护信号。传输纵联保护信号的s d h 光纤为线形结构，是点对点的通信方式。 由于s d h 光纤网络采用自愈环的网络结构具有可靠性高、业务恢复时间短、经济性好，能够提供较 长的中继距离、灵活的迂回路由配置等优点，它在设备突发故障和缆路遭外力破坏时，系统表现出优异的 自我恢复功能。所以在地区电力s d h 光纤网优先采用自愈环网结构。研究采用现有的s d h 光纤自愈网传 输纵联保护信号有着十分必要的现实意义。首先，通过s d h 光纤自愈网传输继电保护信号从理论上是完 全可行的p 】1 4 j ，这一点已为国内外学术届广大学者专家所论证。从实际应用的角度出发，s d h 光纤自愈环 网应当可以成为传输继电保护信号的可靠通道【5 】嘲。对于复用通道，在相同的路由下，可以认为通道双向 延时一致，能满足线路纵差、纵联保护的要求。国内输电线路的纵联保护采用复用通道也证明了这一点 但s d h 光纤自愈网往往采用环状结构，虽然提高了网络的生存性，缩短了网络故障时业务的失效时间， 但由于采用环型结构。理论上就使得环上两个节点之间的通信可能经二个不同方向的路由。自愈环网发展 的目的主要是为了缩短敌障时业务恢复时间，绝大多数业务并不关心通道双向延时的一致性，这一点与继 电保护( 尤其是输电线路电流纵差保护) 信息传输的要求不同。所以采用自愈环网作为线路主保护通道 时，能否满足保护对通道双向延时一致性要求是值得探讨研究的。在内外文献中，提到自愈环网采用双向 通道倒换环模式可以保证光缆被外力切断时，可以保证通道延时一致，满足诸如会议电视等特殊业务对通 道延时一致性要求很高的要求。在国内外的实际应用过程中，当采用s d h 光纤自愈环网时，线路纵差保 护装置会碰到了一系列问题。如：差动保护装置显示的通道延时同理论估算值不一致；装置显示差流较实 际差流大，且随负荷变化而变化；装置短时或长期报警( “容抗整定出错”、“长期有差流”) 等。是不是由 于s d h 自愈环网不能满足线路纵差保护对通道双向延时一致性的要求，导致了上述问题的出现? 自愈环 网自身有多种自愈方式，自愈环网在什么情况下会导致出现上述问题? 采用哪一种自愈环网结构能够解 决? 在纵联保护和通信装置的选型、光纤复用通道的设计、继电保护和通信网络运行维护等各个方面，应 该采取什么样的措施，避免上述问题的产生? 均没有实际运行经验。 1 2 课题的提出和技术难点 尽管地区电 嘲e 1 2 2 0 k v 及以上系统保护采用光纤保护的比率逐年增加，在2 2 0 k v 输电线路上基本全部 采用专用光纤芯作为保护信息的传输通道。采用这种方式一方面是e l i 于传输距离较短，另一方面考虑是为 了减少中间环节。但是采用专用光纤芯传输线路保护信号，每套装置需要提供主备两条通道，共需提供4 2 第一章绪论 芯光纤。这些宝贵的纤芯资源的利用率是极低的。虽然这在新上的线路上可以通过在设计中预留纤芯等办 法予以解决，但在老线路上却存在无法架设a d s s ( 全介质自承式光缆) l l “和o p g w ( 光纤复合架空地线) 1 2 3 1 1 2 q 光缆，或者无法提供足够纤芯的问题。另外，专用光纤芯尽管能满足线路主保护对通道的基本要求， 并且具有通道传输时延短，抗干扰能力强，运行维护工作量小等优点。但由于受发光功率的限制，对于长 度超过1 0 0 公里的线路，同样难以应用。这些都极大地制约了光纤保护在电网中的进一步推广。 而采用了专用光纤芯的保护【l m i i 。其通道的安全性同样不容乐观，试想新建的同塔双回线路，二侧共 计8 套纵差、纵联保护的通道全部维系于一根a d s s 或o p g w 光缆i l ”，一旦由于自然、外力或者其它不 可抗拒因素使该光缆中断，那么双回线路将同时失去全部主保护。对于一些重要的环网线路，出于系统稳 定要求，主保护的退出意味着线路被迫陪停，这将对系统的安全稳定运行带来极大的危害。 基于以上原因，研究采用现有的s d h 1 6 1 ”】【”】【”1 光纤自愈网传输继电保护信号有着十分必要的现实意 义。所以利用s d h 光纤自愈环网传输纵联保护的研究是本课题的核心。 本课题的技术难点在于没有现成的经验参考，s d h 环网中两节点之前不同路径的通道延时的测量需要 用不用的方法来同时验证，对各种类型的自愈环网的结构需要深入研究，还需要模拟各种通道故障，研究 不同s d h 自愈环网结构的t l 愈性能是否满足不同类型纵联保护的要求。电流差动保护和纵联距离( 方向) 保护由于对通道的要求不一样，需要分开独立研究，试验。即使在理论和试验验证的前提下，还必须在带 上负荷的输电线路上做功能和技术指标的测试，包括各种通道故障和区内外故障模拟。 1 3 课题的内答 苏州地区有着完善的s d h 光纤自愈通信环网刚，具备了利用s d h 光纤自愈环网进行继电保护信息传 输试验研究的物质条件。选择在2 5 1 4 金狮线上试验，2 5 1 4 金狮线是一条馈供方式的线路。选择该线路的 原因是：2 5 1 4 金狮线所连接的两座2 2 0 k v 变电站金山变和狮山变均处于苏州2 2 0 k v 电网的西南部，并且 都处于通信环网中。只要做适当的调整。既可以将这二座变电站分别置于不同的s d ht l 愈环内，又可以 置于同一个s d h 自愈环网中。这样能进行s d h 同环状态和s d h 异环状态下的测试，试验条件比较理想。 并且金山变和狮山变两侧均仅安装了一套微机保护装置，有备用的保护级c t 二次绕组，便于安装调试和 运行管理。 课题的题目是光纤t l 愈环网传输线路纵联保护的研究，包括了对线路纵联保护【2 1 1 对保护通道要求 的理论研究，各种保护通道的分析，以及纵联保护信号在经过不同的接口以及传输设备的延时的测量。还 需要深入研究s d h 自愈光纤环网所提供的业务保护通道是否满足不同类型保护的要求。考虑光纤自愈环 网传输线路纵差保护信息的可靠性和合理性。在各种不同保护通道的组合中，测量了纵联保护的通道延时； 观测断缆、断纤状态下通道的倒换情况和各类参数。在具体试验中发现在s d h 自愈环倒换保护模式中的 通道倒换模式下。在二纤同时被切断，可以保证双向路由的一致性，但是在单纤中断时却无法保证保护通 道的双向路由的一致性。将光纤s d h 自愈环网的保护模式更改为“复用段倒换”后解决了纵联保护通道的双 向路由的一致性问题，也因此得到了“只有采用复用段倒换环保护模式的光纤自愈环才能满足线路纵差保 护对于收发通道一致性的要求”这一重要结论。同时也部分地解释了为什么在我国某些区域电网中采用 s d h 光纤白愈环网作为线路纵差保护通道后出现了正常运行时即有差流，甚至不正确动作的原因。这是本 项目实施过程中的一大收获，也拓展了目前国内同类课题的研究范围。 在完成各种保护传输通道参数测试后。在2 2 0 k v 金山变、狮山变两侧分别对纵差保护和纵联距离保护 进行了各类故障模拟整组联合试验。试验内容分为区内模拟故障和区外模拟故障二部分。模拟故障类型有： 单相接地故障模拟( a 相) ；二相故障模拟( b c 相) 和三相故障模拟三种类型，基本涵盖了电网的常见故 障情况。在各类故障形式下，观测分相电流纵差保护、纵联距离保护的动作过程和结果。 经过安装调试、通道测试和两侧联动试验，观测s d h 光纤自愈环网上的纵联保护运行的稳定性和可 靠性。事实证明，保护装置和通信通道的运行情况良好，未出现异常和故障。带负荷通道切换试验结果表 明在切换和恢复过程中，线路纵联保护装置没有启动或动作报告，即装置能适应s d h 光纤自愈环网采用复用 段保护后的切换和恢复过程。 从安全可靠的角度来说，用s d h 光纤自愈环网提供的通道传输继电保护信息可以解决目前线路( 尤其是 同塔双回线) 所有主保护所采用的通道全都依赖于一条光缆这样的状况。大大增加了系统继电保护的可靠性， 对于电网的安全稳定运行有着十分重要的意义。 1 4 本论文各章节的主要内容 本论文分五章阐述。 第一章绪论：概述了课题的研究背景。以及课题的提出和技术难点。阐述了光纤保护通道的接入方 式以及地区专用光纤环网的建设情况，提出利用现有的s d h 光纤自愈环网提供的通道传输线路纵联保护 3 东南大学工程硕士学位论文 信号的可行性，从而提高传输的可靠性。并简要概述了课题的内容。 第二章纵联保护对通道要求的理论研究：阐述了目前输电线路保护的配置以及纵联保护的基本原理 和分类，研究了保护信息的传输格式分析了不同类型纵联保护对传输通道的不同要求。 第三章s d h 光纤自愈网的通道特性的研究：阐述了s d h 的技术原理，讨论了s d h 白愈环网的通道 延时和误码，分析了自愈环网的保护模式和工作原理。结合实际试验，得出了s d h 光纤自愈环网只有采 用二纤双向复用段保护模式才能够满足传输纵联电流差动保护 2 8 1 的要求的重要结论。 第四章通道参数以及带负荷功能和技术指标测试：简要介绍了本课题采用的保护装置，阐述了纵联 保护在不同通道中的延时测量方法，细致深入分析了s d h 光纤自愈环的复用段保护过程以及恢复过程的 特点。进行了通道切换试验及通道异常模拟测试，并且模拟区内外故障，得出了测试结果。证实了课题的 可行性和可靠性。 第五章结论与展望：对论文中的工作进行总结后得出结论，展望光纤保护的发展趋势。 4 第一章绪论 东南大学工程硕士学位论文 第二章纵联保护对通道要求的理论研究 2 1 纵联保护的技术分析 2 。1 1 - 纵联保护概述 继电保护作为电力系统必不可少的安全屏障，承担着断开有故障的电力元件和保障电力系统安全运行 的任务。对电网继电保护的基本性能要求，包括了可靠性、选择性、快速性和灵敏性诸项。这些要求之间， 既相辅相成，又相互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行协调。所谓可靠性是要求所配置的继电 保护装置只能在事先规定需要它动作的情况下动作( 即可信赖性) ，而在其它一切不需要它动作的情况下 都不动作( 即安全性或稳定性) 。对于继电保护的选择性要求，是期望能在电力元件故障时，由最靠近故 障元件的继电保护装置动作断开故障。动作的快速性，对于电网继电保护装置来说，是一个特殊的性能要 求，关键不在于一般意义的快速跳闸，重要的还在于快速跳闸对提高电网暂态稳定的特殊作用。动作的灵 敏性要求，是出于保护装置可靠动作的需要。般地说，继电保护装置的动作越灵敏。越能保证在故障情 况下的可靠动作。 研究和实践表明，反应线路两侧的电气量可以快速、可靠地区分本线路内部任意点短路与外部短路， 达到有选择、快速地切除全线路任意点短路的目的。为此需要将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧 的电气量同时比较、联合工作，也就是说在线路两侧之间发生纵向的联系，以这种方式构成的保护称之为 纵联保护。 输电线路的纵联保护两端比较的电气量可以是流过两端的电流、流过两端的相位和流过两端功率的方 向等，比较两端不同电气量的差别构成不同原理的纵联保护。以两端输电线路为例。一套完整的纵联保护 的一般构成框图如图2 1 所示。 图2 1 输电线路纵联保护结构框图框圈 可见一套完整的纵联保护包括两端保护装置【”、通信设备和通信通道。其中通信设备和通信通道构成 了保护传输通道。 2 1 2 纵联保护的基本原理 通过对输电线两端电气量在正常运行、区外短路和区内短路时特征差异的分析，利用两端的这些特征 差异可以构成不同原理的输电线路纵联保护。 l 。 纵联电流差动保护p l p q p 9 】 利用输电线路两端电流波形和电流向量和的特征可以构成纵联电流差动保护发生区内短路时 y ，：，m + i ：，村；在正常运行和外部短路时，i = ， ，+ ，= 0 ，但由于受t a 误差、线路分布 _一 i1l 电容等因素的影响。实际上不为零。此时电流差动保护的动作判据实际上为l ，盯+ ，l j 。，i l u + i n i 为 i i 线路两端电流的向量和，l 科为门槛值。 输电线路电流差动保护对通道要求很高，是本课题研究的重点之一 6 第二章纵联保护对通道要求的理论研究 2 方向比较式纵联保护 利用输电线路两端功率方向相同或相反的特征可以构成方向比较式纵联保护。当系统中发生故障时。 两端保护的功率方向元件判别流过本端的功率方向，功率方向为负端发出闭锁信号，闭锁两端的保护，称 为闭锁式方向纵联保护；或者功率方向为正端发出允许信号，运行两端保护跳闸，称为允许式方向纵联保 护。 3 电流相位比较式纵联保护 利用两端电流相位的特征差异，比较两端电流的相位关系构成电流相位比较式纵联保护。两端保护各 将本侧电流的正、负半波信息转换为表示电流相位并利于传送的信号，送往对端，同时接收对端送来的电 流相位信号与本侧的相位信号比较。当输电线路发生区内短路时。两端电流相角差为o o ，保护动作，跳开 本端断路器。而正常运行或发生区外短路时两端电流相角差1 8 0 0 ，保护不动作。 4 距离纵联保护 距离纵联保护的构成原理和方向比较式纵联保护相似，只是用阻抗元件替代功率方向元件。：它较方向 比较式纵联保护的优点在于：当故障发生在保护i i 段范围内时相应的方向阻抗元件才启动，当故障发生在 距离保护i i 段以外时相应的方向阻抗元件不启动，减少了方向元件的启动次数从而提高了保护的可靠性。 一般高压线路配备距离保护作为后备保护，距离保护的i i 段作为方向元件，简化了纵联保护( 主保护) ， 但也带来了后备保护检修时主保护被迫停运的不足。 2 1 3 纵联保护的分类 线路纵联保护是当线路发生故障时，使两侧开关同时快速跳闸的一种保护装置，是线路的主保护。按 照保护动作原理，纵联保护可以分为两类：i ，方向比较式纵联保护；2 、纵联电流差动保护。 1 方向比较式纵联保护 两侧保护装置将本侧的功率大小、测量阻抗是否在规定的方向，区段内的判别结果传送到对侧，每侧 保护装置根据两侧的判别结果，区分是区内故障还是区外故障。这类保护在通道中传送的是逻辑信号，而 不是电气量本身，传送的信息量较少，但对信息可靠性要求很高。按照保护判别方向所用的原理( 所用的 继电器) 可将方向比较式纵联保护分为方向纵联保护和距离纵联保护。 2 纵联电流差动保护 这类保护利用通道将本侧电流的波形或代表电流相位的信号传送到对侧，每侧保护设备根据对两侧电 流的幅值和相位比较的结果区分是区内故障还是区外故障。可见这类保护在每侧都直接比较两侧的电气 量，称为纵联电流差动保护。这类保护的信息传输量大，并且要求两侧信息同步采集，实现技术要求较高。 2 2 光纤电流差动保护原理的研究 随着数字通信的发展和普及，利用光纤通道传送电流瞬时采样值数字量的数字光纤电流差动纵联保护 原理已得到广泛应用，成为输电线路很有发展前景的保护原理。 2 2 1 分相电流差动保护的动作特性 用于低压配电网中短距离输电线路的纵差保护，由于线路短，分布电容电流小，如果对两端电流互感 器正确选择和匹配，在外部短路时，不会产生很大的不平衡电流，因此一般不需要制动。 对用于长距离高压输电线的分相电流差动保护，则因线路分布电容电流大，并联电抗器电流以及短路 电流中非周期分量使电流互感器饱和等原因，在外部短路时可能引起不平衡电流大，必须采用某种制动方 式，才能保证保护不误动，随着可采用的制动量不同，可以有不同的动作特性和分析方法，文献川对这些 特性进行了归纳，分述如下： 1 以两端电流矢量差为制动量的电流差动保护的动作特性： 为简化起见，用l 和l 代表m ，n 两侧电流互感器的二次电流，则其表达式为： i m + i q k i i 一l q is(2-0 式中l ( 一制动系数，o ii一一lt(2-12) l l | + i ml “l tj 。 以上三式都成立时保护动作。众所周知。只有当两个矢量夹角间角度小于9 0 。时，它们的矢量和才能 大于其矢量差。因此。式( 2 1 2 ) 的第一式说明动作条件为l 和l 间夹角小于9 0 。，第二式说明l 和间 夹角小于9 0 。，第三式说明l 和间夹角小于9 0 0 。亦即l 、l 、i t 三个矢量必然都在同一个9 0 。范围 内。这正是内部故障的特征。在外部故障时，总有一相电流和其它两相电流矢量之和反相，三个矢量之和 等于或接近于零，它们不可能都位于同一个9 矿范围内。 3 ) 灵敏判据： i + + i klj 。一，l l + l + lj 。一j 式中的，m “是指三个电流矢量中的幅值展大者 在外部故障时，三个电流之和应等于零，即 ( 2 - 1 3 ) ，指除j 。之外其余两个电流矢量的矢量和。 j 一+ ，- 0 或j 。；一j 故式( 2 1 3 ) 左端为零，而右端为k 2i j m “f 0 ，保护不会动作。在内部故障时，式( 2 1 3 ) 左端三侧电 流之和等于故障电流，右侧则小于此故障电流。因此在此情况下式( 2 - 1 3 ) 可改写成： m 4 - i i kij 一一i l ( 2 一1 4 ) ，t _ 在内部故障时只要m “和1 二- 间的夹角小于9 0 0 ，k 取为小于l ，上式总是成立不难看出式( 2 1 2 ) 要求l 、i n 、处于同一个9 0 0 范围内，而式( 2 1 3 ) r 黼一个与其余两个矢量和处于同一个9 0 0 ；f 范围内，而构成1 二- 的两个矢量间的夹角则不一定要小于9 0 。这就是说。若式( 2 - 1 2 ) 成立，式( 2 1 3 ) 必 然成立，反过来则不然。故式( 2 1 2 ) 的判据较为保守，对于三端线路内部故障有电流流出的情况下不能反 9 奎壅查兰三墨堡主兰竺丝奎 ；v 应。式( 2 1 3 ) u 可以反应有电流流出的情况。例如。内部故障而1 二一中有一电流流出，只要式( 2 1 3 ) 成 立，保护仍可动作。 灵敏判据又根据制动系数k 的取值不同，分别可得到低灵敏度判据( k = 1 ) 和高灵敏度判据( k = 0 6 ) 。差动保护中的这几种判据之间的配合关系是；保守判据与灵敏判据先构成逻辑或，再与基本判据构 成逻辑与的关系。 综上所述，基本判据的特点如前所分析，保守判据是一种比相动作判据，与各端的电流幅值大小无关。 不难分析出，保守判据的动作条件是三端电流相量同时落在四分之一的极坐标范围内。这种判据在线路区 外短路时的可靠性非常高，不会因c t 饱和误动，同时，大部分的区内故障也能满足动作条件。但它不能 反应有电流流出的内部故障，因此则有灵敏判据来弥补。在内部故障没有流出电流时，一般来说三端电流 的相位比较接近。用最大一端电流减去其他两端电流的相量和而形成制动电流，可将制动量降到很低的程 f 度。当，。等于，么一时，式( 2 - 1 3 ) 动作最灵敏，当三端电流中的最大电流和次大电流接近时，动 作最不灵敏。即使在最不灵敏度状态，在取相同的制动系数的情况下，式( 2 - 1 3 ) 也比式( 2 1 0 ) 的灵敏 度要高。而在有电流流出的内部故障时，式( 2 1 3 ) 的灵敏度更是要比式( 2 - 1 0 ) 高得多。即式( 2 1 3 ) 比式( 2 8 ) 用在三端线路时要优越。最后，利用计算机的智能优势。依据测得的电流大小。设计出保守判 据和高、低灵敏判据的分别使用，得出的综合差动性较为优越。 2 2 2 运行线路的光纤电流差动保护判据总结 下面对目前在江苏省5 0 0 k v 线路上运行的光纤电流差动保护判据作一简单的总结： 1 a b b 公司的r e l 5 6 1 线路纵差保护装置所采用的判据为： 动作量：e ) ：l 一l制动量；f 亿) ；k i ”当f 【，) 1 0 2 i j 寸 e ( z ，) k l ，“) + i o i 2 ) f ( i ，) k 时 e 伍) 2 k ：f g ) 一( 置2 一k i ) 1 0 2 + 1 0 。 其中；厶。、k 都为电流整定值； 蜀、都为制动系数； j 。为各端的电流相量。 2 南瑞r c s - 9 3 1 a 型网 南京南瑞公司的r c s 一9 3 1 a 型数字式分相电流差动保护装置所采用的差动方程分为三部分【7 】： 1 ) 变化量相差动继电器动作方程： 越c o 7 5 x 越 【，c 如 ( 2 - 1 5 ) m = a ，b ，c 式( 2 1 5 ) 中，2 u r c ”为工频变化量差动电流，盘r c 2 l 型+ 筮7 i 即为两侧电流变化量矢量和的幅 值； a ，m 为工频变化量制动电流；，m5 ，一+ a ，m 即为两侧电流变化量的标量和5 为“差动电流高定值，( 整定值) 、4 倍实测电容电流和苜的大值；实测电容电流由正常运行时未经 补偿的差流获得； 为额定电压； 1 0 墨三兰塾壁堡芏翌望望墨茎堕墨堡望塞 x c l 为正序容抗整定值，当用于长线路时，x c l 为线路的实际正序容抗值；当用于短线路时，由于电 容电流和一x c l 都较小，差动继电器有较高的灵敏度此时可通过适当减小x c l 或抬高“差动电流高定值，来 降低灵敏度。 稳态i 、i i 段相差动继电器动作方程 稳态i 段相差动继电器动作方程： i c 0 7 5 x i u c lh = a ，b ，c f 2 1 6 1 式( 2 1 6 ) 中，七为差动电流，7 c 2 k m + i 即为两侧电流矢量和的幅值； 为制动电流；，肺2k m 一i 即为两侧电流矢量差的幅值； i n 定义同上。 稳态i i 段相差动继电器动作方程： i k 0 7 5 u c l m = a ，b ，c f 2 1 7 ) 式( 2 1 7 ) q b ，为“差动电流低定值”、1 5 倍实测电容电流和! ：型的大值； z d l c 1 、uh 、x d 电9 佩l ， 稳态i i 段相差动继电器经4 0 m s 延时动作。 3 1 零序1 ，1 1 段差动方程： 对于经高过渡电阻接地故障。采用零序差动继电器具有较高的灵敏度，由零序差动继电器，通过低比 率制动系数的稳态差动元件选相，构成零序i 段差动继电器，经l o o m s 延时动作。其动作方程： i o 7 5 i i c o o l k o 1 5 x 【k m 毛 但1 8 ) 式( 2 1 8 ) 中，j 赢为零序差动电流，。矗。2l 如。+ 如。l 即为两侧零序电流矢量和的幅值； 厶。为零序制动电流；i r 。21 。一厶。i 即为两侧零序电流矢量差的幅值； ，口d 。为零序起动电流定值； ，0 6 ，u # i l 为。口d o ，0 6 倍实测电容电流和x c l 的大值5 七d ”为经电容电流补偿后的差动电流； ，舯，、x c l 定义同上。 当t v 断线或容抗整定出错时，自动退出电容电流补偿，零序i 段差动继电器的动作方程为： i i c n o o 7 5 x 厶o l i c n o 如o i c o 1 5 x i 【klu(2-19) 东南大学工程项士学使论文 ，r，t， 式( 2 1 9 ) 中的1 锄、。r 0 、1 m 、m 、“定义同上。 零序段差动继电器动作方程： i o o 7 5 1 b ( 2 - 2 0 ) ，- 式( 2 - 2 0 ) 中的1 蹲、。再o 、筘。定义同上。 从上面所列出的几种判据可以看出，各种相量电流差动保护的动作量基本相同，主要区别在于制动量 的选取不同，在制动量的选取方面，国内的制动量选取比较先进，国外保护的制动量在区内故障和区外故 障时制动效果相同，国内保护的制动量在区内故障时制动量小，灵敏度比较高，而在区外故障时制动量大。 能可靠制动，因此相比于国外的保护来说，国内的保护有较高的灵敏度和可靠性。 2 3 纵联保护的传输通道 2 3 1 纵联保护传输通道的分类 纵联保护按照利用信息通道的不同类型主要有4 种，有时纵联保护也按此命名。分别是：1 、导引线纵 联保护( w