（电力系统及其自动化专业论文）基于故障信号同步的配网差动保护技术.pdf

山东大学硕士学位论文 用已有光纤实现；且只改变微机保护的算法，不增加装置成本。理论分析及试验 结果表明，本同步技术可以满足配网差动保护装置的同步要求，并具备配电网差 动保护进一步推广的基础，具有非常重要的意义。 关键词：配电线路：差动保护：同步方式；突变量；故障检测； i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e d ，m o r ea n dm o r e l o w - v o l t a g es h o r tl i n e sa p p e a r , t h ec l o s e d l o o po p e r m i o nm o d e i s a p p l i e d i n d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，an u m b e ro fv o l t a g e s e n s i t i v ee q u i p m e n t sh a sb e e nu s e d i n t h e s ec i r c u m s t a n c e s ，t r a d i t i o n a lp r o t e c t i o nh a sb e e nv e r yd i f f i c u l tt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fq u i c ka c t i o n d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nc a nr e m o v et h ef a u l t so nt h ef u l l l i n eq u i c k l y , h o w e v e r , i t ss y n c h r o n i z a t i o ni sc o m p l e xa n de x p e n s i v e ，w h i c hr e s t r i c t t h ed e v e l o p m e n to fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ot h es t u d yo f e c o n o m i c a la n dp r a c t i c a ls y n c h r o n i z a t i o nm o d ef o rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni sv e r y s i g n i f i c a n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nh a sb e e nu s e di n s o m ea r e a st om e e tt h er e q u i r e m e n t so fq u i c ka c t i o n ，i t ss y n c h r o n i z a t i o nm o d ec o n t a i n s a m p l i n g d a t a m o d i f i c a t i o n ，s a m p l i n g t i m e a d j u s t m e n t ， c l o c k c h e c k o u t ， s y n c h r o n i z a t i o nm o d eb a s e do nt h er e f e r e n c ev e c t o r , s y n c h r o n i z a t i o nm o d eo ng p s t h e s em e t h o d sa r ec o m p l e xa n de x p e n s i v e ，w h i c hc o n s t r i c tt h ea p p l i c a t i o no f d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i v e t h u s ，a c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r eo fm o d e md i s t r i b u t i o n n e t w o r k ，w es h o u l ds t u d yas y n c h r o n i z a t i o nm o d es u i t a b l et ot h ea p p l i c a t i o no f d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nf o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t m sa r t i c l ew i l li n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na n di t sb a s i c c o m p o n e n t ，c o m p a r ei t s c h a n n e lt y p e sa n ds y n c h r o n i z a t i o nm o d e ，a n a l y z et h e a p p l i c a t i o no fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k a n a l y z et h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，c o n s i d e r i n gt h a tt h e l e n g t ho fd i s t r i b u t i o nl i n e si ss h o r t ，p u tf o r w a r das y n c h r o n i z a t i o nm o d eb a s e do nf a u l t s i g n a l ，t h a ti s ，m a r kt h ei n i t i a lm o m e n to ft h ef a u l ts i g n a ld e t e c t e db yt h ep r o t e c t i o n d e v i c eo nb o t he n d s ，p u tt h i sm o m e n ta sab e n c h m a r kt oa c h i e v es y n c h r o n i z a t i o no f b o t he n d s b a s e do nt h i ss y n c h r o n i z a t i o nm o d e ，p r o p o s et h ep h a s e - d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o np r o j e c ti nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k a c c o r d i n gt oi t sa c t i o nc r i t e r i o na n d p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t o b t a i nt h ed e m a n do fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o r t h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o ri sd e t e r m i n e db yf a u l td e t e c t i o nm e t h o d ，s a m p l ef r e q u e n c y i nd e v i c ea n dt h el e n g t ho fd i s t r i b u t i o nl i n e s t h i sa r t i c l ec o m p a r e sf a u l td e t e c t i o n m e t h o du s e dc o m m o n l y , s e l e c t st h ec u r r e n tb r e a ka r i t h m e t i ct od e t e c tf a u l t ，d e r i v e s t h ef o r m u l ao ff a u l td e t e c t i o nd e l a y , o b t a i n st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e t e c t i o nd e l a y a n dt h ep a r a m e t e r si nf o r m u l a b ym o d e l i n gt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，c a l c u l a t et h e m a x i m u md e l a yt i m eo ff a u l td e t e c t i o n ，e d u c et h er e q u i r e m e n to fs a m p l ef r e q u e n c y a tl a s t ，t h es i m u l a t i o nt e s ta b o u tf a u l ts i g n a ls y n c h r o n i z a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u t ， t h r o u g ht h ed i g i t a ls i m u l a t i o na n a l y s i sa n ds t a t i cs i m u l a t i o nt e s t ，v e r i f yi t sp r a c t i c a l i t y i nd i s t r i b u t i o ns y s t e m h o w e v e r , b e c a u s eo ft i m el i m i t w o r k sa b o u tf i e l dv a l i d i t yh a s n o tb e e ni m p l e m e n t e d ，w h i c hs h o u l db e e np r a c t i c e di nf u t u r e t h es y n c h r o n i z a t i o nm o d eb a s e do nf a u l ts i g n a l w h o s ep r o c e s sn e e dn o td e p e n do n c h a n n e l ，c a nr e u s et h ef i b e rc h a n n e l i to n l yc h a n g et h ea l g o r i t h mi nm i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i o n d on o ti n c r e a s et h ec o s to fd e v i c e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt e s tr e s u l t s s h o wt h a tt h i ss y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fd i f f e r e n t i a l i i i 山东大学硕士学位论文 p r o t e c t i o ni n d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n db eb e n e f i c i a lo fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nt o f u r t h e rg e n e r a l i z a t i o ni nd i s t r i b u t i o nl i n e s ，i th a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n g k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dl i n e s ；d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ；s y n c h r o n i z a t i o nm o d e ；b r e a k v a r i a b l e ；f a u l td e t e c t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：硅魉 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：应7 轾导师签名：孑缸笙陉旧 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 动作迅速而同时又能满足选择性要求的保护装置，一般结构比较复杂，价格 比较昂贵。因此在中低压配电系统中，考虑到经济和技术方面的原因，多年来一 般采用三段式或两段式时限配合的电流保护、电流电压联锁保护和距离保护【1 3 】 【1 4 】。每条线路仅有部分区段的故障能够被快速切除，其余部分的故障则要经o 5 ( o 3 ) 秒甚至更长的延时后才能切除【9 j 。 传统的配网保护遵循经济、简单、有效为原则，在单端供电线路以及电压质 量及供电可靠性要求不太严格的场合下是可行的【8 】【3 3 】。然而近年来随着分布式电 源的发展，越来越多中低压短线路和配网闭环运行方式的出现以及电压敏感性用 电设备的大量使用，传统的三段式电流保护在实际应用中遇到了一些问题： 1 、分布式电源并入配电系统后，有时由于并网联络线太短，不同线路上的 故障引起的电压、电流变化差异不大，常规的电流保护或距离保护的整定值和动 作时间都难以配合，无法满足选择性、灵敏性和速动性的要求 2 1 。 2 、为了实现更高的供电可靠性，一些发达城市和地区已经在部分配电网络 采用闭环运行方式【1 0 1 。闭环供电时，线路发生故障需要保护能够全线速动，而 传统的电流保护无法满足闭环供电的需要。 3 、一些容量较大的分布式电源并入配网后，当配电系统线路发生故障时， 分布式电源厂商希望故障发生后，配电线路的保护能够迅速切除各类故障，从而 分布式电站可以正常地给后面的负荷供叫2 1 。如果配网线路保护动作时间过长， 这一愿望将无法实现。 4 、近年来，电压敏感性用电设备得到大量的使用，电压骤降已日益成为电 力设备安全运行的一大隐患【l l 】。经研究表明，绝大多数电压骤降是由故障引起的， 其中因为短路故障和接地故障引起的电压骤降尤为严重【1 2 】。目前配网线路中， 不同线路的电流保护之间配合动作，无法实现全线速动，而部分场合甚至由于线 路过短，保护只能依靠过电流保护延时配合动作。减少电压骤降的方法之一，是 缩短故障切除时间。传统配网保护无法从原理上解决这一问题。 山东大学硕士学位论文 在配网中使用具有全线速动功能的纵联电流差动保护，可以有效解决上述问 题【3 j 。而且只需要采集电流信息，可以避免依赖t v 的保护所存在的问题。由于 差动保护最初应用于2 2 0 k v 及以上电压等级的输电线路中【1 8 】，因而其对数据同 步的要求是很严格的，人们在研究同步方法时，是将同步是否精确可靠放在第一 位，而将同步成本放在次要位置。配网中的线路数目庞大且结构复杂，套用传统 的同步方式显然就不经济了。目前配网线路一般较短，为几公里或几十公里，因 而线路发生故障时，故障信号传输到线路两端的时间差很小；配网已逐渐普及光 纤通信，差动保护可以复用光纤以降低成本；目前s d h 自愈环网正得到大力发 展，在某一通道故障时，可以及时经其他通道传输数据，此时差动保护的同步应 能正常进行【4 5 】。基于以上考虑，在线路发生故障后，两端的差动保护装置可以 基于故障信号同步，即以检测到故障发生时刻为基准，打上时间标签，计算故障 电流向量( 相位) ，然后利用复用光纤向对端传输该向量( 相位) ，通过保护判据 判断故障位置，从而正确动作。 基于故障信号同步技术，不依赖于通信通道，也不需附加专门对时装置。其 同步误差主要受故障检测方法、装置采样频率及线路长度的影响。因而对其深入 研究，得到该同步技术的适用范围，对推广配网差动保护的应用以满足现代配电 网的需求，具有较高的实用价值。 1 2 配网差动保护及其同步方式研究现状 1 2 1 配网差动保护发展概况 电流差动保护是反应从被保护元件各对外端口流入该元件的电流之和的一 种保护。其选择性不靠延时，不靠方向，也不靠定值，而是根据基尔霍夫电流定 律：流向一个节点的电流之和等于零。因此它被誉为绝对选择性的快速保护，在 所有保护原理中是最理想的。目前差动保护己被广泛应用于电力系统的发电机、 变压器、母线等重要的电气设备。凡是有条件应用这种保护原理的场合，都毫无 例外地将电流差动保护作为首选3 】 1 7 】。 长期以来，由于成本和技术的原因，我国配网多采用电流保护和距离保护 玲例，而随着电力事业的飞速发展，尤其是近年来我国各大城市陆续开工的城市 地铁项目，电力系统出现了越来越多的中低压短线路，传统配网保护在整定值与 2 山东大学硕士学位论文 动作时间上无法配合【1 5 】；一些地区的配电网络开始采用闭环运行方式，为了系 统的稳定必须使用全线速动的差动保护。因而在这些场合下，差动保护已经得到 了研究和应用【1 6 1 。 目前配网应用的差动保护与输电线路中的差动保护原理是大致一样的。从理 论上讲，应用于高压及超高压系统的纵联保护原理和技术都可以应用于中低压的 配电系统。但受成本、投资和维护工作量等方面的限制，考虑到有些配网保护在 速动性和可靠性的要求不如高压及超高压系统严格，且配网中不需要分相跳闸。 目前的配网差动保护大多根据配网特点，在满足基本要求的前提下采取了一系列 减少装置成本的措施： 1 、以异步通信取代同步通信2 0 1 高压输电线路上的光纤差动保护普遍通过高速数据通信接口，实现线路两侧 数据的同步采样。同步采样的典型原理是将线路两侧装置中的一侧作为同步端， 另一侧作为参考端。以同步方式交换两侧信息，参考端采样间隔固定，并在每一 采样间隔中固定地向对侧发送一帧信息。同步端根据对端传来的信息随时调整采 样间隔，如果满足同步条件，就向对端传输三相电流采样值；否则启动同步过程， 直到满足同步条件为止。因为同步通信方式所要求的外围辅助电路较为复杂且装 置的的整体造价较高，所以不太适用于中低压短线路的光纤差动保护。目前配网 微机保护中一般都装有r s - 2 3 2 c 异步串行通讯口，因此可以考虑采用异步通信方 式，发送起止式异步通信报文，但采用异步通信方式的通信波特率较低( 一般为 9 6 0 0 b p s ) ，为提高差动保护可以利用的数据采样密度，就必须压缩线路两侧需要 交换的数据量。 2 、电流综合量差动取代分相差动 3 8 】 普通电流继电器在故障时，采用的电流量为i = i g ( i g 为故障电流) ，而由于 配网中不需要分相跳闸，因此可以采用电流综合量差动i = i 。+ 6 1 ：( ，。为正序 电流，：为负序电流) 取代高压输电线路上的分相差动，这样可以有效压缩线路 两端需要传输的数据量而使异步通信成为可能，而且可以提高保护的灵敏度，有 相关分析证明，差动保护采用电流综合量j ，发生三相故障时，灵敏度与采用 故障电流。的保护相同，而发生两相故障时，灵敏度可提高1 8 8 7 2 7 8 5 倍。 山东大学硕士学位论文 在大电流接地系统发生单向故障时，灵敏度可提高1 8 5 6 2 3 3 3 倍【1 9 】。 利用上述理论通过p l c 技术将线路常规保护改造为光纤差动保护已有成功 范例【2 1 1 ，并取得了很好的效果。目前许多国内外电气公司基于上述理论也已经研 发出配网中低压线路专用的短线路光纤差动保护装置( 如南瑞公司的r c s 一9 6 1 3 线路光纤纵差保护测控装置 2 2 1 ) 。 1 2 2 差动保护同步方式研究现状 差动保护的理论基础是基尔霍夫电流定律，比较的是同一时刻流入流出被保 护线路的电流信息，因而在高压输电线路中，线路两端的差动保护装置需要严格 对时同步。现有的较为成熟的同步方法有以下几种【3 j ： 1 、采样数据修正法 采用该方法时两侧保护不分主从，每侧保护在各自晶振控制下，以相同的采 样频率独立采样。发送的每一帧数据中包含时间标签、电流采样数据等信息，电 流采样数据为某采样时刻经傅氏变换的电流相量。在假设两侧接受数据通道延时 相等的前提下计算出通道延时，进而求出两侧采样偏差0 ，保护将接受到的对侧 电流相量乘以旋转因子p 声，得到修正后的同步采样数据。 2 、采样时刻调整法 两侧保护一端规定为主机，另一端规定为从机，主机自由采样。首先由主机 发送信息帧，从机收到后将命令和延时时间返回给主机，主机计算通道延时并将 其传送到从机，从机根据该延时调整自己的采样时刻。以此来达到线路两侧保护 装置同步采样的目的【2 5 】。 采样时刻调整法可以做到每间隔传送一次采样值，但使用该方法在保护功能 投入前都必须有一个同步过程，在同步运行后，两侧保护装置由于各自的晶振频 率不可能完全相同，经过一段时间后会出现失步，于是需要再次启动同步过程； 由于同步过程要对采样时刻进行调整，尽管每次调整步长都 t t d , ，但对于同一 c p u 中同时集成有后备保护( 如距离保护、电流方向保护等) 的装置来说，仍存 在一定的副作用。于是人们研究了一种通过插值实现光纤差动保护数据同步的方 案【2 6 1 ，该方案采用同步通信方式，通过设计紧凑的通信帧，实现每个采样间隔 传送一次采样值，采样值通过插值法在对侧实现同步，从而无需调整采样时刻的 同步过程。对绝大多数只反应基频量的保护而言，误差可以满足精度要求，但不 4 山东大学硕士学位论文 适用于要求包含高次谐波电流的保护原理。 3 、时钟校正法 两侧保护一端为参考端，另一端为同步端，参考端自由采样。首先由同步端 发信息帧，参考端收到后将命令和延时时间返回给同步端，同步端计算两侧时钟 的相对误差& ，按此步骤同步端按照一定比率对时钟进行校正直到& 为零，两 侧时钟进入同步运行状态。 4 、基于参考矢量的同步法 首先建立线路等效模型，计算出线路两端代表同一量的两个电流相量，由于 参考相位不同，这两个电流相量之间有相位差，而参考相位的差异正是由两端装 置采样不同步造成的，因此可以利用者两个电流相量之间的相位差对数据进行修 正，达到采样同步的目的。 5 、g p s 同步法 g p s 同步法通过g p s 授时信息实现两侧装置同步采样，可以达到相当高的精度 ( 2 声) 。但受到自然环境和社会环境等因素的制约，并且需要相应的硬件支持。 上述方法中，采样数据修正法、采样时刻调整法、时钟校正法及其改进方法 【2 9 】d l 】【3 2 】需借助于通道完成【2 3 】 2 4 】【2 7 1 。由于这些方法的前提是收、发通道延时一 致，因而一般采用点对点专用光纤的通信方式；近年来，随着电力通信网络的发 展，从节省通信资源和提高数据传输安全性的角度考虑，自愈环网或可变路由的 光纤通道逐渐增多h 0 1 。采用s d h 复用通道时，当业务通道光纤中断时，能通过通 信网络的自愈功能在极短时间内使业务从失效故障中恢复，从而提高数据传输的 可靠性。但s d h 网络也给线路差动保护的同步带来了问题h 1 】 4 2 】：收、发通道的延 时很可能不一致，为了解决这一问题，人们提出了基于参考矢量同步法和g p s 同 步法【2 8 】。这两种方法不需要借助通道同步，通道只承载传输电气数据的任务。 基于参考矢量同步法的前提是已知准确的线路模型，因而在线路切除、t v 断线等 工况下不能正确同步；而g p s 同步法虽然精度很高，但依赖于外国的g p s 授时系统， 特殊情况下是否仍能可靠得到准确的g p s 信号尚不可知，因而不能作为保护装置 唯一的同步方法。针对这一问题，已有人提出基于时钟差的线路电流差动保护数 据同步方法【3 0 1 ，该方法以基于数据通道的方法为基础、以参考向量法为辅助来 实现数据同步。装置在光纤通道未切换时，实时估算时钟差；在通道发生变化时， 山东大学硕士学位论文 时钟差保持上次的估算结果。从而解决了自愈环网双向通道路由不一致时的数据 同步问题。 目前配电线路中所使用的差动保护同样是将数据从线路一端传送到另一端， 期间需要数据处理一发送一线路传输一接收等步骤。如果复用通信光纤，整个步骤 即使在短线路中的传输延时( 包括累计延时) 也可能大于5 m s ，满足不了保护装 置的需要。所以与高压输电线路一样，目前配网使用的差动保护传递的数据仍严 格对时同步，因而装置就需要附加专门的高精度对时模块，增加了保护的硬件成 本，并且在线路正常运行而保护不发挥作用的时间里，保持对时一校正一对时的状 态。 1 3 本文主要工作 如上所述，根据目前配网对纵联保护的需求，有一些保护厂商已经开发出配 网差动保护，但其同步办法仍沿用传统的对时同步方式，在保护装置工作期间需 要一直保持对时，不断校正以减少误差，其过程较为繁琐，且需要付出一定的成 本。因此本文针对这一问题主要做了以下工作： 1 介绍了配电网差动保护发展概况以及差动保护同步方式研究现状。 2 分析差动保护的工作原理、装置构成、通信方式及同步方式。介绍了配 网中使用差动保护的场合。 3 提出一种配网适用且原理简单成本低廉的同步方法基于故障信号同 步法。在其基础上初步研究了配网相位差动保护，分析其工作原理与构 成，并根据保护要求确定故障信号同步方法的误差范围。 4 分析基于故障信号同步方法的误差，并得到使用这种同步方式对装置采 样频率的要求及其适用范围。 5 搭建数字模型与静模模型，在仿真软件及具体装置中检验同步误差结果， 验证故障信号同步技术的可靠性。 6 山东大学硕士学位论文 第二章线路差动保护及其在配网中的应用 2 1 差动保护工作原理与基本构成 2 1 1 差动保护基本原理 电流纵联差动保护就是将被保护线路各端电流的大小和相位送至对端并进 行比较，从而判定本线路范围内是否发生短路故障的保护方法。由于这种保护无 须与相邻线路的保护在动作参数上进行配合，因而可以实现全线速动【3 1 。 图2 一l 为电流差动保护的基本原理。 图2 1 电流差动保护的基本原理 图2 - 1 中线路两侧装设性能和变比完全相同的电流互感器。m 、n 分别为线 路两端母线。如和n 分别为两端电流相量，正方向为由母线指向线路。忽略线 路电容电流及其它不平衡电流，当输电线外部短路( 如图中d 点所示) 时，m 侧电流为正，n 侧电流为负，线路两侧电流大小相等，方向相反： 厶= p 五| = o 此时保护不动作。 当线路内部出现短路故障( 如图中g 点所示) 时，流经线路两侧保护的故障 电流均从母线流向线路，即线路两侧电流同相。g 点流过的短路电流为儿，此 时两侧差动电流为： j d = j j 乙+ j = ，g 。 两侧保护无延时动作跳两侧断路器，所以可以根据，d 的值来判定m n 段线 7 山东大学硕士学位论文 路内是否发生了短路故障。 可以看出，电流纵差保护原理是建立在基尔霍夫电流定律的基础上，由于在 判断故障时只用到线路两端的电流量，所以不存在与引入电压有关的一切问题， 不受系统振荡、线路串补电容、平行线互感、系统非全相运行和单侧电源运行方 式的影响p 6 1 3 7 1 。其他纵联保护( 例如方向比较式纵联保护、距离纵联保护) 除 了需要采集电流信息，还需要采集电压信息，因此要受到t v 安装位置、t v 断 线的影响 3 1 。比如，当空载合闸于出口故障时，如果t v 安装在线路侧，就会因 为故障前“记忆电压”为零而故障后电压过小，无法识别故障，t v 断线时保护 必须退出运行；在配网中尤其是3 5 k v 以下的系统t v 断线是较常见的故障，而 且为了避免或减少发生铁磁谐振，配网系统中应尽量减少或改动电压互感器的数 目。因此配网中选用全线速动保护时应优先考虑电流差动保护。 由于纵差保护的原理简单，算法及判据的计算量非常小，所以能够很好地满 足对线路保护快速性的要求。还由于保护算法取自两端的电流量，因而能够通过 很方便的判据判断区内与区外故障，从而保证能在满足快速性的基础上实现灵敏 性与可靠性的要求。 2 1 2 差动保护的通道类型 差动保护通过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。差动保护通道类型主要有：导引线通道、电力线载 波通道、微波通道、光纤通道等方式【3 4 】。 1 、导引线通道。这种通道需要铺设电缆，其投资随线路长度而增加。当线 路较长( 超过1 0k m 以上) 时就不经济了。因为导引线中传输的是电信号，在中 性点接地系统中，除了雷击外，在接地故障时地中电流会引起地电位升高，也会 产生感应电压，对保护装置和人身安全构成威胁，也会造成保护不正确动作。所 以导引线的电缆必须有足够的绝缘水平( 例如1 5k v 的绝缘水平) ，从而使投资 增大。导引线直接传输交流电量，故导引线保护广泛采用差动保护原理，但导引 线的参数( 电阻和分布电容) 直接影响保护性能，从而在技术上也限制了导线保 护用于较长的线路。 2 、电力线载波通道。这种通道在保护中应用最广。载波通道由高压输电线 及其加工和连接设备( 阻波器、结合电容器及高频收发信机) 等组成。高压输电 8 山东大学硕士学位论文 线机械强度大，比较安全可靠。但正是在线路发生故障时通道可能遭到破坏( 高 频信号衰减增大) ，为此需考虑在此情况下高频信号是否能有效传输的问题。当 载波通道采用“相一地制，在线路中点发生单相短路接地故障时衰减与正常时 基本相同，但在线路两端故障时衰减显著增大。当载波通道采用“相一相”制， 在单相短路接地故障时高频信号能够传输，但在三相短路时仍然不能。为此载波 保护在利用高频信号时应使保护在本线路故障信号中断的情况下仍能正确动作。 3 、微波通道。微波通道与输电线没有直接的联系，输电线发生故障时不会 对微波通信系统产生任何影响，因而利用微波保护的方式不受限制。微波通信是 一种多路通信系统，可以提供足够的通道，彻底解决了通道拥挤的问题。微波通 信具有很宽的频带，线路故障时信号不会中断，可以传送交流电的波形。采用脉 冲编码调制( p c m ) 方式可以进一步扩大信息传输量，提高抗干扰能力，也更适 合于数字保护。微波通信是理想的通信系统，但是保护专用微波通信设备是不经 济的，应当与远动等在设计时兼顾起来。同时还要考虑信号衰耗的问题。另外， 由于微波传播是直线传播，通道一旦受阻，信号就会受到影响，甚至通信中断。 这种情况随着城市高层建筑的迅速发展已经屡有发生，因此做好微波电路空中走 廊的通道保护工作已日益重要。微波站的建设单位应向规划局申请微波通道保 护，内容应包括微波通道保护的宽度，位于微波通道上的建筑物的允许高度，以 及两端微波站天线的精确座标等。 4 、光纤通道。光纤通道与微波通道有相同的优点。光纤通信也广泛采用( p c m ) 调制方式。当被保护线路很短时，通过光缆直接将光信号送到对侧，在每半套保 护装置中都将电信号变成光信号送出，又将所接收之光信号变为电信号供保护使 用。由于光与电之间互不干扰，所以光纤保护没有导引线保护的问题，在经济上 也可以与导引线保护竞争。在架空输电线的接地线中铺设光纤的方法既经济又安 全，很有发展前途。当被保护线路很长时，应与通信、远动等复用。 光纤通道相对于其他通道( 载波、微波等) 具有以下特点【3 5 】： 1 、传输质量高，误码率低。目前所采用的光纤保护对通道误码要求为两种： 一种是向量式光纤差动，采用传输向量的工作原理，发生误码时，可以用向量递 推等方式来合成。由于其动作灵敏度低、速度慢，因而对通道要求较低，通道误 码率约为1 0 _ 3 1 0 。另一种是传输采样值的光纤差动，由于其灵敏度高、速度 9 山东大学硕士学位论文 快，因而对通道要求也高，误码率约为l o 。而光纤通信所提供的通道的误码率 约为1 0 9 1 0 - 1 1 。可以看出，这种特点使得光纤通道很容易满足继电保护对通道 所要求的“透明度”，即发端保护装置发送的信息，经通道传输后到达收端，收 端保护装置所看到的信息与发端原始发送信息完全一致，没有增加或减少任何细 节，通信设备正常工作时，通道误码是完全能满足继电保护对通道的要求的。 2 、光的频率高，所以频带宽，传输的信息量大。这样可以使线路两端保护 装置尽可能多地交换信息，从而可以大大加强继电保护动作的正确性和可靠性。 3 、抗干扰能力强。由于光信号的特点，可以有效地防止雷电、系统故障时 产生的电磁方面的干扰，因此，光纤通道最适合应用于继电保护通道。 以上光纤通道的三个特点，是继电保护所采用的其它通道形式所无法比拟 的，在通道选择上应为首选。 2 1 3 光纤通信及其与差动保护的配合 如上所述，光纤通信与输电线路无直接联系，不受电磁干扰的影响，可靠性 高，同时，其通信容量大，随着成本的下降，毫无疑问，它将是电力系统通信的 发展方向。事实上，i e e e 电力系统继电保护分委会，早在1 9 9 5 年发表的一份调 查报告就已经显示：未来的光纤通道多路传输不同用途的信号将成为一种趋势；将 在继电保护、声频通信、数据传输及其它设备之间共享光纤；这种通信方式将是 最为经济实效的。光纤通信在我国已逐步得到应用，目前正处在“爆炸性”发展 阶段。目前我国的光缆铺设工作正以2 2 的平均年增长率迅猛增长【4 引。 目前，纵联保护采用光纤通道的方式，在现场运行设备中，主要有专用光纤 通道与复用光纤通道m j 。 专用光纤通道是光纤与纵联保护配合构成专用光纤纵联保护，保护装置具有 光接口，保护与保护之间通过光纤直接相连。保护装置还可以和保护专用光纤接 口装置通过电信号连接后，线路两侧的保护专用光纤接口装置再通过光纤通道直 接连接。专用光纤通道的优点是避免了与其他装置的联系( 包括通信专业的设 备) ，减少了信号的传输环节，增加了使用的可靠性；缺点是光芯利用率降低( 与 复用比较) ，短线路一般采用较多【5 4 1 。 复用光纤通道是保护装置通过电信号和专用光纤通信接口装置在保护室连 1 0 山东大学硕士学位论文 接，从保护室通过光纤和通信室的数字复接接口连接，再上复用设备，经复用设 备上光纤通道【4 3 1 。优点是提高了光芯的利用率。缺点是中间环节增加，数字复 接接口和复用设备均安装在通信室，不利于运行人员巡视检查，通信设备有问题 要影响保护装置的运行【5 5 】。由于光信号抗干扰能力强，可以用于变电站内保护 室和通信室之间的连接。在已经实现光纤通信的地区，采用复式光纤通道显然比 较经济 3 9 1 。 2 2 差动保护同步方式 差动保护广泛应用于输电网络，它能够准确区分区内和区外的故障，可有选 择性地全线速动切除区内故障。这种保护需要将线路一侧电气量的信息传输到另 一侧，使线路两侧之间发生纵向联系，因而需要严格对时。现有的较为成熟的对 时方法有：采样时刻调整法、采样数据修正法、时钟校正法、基于参考相量的同 步方法、基于g p s 的同步方法等 3 】。 2 2 1 采样时刻调整法 卜z ，叫 图2 2 采样时刻调整法示意图 采样时刻调整法的基本原理如图2 - 2 所示，是在线路两侧保护中，任意规定 一侧为主站，另一侧为从站，两侧的固有采样率相同，采样间隔为n ，由晶振 控制。如1 、如2 、t 嬲为主站采样点；t ”以2 、e e t 掣为从站采样点。在 正式开始采样前，主站在如。时刻向从站发送一帧计算通道延时t d 的命令信息， 从站收到后将命令码和延时时间f 朋回送主站。由于两个方向的信息传送是通过同 一路径，可认为传输延时相同。据此主站可计算出通道延时： 山东大学硕士学位论文 铲半 如果上述过程没有错误，则开始采样计算，否则自动重复。设主站在锄时 刻将包括通道延时幻和采样调整开始命令在内的一帧信息发送给从站，从站根据 收到该信息的时刻f ，以及幻可首先确定出锄所对应的时刻，然后计算出主、从 站采样时刻间的误差a t ：a t = “一( f ，3 一t d ) 其中，舀为与f 。，最靠近的从站采样点：a t o 说明从站较主站超前，& ，耐& 秒( 一三，三) 其中： ，。为线路故障电流稳态幅值； 厶为故障信号同步法适用的启动门槛值； 么秒为计算得到的线路两端相位之差； 动作特性如图3 4 所示： = 1 8 0 0 山东大学硕士学位论文 n 7 t 、 、 动格 、 淤j 、 ，一一 彩7 i m i n 图3 - 4 配网适用的基于故障信号同步的相位差动保护动作特性 线路发生故障后，线路两端保护装置各自检测到故障，并将检测到故障的时 刻近似作为故障发生时刻。线路两端分别计算各自的电流相位，并传输到对端进 行比较，判断故障发生位置。 传统相位比较式差动保护原理，是通过判断电流的正负周波来发送信号，在 我国实现继电保护微机化后，因为保护的采样率决定了相位比较式保护的分辨率 ( 例如当采样频率为每周波1 2 次时，两次采样间隔为3 0 。) ，大大影响了相位 比较式保护的性能，因而在高压输电线路上没有得到应用【3 】【4 9 】。而文中提出的相 位差动保护应用于配电线路，由于配电线路对保护速动的要求不如输电线路高， 因此通道中可以在故障发生2 0 m s 或更长一点的时间后传送经软件计算过的电流 相位，在大部分故障情况下，保护通过判据算法计算，能够在配网目前保护动作 前，发出跳闸或闭锁信号。而在相位差动不适用的少数故障情况下，由配网现有 保护辅助动作。 与现有的差动保护同步方法不同，本文提出的相位差动保护是基于故障信号 同步的。当线路正常运行时，通信线路上不需实时同步；而当线路发生故障时， 利用故障检测时刻做基准，实现两端保护同步。 3 2 2 差动保护的数据传输方式 配网相位差动保护由两台保护装置及复用光纤通道构成，装置基于故障信号 山东大学硕士学位论文 实现两端同步，通过异步通信技术并复用已有的光纤，利用目前配网保护常用的 r s 一2 3 2 通信口传送和接受对侧数据。下面对保护的数据传输方式和保护工作逻 辑做简单介绍。 目前数据传输方式分为两种：非平衡传输与平衡传输。 非平衡传输方式就是两台装置分主从，从装置只有在主装置要求的时候才上 传数据。这种传输方式的优点在于：传输方式简单，主装置和从装置只需写入各 自的程序。在传统配网中，电源侧安装主装置，负荷侧( 小电源侧) 安装从装置， 理论上可以正确动作。然而，这种传输方式过于依赖主站一侧的启动元件。尤其 是在双电站闭环运行及分布式电源并网情况下，从站一方即使已启动，也要等待 主站请求。增加了保护动作时间以及拒动的可能性。 平衡传输方式就是装置本身没有固定的主从之分，首先启动的装置为主装 置，即先启动的装置向对侧请求数据。得到数据在本侧计算。最终负责向本侧和 对侧发命令。这种传输方式的优点在于：先启动，先请求。因而减少保护动作时 间，提高保护的可靠性。 因此，从运行可靠性及方便使用的方面，倾向于平衡传输方式。采用平衡传 输方式，只需在线路两侧安装两台同样的保护装置，不必区分电源侧和负荷侧。 且运行更为可靠。 3 2 3 差动保护的逻辑框图 基于故障信号同步原理基础上的相位差动保护，可以复用配电系统通信光 纤，几乎不增加成本即可改善目前配网保护，保护采用平衡方式传输数据，其通 信逻辑框图如图3 5 所示： 收到 图3 - 5 基于故障信号同步的相位差动保护通信逻辑框图 当线路一端( m 端) 保护的启动元件启动后，如果满足厶 肠，立即向对 2 7 山东大学硕士学位论文 端( n 端) 发送相位数据请求，n 端收到请求后，如果也满足，叠 ，耐，则将其 计算得到的相位数据传到m 端进行比较。如果n 端收到请求后不满足，叠 厶， 且启动元件也未启动，则经延时后向对端发弱馈允许信号；如果启动元件已启动， 则通过保护其他辅助判据判断故障类型。 由于厶 ，耐保证了故障信号同步的可行性，因此传送的相位数据可以可靠 地应用于差动保护判据。如果接到请求信号的一端不满足i 。 i 耐，但本端启动