（电气工程专业论文）超高压线路光纤电流差动保护的研究.pdf

中文摘要 随着电力系统的迅速发展，电网结构不断发生变化。同杆并架双回线路和 远距离重负荷线路将不断增多，分支线路和多端线路亦将增加。在我国高压线路 保护中有着丰富运行经验的高频相差保护、高频距离保护和方向保护等，很难满 足这些新情况对保护的要求。线路中线路参数的分布性、某些线路中装设的串联 补偿电容和并联电抗器、单相跳闸后可能出现非全相运行状态或复故障状态、电 容式电压互感器和电流互感器的暂态过程等，均影响继电保护的动作性能。电流 差动保护的具有灵敏度高，简单可靠和动作速度快等诸多优点，己被广泛地应用 于电力系统的超高压线路中。 此课题主要是研究能够更好适应电网发展的新型电流差动保护。其主要内 容是：( 1 ) 对影响差动保护灵敏度的各种因素和不同的电流差动保护判据进行了 详细的理论分析；( 2 ) 分析、比较了国内外电流差动保护的数据采样同步方法； ( 3 ) 对d f 3 3 2 0 e a 线路差动保护装置硬件的设计方案进行了比较详细的介绍； ( 4 ) 还对实际现场运行的情况进行了简要的说明。 此装置的优点是：能够灵敏、可靠地切除电力系统发生的各种故障，尤其 是基于故障分量的差动判据与传统差动判据相比，在重载线路上发生各种故障， 即使是高阻接地时，也具有很好的灵敏性。 本文所开发的装置在电科院( e p r i ) 通过了型式试验测试，在国家继电器 质量监督检验中心( n c q t r ) 通过了r t d s 动模测试，并已在现场获得大量应 用。 关键词：光纤电流差动保护同步采样p c m 编码 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e m ，t h ep o w e rg r i dc h a n g e sd a yt o d a ys u c ha s ：t h en u m b e ro fp a r a l l e l l i n e si n c r e a s e sg r e a t l y , t h et r a n s m i s s i o nl i n e s b e c o m em u c hl o n g e ra n dt h el o a di sm u c hm o r eh e a v y f u r t h e r m o r e ，tl i n e sa n dt h e m u l t i t e r m i n a ll i n e sa r ec o m r n o u l yu s e d t h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o n s ，i n c l u d i n gt h e p h a s ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nb a s e do nh i 曲f r e q u e n c y , t h ed i r o c t i o n a lp r o t e c t i o n b a s e do nh i g hf r e q u e n c ya n dt h ed i s t a n c ep r o t e c t i o nc a n n o tm e e tt h ed e m a n do f t h e s ed e v e l o p m e n t s t h ep e r f o r m a n c eo ft r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o nr e l a yi s i n f l u e n c e db yt h ed i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c ea l o n gt h el i n e ，t h es h u n tr e a c t o r , t h es e r i a l c o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r , t w op h a s e so p e r a t i o ns t a t u sa f t e rt r i p p i n go n ep h a s e ，c o m p l e x f a u l e sa n dt h et r a n s i e n tp r o c e s so ft h ec v ta n dc tw h e nf a u l ea c c u r s t h ed i f f e r e n t i a l c u r r e n tp r o t e c t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h et r a n s m i s s i o nl i n ei nv i r t u eo fi t ss i m p l e 1 6 r i n c i p l e ，h i 曲s e n s i t i v i t ya n di n h e r e n tp h a s es e l e c t i o na b i l i t y t h et h e s i si sf o c u so nt h er e s e a r c ho ft h eo p t i c a l f i b e rd i f f e r e n t i a lc u r r e n t p r o t e c t i o nt h a tc a na d a p tt ot h er a p i d l yc h a n g i n gp o w e rg r i d i tm a i n l yc o n t a i n st h e f o l l o w i n gf o u rp a r t s ：( 1 ) t h e o r e t i c a la n a l y s i so fs o m eo p e r a t i o nc r i t e r i o n sa n ds o m e f a c t o r st h a ti n f l u e n c et h eo p e r a t i o no ft h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，( 2 ) a n a l y s i sa n d c o m p a r i s o no fs o m es y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d su s e db yd o m e s t i c a n da b r o a d c o m p a n i e s ( 3 ) i n t r o d u c eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m ea b o u td f 3 3 2 0 e al i n ed i f f e r e n t r e l a yi nd e t i a l ( 4 ) b r i e f l yi l l u s t r a t e sa c t u a lp r a c t i s eo p e r a t i o n t h ed e v i c e sh a v em a n ym e r i t s t h e yc a i ls e n s i t i v e l ya n dr e l i a b l yc u to f fa l lt h e f a u l t so c c u r r i n gi nt h ep o w e rs y s t e m e v e nu n d e rt h ec r i t i c a ls i t u a t i o nf a u l t i n go nt h e l o n gh e a v yl o a dt r a n s m i s s i o nl i n e st h r o u g hh i g hg r o u n dr e s i s t a n c e s ，t h ec r i t e r i o nb a s e d o nf a u l tc o m p o n e n t ss t i l lh a sc o n s i d e r a b l es e n s i b i l i t y t h ed e v i c e sh a sp a s tt h es t a t i ct e s ti ne p r i ，a n dt h ed y n a m i ca n a l o gt e s ti n n c q t r , a n dw h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e d k e y w o r d s ：o p t i c l a l ，d i f f e r e n t i a lc u r r e n tp r o t e c t i o n ，s y n c h r o n o u ss a m p l i n g ， p c m c o d i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁凄盘 生或其他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己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名：褰4 趴签字日期：1 年jl 月j 矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天洼大堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：靠彳乞苦以一翩繇鲁蛹 j 签- 7 - 日期：。粝年。l 月fr 日签字日期：形年扫2 月f 夕 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电力系统继电保护作为综合性学科，总是充满活力，一直处于蓬勃发展之 中。之所以如此，是因为它具有理论与实践并重，与基础理论、新理论、新技术 的紧密结合，与电力系统的运行、发展息息相关等特点，电力系统本身的发展和 相关新理论、新技术、新材料的发展是促进继电保护发展的内因与外因，前者是 发展的源泉，后者是发展的客观条件。没有电力系统的发展，则谈不上继电保护 的发展，继电保护不能得到良好的发展则会妨碍电力系统的进一步发展，相关学 科的发展则为继电保护的发展提供了技术基础。本章简要地回忆了继电保护的发 展历史，简述了超高压线路继电保护的特点、基本要求、发展现状与趋势，陈述 了本论文的主要研究工作。 1 2 超高压线路的特点 超高压线路继电保护与中低压线路保护相比存在一些特殊性，以下几方面 的特点均将影响继电保护的动作性能：由于高压电网线路参数的分布性及某些线 路中装设的串联补偿电容和并联电抗器的影响，在短路故障的暂态过程中将出现 无穷多频率的自由分量，同时在高压线路中电感与电阻的比值大，非周期分量和 自由分量的衰减都较缓慢；在单相接地故障时可能有较大的接地过渡电阻：分布 电容所产生的电容电流不可忽略；高压线路上配置的单相自动重合闸或综合自动 重合闸在单相跳闸后可能出现非全相运行状态或复故障状态；串联补偿电容的存 在；某些电网中可能出现多端线路或同杆并架线路；电容式电压互感器和电流互 感器的暂态过程；高压线路常为重负荷线路，在长距离输电线路末端的短路电流 可能低于负荷电流，且使线路两端功角摆开较大，并容易诱发系统振荡等。 第一章绪论 1 3 超高压线路继电保护的基本要求 由于超高压线路的重要性，尽管有以上诸多因素在不同方面影响超高压线 路继电保护的性能，但对于这些继电保护性能的要求不但没有降低，反而更高。 超高压线路继电保护的要求常表现在快速切除故障、高度的可靠性、选择性和足 够的灵敏度。具体地说，对超高压线路保护的快速性一般要求在5 0 1 0 0 m s 内切 除故障，即保护出口时间约在2 0 m s 左右；可靠性则是指保护可靠不拒动和可靠 不误动；选择性则是指在保证可靠性的前提下做到以下基本要求t ( 1 ) 在系统所 有运行方式下，不论发生什么类型故障，保护均可靠动作t ( 2 ) 在下述情况下保 护应可靠动作：( a ) 在系统振荡和可能的非全相运行状态下发生故障，( b ) 手动 合闸到故障线路或自动重合闸时线路有故障；( 3 ) 在下述情况下保护应可靠不动 作：( a ) 系统稳定破坏发生振荡；( b ) 外部故障，其中还应考虑到在单相自动重 合闸过程中可能出现的非全相运行状态伴随系统发生振荡的情况；( c ) 外部故障 切除或外部故障类型转换；( d ) 长期或短时两相运行；( e ) 线路自端合闸；( f ) 电压回路断线；( g ) 保护装置自身故障( 直流电源中断、元件损坏等) ；( h ) 保 护使用的通讯系统故障。 1 4 超高压线路继电保护的发展历史 随着电力系统的出现，继电保护技术就相伴而生。在十九世纪末已开始利 用熔断器防止在发生短路时损坏设备，建立了过电流保护原理，1 9 0 1 年第一台 感应式过电流继电器问世，1 9 0 8 年研制出电流差动保护，自1 9 1 0 年起开始采用 方向性电流保护，1 9 2 0 年初制成了距离保护，1 9 2 7 年开始了快速动作的高频保 护的研究。由此可见，从继电保护的基本原理看，到本世纪2 0 年代末现在普遍 应用的继电保护原理基本上都己建立，迄今在保护原理方面没有出现突破性进 展。保护装置硬件的发展，从1 9 0 1 年的感应式过电流继电器至今大体上经历了 机电型、整流型、晶体管型，集成电路型和数字计算机型五个阶段。虽然继电保 护的原理早己提出，但它总是根据电力系统发展的需要，不断从相关学科取得最 新成果中吸收营养，发展和完善自身。继电保护发展史实际是一部不断适应新器 件的历史，最早使用的是机电型继电器；随着半导体器件的产生，人们将其用于 保护装置，构成了整流型保护继电器，使维修工作大为减轻；晶体管的出现，带 动了静态型继电器的研制，微电子学的飞速发展，大规模集成电路的产生，使分 立单元的晶体管逐渐为集成电路保护所取代，成为第二代静态型继电器；数字计 算机和微处理器的出现则为继电保护数字化开辟了美好的前景，微机型继电保护 第一章绪论 产品逐渐成为无可置疑的首选产品。近百年来继电保护发展的飞跃亦是随着构成 保护器件的升级而出现的，第一次飞跃是由机电式到半导体式，主要体现在无触 点化、小型化、低功耗：第二次飞跃是由半导体式到微机型，主要体现在数字化、 智能化。显然，第一次飞跃只是在提高保护装置的硬件可靠性和经济性、方便性 等方面有质变，而第二次飞跃则是具有更为重要的意义，因为它不仅是提高了保 护装置的性能，更重要的是为保护的原理和功能产生质的变化提供了可能性。 由于利用单端电气量保护无法快速切除线路上任一点的故障，故高压线路 主保护一般采用利用双端电气量的纵联保护，即方向纵联保护、电流差动保护和 相位差动保护。在原理构成上看，纵联保护是继电保护中原理上变化最小的保护， 除了最近在数字式保护中使用采样值电流差动保护、故障分量原理的电流差动保 护外，几乎没有什么变化。纵联保护的发展历史除了前面所说的飞跃外，更为主 要的是通道构成的发展历史。最初是采用导引线构成纵联保护，这种方式对于中 长距离的线路无能为力，故迅速由高频通道构成的保护占据了输电线路保护的主 导地位，1 9 2 7 年构成相差高频保护，1 9 3 1 年提出方向高频保护，现在的许多线 路仍然是采用这两类保护作为高压线路的主保护，只是西方国家喜欢用距离方向 高频保护，苏联等国家则用负序方向高频保护，相位差动保护则仅在构成相位比 较量的复式滤序器的序分量及其比例稍有不同。在5 0 年代初期，美国开始利用 微波技术实现快速动作的微波保护，这是保护通道构成的一次飞跃，使得简单可 靠的电流差动保护在长距离高压线路上应用成为现实，并在北美超高压电网中得 到广泛应用。从8 0 年代起，日、美等国开始研究利用光导纤维作为纵联保护的 通道，成为纵联保护通道的第二次飞跃。现在国外各大公司均生产了各种利用光 纤的纵联保护装置，国内起步稍晚，但现在也有不少厂家和大专院校、科研院所 己合作成功研制利用基于光纤的各种纵联保护装置。不久，光纤纵联保护将在输 电线路主保护中占据主导地位。 1 5 高压线路电流差动保护的发展历史与现状 电流差动保护原理，对于电力系统继电保护来说，是最为理想的一种判据。 它己被广泛地应用于电力系统的发电机、变压器、母线等诸多重要电气设备之中。 可以毫不夸张的说，凡是有条件实现的地方，均毫无例外的使用了这种原理的保 护，而且都是主保护。这种保护原理具有灵敏度高，简单可靠和动作速度快等诸 多优点。从继电保护的故障信息的观点来看，电流差动保护原理最为理想，差动 电流中完全消除了非故障状态下的电流分量( 不计线路分布电容电流时) ，因此， 以差动电流作为动作量的电流差动保护能适应电力系统的振荡、非全相等各种复 第一章绪论 杂的故障运行状态，可反应各种类型的故障。这一突出优点是目前输电线路上所 采用的其它各种原理的保护均所无法比拟的。这是因为这样，差动保护的逻辑设 计相比于高频距离、零序或者方向高频保护均要简单的多。另外，电流差动保护 所需的电气量也最少，可以做到不受p t 断线的影响等。 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 感祸合往往很强，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，它具有良好的“天然”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。 输电线路纵联差动保护按照所利用的通道类型不同，可以分为导引线纵联 保护、电力载波纵联保护、微波纵联保护和光纤纵联保护4 种，通常纵联保护也 按此命名。它们各自的特点可以简述如下： ( 1 ) 导引线纵联保护( 简称导引线保护) 需要铺设电缆，当线路较长( 超过十余公里) 时显得不经济，且线路故障 引起的过电压会使保护安全性降低。并且导引线的电缆必须有足够的绝缘水平， 从而使投资增大。导引线直接传输交流电量，对差动保护原理的实现提供了便利， 但导引线的参数直接影响保护的性能，从而在技术上也限制了导引线保护用于较 长的线路。 ( 2 ) 电力线载波纵联保护( 简称载波保护) 载波通道由高压输电线及其加工和连接设备组成，在保护中应用最广。高 压输电线机械强度大，安全可靠性高。但是，这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) ，为此载波保护在利用高频信号时应使保护在本线 故障信号中断的情况下仍能正确动作。 ( 3 ) 微波纵联保护( 简称微波保护) 微波通道与输电线没有直接的联系。微波通道是一种多路通信系统，可以 提供足够的通道，彻底解决通道的拥挤问题。微波通信具有很宽的频带，线路故 第一章绪论 障时不会影响信号系统，信号不会中断，并可以传送交流电流的波形。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。微波通信是较为理想的通信系统，但是目前状况下，为保护架设专 用微波通信设备不经济，而是与通信、远动等共用。另外，微波通信也会受到气 候、地形等因素的影响。 ( 4 ) 光纤纵联保护( 简称光纤保护) 光纤通道与微波通道有相同的特点，也广泛的采用p c m 调制方式。利用光 纤通道，更有以下特点：( a ) 传输容量大，速率高；( b ) 传输损耗小，中继距离 长；( c ) 抗干扰能力强，安全可靠性高；( d ) 体积小，重量轻，结构简单，耐腐 蚀等。另外，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那些问 题。如果光纤与微波通信结合应用，可以达到事半功倍的效果。最近发展的在架 空输电线的接地线中架设光纤的方法既经济又安全，很有发展前途。 在国外，最早是在七十年代，日本研究了分相式微波电流差动保护。我国 也较早的开展了输电线路的微波电流差动保护的研究，早在1 9 7 9 年左右就有相 应当科研报告发表。由于通信技术的限制，最开始的研究，主要是研究采用频率 调制方式下的模拟式微波电流差动保护。随着微机保护和数字通信技术的迅速发 展应用，从七十年代中期开始，日本最先研究采用脉码调制( p c m ) 方式的数字 式微波电流差动保护装置。直到八十年代初，日本k a n s a i 电力公司和m i t s u b i s h i 电气公司合作，又较早的研制出采用光纤传送数据的p c m 数字式电流差动保护 装置。八十年代末以来，又有日本的东芝、日立公司、英国的g e c 公司，以及 著名的a b b 公司相继推出相应的产品。 与国外相比，我国一直到八十年代末、九十年代初，才开始研制数字式的 电流差动微波保护装置。我国的第一套数字式微波电流差动保护装置，wxh 1 4 型高压线路微机微波保护装置，于1 9 9 4 年完成并通过部级鉴定，但当时并没有 充分产品化，因而没有得到推广投运。另外南京自动化研究院南瑞公司研制的 l f p 9 3 1 a 型数字式分相电流差动保护装置，北京四方继保自动化公司研制的 c s l 1 0 3 型高压线路数字式分相电流差动保护装置己在国内开始得到应用。到目 前为止，由于电力通信及其它诸多原因，微波、光纤电流差动保护在我国电力系 统继电保护中的实际应用还是不多的。 第一章绪论 m 端1 i x 线路f 差动i 保护b r x 装黄i ( a ) 光纤单路通道 数字 传输 装置 通信网 ( b ) 光纤或微波多路通道之二 图1 - 1 光纤和微波通道的2 种利用方式 n 端 线路 差动 保护 装置 对于各种不同类型的微波或光纤保护，它们的实现方式基本是一致的，可 以用图1 - 1 表示。 1 6 我国微波与光纤通信网的现状嗍 近些年来，随着全世界的计算机和通信技术的迅速发展，通信设备的费用 急剧下降；我国的电力通信系统也在加速发展，尤其是光纤通信系统的发展将会 是前所未有的。目前，数字微波主干通信网己覆盖了除台湾以外的全国各省、自 治区和直辖市的电力系统单位，“八五 期末电力系统专用通信网内微波通信电 路总长已超过3 3 0 0 0 k m ，微波通信站数量约1 1 0 0 个，数字微波通信电力在微波 电路中所占的比例已由“七五”期末的3 0 上升到“八五”期末的约8 0 ；电 力卫星通信网己建成卫星地球站3 2 座，形成了以北京为中心的全国电力系统卫 星通信网。 光纤通信在我国己逐步得到应用，目前正处在“爆炸性”发展阶段。至1 9 9 5 年底，我国建成了总长为3 7 0 0 0 k m 的京汉广早已开通，另我国东西向和南北向 分别各有8 条光缆干线己陆续建成、部分投产和进入前期准备阶段。最近，在我 淝一 电换置 基| 光转装 。h圈 一 辨黼耀 第一章绪论 国华东地区架设了o p g w 光纤网，在东北地区，也将随5 0 0 k v 的贯穿东北电力 “大马路 架设光缆线。未来若干年，我国的光缆铺设工作将以2 2 的平均年 增长率增长。“十五”期间，建成以光纤通信为主的现代化电力通信传输干线网 络。在该通信网络上建设高速宽带数据传输网，2 0 0 3 年底，建成覆盖全国电网 的光纤通信网络，骨干网传输速率不低于1 0 g b p s 。建立由核心层、骨干层和接 入层三层结构组成的技术先进、比较实用的高速信息传输平台，满足电力生产、 经营、管理等信息化需要。因此，采用光纤传送数据的电流差动保护装置的使用 条件正在逐步迅速的成熟。 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己 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。 1 7s d h 光纤通信自愈环网简介嘲 随着电力网的发展，对电力系统专用通信网的要求也越来越高。由于s d h ( 同步数字序列) 光纤通信有自愈能力强等显著优点，它正在逐步被电力系统通 信网广泛采用。 目前我国的多数通信传输设备是基于p d h ( 准同步) 技术。而它所固有的 下列缺点正逐渐被人们所发现并引起了高度重视。( a ) 只有地区性的数字信号速 率和帧结构标准，没有世界性的统一标准；( b ) 没有世界性的光接口规范标准， 导致各生产厂商开发生产的专用光接口无法互通，只有通过光电转换成标准电 接口( g7 0 3 ) 才能互通；( c ) p d h 系统除了几个低速率等级的信号采用同步复 用外，其他多数等级的信号采用异步复用，硬件复杂，缺乏灵活性，并且达不到 完全同步；( d ) p d h 系统的网络运行、管理和维护主要靠人工和停业务测试， 难以很好支持新一代的网络；( e ) p d h 结构是建立在点对点基础上，无法提供 最佳的路由选择，缺乏灵活性。 针对p d h 系统的缺点，美国贝尔通信研究所提出同步光网络( s o n e t ) 概 念。1 9 8 8 年，国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 接受s o n e t 概念，并重新命 名为同步数字系统( s d h ) 。 s d h 网的主要特点有：( a ) 使北美、日本、欧洲三个地区性标准中的1 5 m b s 和2 m b s 两大数字体系在s t m 1 等级上获得统一，实现了数字传输体制上的世 第一章绪论 界性标准；( b ) 采用了同步复用方式和灵活的映射结构，实现了完全同步；( c ) s d h 帧结构中安排了丰富的开销比特，使得网络的运行、维护和管理的能力大 大加强；( d ) 将标准光接口综合进各种不同的网元，从而简化了硬件，缓解了布 线的拥挤；( e ) 用一个光接口代替了大量电接口，省去大量相关电路和跳线光缆， 使网络可用性都能获得改善；( f ) s d h 网与现有p d h 等网络能完全兼容，同时 还能容纳各种新的业务信号，有完全的后向兼容和前向兼容性。 所谓自愈环网，是指当网络的某条支路或某部分发生故障时，网络可以自 动选择其他路径从原信号发出端到达愿接受端，使通信不至于中断，包括环状网 和格状网。自愈型网络自动化程度高，可靠性高，管理方便，便于维修，将全面 替代树状网。而s d h 网可以组成自愈环形网，使网络的可靠性和安全性得以提 高，符合网络结构和信息传输的发展趋势。 s d h 系统p d h 系统相比，并不是为了提高传输容量，而主要在于：( a ) 采 用了同步复用后，实现了真正意义上的数字信号同步传输，提高了网络的灵活性， 简化了网络结构，提高了传输质量；( b ) 统一了接口标准，解决了因制式不同而 不能互通的问题，同时具有完全的兼容性；( c ) 具有强大的网络管理功能，以适 应不断发展的通信网要求。 从目前我国通信网的现状看，s d h 网发展很快。特别是邮电部门，已经具 备了相当规模。电力部门虽然在这方面落后一步，但正积极发展，己开始大范围 的使用s d h 系统及其设备，以满足电力系统调度自动化、办公自动化和图象与 其他数据传输的需要。目前从北京到上海，武汉到南京己建有主干线，并计划架 设从北京到武汉的干线，这样即将在全国范围内形成连接华北、华东和华中地区 的s d h 电力通信大三角网。 同时我们也看到，s d h 自愈型网络的推广和全面应用，给原先基于树状网 设计的线路电流纵联差动保护原理提出了挑战，特别是如何能够完全同步成为最 紧迫和困难的问题。这主要是在通信过程中，会出现路由自动发生变化的情况。 如何在路由发生变化后，能够自动计算数据传输时间，重新达到完全同步便成为 一个技术难题。这也是电流差动保护装置研究的一个重要方面。某些国外的保护 装置，例如a b b 公司研制的r e l 5 6 1 型保护装置和美国r f l 电子仪器公司研制 的r f l 9 3 0 0 型保护装置自称可以适应这种通信方式。但从电流差动原理及数据 采用同步方法上看，在世界范围内尚没有找到一个真正完美的解决方案。 1 8 课题研究的意义 目前，我国大多输电线路尚处于应用电力线载波保护原理实现高压输电线 第一章绪论 路微机保护的阶段，但是，反映出的问题和难以解决的困难越来越突出。在上文 中已经提出，电力线载波的高压输电线作为信号传递的载体，在线路发生故障时 通道可能遭到破坏，高频信号不能得到有效传输。除此之外，如何解决抗干扰问 题令人头痛。随着电力设备的大量增长，以及越来越多的电子、通信和其他设备 投入使用，电磁干扰给电力线载波保护造成误动的情况越来越严重，而高压输电 线的抗干扰能力并不强，要解决这个技术问题比较困难。另外，电力线载波频带 较窄，越来越满足不了日益增长的电力生产和传输的需要。特别对于城市电网， 己经逐步形成短线网群，频率分配问题对于电力线载波来说很难解决。 虽然微波通信和光纤通信在国内尚不完善和成熟，但是它们的特点恰好可 以解决电力线载波保护很难解决的技术问题，由此而实现的微机保护的优势是不 言而喻的。从先进国家的电力技术发展来看，微波保护和光纤保护已逐步成为线 路主保护。特别是日本、英国、美国等，线路光纤保护技术相对完善，保护设备 运行情况良好。从国内来看，微波和光纤保护所依据的微波通信网和光纤通信设 备发展非常快，在不久的将来将全面覆盖全国各主要地区，这就为实现数字式微 波( 或光纤) 继电保护提供了有利的客观条件和良好的发展前景。 本课题结合最新的数字式继电保护技术和数字通信系统的发展趋势，研究 开发了基于新平台的数字式微波冼纤分相电流差动保护装置。它是跨电力系统继 电保护，计算机和数字通信等技术的综合应用，所研制的产品将直接用于具体的 工程实际，因此，有着很大的理论意义和实际意义。 1 9 本人的主要工作与本文的主要内容 本课题所研制的分相电流差动保护装置是高压输电线路成套保护 d f 3 3 2 0 e a 线路差动距离保护装置( 以下简称d f 3 3 2 0 e a ) 中的主保护，并以距 离保护和零序保护作为后备保护，而且配备有故障录波装置和断路器控制装置 等。本课题主要集中研究电流差动保护及其相关部分。 本课题涵盖的内容比较广泛，主要包括基于新平台的整体方案的设计与可 行性分析、硬件平台设计与制造和软件设计与开发三大部分。而由于涉及实际工 程实际工作又相对复杂，不仅包括了从调研，到设计、选择和确定方案，再到 硬件和软件平台设计、保护功能的软件设计，再到阶段调试和整体调试，最后动 模试验和试运行的全过程，同时也有器件选购、机箱的设计与制作、附属设备的 设计、测试设备的设计与制作等众多内容。 本人在本课题中，从研究内容上说，除了主要参与了整体方案的设计与可 行性论证外，还负责硬件平台设计与制造工作。从实际工作上说，参与了装置研 第一章绪论 制的全过程，并主要负责硬件平台设计、制造和调试等工作。 本论文从课题研究背景入手，综合阐述了输电线路电流差动保护的发展、 现状和前景，然后用比较多的篇幅阐述了对课题中诸如保护判据、采样同步、数 据通信等几个重要问题的研究分析，接着是硬件平台设计方案及现场运行的情 况，最后给出了本课题研究的综合结论。 第二章光纤电流差动保护的原理 2 1 引言 第二章光纤电流差动保护的原理 基于基尔霍夫电流定律的电流差动保护原理，由于线路差动保护的判据中不 包括线路分布电容电流，这在理论上是线路差动保护原理的一个缺陷。而长距离 ( 或同杆并架双回线路) 的高电压等级输电线路的分布电容电流，对于差动保护 的影响已经是不能忽略的了。如果判据中不加以认真对待和处理，单纯靠抬高预 设的保护定值来躲过，这势必是要影响差动保护的灵敏度。 本章针对现有的高压线路所用的光纤纵联差动保护判据进行了一般性论述， 进而对利用故障分量的差动保护判据展开了详细的讨论，并针对高压、超高压线 路对纵联差动保护的影响，比如电容电流、负荷电流等这些不容忽视的问题进行 了理论分析，提出了相应的提高灵敏度方案，并给出了详尽的仿真结果。 2 2 电流差动保护原理概述啪 差动保护的原理判据本身比较简单，文献e 5 j 将其归纳表示为： 酬一叫w ( ) i i 厶 ( 2 一1 ) 式中：罗t 一线路各端电流的向量和( 规定各端电流的正方向为母线流向被 保护线路) ， f ( i ，) 一各端电流的函数， 弘制动系数， 厶一差动保护的整定值，为一标量。 式( 2 一1 ) 左端的第一项称为动作量，第二项称为制动量。制动量有多种构 成方法，由此可以得到不同的保护判据。为了提高差动保护的灵敏度，而同时防 止区外故障可能引起的保护误动，原理上通常采用比率制动特性或者是比率制动 第二章光纤电流差动保护的原理 + 相位比较式。比率制动方式，文献哺1 又列出了三种形式：( 1 ) 单一量制动方式， 即以各端电流之标量和作为制动量。( 2 ) 单一量 + 大电流域制动方式 ，即除 单一制动方式外，特别在大电流域内加强制动，这主要是要防止大电流穿越时 c t 饱和所造成的保护误动。( 3 ) 最大穿越电流制动方式，即在各端电流中取最 大的电流作为制动量。比率制动方式的作用主要是保持与穿越电流大小成比例的 制动；而采用相位比较方式的作用，则是根据线路各端电流和与各端正( 负) 半 波电流和之间的相位差，判别是线路内部还是外部故障。两种制动方式的主要特 点是：当短路电流较小时，则流出电流或潮流对保护工作影响较小的比率制动方 式更为优越；而当区外短路电流较大时，则即使c t 饱和也不易误动的相位比较 方式更加优越( 大电流域制动方式与相位比较方式有些相似) 。 文献 7 较早地分析了几种不同判据构成的保护特性，并提出了一种新的动 作判据分析方法一动作特性法。文献e 7 中分析的判据有： 卜恤厶 ( 2 - 2 ) 它是制动量仅为恒定的整定值的最为简单的差动保护判据。它的动作特性 分析表明，这样盘踞的灵敏度高，即使是线路内部故障电流流出部分占流入电流 的一半，只要满足流入电流大于二倍整定值，就能够动作；对于单侧电源线路， 只要故障电流大于整定值即可。但随着流过线路的故障电流的增大，它的动作特 性和比例差动特性表明，这一判据的动作区也将随着显著扩大，因而其缺点是在 外部故障大电流条件下极易误动。 l j 脚+ j 。l kl j 所i + ，甩1 ) 厶 ( 2 - 3 ) 与式( 2 - 2 ) 相比，式( 2 - 3 ) 中的制动量增加了线路两端电流的标量和这 一( 比率制动) 项，从而提高了保护在外部故障时的制动作用，可以做到在线路 外部故障时不误动的高度可靠性。这对保证线路区外大电流故障保护的安全性有 利；但同时也降低了保护在区内故障时的动作灵敏度，这对于发生高阻接地故障 的线路及内部有电流流出的线路不利。这一判据采用通过选择制动系数的大小来 协调这一矛盾。其办法就是根据电力线路的实际情况，选择恰当的制动系数，在 保证差动保护的安全性的前提下，尽可能地降低k 的值，以保证足够的灵敏度。 通常的实际应用中，保护装置将判据中的制动系数作为一整定值来处理，由用户 根据实际线路的情况，选择适当的制动系数。另一个解决的办法是采用折线比例 差动特性。 第二章光纤电流差动保护的原理 为了更好地解决上述矛盾，由此进一步派生出如下三个判据： l j 朋+ 疗f k i j 小l + p 。i 一厶广厶 卜+ l i k i l l + i l l ) 一k l l l + l ，”i 一厶广厶 卜+ l i k i ，脚i + l l i k l l + l i ) + 厶 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 式中：( ) + 表示当括号内为负值时，其值取为零，当括号内为正值或等于零 时，按原值输出；i 。是一正常数。 式( 2 - 4 ) 通过在制动量中设置正常数因子，以达到在线路两端故障电流标量 和小于门槛时，不引入电流制动项，提高保护的动作灵敏度；此时保护的灵敏度 同式( 2 2 ) ，而当线路两端故障电流标量和大于门槛时，保护具有与式( 2 3 ) 相近 的比例特性。为了进一步的加强区外大电流故障时的制动作用，因而又出现了式 ( 2 - 5 ) 的判据。此时，对于应用在同样的电力线路时，式( 2 5 ) 中的系数k ，、k ：应 相应的小一些。不难看出，式( 2 5 ) 是一种更深的折中。式( 2 - 6 ) 的特点是用与差 动电流成比例的量取代正常数因子，以进一步的改善保护差动特性，缓减灵敏度 与制动特性的矛盾。由文献 1 的详尽分析可以看出，式( 2 6 ) 的制动量为零的灵 敏范围较大。当出现制动量时，如果k ，较小，式( 2 - 6 ) 与式( 2 4 ) 的动作特性接 近，但如果k ，的值取得大于一定的值后，式( 2 - 6 ) 的动作特性就会显示出比式 ( 2 - 4 ) 要优越，灵敏度更高。但式( 2 - 6 ) 的比例差动特性分析表明，在大电流区域， 其曲线斜率不能与电流比例线平行( 偏大) ，不能保证固定的不误动允许误差。 它较式( 2 - 4 ) 、式( 2 - 5 ) 差。因此，为进一步得到具有平行于电流比例线的比率差 动特性，又出现了式( 2 7 ) 的判据： i l + l k1 4 l l + l l k l 厶+ i 一厶广厶 文献畸1 最后提出了一种改进判据： 副厶 k 2 副洲 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 第二章光纤电流差动保护的原理 简化为两端线路后，则可表示为： h 况 疋卜m + 。| p m l + 卜，l ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 根据文献的分析，改进后的判据是式( 2 - 8 ) 和式( 2 9 ) ，即式( 2 1 0 ) 和 ( 2 1 1 ) ，这两个条件同时满足才动作。它的优点是：( 1 ) 将制动量改为控制量方 式，从而使判据更为简单；( 2 ) 将式( 2 - 1 0 ) 和式( 2 - 1 1 ) 组合起来，达到了取长补 短的效果。在区外短路电流大时，式( 2 - 1 1 ) 的比相控制作用可使保护可靠不动作； 而在区内故障电流小时，由于有式( 2 - 1 0 ) 的定值作用，也可提高可靠性。对于线 路内部故障，由于式( 2 - 1 1 ) 的动作条件是由线路两端电流的相位决定的，与短路 电流幅值大小基本无关，其灵敏度较高，这样，两式以逻辑与构成的判据的灵敏 度仍是较高的。因此，改进后的判据比单独使用一个表达式的判据要优越。 但不难看出，式( 2 - 1 1 ) 中的制动量取的是线路两端的电流标量和。因而“制 动部分在区内、区外故障时的表现是一致的 。文献阳1 就两端输电线路提出了如 下判据： ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 比较式( 2 - 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 与式( 2 - 1 2 ) 、( 2 - 1 3 ) 分别构成的这两个判据，它们 的差别只是将标量和制动量改成了相量差。在线路外部短路时，线路流过的是穿 越性电流，如果忽略负荷电流和分布电容电流的影响，则式( 2 一1 2 ) 与式( 2 1 1 ) 的制动特性是相同的，计上的话则式( 2 - 1 2 ) 的制动特性要有所下降。但在线路内 部短路时，如果线路两端的故障电流相位很接近，式( 2 - 1 2 ) 显然将有更高的灵敏 度。如果考虑到线路的负荷电流以及过渡电阻的影响，式( 2 1 2 ) 的灵敏度会降下 来。但仍可证明，式( 2 - 1 2 ) 的灵敏度比式( 2 - 1 1 ) 高。上述的式( 2 - 1 2 ) 的制动特性 是在取相同的制动系数k 的情况下得到的，如果综合灵敏度和制动特性后，可以 做到式( 2 - 1 2 ) 在灵敏度和制动特性两方面均比式( 2 一1 1 ) 要好。 针对差动保护应用到t 型三端分支线路的情况，文献口1 提出了如下的判据： ( 1 ) 基本判据： l 厶 1 l r ，八1 铒 札 一v r 第二章光纤电流差动保护的原理 卜+ “矗i 厶 ( 2 ) 保守判据： 卜+ l 卜肘一i 卜盯+ j r l 卜 ，一，7 1 p 悱一叫 ( 3 ) 灵敏判据： 卜小j r l k l 。 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 式中的，脚是指，村、，、i r 中幅值最大的相量，y 是指，肘、，、i r 中除了 ，之外的两个相量之和。 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 _ o 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。 这中间，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。如果将式( 2 1 6 ) 的左端， 也按其右端的形式表示的话，不难看出，它是将两端小电流等效后，再按式( 2 1 2 ) 来构成的。对于区外故障时，懈与，y 应是反相或接近反