基于現(xiàn)代數(shù)字化變電站的光纖縱差保護(hù)性能研究

隨著電力系統(tǒng)向大容量、超高壓和特高壓方向發(fā)展，電力設(shè)備要求小型化、智能化和高可靠性。在數(shù)字化變電站使用電子式互感器的環(huán)境下，線路光纖差動(dòng)保護(hù)面臨很多新問題。比如如何與變電站內(nèi)的母線保護(hù)、變壓器保護(hù)共享數(shù)據(jù)源;如何實(shí)現(xiàn)變電站之問的數(shù)據(jù)采集同步;如何與變電站內(nèi)的過程層裝置進(jìn)行互操作等。針對(duì)以上問題，本文提出了數(shù)字變電站線路差動(dòng)保護(hù)基于乒乓原理的時(shí)鐘信號(hào)同步方案，并分析探討了基于該同步時(shí)差動(dòng)保護(hù)性能和互操作的解決方案。

一、引言

由于光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，新型光學(xué)電壓、電流互感器日益顯現(xiàn)出富有魅力的前景和強(qiáng)大的生命力，逐步取代電磁式互感器是繼電保護(hù)的一個(gè)發(fā)展方向。

數(shù)字化變電站建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)一次設(shè)備智能化和二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計(jì)理念。一次設(shè)備智能化的重點(diǎn)是光電互感器和智能斷路器的應(yīng)用。二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)貫徹和執(zhí)行IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字化變電站按過程層、間隔層、站控層3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，光電互感器和面向通用對(duì)象的變電站事件(GOOSE)通信技術(shù)的應(yīng)用將徹底解決電流互感器飽和問題、二次電纜的交直流串?dāng)_問題。數(shù)字化變電站建設(shè)應(yīng)以電網(wǎng)安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為前提，有效解決數(shù)據(jù)采集設(shè)備重復(fù)投資問題和二次智能設(shè)備的互操作問題。數(shù)字化變電站對(duì)光纖縱差保護(hù)提出了一些新問題，本文將結(jié)合220kV數(shù)字化變電站系統(tǒng)方案詳細(xì)說明光纖縱差保護(hù)如何解決上述問題。

二、光纖縱差保護(hù)的應(yīng)用環(huán)境

數(shù)字化變電站內(nèi)線路保護(hù)、主變保護(hù)、母線保護(hù)通過過程層間隔局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源和智能操作機(jī)構(gòu)的共享。數(shù)字化變電站之間的一對(duì)光纖縱差保護(hù)通過租用的光纖通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和采樣時(shí)鐘的同步。光纖縱差保護(hù)的應(yīng)用環(huán)境如圖1所示。

數(shù)字化變電站的數(shù)據(jù)源來自合并單元(Mu)，Mu的采樣采用全站統(tǒng)一的時(shí)鐘源SYN。各站的線路差動(dòng)保護(hù)也采用同一時(shí)鐘源。Mu數(shù)據(jù)通過過程層交換機(jī)給間隔的繼電保護(hù)設(shè)備，包括線路保護(hù)、母差保護(hù)等。線路差動(dòng)保護(hù)的數(shù)據(jù)來自2個(gè)不同的變電站，在系統(tǒng)內(nèi)無統(tǒng)一時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，兩站Mu的采樣不同步。差動(dòng)保護(hù)需要解決兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)同步問題。

三、數(shù)字化變電站對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求

數(shù)字化變電站每個(gè)線路間隔的MU提供線路保護(hù)需要的Ia，Ib，Ic，ua，Ub，Uc，3Uo，31o，以及一相母線電壓數(shù)據(jù)，線路保護(hù)、主變保護(hù)和母線保護(hù)通過過程層間隔交換機(jī)與間隔MU按IEC 61850-9-1/2標(biāo)準(zhǔn)通信獲取上述數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的共享。由于母線保護(hù)對(duì)間隔之間的數(shù)據(jù)采集同步要求很高，因此在數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)時(shí)，要求全站數(shù)據(jù)采集同步信號(hào)來源于同一個(gè)時(shí)鐘源。目前2個(gè)變電站之間的一對(duì)光纖縱差保護(hù)采取的是以某個(gè)變電站光纖縱差保護(hù)的采集時(shí)鐘為主時(shí)鐘，另一個(gè)變電站光纖縱差保護(hù)調(diào)整自身的采集時(shí)鐘與主時(shí)鐘同步的方法。增加MU違背數(shù)據(jù)源共享原則，通過全球定位系統(tǒng)(GPS)實(shí)現(xiàn)變電站之間的數(shù)據(jù)采集同步，違背電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行規(guī)則。這就引出了本文所要論述的主要問題：如何實(shí)現(xiàn)變電站之間的數(shù)據(jù)采集同步?

四、光纖縱差保護(hù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題

(一)線路差動(dòng)保護(hù)同步

在數(shù)字化變電站中，母差保護(hù)和變壓器保護(hù)所采集的交流量均在一個(gè)變電站內(nèi)，在全站使用統(tǒng)一時(shí)鐘源時(shí)，各Mu采樣同步，不存在同步問題。對(duì)線路差動(dòng)保護(hù)，采集的電量為2個(gè)不同變電站的電流、電壓。在整個(gè)電力系統(tǒng)未使用同一時(shí)鐘源的前提下，線路差動(dòng)保護(hù)需實(shí)現(xiàn)變電站之間的數(shù)據(jù)采集同步。與傳統(tǒng)的線路差動(dòng)保護(hù)采樣同步不同，數(shù)字化變電站的交流量采集由Mu完成，不能實(shí)時(shí)調(diào)整采樣，這就需要對(duì)同步提出新的方案。

1、基于乒乓原理的時(shí)鐘信號(hào)同步

數(shù)字化變電站的線路差動(dòng)保護(hù)采用基于乒乓原理的時(shí)鐘信號(hào)同步的采樣同步調(diào)整方案

以M站差動(dòng)保護(hù)為例，當(dāng)裝置收到本站的同步信號(hào)SYNM時(shí)，在傳向N站的數(shù)據(jù)幀中增加“同步信號(hào)幀”;同時(shí)在收到N站傳過來的“同步信號(hào)幀”時(shí)，記錄下此時(shí)刻相對(duì)于本側(cè)同步時(shí)鐘的時(shí)差Tma，同時(shí)回發(fā)N側(cè)一幀“同步確認(rèn)幀”。“同步確認(rèn)幀”中包含Tma。N側(cè)裝置的收發(fā)過程與此相同。

M站差動(dòng)保護(hù)在收到從N站傳過來的“同步確認(rèn)幀”時(shí)，記錄下此時(shí)刻相對(duì)于本側(cè)同步時(shí)鐘的時(shí)差Tnb。經(jīng)過一個(gè)來回，M站保護(hù)裝置就知道了本側(cè)保護(hù)裝置與對(duì)側(cè)保護(hù)裝置的同步時(shí)鐘的時(shí)刻差△t=Tnb/2-Tma。同理，N站檢測到的本側(cè)保護(hù)裝置與對(duì)側(cè)保護(hù)裝置的同步時(shí)鐘的時(shí)刻差△t=Tmb/2-Tna。

△t有正負(fù)之分。當(dāng)△t為正時(shí)，表示本側(cè)同步時(shí)鐘超前對(duì)側(cè)同步時(shí)鐘：當(dāng)△t為負(fù)時(shí)，表示本側(cè)同步時(shí)鐘落后對(duì)側(cè)同步時(shí)鐘。

數(shù)字化變電站光纖分相縱差保護(hù)要求兩側(cè)Mu的采集頻率相同，假設(shè)Mu發(fā)送數(shù)據(jù)幀的頻率為fs，計(jì)算出△t后，可計(jì)算出兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)裝置對(duì)點(diǎn)的間隔Nd，Nd=round(fS△t)

式中：round函數(shù)是將實(shí)數(shù)取整，余數(shù)四舍五入。

當(dāng)△t為正時(shí)，將本側(cè)的采樣值后移Nd點(diǎn)與對(duì)側(cè)同步;當(dāng)△t為負(fù)時(shí)，將本側(cè)的采樣值前移Nd點(diǎn)與對(duì)側(cè)同步。

采用此種同步方式，兩側(cè)同步后理論上存在的最大相位差δ=ω/(2fS)，其中，ω為系統(tǒng)角頻率。

2、相位差分析

數(shù)字化變電站的光纖差動(dòng)保護(hù)采用時(shí)鐘信號(hào)同步后，兩側(cè)裝置的同步時(shí)差td可表示為：

td=δ+ts

式中：δ為基于乒乓原理的時(shí)鐘同步后兩側(cè)角差。

由于電子式互感器的數(shù)據(jù)采集頻率fs比較高，采用時(shí)鐘信號(hào)同步后的線路差動(dòng)保護(hù)的同步角差與fs相關(guān)，成反比關(guān)系。以每周期40點(diǎn)(fS=2000Hz)采樣為例，同步后的角差6≤4.5°。

ts為兩側(cè)Mu的采樣相對(duì)于各自全站統(tǒng)一時(shí)鐘源的時(shí)間差。目前，Mu的運(yùn)算速度快，兩側(cè)不一致的時(shí)間差小，一般在10μs以下。

采樣報(bào)文從Mu經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳輸?shù)奖Ｗo(hù)裝置，這個(gè)時(shí)間在同步報(bào)文中考慮，不影響同步后的時(shí)差。

綜合分析，從一次電氣量到保護(hù)計(jì)算整個(gè)環(huán)節(jié)，基于乒乓原理的時(shí)鐘信號(hào)同步后對(duì)點(diǎn)造成的角差δ為兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)不完全同步的主要因素，tS的影響小。傳統(tǒng)的電磁型保護(hù)用電流互感器，由于勵(lì)磁電流的存在，導(dǎo)致二次電流相對(duì)于一次電流有角差。繼電保護(hù)“四統(tǒng)一”規(guī)定，線路兩側(cè)電流互感器傳變的角差誤差最大考慮7°?；诹_氏線圈原理的電子式電流互感器，由于沒有鐵芯，沒有勵(lì)磁電流，理論上二次電流傳變沒有角差，也不存在飽和。因此，數(shù)字化變電站線路兩側(cè)電流互感器傳變無角差，基于同步形成的時(shí)差td對(duì)差動(dòng)保護(hù)影響小，可以不用考慮其對(duì)差動(dòng)的影響。

(二)線路縱差保護(hù)的性能

數(shù)字化變電站的線路差動(dòng)保護(hù)相對(duì)于傳統(tǒng)的光纖差動(dòng)保護(hù)而言具有很多優(yōu)點(diǎn)，限于篇幅，對(duì)其中的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一一例舉。

1、應(yīng)用電子式互感器的線路差動(dòng)保護(hù)因無飽和，區(qū)外故障時(shí)，穿越性電流引起的不平衡電流小(需考慮同步后的角差6引起的不平衡電流)，不會(huì)出現(xiàn)區(qū)外故障誤動(dòng)，提高了差動(dòng)保護(hù)的可靠性。

2、應(yīng)用電子式互感器的線路差動(dòng)保護(hù)整定的差流門檻低，制動(dòng)系數(shù)取值小，提高了差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。

3、電子式互感器不飽和，線性度好。除采用傳統(tǒng)的相量差動(dòng)外，應(yīng)用采樣值差動(dòng)，相關(guān)差動(dòng)可提高差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作速度。

(三)開入開出處理

數(shù)字化變電站的光纖縱差保護(hù)，開入量來源分為3類，包括：

1、投退型壓板開入，包括差動(dòng)保護(hù)投退、距離保護(hù)投退以及閉鎖重合閘等。此類開入直接從保護(hù)屏柜獲得，采用開入量采集獲得。

2、開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，包括分相的TWJ(跳位機(jī))、斷路器合閘壓力低等。此類開入量信息由智能操作箱(或智能斷路器)采集。光纖縱差保護(hù)通過過程層間隔局域網(wǎng)與智能操作箱/斷路器通信，通信協(xié)議為IEC61850-8-1標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE協(xié)議，獲得斷路器的運(yùn)行狀態(tài)。

3、屏柜間的閉鎖信號(hào)，包括遠(yuǎn)傳和遠(yuǎn)跳信息。母差保護(hù)動(dòng)作，啟動(dòng)操作箱的TJR(不啟動(dòng)重合閘的三相跳閘)，TJR去啟動(dòng)遠(yuǎn)跳。數(shù)字化變電站中，母差的動(dòng)作信號(hào)可通過智能操作箱發(fā)給線路保護(hù)，也可由母差保護(hù)直接傳給線路保護(hù)，這2種方式理論上均可實(shí)現(xiàn)。

(四)與其他設(shè)備配合

與光纖縱差保護(hù)配合的其他設(shè)各包括智能操作箱、母差保護(hù)以及穩(wěn)定控制裝置等。光纖縱差保護(hù)通過過程層間隔局域網(wǎng)與智能操作箱/斷路器通信，通信協(xié)議為IEC61850-8-1標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE協(xié)議。智能操作箱/斷路器采集和多播上述重要的保護(hù)信號(hào)。光纖縱差保護(hù)將跳閘命令多播至相關(guān)智能操作箱/斷路器，并將閉鎖命令多播至其他相關(guān)保護(hù)。