淺談基于光纖結合載波方式的縱聯距離保護

鄭 偉 王 麗

（1.南京國電南自自動化有限公司，江蘇 南京210032；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京210032）

0 引言

當線路發生故障時，為了有選擇性地快速切除全線故障，需要將線路一側電氣量的信息傳輸到另一側去，即在線路兩側之間發生縱向的聯系。線路縱聯保護是使兩側開關同時快速跳閘的一種保護裝置，是線路的主保護。它以線路兩側判別量的特定關系作為判據。即兩側均將判別量借助通道傳送到對側，然后，兩側分別按照對側與本側判別量之間的關系來判別區內故障或區外故障。因此，判別量和通道是縱聯保護裝置的主要組成部分。

為了交換信息，需要利用通道。按照傳輸介質的不同，縱聯距離保護可以分為光纖縱聯距離保護和載波縱聯距離保護。前者采用光纖通道傳輸信號，具有抗電磁干擾能力強、傳輸容量大、頻帶寬、傳輸衰耗小、資源豐富等優點；后者采用載波通道傳輸信號，載波通道具有無中繼通信距離長、施工簡單的優點，但同時因為載波通道直接通過高壓線路傳送高頻電流，容易受到線路電暈、短路、過電壓以及開關操作的干擾，因此容易造成保護拒動或誤動。相比之下光纖通道沒有易受干擾的架空線路設備，線路故障對光纖通道干擾較小，可靠性大大高于載波通道，所以目前新上的縱聯保護大都采用光纖通信的方式。隨著電力系統對繼電保護可靠性和穩定性的要求越來越高，縱聯保護光纖通道配置也由最初的1個增加到2個，雙通道應用增加了線路保護運行的靈活性和安全性。在光纖通道縱聯距離保護基礎上增加載波通道的配置方式目前在國內尚不多見，本文對其保護邏輯思想以及實際應用中出現的問題加以說明。

1 光纖縱聯保護與載波縱聯保護相關邏輯

光纖結合載波方式的縱聯距離保護，是在單光纖通道縱聯距離保護基礎上增加一個載波通道的縱聯距離保護。光纖縱聯保護和載波縱聯保護邏輯獨立，出口也獨立。光纖縱聯保護滿足動作條件后直接跳閘出口，載波縱聯保護在動作的時候需要進行一些額外的判別以決定是否跳閘出口，這區別于傳統縱聯距離保護邏輯，主要是載波縱聯距離保護可靠性相對差些。載波縱聯保護允許出口的邏輯如圖1所示。

從圖1可以看出，“光纖通道優先”控制字退出時，載波縱聯保護不受光纖縱聯保護的影響，滿足動作條件后，直接跳閘出口；“光纖通道優先”控制字投入時，若光纖通道異?；蚬饫w縱聯保護壓板退出，此時載波縱聯保護動作后可直接跳閘出口，否則載波縱聯保護動作后僅發報文，不跳閘出口。

圖1 載波縱聯保護跳閘出口邏輯

2 遠傳與通道告警邏輯

2.1 光纖通道遠傳與載波通道遠傳相關邏輯

過電壓及遠跳保護裝置收信有2種方案：（1）過電壓及遠跳保護裝置設計2套通道接口，分別與縱聯距離保護和載波機接口，由過電壓及遠跳保護裝置完成遠傳信號合成。（2）過電壓及遠跳保護裝置采用1套通道接口，由縱聯距離保護完成光纖與載波機接口，縱聯距離保護再與過電壓及遠跳保護裝置接口，由縱聯距離保護完成遠傳信號合成，目前華東采用方案2，方案2只有縱聯保護重新設計，方案1縱聯保護和過電壓及遠跳保護都需要重新設計，故采用方案1經濟成本和時間成本都不劃算。但方案2也并非完美，其線路保護與過電壓及遠跳保護的回路設計過于復雜。下面就將華東電網采用的方案介紹如下：光纖結合載波方式的縱聯距離保護遠傳邏輯在光纖通道遠傳的基礎上增加了1個載波通道遠傳邏輯，如圖2所示。

圖2 光纖通道遠傳和載波通道遠傳邏輯

圖2中M側、N側載波縱聯出口有效是指：當“光纖通道優先”控制字投入時，載波收遠傳需要在光纖縱聯保護退出或光纖通道異常時才能輸出。當“光纖通道優先”控制字退出時，載波收遠傳才可直接輸出。載波收遠傳受載波縱聯有效壓板控制，光纖收遠傳受光纖縱聯有效壓板控制。

光纖縱聯距離和載波縱聯距離共用遠傳1和遠傳2兩副接點，遠傳1和遠傳2接點接收到斷路器保護的失靈開入時，光纖通道直接將遠傳信息打包傳給對側縱聯保護，而載波通道則開出載波發遠傳1和載波發遠傳2接點到本側載波機，本側載波機發信息到對側載波機，對側載波機再開出接點到縱聯保護載波收遠傳1和載波收遠傳2開入。當光纖通道收遠傳或載波通道收遠傳開入動作時，開出遠傳1和遠傳2到過電壓及遠跳保護遠跳開入。

2.2 通道告警邏輯

光纖結合載波方式的縱聯距離保護輸出“光纖通道異?！?、“載波收遠傳通道故障”、“縱聯通道告警”3種通道告警信息。

“光纖通道異?！睘楣饫w通道異常信號。

“載波收遠傳通道故障”為載波通道故障，包含載波機故障時載波機給縱聯距離保護的開入信號。

“縱聯通道告警”表示載波收遠傳通道和光纖通道均異常，即整個遠傳通道不可用，用于啟動過電壓及遠跳保護裝置的通道告警。

3 串補功能邏輯

3.1 距離保護

加入串補電容可以縮小故障回路的測量阻抗，但可能導致區外故障時距離保護超越動作，這是距離保護應用于串補線路中存在的最大問題。采用故障點位置識別功能并輔以電平檢測方案來解決上述問題。

（1）距離Ⅰ段故障點位置識別方案，國內普遍采用串補電容安裝于線路一端的運行方式，如圖3所示，故障后保護首先判別故障點相對于串補電容的位置，若故障點在串補電容前，距離保護動作行為完全由阻抗繼電器決定，若不能明確判別故障點在串補電容前，則綜合電平檢測條件決定保護動作行為。

圖3 串補輸電線路模型

故障點位置識別的基本思想是采用實時計算的電容前線路電壓和保護安裝處電壓進行相位比較。電容前故障時電壓相位差在180°左右，電容后故障電壓相位差一般較小，據此判別故障點相對于串補電容的位置。

（2）電平檢測方案。電平檢測條件如下式所示，若滿足則開放該回路的阻抗元件。

式中，I為故障回路電流；ZZD為距離Ⅰ段整定阻抗；ZCL為測量的故障回路阻抗；UMOV為整定的距離動作電壓值（MOV拐點電壓定值）。

距離Ⅰ段動作邏輯如圖4所示，其中Len＝0表示電容距本側位置定值為0。

圖4 距離Ⅰ段動作邏輯

3.2 縱聯保護

縱聯距離保護基本不受串補電容的影響，縱聯零序方向保護在靠近補償電容側可能受電容影響誤判方向，具體情況因故障位置和PT安裝位置而異。串補線路內部發生接地故障，其零序回路示意圖如圖5所示，m側保護零序方向不受串補電容影響，此處僅分析n側保護情況。

圖5 串補線路接地故障零序回路示意圖

（1）PT在母線與電容之間（PT2）時，零序方向繼電器不會誤判方向。

（2）PT在線路與電容之間（PT1）時，反向故障時不會誤判方向，正向故障時零序電流和零序電壓之間的關系為其中Xn0為n側系統等效零序電抗，假設零序阻抗為純電抗，當Xn0＜XC時即出現所謂的電流反向問題，零序電流將滯后零序電壓90°，造成零序正方向繼電器拒動。

串補線路保護對于零序電流反向的解決方案主要有2種：

（1）縱聯阻抗方向元件優先。為了防止零序方向元件在正方向故障后發生電流反向時零序正方向元件拒動，在方向元件的配置上采用了縱聯阻抗方向元件優先的方法。

（2）采用零序電壓補償的方法。通常情況下，采取阻抗方向元件優先的方法已經可以防止保護拒動，但在高阻接地造成阻抗方向繼電器靈敏度不足的時候，保護可能拒動，為此，在新的方案中增加零序電壓補償的方法，零序方向繼電器判據改為其中XFX.0不需要單獨整定，自動取為XFX.0＝XC。

4 現場實際應用說明

華東電網對500kV線路保護及遠跳保護的通道配置要求是雙通道，但不允許采用雙高頻通道，主要是為了防止高頻通道受到干擾造成保護拒動或誤動，可是目前網內有一部分運行線路保護通道配置不滿足該要求。為了滿足雙通道配置這一要求，華東電網和保護廠家以及相關設計試驗單位共同商討后決定在單光纖通道縱聯距離保護基礎上增加1個載波通道。500kV堡任5231線采用國電南自PSL602UN和南瑞繼保PCS902 2套光纖結合載波方式的縱聯距離保護，取代ALPS 2套高頻保護。保護采用允許式發信，載波機為西門子載波機，通道方式為載波通道和復用光纖通道，線路距離較短沒有高抗，未投過電壓保護。

基于此配置方式的縱聯保護主要保護功能較傳統縱聯距離保護得到了優化，同時解決了原有的2個主要問題：

（1）載波通道故障時不點亮保護裝置面板的通道故障燈，給運行巡視帶來不便。

（2）過電壓及遠跳裝置動作后閉鎖中開關和邊開關的重合閘，若同時啟動斷路器保護的失靈保護，會使兩側保護不停地相互啟動，陷入死循環。

5 結語

光纖結合載波方式的縱聯距離保護是一種全新的保護，保護邏輯和回路設計也比傳統縱聯距離保護復雜，其設計思想來源于華東電網，保護本身不具有典型性，硬件設計上也存在一些瑕疵，但是其開發思想還是有一定的借鑒意義，不僅滿足了老線路保護改造的要求，而且由于有光纖通道優先的設計思想，可以有效控制載波縱聯距離保護拒動或誤動對系統的影響，當光纖通道中斷（比如極端惡劣天氣下避雷線被壓斷），載波縱聯距離保護依然可以正常運行，大大提高了線路運行的可靠性和穩定性，值得向全國推廣。

［1］江蘇省電力公司.電力系統繼電保護原理與實用技術［M］.北京：中國電力出版社，2006

［2］張輝，錢怡.淺析110kV線路保護的配置及原理［J］.機電信息，2013（6）

［3］趙安國，劉巍，彭和平，等.用于串聯補償線路的縱聯距離保護改進方案［J］.電力系統自動化，2012（24）

［4］賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理［M］.第3版.北京：中國電力出版社，1994