光纖保護在京津唐電網中的應用研究

引言

　　當前，我國電力工業發展很快，區域型大電網已初見規模，將來還要實現全國聯網。電網結構越來越強，不同地區之間的聯系越來越緊密。在這種形勢下，對繼電保護的要求也越來越高，而且側重于動作的可信賴性。要求系統發生故障時，必須快速切除，決不能發生繼電保護拒動的事故。這樣全線速動的縱聯保護對高壓電網的穩定運行起到尤為重要的作用，它也是保證電網穩定的一道防線。

　　高壓線路縱聯保護主要是依賴于通道，使線路兩端的保護裝置進行故障信息的交換，進而判別出是本線故障，還是區外故障。從而使兩端的保護裝置：在區外故障時，不動作；在區內故障時，快速動作，切除故障。在華北網運行的縱聯保護根據使用信號的方式，主要分為下面幾類：（1）閉鎖式保護（2）允許式保護（3）遠方跳閘保護（4）電流差動保護

　　以上保護的通道類型主要有：專用載波（專用收發信機）、復用載波、復用微波、專用光纖、復用光纖等方式。其中，專用載波保護運行情況不是很理想，反映在抗誤動能力較差，在運行中多次發生因收信間斷而造成的保護誤動事故。復用載波保護情況稍好，但也存在抗干擾能力差的問題。在華北電網，縱聯保護較早的采用了微波作為傳輸介質，尤其是500KV系統保護。最大的特點是：一次系統的故障與微波通信通道發生故障兩者之間幾乎沒有相關性，在系統故障時，這就為繼電保護提供了良好的通道條件。但微波通道也存在一些問題，如：易發生衰落，造成通道中斷。中間轉接環節較多，其間若有一個中繼站有問題，則要停保護，而且有可能要停數條線路的保護。

　　隨著通信技術的發展，在縱聯保護通道的使用上，已經由原來的單一的載波通道變為現在的載波、微波、光纖等多種通道方式。由于光纖通道所具有的先天優勢，使它與繼電保護的結合，在電網中會得到越來越廣泛的應用。

　　1 光纖通道作為縱聯保護通道的優勢

　　光纖通道首先在通信技術中得到廣泛的應用，它是基于用光導纖維作為傳輸介質的一種通信手段。光纖通道相對于其他傳統通道（如：電纜、微波等）具有如下特點：

　　（1） 傳輸質量高，誤碼率低，一般在10-10以下。這種特點使得光纖通道很容易滿足繼電保護對通道所要求的“透明度”。即發端保護裝置發送的信息，經通道傳輸后到達收端，使收端保護裝置所看到的信息與發端原始發送信息完全一致，沒有增加或減少任何細節。

　　（2） 光的頻率高，所以頻帶寬，傳輸的信息量大。這樣可以使線路兩端保護裝置盡可能多的交換信息，從而可以大大加強繼電保護動作的正確性和可靠性。

　　（3） 抗干擾能力強。由于光信號的特點，可以有效的防止雷電、系統故障時產生的電磁方面的干擾，因此，光纖通道最適合應用于繼電保護通道。

　　以上光纖通道的三個特點，是繼電保護所采用的常規通道形式所無法比擬的。在通道選擇上應為首選。但是由于光纜的特點，抗外力破壞能力較差，當采用直埋或空中架設時，易于受到外力破壞，造成機械損傷。若采用OPGW，則可以有效的防止類似事件的發生。

　　2 光纖通道與繼電保護配合的幾種方式

　　目前，縱聯保護采用光纖通道的方式，得到了越來越廣泛的應用，在現場運行設備中，主要有以下幾種方式：

　　（1）專用光纖保護：

　　光纖與縱聯保護（如：WXB-11C、LFP-901A）配合構成專用光纖縱聯保護。采用允許式，在光纖通道上傳輸允許信號和直跳信號。此種方式，需要專用光纖接口（如：FOX-40），使用單獨的專用光芯。優點是：避免了與其他裝置的聯系（包括通信專業的設備），減少了信號的傳輸環節，增加了使用的可靠性。缺點是：光芯利用率降低（與復用比較），保護人員維護通道設備沒有優勢。而且，在帶路操作時，需進行本路保護與帶路保護光芯的切換，操作不便，而且光接頭經多次的拔插，易造成損壞。

　　（2）復用光纖保護：

　　光纖與縱聯保護（如：7SL32、WXH-11、CSL101、WXH-11C保護）配合構成復用光纖縱聯保護。采用允許式，保護裝置發出的允許信號和直跳信號需要經音頻接口傳送給復用設備，然后經復用設備上光纖通道。優點是：接線簡單，利于運行維護。帶路進行電信號切換，利于實施。提高了光芯的利用率。缺點是：中間環節增加，而且帶路切換設備在通信室，不利于運行人員巡視檢查，通信設備有問題要影響保護裝置的運行。

　　（3）光纖縱聯電流差動保護：

　　光纖通道的大容量、較高的抗干擾能力，為縱聯電流差動的應用提供了可能。首先得到應用的是模擬式的光纖縱聯電流差動，當前已很少采用。隨著大規模集成電路的應用，數字式電流差動廣泛應用開來。目前，在華北網運行的縱聯電流差動保護有：REL-561（ABB）、LFCB-102（GEC）、MCD（三菱）、LFP-943（南瑞）、7SD511（西門子）等保護裝置。采用的通道方式有復用光纖方式和專用光纖方式。

　　因專用（或復用）光纖保護主要的區別就是通道形式不一樣，但構成縱聯的原理與常規保護沒有區別，所以，不再進一步分析。鑒于光纖縱聯電流差動保護原理簡單，應用前景廣泛，對通道依賴性強，下面主要對縱聯電流差動保護的應用進行分析、討論。

　　3 光纖縱聯電流差動保護應用中應注意的幾個問題

　　電流差動原理的保護是較為簡單的，也是最為有效的保護方式。通過計算線路兩側電流的差值的有無，從而判別區內或區外故障。

　　區外故障時：故障電流為穿越性電流，兩側電流的差值為零。

　　區內故障時：故障電流由線路兩側向故障點流，兩側電流差值為兩側故障電流的和。

　　在實際應用中，220KV以上系統保護多要求采用分相電流差動保護方式，，它是把本側的三相電流采樣值傳送到對側，進行同步比較，從而計算出電流差值，，經一定邏輯后，做出跳閘與否的選擇。在動作特性上，均采用比例制動原理，只是各家的制動特性不一樣，有兩段式，也有三段式。各廠家在內部算法上也各有千秋，在此不做詳細的分析，本文從運行角度對實際運行中存在的一些問題進行分析。

　　1、保護之間的連接問題：

　　縱聯電流差動保護與通信設備的連接有自身的特點，與常規保護不一樣。常規保護傳輸的允許信號、直跳信號可以說是傳輸的是命令，是開關量（或0或1）。而縱聯電流差動保護傳輸的主要是數字量（也含開關量），它是把本側的三相電流采樣值（分相式差動）傳送到對側，進行同步比較，從而計算出電流差值，經一定邏輯后，做出跳閘與否的選擇。針對這個特點，縱聯電流差動保護必須采用特殊的連接方式與設備，才能達到目的。通常，有以下幾種連接方式：

　　（1）直接相連方式：

　　A：保護裝置具有光接口，保護與保護之間通過光纖直接相連。此種方式可靠性高。當采用850nm波長的光纖設備與多模光纖配合使用時，具有經濟性好，且易于實現的特點。但由于光纖衰耗偏大（相對1300nm波長），傳輸距離一般不超過10KM，所以在幾公里的短線路上經常采用。

　　B： 在保護裝置之間，通過雙絞線或同軸電纜，依照G703同向接口協議，進行電接口直接相連的方式。要求保護具有電接口，但這種方式抗干擾能力差，而且數字量不宜進行長距離的傳輸。所以，一般不使用這種方式。

　　（2）復用方式：

　　A：保護裝置電接口通過雙絞線或同軸電纜，與通信PCM設備64kbps接口直接相連，然后上通道進行傳輸。在現場，通常保護室與通信室較遠，而且數字信號直接在電纜中傳輸極易受干擾，所以，這種方式很少采用。

　　B：保護裝置光接口通過光纖與光電轉換設備相連，然后光電轉換設備與通信PCM復用設備64kbps接口依照G703協議，進行連接。由于光信號抗干擾能力強，可以用于變電站內保護室和通信室之間的連接。而且帶路時可以很方便的進行電信號的切換。所以，這種方式被廣泛的采用。

　　2：同步問題：

　　在復用接口與通信設備連接時，大部分接口均支持G703同向方式（也有些設備要求提供反向接口）。為了滿足64kbps數據通道收發數據同步復接的要求，必須采用主從時鐘方式。否則，將因時鐘不同步，造成滑碼的出現，保護裝置反映出的就是CRC校驗碼告警。在某些保護裝置中，對接口沒有做出要求，但時鐘必須設為主從方式，因為兩端保護裝置在計算差流時，必須保證同步，否則，對差流的計算就會造成誤差。

　　有一些縱聯電流差動保護內部，有多種通道連接方式選擇，如：光纖直聯方式、經光電轉換進64kbps接口等方式。這些方式均需采用跳線進行切換，否則，也會造成兩側保護計算差流的不同步。在實際運行中，曾發生過這種情況：維護人員更換備用插件時，由于未對跳線進行核對，造成保護裝置CRC校驗誤碼增加，有時達到告警定值。這也是由于數據不同步造成的。

　　縱聯電流差動保護涉及通道設備、通信方式較多，現在運行中的有專用光纖保護、復用光纖保護、復用微波保護，這些保護與通常的只傳輸命令信號的允許式復用、專用保護要求不一樣。它要對通道的方式做出一些要求，比如：要對光纖直聯還是經光電轉換連接上光纖或微波、通信主設備的同步方式、誤碼率等指標進行規定。正是由于在通道上的技術環節較多，造成保護裝置通道告警后（有時是瞬時的），不容易分辨是保護的問題，還是通信的問題。所以，對現場維護人員來說，要把繼電保護工作做好，就要加強保護專業與通信專業之間的溝通。

　　3：CT飽和問題：

　　在差動保護設計中，CT飽和問題是必須考慮的一個問題。對于通常的220KV雙母線系統，在發生區外故障時，由于線路兩端CT特性不一致，有可能在保護裝置內部產生差流，由于整定值小于額定電流，有可能造成保護誤動。這個問題在一般的保護裝置中靠比例制動原理已經得到解決。但是在500KV系統，一次系統多采用一個半接線（如圖），當K1點發生短路時，流過5012的電流有兩部分，一部分為1母線通過5011開關提供的IA，另一部分為對側通過線路提供的IB。此時，在IA和IB的作用下，5012CT有可能嚴重飽和，一般的電流輸入方式下，是5011CT與5012CT合并后進入A端保護裝置，此時，將使輸入到A端保護中的電流與一次值有較大誤差，在兩側保護裝置中形成差流。而且A側保護中制動電流是|IA-IB|，此值可能不是很大，造成制動電流不夠，極有可能使差動保護誤動出口。


　　針對CT飽和，不同的廠家采用不同應對策略。有采用CT飽和檢測器以提高制動特性的的、有采用自適應制動特性的等各種方法，但這些方法均影響了保護動作的靈敏度。較為有效的方法就是線路每側采用兩組CT繞組，進入保護裝置進行制動（用最大電流進行制動）。這樣可以在不影響原保護靈敏度的前提下,提高保護在區外故障且CT飽和時,保護抗誤動的能力。

　　4：CT斷線的判別：

　　對于電流縱差保護來說，CT斷線的判別是很重要的一個功能，若處理不當，就有可能造成保護誤動。現運行的所有縱差保護中，有如下幾種方式：一種是引入另一個CT或同一CT的不同繞組，與本身CT進行比較（如：零序電流），若不一致則為CT斷線，閉鎖保護；若一致則為系統故障，開放保護。另一種是利用通道，交換線路兩側的零序電流情況，判別方法同上。還有利用檢測電壓變化率或零序電壓來閉鎖保護的。以上幾種方式，我們感覺利用通道比較兩端的零序電流的方式比較好，它充分利用了光纖通道的優勢，又減少了外部的接線，簡化了裝置。對于采用電壓變化量來閉鎖、開放保護的方式，我們認為不可取，因為造成電壓波動的因素太多，如：投切電抗器、電容器，發電機調整無功等，而且高阻接地時，電壓的變化量并不是很大，最大問題是躲過渡電阻能力大大下降。所以，國產保護中，還沒有用電壓變化量來開放保護的方式。

　　5：電容電流補償問題：

　　目前，在500KV超高壓電網中，縱聯電流差動應用比較廣泛。針對超高壓、長距離輸電線路，電容電流的影響不能不考慮進去。現在進口保護普遍的做法是在定值項中，對電容值（或充電電流）進行設定。但是作為限制一次過電壓的一種手段，500KV線路普遍裝設了高壓電抗器對線路電容進行一定的補償。但是，當電抗器因故退出運行時，此時保護內預設的充電電流值，就失去了意義，并且影響了保護的動作性能。現場必須重新進行定值的整定，給運行帶來不便。是否可以采用一個開入量（如：高壓電抗器的刀閘輔助接點），來控制此項定值的切換。這樣，運行方式切換起來就較為方便。

　　6：光纜與保護配合問題

　　根據京津唐電網調度規程：線路不允許無縱聯保護運行。即：當兩套縱聯保護因故退出時，要把線路拉開。因此，在光纖與縱聯保護的配合上，不允許同一線路的兩套縱聯保護使用一條光纜。防止因光纜出現問題，造成運行線路停運。對于雙回線路，允許每條線路的其中一套可以共用一條光纜，而另一套則必須走其他光纜或通道。

　　目前，在光纖保護的應用中存在的主要問題是：（1）光纖設備及光纜造價較高，這成為制約光纖保護應用的主要障礙。但隨著光纜的廣泛應用及制造廠家規模的擴大，成本必然會逐漸降低。（2）目前，縱聯電流差動保護國產化程度不高，制造廠家主要是國外廠家，如：ABB、三菱、西門子、GEC等。但是國產保護（如：南瑞LFP-943）也有投入運行的業績。但在超高壓線路上還沒有得到應用。但隨著國產保護制造業的技術進步，國產光纖縱聯電流差動保護會得到越來越廣泛的應用。

　　4小結

　　隨著通信技術的發展，繼電保護可以選擇的通道類型越來越多。當前，光纖網絡的形成，就為繼電保護采用高性能的通道提供了硬件基礎。但如何有效的利用它，使它為繼電保護更好的服務，這也不是很容易做到的。這需要工程設計、運行、維護、通信、保護各專業之間的協調、溝通。總之，光纖通道在以后繼電保護中的應用會越來越廣泛，還會有許多新問題有待于我們去解決。