光纤保护在京津唐电网中的应用研究

引言

　　当前，我国电力工业发展很快，区域型大电网已初见规模，将来还要实现全国联网。电网结构越来越强，不同地区之间的联系越来越紧密。在这种形势下，对继电保护的要求也越来越高，而且侧重于动作的可信赖性。要求系统发生故障时，必须快速切除，决不能发生继电保护拒动的事故。这样全线速动的纵联保护对高压电网的稳定运行起到尤为重要的作用，它也是保证电网稳定的一道防线。

　　高压线路纵联保护主要是依赖于通道，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。从而使两端的保护装置：在区外故障时，不动作；在区内故障时，快速动作，切除故障。在华北网运行的纵联保护根据使用信号的方式，主要分为下面几类：（1）闭锁式保护（2）允许式保护（3）远方跳闸保护（4）电流差动保护

　　以上保护的通道类型主要有：专用载波（专用收发信机）、复用载波、复用微波、专用光纤、复用光纤等方式。其中，专用载波保护运行情况不是很理想，反映在抗误动能力较差，在运行中多次发生因收信间断而造成的保护误动事故。复用载波保护情况稍好，但也存在抗干扰能力差的问题。在华北电网，纵联保护较早的采用了微波作为传输介质，尤其是500KV系统保护。最大的特点是：一次系统的故障与微波通信通道发生故障两者之间几乎没有相关性，在系统故障时，这就为继电保护提供了良好的通道条件。但微波通道也存在一些问题，如：易发生衰落，造成通道中断。中间转接环节较多，其间若有一个中继站有问题，则要停保护，而且有可能要停数条线路的保护。

　　随着通信技术的发展，在纵联保护通道的使用上，已经由原来的单一的载波通道变为现在的载波、微波、光纤等多种通道方式。由于光纤通道所具有的先天优势，使它与继电保护的结合，在电网中会得到越来越广泛的应用。

　　1 光纤通道作为纵联保护通道的优势

　　光纤通道首先在通信技术中得到广泛的应用，它是基于用光导纤维作为传输介质的一种通信手段。光纤通道相对于其他传统通道（如：电缆、微波等）具有如下特点：

　　（1） 传输质量高，误码率低，一般在10-10以下。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，使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。

　　（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的交换信息，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，可以有效的防止雷电、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常规通道形式所无法比拟的。在通道选择上应为首选。但是由于光缆的特点，抗外力破坏能力较差，当采用直埋或空中架设时，易于受到外力破坏，造成机械损伤。若采用OPGW，则可以有效的防止类似事件的发生。

　　2 光纤通道与继电保护配合的几种方式

　　目前，纵联保护采用光纤通道的方式，得到了越来越广泛的应用，在现场运行设备中，主要有以下几种方式：

　　（1）专用光纤保护：

　　光纤与纵联保护（如：WXB-11C、LFP-901A）配合构成专用光纤纵联保护。采用允许式，在光纤通道上传输允许信号和直跳信号。此种方式，需要专用光纤接口（如：FOX-40），使用单独的专用光芯。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），保护人员维护通道设备没有优势。而且，在带路操作时，需进行本路保护与带路保护光芯的切换，操作不便，而且光接头经多次的拔插，易造成损坏。

　　（2）复用光纤保护：

　　光纤与纵联保护（如：7SL32、WXH-11、CSL101、WXH-11C保护）配合构成复用光纤纵联保护。采用允许式，保护装置发出的允许信号和直跳信号需要经音频接口传送给复用设备，然后经复用设备上光纤通道。优点是：接线简单，利于运行维护。带路进行电信号切换，利于实施。提高了光芯的利用率。缺点是：中间环节增加，而且带路切换设备在通信室，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。

　　（3）光纤纵联电流差动保护：

　　光纤通道的大容量、较高的抗干扰能力，为纵联电流差动的应用提供了可能。首先得到应用的是模拟式的光纤纵联电流差动，当前已很少采用。随着大规模集成电路的应用，数字式电流差动广泛应用开来。目前，在华北网运行的纵联电流差动保护有：REL-561（ABB）、LFCB-102（GEC）、MCD（三菱）、LFP-943（南瑞）、7SD511（西门子）等保护装置。采用的通道方式有复用光纤方式和专用光纤方式。

　　因专用（或复用）光纤保护主要的区别就是通道形式不一样，但构成纵联的原理与常规保护没有区别，所以，不再进一步分析。鉴于光纤纵联电流差动保护原理简单，应用前景广泛，对通道依赖性强，下面主要对纵联电流差动保护的应用进行分析、讨论。

　　3 光纤纵联电流差动保护应用中应注意的几个问题

　　电流差动原理的保护是较为简单的，也是最为有效的保护方式。通过计算线路两侧电流的差值的有无，从而判别区内或区外故障。

　　区外故障时：故障电流为穿越性电流，两侧电流的差值为零。

　　区内故障时：故障电流由线路两侧向故障点流，两侧电流差值为两侧故障电流的和。

　　在实际应用中，220KV以上系统保护多要求采用分相电流差动保护方式，，它是把本侧的三相电流采样值传送到对侧，进行同步比较，从而计算出电流差值，，经一定逻辑后，做出跳闸与否的选择。在动作特性上，均采用比例制动原理，只是各家的制动特性不一样，有两段式，也有三段式。各厂家在内部算法上也各有千秋，在此不做详细的分析，本文从运行角度对实际运行中存在的一些问题进行分析。

　　1、保护之间的连接问题：

　　纵联电流差动保护与通信设备的连接有自身的特点，与常规保护不一样。常规保护传输的允许信号、直跳信号可以说是传输的是命令，是开关量（或0或1）。而纵联电流差动保护传输的主要是数字量（也含开关量），它是把本侧的三相电流采样值（分相式差动）传送到对侧，进行同步比较，从而计算出电流差值，经一定逻辑后，做出跳闸与否的选择。针对这个特点，纵联电流差动保护必须采用特殊的连接方式与设备，才能达到目的。通常，有以下几种连接方式：

　　（1）直接相连方式：

　　A：保护装置具有光接口，保护与保护之间通过光纤直接相连。此种方式可靠性高。当采用850nm波长的光纤设备与多模光纤配合使用时，具有经济性好，且易于实现的特点。但由于光纤衰耗偏大（相对1300nm波长），传输距离一般不超过10KM，所以在几公里的短线路上经常采用。

　　B： 在保护装置之间，通过双绞线或同轴电缆，依照G703同向接口协议，进行电接口直接相连的方式。要求保护具有电接口，但这种方式抗干扰能力差，而且数字量不宜进行长距离的传输。所以，一般不使用这种方式。

　　（2）复用方式：

　　A：保护装置电接口通过双绞线或同轴电缆，与通信PCM设备64kbps接口直接相连，然后上通道进行传输。在现场，通常保护室与通信室较远，而且数字信号直接在电缆中传输极易受干扰，所以，这种方式很少采用。

　　B：保护装置光接口通过光纤与光电转换设备相连，然后光电转换设备与通信PCM复用设备64kbps接口依照G703协议，进行连接。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。而且带路时可以很方便的进行电信号的切换。所以，这种方式被广泛的采用。

　　2：同步问题：

　　在复用接口与通信设备连接时，大部分接口均支持G703同向方式（也有些设备要求提供反向接口）。为了满足64kbps数据通道收发数据同步复接的要求，必须采用主从时钟方式。否则，将因时钟不同步，造成滑码的出现，保护装置反映出的就是CRC校验码告警。在某些保护装置中，对接口没有做出要求，但时钟必须设为主从方式，因为两端保护装置在计算差流时，必须保证同步，否则，对差流的计算就会造成误差。

　　有一些纵联电流差动保护内部，有多种通道连接方式选择，如：光纤直联方式、经光电转换进64kbps接口等方式。这些方式均需采用跳线进行切换，否则，也会造成两侧保护计算差流的不同步。在实际运行中，曾发生过这种情况：维护人员更换备用插件时，由于未对跳线进行核对，造成保护装置CRC校验误码增加，有时达到告警定值。这也是由于数据不同步造成的。

　　纵联电流差动保护涉及通道设备、通信方式较多，现在运行中的有专用光纤保护、复用光纤保护、复用微波保护，这些保护与通常的只传输命令信号的允许式复用、专用保护要求不一样。它要对通道的方式做出一些要求，比如：要对光纤直联还是经光电转换连接上光纤或微波、通信主设备的同步方式、误码率等指标进行规定。正是由于在通道上的技术环节较多，造成保护装置通道告警后（有时是瞬时的），不容易分辨是保护的问题，还是通信的问题。所以，对现场维护人员来说，要把继电保护工作做好，就要加强保护专业与通信专业之间的沟通。

　　3：CT饱和问题：

　　在差动保护设计中，CT饱和问题是必须考虑的一个问题。对于通常的220KV双母线系统，在发生区外故障时，由于线路两端CT特性不一致，有可能在保护装置内部产生差流，由于整定值小于额定电流，有可能造成保护误动。这个问题在一般的保护装置中靠比例制动原理已经得到解决。但是在500KV系统，一次系统多采用一个半接线（如图），当K1点发生短路时，流过5012的电流有两部分，一部分为1母线通过5011开关提供的IA，另一部分为对侧通过线路提供的IB。此时，在IA和IB的作用下，5012CT有可能严重饱和，一般的电流输入方式下，是5011CT与5012CT合并后进入A端保护装置，此时，将使输入到A端保护中的电流与一次值有较大误差，在两侧保护装置中形成差流。而且A侧保护中制动电流是|IA-IB|，此值可能不是很大，造成制动电流不够，极有可能使差动保护误动出口。


　　针对CT饱和，不同的厂家采用不同应对策略。有采用CT饱和检测器以提高制动特性的的、有采用自适应制动特性的等各种方法，但这些方法均影响了保护动作的灵敏度。较为有效的方法就是线路每侧采用两组CT绕组，进入保护装置进行制动（用最大电流进行制动）。这样可以在不影响原保护灵敏度的前提下,提高保护在区外故障且CT饱和时,保护抗误动的能力。

　　4：CT断线的判别：

　　对于电流纵差保护来说，CT断线的判别是很重要的一个功能，若处理不当，就有可能造成保护误动。现运行的所有纵差保护中，有如下几种方式：一种是引入另一个CT或同一CT的不同绕组，与本身CT进行比较（如：零序电流），若不一致则为CT断线，闭锁保护；若一致则为系统故障，开放保护。另一种是利用通道，交换线路两侧的零序电流情况，判别方法同上。还有利用检测电压变化率或零序电压来闭锁保护的。以上几种方式，我们感觉利用通道比较两端的零序电流的方式比较好，它充分利用了光纤通道的优势，又减少了外部的接线，简化了装置。对于采用电压变化量来闭锁、开放保护的方式，我们认为不可取，因为造成电压波动的因素太多，如：投切电抗器、电容器，发电机调整无功等，而且高阻接地时，电压的变化量并不是很大，最大问题是躲过渡电阻能力大大下降。所以，国产保护中，还没有用电压变化量来开放保护的方式。

　　5：电容电流补偿问题：

　　目前，在500KV超高压电网中，纵联电流差动应用比较广泛。针对超高压、长距离输电线路，电容电流的影响不能不考虑进去。现在进口保护普遍的做法是在定值项中，对电容值（或充电电流）进行设定。但是作为限制一次过电压的一种手段，500KV线路普遍装设了高压电抗器对线路电容进行一定的补偿。但是，当电抗器因故退出运行时，此时保护内预设的充电电流值，就失去了意义，并且影响了保护的动作性能。现场必须重新进行定值的整定，给运行带来不便。是否可以采用一个开入量（如：高压电抗器的刀闸辅助接点），来控制此项定值的切换。这样，运行方式切换起来就较为方便。

　　6：光缆与保护配合问题

　　根据京津唐电网调度规程：线路不允许无纵联保护运行。即：当两套纵联保护因故退出时，要把线路拉开。因此，在光纤与纵联保护的配合上，不允许同一线路的两套纵联保护使用一条光缆。防止因光缆出现问题，造成运行线路停运。对于双回线路，允许每条线路的其中一套可以共用一条光缆，而另一套则必须走其他光缆或通道。

　　目前，在光纤保护的应用中存在的主要问题是：（1）光纤设备及光缆造价较高，这成为制约光纤保护应用的主要障碍。但随着光缆的广泛应用及制造厂家规模的扩大，成本必然会逐渐降低。（2）目前，纵联电流差动保护国产化程度不高，制造厂家主要是国外厂家，如：ABB、三菱、西门子、GEC等。但是国产保护（如：南瑞LFP-943）也有投入运行的业绩。但在超高压线路上还没有得到应用。但随着国产保护制造业的技术进步，国产光纤纵联电流差动保护会得到越来越广泛的应用。

　　4小结

　　随着通信技术的发展，继电保护可以选择的通道类型越来越多。当前，光纤网络的形成，就为继电保护采用高性能的通道提供了硬件基础。但如何有效的利用它，使它为继电保护更好的服务，这也不是很容易做到的。这需要工程设计、运行、维护、通信、保护各专业之间的协调、沟通。总之，光纤通道在以后继电保护中的应用会越来越广泛，还会有许多新问题有待于我们去解决。