WXH-803光纖電流差動(dòng)保護(hù)的研究

光纖電流差動(dòng)保護(hù)是高壓超高壓線路主保護(hù)的發(fā)展方向，本文介紹了基于32位DSP所研制開發(fā)的WXH-803數(shù)字式光纖電流差動(dòng)保護(hù)、在500kV系統(tǒng)動(dòng)模情況及330kV掛網(wǎng)運(yùn)行情況。該裝置采用96點(diǎn)高采樣率、快速短窗算法，采用故障分量差動(dòng)、全電流差動(dòng)、零序差動(dòng)作為差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)，在500kV系統(tǒng)動(dòng)模中典型動(dòng)作時(shí)間16－18ms。
    關(guān)鍵詞：微機(jī)線路保護(hù)；光纖；電流差動(dòng)保護(hù)；快速短窗算法

Study of WXH-803 Current Differential Protection Based on Fibre-optic

LI Rui-sheng¹,WANG Qiang¹,WEN Ming-hao²,WANG Er-han¹

(1. XJ Business department of Electric protection and automation ，Xuchang , Henan 461000 ;2.Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074)

    Abstract：With the development of tele-communication in power system , current differential protection based on fibre-optic may be development trend for main protection of EHV power transmission line . This paper presents WXH-803 current differential protection system developed with 32-bit DSP , its dynamic simulation test in 500kV system and its tentative running in 330kV power line . The protection relay regards fault component current differential , phase full current differential , zero-sequence current differential as criterions with 96 sample points per power cycle and short-window fast algorithm , spends 16-18ms operating in 500kV dynamic simulation test .
    Keywords：microcomputer-based line protection，fibre-optic，current differential protection，short-window fast algorithm

0  引言
    分相電流差動(dòng)保護(hù)原理簡單，不受系統(tǒng)振蕩、線路串補(bǔ)電容、平行互感、系統(tǒng)非全相運(yùn)行、單側(cè)電源運(yùn)行方式的影響，差動(dòng)保護(hù)本身具有選相能力，保護(hù)動(dòng)作速度快，最適合作為主保護(hù)。近年來，光纖技術(shù)、DSP技術(shù)、通信技術(shù)、繼電保護(hù)技術(shù)的迅速發(fā)展為光纖電流差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用提供了機(jī)遇。隨著通信技術(shù)的向前發(fā)展和光纖等通信設(shè)備的成本下降，超高壓線路光纖電流差動(dòng)保護(hù)將會(huì)更廣泛的使用。目前國內(nèi)外大公司相繼推出了新的光纖電流差動(dòng)保護(hù)，國外公司如GE公司的L90, ABB公司的REL561、東芝公司的GRL-100、阿爾斯通的P554等，國內(nèi)公司南瑞公司的RCS—931、四方公司的CSL—103、國電南自的PSL-603等各有其特點(diǎn)。
    2000年許繼電氣公司推出基于32位DSP所研制開發(fā)的WXH-801/802微機(jī)線路保護(hù),在姚(孟)－鄭(州)線、江(門)－茂(名)線等7條500kV線路運(yùn)行良好。但一直沒有與之配套的光纖電流差動(dòng)保護(hù)。WXH-803數(shù)字式光纖電流差動(dòng)保護(hù)就是許繼電氣為800系列配套開發(fā)的光纖電流差動(dòng)保護(hù)。

1  光纖電流差動(dòng)保護(hù)通信插件設(shè)計(jì)
    保護(hù)CPU采用TI公司的DSP數(shù)字信號(hào)處理器C32系列，完成16位A/D采樣、數(shù)據(jù)計(jì)算、故障判別等功能。通信CPU完成主從定位、數(shù)據(jù)收發(fā)、采樣同步調(diào)整、同步校準(zhǔn)功能、通道檢測等功能。保護(hù)CPU和通信CPU之間通過雙口RAM完成并行數(shù)據(jù)交換，如圖1。接收數(shù)據(jù)時(shí)，光收發(fā)模塊傳來64Kb/s的同步串行數(shù)據(jù)，先把它變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)送至通信CPU，完成對數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)、同步計(jì)算后，將正確的帶有同步信息的數(shù)據(jù)通過雙口RAM送給差動(dòng)CPU插件。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通信CPU把差動(dòng)CPU插件傳來的采樣數(shù)據(jù)變?yōu)?4Kb/s同步串行數(shù)據(jù)送至光收發(fā)模塊，由光收發(fā)模塊將串行數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，通過光纖通道傳送。

    差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)交換的是數(shù)字信號(hào),通道采用專用光纖或復(fù)接PCM(微波或光纖通道)數(shù)據(jù)接口?？紤]到復(fù)接通信設(shè)備一般是在通信機(jī)房，離保護(hù)間隔有一定距離，在通信機(jī)房設(shè)有一個(gè)64kb/s(亦可為2M kb/s)同向數(shù)據(jù)接口與通用PCM設(shè)備相連，采用同步通訊方式，通信規(guī)約符合CCITT標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于G.703碼型協(xié)議。保護(hù)間隔內(nèi)的差動(dòng)保護(hù)將數(shù)據(jù)通過光纖傳送給64kb/s同向數(shù)據(jù)接口。專用、復(fù)用通信接口示意圖如圖2、3所示。專用方式下，發(fā)送數(shù)據(jù)采用內(nèi)部時(shí)鐘，即兩側(cè)裝置發(fā)送時(shí)鐘工作在“主—主”方式下，接收時(shí)鐘采用從接收數(shù)據(jù)流提取的時(shí)鐘。復(fù)用方式下，發(fā)送數(shù)據(jù)采用從接收數(shù)據(jù)流中提取的時(shí)鐘，即兩側(cè)裝置發(fā)送時(shí)鐘工作在“從—從”方式下，接收時(shí)鐘仍采用從接收數(shù)據(jù)流提取的時(shí)鐘。

2 光纖電流差動(dòng)保護(hù)配置
    WXH-803數(shù)字式光纖電流差動(dòng)保護(hù)裝置采用96點(diǎn)高速采樣、快速變數(shù)據(jù)窗相量算法(以下快速短窗算法)?？焖俣檀八惴ㄔ赪XH-801/2數(shù)字式線路保護(hù)中作為短窗方向元件使用^[1]。變窗算法不需要半周整數(shù)倍的數(shù)據(jù)窗，根據(jù)變窗算法計(jì)算相量的最小數(shù)據(jù)窗為四分之一周波。主保護(hù)采用故障分量差動(dòng)、穩(wěn)態(tài)量電流差動(dòng)、零序差動(dòng)，后備保護(hù)由三段式相間距離和接地距離以及六段零序方向保護(hù)(四段零序電流及二段不靈敏零序電流保護(hù))構(gòu)成的全套后備保護(hù)，并配有自動(dòng)重合閘。
    (a) 故障分量差動(dòng)保護(hù)
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    式(1)為電流差動(dòng)判據(jù)，式(2)為比率差動(dòng)判據(jù)，兩者同時(shí)成立保護(hù)跳閘，式中：ΔI_mφ、ΔI_nφ為兩側(cè)相電流的故障分量，Φ＝A,B,C， k為制動(dòng)系數(shù)，I_set動(dòng)作門檻。故障分量電流差動(dòng)保護(hù)，不受負(fù)荷電流的影響，保護(hù)的靈敏度高，護(hù)耐過渡電阻能力強(qiáng)^[2,3]。
    (b) 穩(wěn)態(tài)量電流差動(dòng)保護(hù)

    電流差動(dòng)判據(jù)和比率差動(dòng)判據(jù)同時(shí)成立保護(hù)跳閘，式中： I_mφ、I_nφ為兩側(cè)相電流的故障分量，Φ＝A,B,C ，k≤1的制動(dòng)系數(shù)，I_set動(dòng)作門檻。全電流差動(dòng)保護(hù)利用保護(hù)繼電器測量的故障電流，是負(fù)荷電流與故障分量電流的疊加，一般情況下可以滿足靈敏度的要求，但穩(wěn)態(tài)量電流差動(dòng)保護(hù)存在問題，判據(jù)中未考慮負(fù)荷電流的影響。假設(shè)忽略電容電流的影響，無故障及區(qū)外故障兩側(cè)電流大小相等，方向相反，保護(hù)可靠不動(dòng)作，負(fù)荷電流不會(huì)產(chǎn)生影響。區(qū)內(nèi)故障發(fā)生經(jīng)過渡電阻短路，負(fù)荷電流為穿越性電流，對兩側(cè)電流大小及相位有影響，使其朝不利動(dòng)作方向發(fā)展，影響保護(hù)的靈敏度，即允許過渡電阻能力有限，穩(wěn)態(tài)量電流差動(dòng)保護(hù)允許過渡電阻能力一般不超過250Ω，不滿足500kV線路允許過渡電阻能力300Ω的要求^[4]。圖4給出了雙端系統(tǒng)區(qū)內(nèi)發(fā)生單相經(jīng)過渡電阻短路電壓、電流向量圖，由于負(fù)荷電流的存在，使兩側(cè)電流相位變大，同時(shí)影響兩側(cè)電流幅值，在長線路重負(fù)荷經(jīng)過渡電阻情況下，影響更嚴(yán)重。若一端故障電流小于負(fù)荷電流,兩側(cè)電流I_m，I_n夾角超過90°，導(dǎo)致保護(hù)距動(dòng)^[5]。

    (c) 零序電流差動(dòng)保護(hù)

    電流差動(dòng)判據(jù)和比率差動(dòng)判據(jù)同時(shí)成立保護(hù)跳閘，式中：I_m0 、I_n0為兩側(cè)零序電流，I_0dz為零序電流差動(dòng)整定值。由于零序分量僅在接地故障存在，亦為故障分量。區(qū)內(nèi)發(fā)生接地故障：I_m0 、I_n0從保護(hù)流向線路，只要達(dá)到電流差動(dòng)判據(jù)門檻，保護(hù)可靠動(dòng)作。區(qū)外發(fā)生接地故障：流過兩側(cè)的電流為穿越性電流，式(5)、(6)均不滿足，零序差動(dòng)保護(hù)可靠不動(dòng)作。
    (d)三種差動(dòng)保護(hù)的配合使用
    故障分量電流差動(dòng)保護(hù)不受負(fù)荷電流的影響、靈敏度高，但存在時(shí)間短，在首次故障使用。穩(wěn)態(tài)量電流差動(dòng)受負(fù)荷電流及過渡電阻的影響，靈敏度下降，可在全相及非全相全過程使用。零序電流差動(dòng)僅反應(yīng)接地故障，接地故障時(shí)故障分量差流和零序差流是相等。零序差動(dòng)不比故障分量電流差動(dòng)保護(hù)靈敏度高?？稍跓o法使用故障分量電流差動(dòng)保護(hù)的少數(shù)場合(如故障頻繁發(fā)生而且間隔很短的時(shí)候)彌補(bǔ)全電流差動(dòng)保護(hù)靈敏度不足的缺陷，零序電流差動(dòng)保護(hù)需要100ms左右延時(shí)以躲過三相合閘不同時(shí)等因素的影響及三相門口短路測量誤差和暫態(tài)分量引起的計(jì)算誤差^[6]。

3  試驗(yàn)與現(xiàn)場試運(yùn)行
    WXH-803數(shù)字式光纖電流差動(dòng)保護(hù)裝置于2002年10月通過了國家繼電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，2002年11月通過了華北電科院的數(shù)模試驗(yàn)，于2002年9月在陜西省電力局330kV輸電線路張(村)羅(敷)I線上掛網(wǎng)試運(yùn)行，該線路全長97.5公里，掛網(wǎng)試運(yùn)行線路如圖5。

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    該線路配置雙重保護(hù)配置：一套為南瑞公司RCS-931型縱差保護(hù)裝置； 另一套為日本三菱重工MCD-H PCM 電流差動(dòng)繼電器。鑒于線路較長，以上保護(hù)均復(fù)用PCM通道，保護(hù)室與通信機(jī)房之間采用光纖連接，在通信機(jī)房設(shè)有專用數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換并與通信設(shè)備相連。WXH-803保護(hù)裝置輸出光信號(hào)通過光纖傳輸至通信機(jī)房，在通信機(jī)房經(jīng)過專用設(shè)備采用PCM復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)與通信設(shè)備的連接，如圖6。試運(yùn)行期間，裝置未發(fā)生異常情況，經(jīng)受三次區(qū)外故障，正確不動(dòng)作，倒閘操作過程中，裝置未出現(xiàn)異常。

    2002年11月在華北電力集團(tuán)公司電網(wǎng)安全穩(wěn)定技術(shù)管理中心數(shù)模試驗(yàn)室進(jìn)行了500kV數(shù)模試驗(yàn)。參加此次試驗(yàn)還有：ALSTOM公司的P544縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，南京南瑞繼保電氣有限公司RCS-931A型縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，北京四方繼保自動(dòng)化有限公司CSL-103A型縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。由于WXH-803保護(hù)裝置采用快速變數(shù)據(jù)窗相量算法可在保證可靠性的前提下可有效地提高電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作速度。驗(yàn)收試驗(yàn)中金屬性故障時(shí)保護(hù)的典型動(dòng)作時(shí)間16－18ms (含出口繼電器時(shí)間)，此算法至少比采用半周算法的保護(hù)快5ms。圖7是150km小系統(tǒng)中點(diǎn)發(fā)生A相單相接地故障50ms后轉(zhuǎn)換為B相接地故障，首次A相故障18ms跳A相(短路電流0.9A),轉(zhuǎn)換為B相故障33ms三相跳閘。

4  結(jié)束語
    WXH-803數(shù)字式光纖電流差動(dòng)保護(hù)裝置采用96點(diǎn)高速采樣、快速短窗算法、采用故障分量差動(dòng)、穩(wěn)態(tài)量電流差動(dòng)、零序電流差動(dòng)作為差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)。經(jīng)過500kV系統(tǒng)動(dòng)模試驗(yàn)、數(shù)模試驗(yàn)驗(yàn)證及330kV系統(tǒng)掛網(wǎng)試運(yùn)行，證明了WXH-803保護(hù)裝置可以適用于500kV輸電線路。