基于32位DSP的光纖電流差動(dòng)保護

0 引言

分相電流差動(dòng)保護原理簡(jiǎn)單，不受系統振蕩、線(xiàn)路串補電容、平行互感、系統非全相運行、單側電源運行方式的影響，差動(dòng)保護本身具有選相能力，保護動(dòng)作速度快，最適合作為主保護。近年來(lái)，光纖技術(shù)、DSP技術(shù)、通信技術(shù)、繼電保護技術(shù)的迅速發(fā)展為光纖電流差動(dòng)保護的應用提供了機遇。隨著(zhù)通信技術(shù)的向前發(fā)展和光纖等通信設備的成本下降，超高壓線(xiàn)路光纖電流差動(dòng)保護將會(huì )更廣泛的使用。目前國內外大公司相繼推出了新的光纖電流差動(dòng)保護，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(kāi)發(fā)的WXH-801/802微機線(xiàn)路保護,在姚(孟)－鄭(州)線(xiàn)、江(門(mén))－茂(名)線(xiàn)等7條500kV線(xiàn)路運行良好。但一直沒(méi)有與之配套的光纖電流差動(dòng)保護。WXH-803數字式光纖電流差動(dòng)保護就是許繼電氣為800系列配套開(kāi)發(fā)的光纖電流差動(dòng)保護。

1 光纖電流差動(dòng)保護通信插件設計

保護CPU采用TI公司的DSP數字信號處理器C32系列，完成16位A/D采樣、數據計算、故障判別等功能。通信CPU完成主從定位、數據收發(fā)、采樣同步調整、同步校準功能、通道檢測等功能。保護CPU和通信CPU之間通過(guò)雙口RAM完成并行數據交換，如圖1。接收數據時(shí)，光收發(fā)模塊傳來(lái)64Kb/s的同步串行數據，先把它變?yōu)椴⑿袛祿椭镣ㄐ臗PU，完成對數據的檢錯、同步計算后，將正確的帶有同步信息的數據通過(guò)雙口RAM送給差動(dòng)CPU插件。發(fā)送數據時(shí)，通信CPU把差動(dòng)CPU插件傳來(lái)的采樣數據變?yōu)?4Kb/s同步串行數據送至光收發(fā)模塊，由光收發(fā)模塊將串行數據信號轉化成光信號，通過(guò)光纖通道傳送。

差動(dòng)保護兩側交換的是數字信號,通道采用專(zhuān)用光纖或復接PCM(微波或光纖通道)數據接口?？紤]到復接通信設備一般是在通信機房，離保護間隔有一定距離，在通信機房設有一個(gè)64kb/s(亦可為2M kb/s)同向數據接口與通用PCM設備相連，采用同步通訊方式，通信規約符合CCITT標準中關(guān)于G.703碼型協(xié)議。保護間隔內的差動(dòng)保護將數據通過(guò)光纖傳送給64kb/s同向數據接口。專(zhuān)用、復用通信接口示意圖如圖2、3所示。專(zhuān)用方式下，發(fā)送數據采用內部時(shí)鐘，即兩側裝置發(fā)送時(shí)鐘工作在“主—主”方式下，接收時(shí)鐘采用從接收數據流提取的時(shí)鐘。復用方式下，發(fā)送數據采用從接收數據流中提取的時(shí)鐘，即兩側裝置發(fā)送時(shí)鐘工作在“從—從”方式下，接收時(shí)鐘仍采用從接收數據流提取的時(shí)鐘。


2 光纖電流差動(dòng)保護配置

WXH-803數字式光纖電流差動(dòng)保護裝置采用96點(diǎn)高速采樣、快速變數據窗相量算法(以下快速短窗算法)。快速短窗算法在WXH-801/2數字式線(xiàn)路保護中作為短窗方向元件使用[1]。變窗算法不需要半周整數倍的數據窗，根據變窗算法計算相量的最小數據窗為四分之一周波。主保護采用故障分量差動(dòng)、穩態(tài)量電流差動(dòng)、零序差動(dòng)，后備保護由三段式相間距離和接地距離以及六段零序方向保護(四段零序電流及二段不靈敏零序電流保護)構成的全套后備保護，并配有自動(dòng)重合閘。

(a) 故障分量差動(dòng)保護

式(1)為電流差動(dòng)判據，式(2)為比率差動(dòng)判據，兩者同時(shí)成立保護跳閘，式中：ΔImφ、ΔInφ為兩側相電流的故障分量，Φ＝A,B,C， k為制動(dòng)系數，Iset動(dòng)作門(mén)檻。故障分量電流差動(dòng)保護，不受負荷電流的影響，保護的靈敏度高，護耐過(guò)渡電阻能力強[2,3]。


(b) 穩態(tài)量電流差動(dòng)保護

電流差動(dòng)判據和比率差動(dòng)判據同時(shí)成立保護跳閘，式中： Imφ、Inφ為兩側相電流的故障分量，Φ＝A,B,C ，k≤1的制動(dòng)系數，Iset動(dòng)作門(mén)檻。全電流差動(dòng)保護利用保護繼電器測量的故障電流，是負荷電流與故障分量電流的疊加，一般情況下可以滿(mǎn)足靈敏度的要求，但穩態(tài)量電流差動(dòng)保護存在問(wèn)題，判據中未考慮負荷電流的影響。假設忽略電容電流的影響，無(wú)故障及區外故障兩側電流大小相等，方向相反，保護可靠不動(dòng)作，負荷電流不會(huì )產(chǎn)生影響。區內故障發(fā)生經(jīng)過(guò)渡電阻短路，負荷電流為穿越性電流，對兩側電流大小及相位有影響，使其朝不利動(dòng)作方向發(fā)展，影響保護的靈敏度，即允許過(guò)渡電阻能力有限，穩態(tài)量電流差動(dòng)保護允許過(guò)渡電阻能力一般不超過(guò)250Ω，不滿(mǎn)足500kV線(xiàn)路允許過(guò)渡電阻能力300Ω的要求[4]。圖4給出了雙端系統區內發(fā)生單相經(jīng)過(guò)渡電阻短路電壓、電流向量圖，由于負荷電流的存在，使兩側電流相位變大，同時(shí)影響兩側電流幅值，在長(cháng)線(xiàn)路重負荷經(jīng)過(guò)渡電阻情況下，影響更嚴重。若一端故障電流小于負荷電流,兩側電流Im，In夾角超過(guò)90°，導致保護距動(dòng)[5]。


(c) 零序電流差動(dòng)保護

電流差動(dòng)判據和比率差動(dòng)判據同時(shí)成立保護跳閘，式中：Im0 、In0為兩側零序電流，I0dz為零序電流差動(dòng)整定值。由于零序分量?jì)H在接地故障存在，亦為故障分量。區內發(fā)生接地故障：Im0 、In0從保護流向線(xiàn)路，只要達到電流差動(dòng)判據門(mén)檻，保護可靠動(dòng)作。區外發(fā)生接地故障：流過(guò)兩側的電流為穿越性電流，式(5)、(6)均不滿(mǎn)足，零序差動(dòng)保護可靠不動(dòng)作。

(d)三種差動(dòng)保護的配合使用

故障分量電流差動(dòng)保護不受負荷電流的影響、靈敏度高，但存在時(shí)間短，在首次故障使用。穩態(tài)量電流差動(dòng)受負荷電流及過(guò)渡電阻的影響，靈敏度下降，可在全相及非全相全過(guò)程使用。零序電流差動(dòng)僅反應接地故障，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)保護靈敏度高?？稍跓o(wú)法使用故障分量電流差動(dòng)保護的少數場(chǎng)合(如故障頻繁發(fā)生而且間隔很短的時(shí)候)彌補全電流差動(dòng)保護靈敏度不足的缺陷，零序電流差動(dòng)保護需要100ms左右延時(shí)以躲過(guò)三相合閘不同時(shí)等因素的影響及三相門(mén)口短路測量誤差和暫態(tài)分量引起的計算誤差[6]。

3 試驗與現場(chǎng)試運行

WXH-803數字式光纖電流差動(dòng)保護裝置于2002年10月通過(guò)了國家繼電器質(zhì)量監督檢驗中心的動(dòng)模實(shí)驗，2002年11月通過(guò)了華北電科院的數模試驗，于2002年9月在陜西省電力局330kV輸電線(xiàn)路張(村)羅(敷)I線(xiàn)上掛網(wǎng)試運行，該線(xiàn)路全長(cháng)97.5公里，掛網(wǎng)試運行線(xiàn)路如圖5。

該線(xiàn)路配置雙重保護配置：一套為南瑞公司RCS-931型縱差保護裝置； 另一套為日本三菱重工MCD-H PCM 電流差動(dòng)繼電器。鑒于線(xiàn)路較長(cháng)，以上保護均復用PCM通道，保護室與通信機房之間采用光纖連接，在通信機房設有專(zhuān)用數字接口實(shí)現光電轉換并與通信設備相連。WXH-803保護裝置輸出光信號通過(guò)光纖傳輸至通信機房，在通信機房經(jīng)過(guò)專(zhuān)用設備采用PCM復用方式實(shí)現與通信設備的連接，如圖6。試運行期間，裝置未發(fā)生異常情況，經(jīng)受三次區外故障，正確不動(dòng)作，倒閘操作過(guò)程中，裝置未出現異常。

2002年11月在華北電力集團公司電網(wǎng)安全穩定技術(shù)管理中心數模試驗室進(jìn)行了500kV數模試驗。參加此次試驗還有：ALSTOM公司的P544縱聯(lián)差動(dòng)保護，南京南瑞繼保電氣有限公司RCS-931A型縱聯(lián)差動(dòng)保護，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。由于WXH-803保護裝置采用快速變數據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)保護的動(dòng)作速度。驗收試驗中金屬性故障時(shí)保護的典型動(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快5ms。圖7是150km小系統中點(diǎn)發(fā)生A相單相接地故障50ms后轉換為B相接地故障，首次A相故障18ms跳A相(短路電流0.9A),轉換為B相故障33ms三相跳閘。


4 結束語(yǔ)

WXH-803數字式光纖電流差動(dòng)保護裝置采用96點(diǎn)高速采樣、快速短窗算法、采用故障分量差動(dòng)、穩態(tài)量電流差動(dòng)、零序電流差動(dòng)作為差動(dòng)保護的判據。經(jīng)過(guò)500kV系統動(dòng)模試驗、數模試驗驗證及330kV系統掛網(wǎng)試運行，證明了WXH-803保護裝置可以適用于500kV輸電線(xiàn)路。