基于32位DSP的光纖電流差動保護

0 引言

分相電流差動保護原理簡單，不受系統(tǒng)振蕩、線路串補電容、平行互感、系統(tǒng)非全相運行、單側(cè)電源運行方式的影響，差動保護本身具有選相能力，保護動作速度快，最適合作為主保護。近年來，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)展為光纖電流差動保護的應(yīng)用提供了機遇。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保護將會更廣泛的使用。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(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。
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微機線路保護,在姚(孟)－鄭(州)線、江(門)－茂(名)線等7條500kV線路運行良好。但一直沒有與之配套的光纖電流差動保護。WXH-803數(shù)字式光纖電流差動保護就是許繼電氣為800系列配套開發(fā)的光纖電流差動保護。

1 光纖電流差動保護通信插件設(shè)計

保護CPU采用TI公司的DSP數(shù)字信號處理器C32系列，完成16位A/D采樣、數(shù)據(jù)計算、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、同步校準功能、通道檢測等功能。保護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，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、同步計算后，將正確的帶有同步信息的數(shù)據(jù)通過雙口RAM送給差動CPU插件。發(fā)送數(shù)據(jù)時，通信CPU把差動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)信號轉(zhuǎn)化成光信號，通過光纖通道傳送。

差動保護兩側(cè)交換的是數(shù)字信號,通道采用專用光纖或復接PCM(微波或光纖通道)數(shù)據(jù)接口?？紤]到復接通信設(shè)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(shè)有一個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標準中關(guān)于G.703碼型協(xié)議。保護間隔內(nèi)的差動保護將數(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)部時鐘，即兩側(cè)裝置發(fā)送時鐘工作在“主—主”方式下，接收時鐘采用從接收數(shù)據(jù)流提取的時鐘。復用方式下，發(fā)送數(shù)據(jù)采用從接收數(shù)據(jù)流中提取的時鐘，即兩側(cè)裝置發(fā)送時鐘工作在“從—從”方式下，接收時鐘仍采用從接收數(shù)據(jù)流提取的時鐘。


2 光纖電流差動保護配置

WXH-803數(shù)字式光纖電流差動保護裝置采用96點高速采樣、快速變數(shù)據(jù)窗相量算法(以下快速短窗算法)。快速短窗算法在WXH-801/2數(shù)字式線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(shù)倍的數(shù)據(jù)窗，根據(jù)變窗算法計算相量的最小數(shù)據(jù)窗為四分之一周波。主保護采用故障分量差動、穩(wěn)態(tài)量電流差動、零序差動，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(gòu)成的全套后備保護，并配有自動重合閘。

(a) 故障分量差動保護

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


(b) 穩(wěn)態(tài)量電流差動保護

電流差動判據(jù)和比率差動判據(jù)同時成立保護跳閘，式中： Imφ、Inφ為兩側(cè)相電流的故障分量，Φ＝A,B,C ，k≤1的制動系數(shù)，Iset動作門檻。全電流差動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，一般情況下可以滿足靈敏度的要求，但穩(wěn)態(tài)量電流差動保護存在問題，判據(jù)中未考慮負荷電流的影響。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，保護可靠不動作，負荷電流不會產(chǎn)生影響。區(qū)內(nèi)故障發(fā)生經(jīng)過渡電阻短路，負荷電流為穿越性電流，對兩側(cè)電流大小及相位有影響，使其朝不利動作方向發(fā)展，影響保護的靈敏度，即允許過渡電阻能力有限，穩(wěn)態(tài)量電流差動保護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，由于負荷電流的存在，使兩側(cè)電流相位變大，同時影響兩側(cè)電流幅值，在長線路重負荷經(jīng)過渡電阻情況下，影響更嚴重。若一端故障電流小于負荷電流,兩側(cè)電流Im，In夾角超過90°，導致保護距動[5]。


(c) 零序電流差動保護

電流差動判據(jù)和比率差動判據(jù)同時成立保護跳閘，式中：Im0 、In0為兩側(cè)零序電流，I0dz為零序電流差動整定值。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：Im0 、In0從保護流向線路，只要達到電流差動判據(jù)門檻，保護可靠動作。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，零序差動保護可靠不動作。

(d)三種差動保護的配合使用

故障分量電流差動保護不受負荷電流的影響、靈敏度高，但存在時間短，在首次故障使用。穩(wěn)態(tài)量電流差動受負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。零序電流差動僅反應(yīng)接地故障，接地故障時故障分量差流和零序差流是相等。零序差動不比故障分量電流差動保護靈敏度高?？稍跓o法使用故障分量電流差動保護的少數(shù)場合(如故障頻繁發(fā)生而且間隔很短的時候)彌補全電流差動保護靈敏度不足的缺陷，零序電流差動保護需要100ms左右延時以躲過三相合閘不同時等因素的影響及三相門口短路測量誤差和暫態(tài)分量引起的計算誤差[6]。

3 試驗與現(xiàn)場試運行

WXH-803數(shù)字式光纖電流差動保護裝置于2002年10月通過了國家繼電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的動模實驗，2002年11月通過了華北電科院的數(shù)模試驗，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)試運行，該線路全長97.5公里，掛網(wǎng)試運行線路如圖5。

該線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 電流差動繼電器。鑒于線路較長，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(shè)有專用數(shù)字接口實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換并與通信設(shè)備相連。WXH-803保護裝置輸出光信號通過光纖傳輸至通信機房，在通信機房經(jīng)過專用設(shè)備采用PCM復用方式實現(xiàn)與通信設(shè)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(qū)外故障，正確不動作，倒閘操作過程中，裝置未出現(xiàn)異常。

2002年11月在華北電力集團公司電網(wǎng)安全穩(wěn)定技術(shù)管理中心數(shù)模試驗室進行了500kV數(shù)模試驗。參加此次試驗還有：ALSTOM公司的P544縱聯(lián)差動保護，南京南瑞繼保電氣有限公司RCS-931A型縱聯(lián)差動保護，北京四方繼保自動化有限公司CSL-103A型縱聯(lián)差動保護。由于WXH-803保護裝置采用快速變數(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保護的動作速度。驗收試驗中金屬性故障時保護的典型動作時間16－18ms (含出口繼電器時間)，此算法至少比采用半周算法的保護快5ms。圖7是150km小系統(tǒng)中點發(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)字式光纖電流差動保護裝置采用96點高速采樣、快速短窗算法、采用故障分量差動、穩(wěn)態(tài)量電流差動、零序電流差動作為差動保護的判據(jù)。經(jīng)過500kV系統(tǒng)動模試驗、數(shù)模試驗驗證及330kV系統(tǒng)掛網(wǎng)試運行，證明了WXH-803保護裝置可以適用于500kV輸電線路。