數(shù)字化變電站繼電保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用分析

謝雄波

（廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

1、數(shù)字化保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1．?dāng)?shù)字化保護(hù)與傳統(tǒng)保護(hù)的硬件區(qū)別

傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置一般由微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字電路構(gòu)成，數(shù)字核心單元周圍是各種外圍接口部件。典型的微機(jī)保護(hù)裝置包括下述單元：模擬量輸入接口單元、開光量輸入/輸出接口、數(shù)據(jù)處理單元、通信接口、人機(jī)接口等。其示意框圖如1所示。

圖1 傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)字化繼電保護(hù)裝置采用的數(shù)據(jù)取自電子式互感器，由于采樣值信號(hào)的形式與傳統(tǒng)的微機(jī)繼電保護(hù)裝置的形式存在差異，兩者在硬件結(jié)構(gòu)方面有所不同。數(shù)字化保護(hù)裝置通常包括光接收單元、開入單元、中央處理單元、出口單元、人機(jī)接口和通信接口等部分，如圖2所示。

圖2 數(shù)字化保護(hù)裝置硬件框圖

1.2．?dāng)?shù)字化保護(hù)裝置的接口實(shí)現(xiàn)

數(shù)字化變電站中的一次設(shè)備采用電子式互感器，采集到的數(shù)據(jù)在互感器的內(nèi)部通過光纖以光數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)降蛪憾耍缓罄煤喜卧∕U）處理后得到符合格式要求的數(shù)字量輸出。合并單元通過光纖傳輸數(shù)字量的采樣值，到達(dá)保護(hù)之前已經(jīng)濾去高次諧波，所以傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)的模擬量輸入變換模塊、低通濾波插件和A/D變換插件都可以省略掉。取而代之的是一個(gè)光收發(fā)模塊，它結(jié)構(gòu)小巧，負(fù)責(zé)光電轉(zhuǎn)換的工作，將從合并單元傳送過來的光信號(hào)采樣值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)采樣值，直接用于保護(hù)CPU的分析計(jì)算。從而避免了模數(shù)變換處理等環(huán)節(jié)引入的誤差，提高了數(shù)據(jù)的精確度。

2、數(shù)字化保護(hù)性能的改進(jìn)

前文所述，數(shù)字化保護(hù)裝置采用電子式互感器采集數(shù)據(jù)，無模擬量輸入、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換等插件，硬件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。同時(shí)，數(shù)字化變電站全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)的建成以及GOOSE通信技術(shù)的應(yīng)用，為數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)共享提供了可能性。保護(hù)裝置的功能得到大大擴(kuò)充，許多依靠傳統(tǒng)設(shè)備完成的功能，比如測(cè)量、錄波、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)視等功能都可以在保護(hù)裝置內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

在數(shù)字化變電站中，由于用光纜代替銅纜，大幅度減少了系統(tǒng)中元件的數(shù)量；數(shù)字化保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)化配置不但在系統(tǒng)層面，而且在元件層面實(shí)現(xiàn)了真正的冗余；另外數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)和元件都具備自檢和監(jiān)視功能，這些改變使得保護(hù)的可靠性進(jìn)一步提高。

利用電子式互感器的線性度好、動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，可以改善現(xiàn)有保護(hù)原理中存在的問題，提出新的保護(hù)動(dòng)作判據(jù)。理論分析和實(shí)驗(yàn)比較表明，采用電子式互感器的數(shù)字化保護(hù)的性能具有很大的優(yōu)越性。

2.1．基于過程層的分布式母線保護(hù)

母線是電力系統(tǒng)的重要元件，母線故障也是電力系統(tǒng)最嚴(yán)重的故障之一。傳統(tǒng)集中式母線保護(hù)存在二次接線復(fù)雜、易受干擾、不易于擴(kuò)展等缺點(diǎn)，而分布式母線保護(hù)面向間隔，具有分散處理能力，是母線保護(hù)的主要發(fā)展方向。然而分布式母線保護(hù)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)通信量的要求大，傳統(tǒng)的變電站難以滿足這些要求。數(shù)字化變電站先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則為解決這些問題提供了條件。

2.2．?dāng)?shù)字化的變壓器保護(hù)

正確識(shí)別勵(lì)磁涌流與故障電流及防止外部短路時(shí)暫態(tài)不平衡電流造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)是保證變壓器差動(dòng)保護(hù)正確工作的兩個(gè)關(guān)鍵問題。勵(lì)磁涌流中含有較大成分的非周期分量，而電磁式電流互感器不能有效傳變非周期分量，從而使二次側(cè)電流所表現(xiàn)的涌流特性有所變化，可能造成保護(hù)的誤判。利用電子式電流互感器的高保真?zhèn)髯冎绷骱透哳l分量的特性，根據(jù)勵(lì)磁涌流發(fā)生時(shí)電流的非周期分量大而故障時(shí)非周期分量小的特點(diǎn)，可提出正確區(qū)分勵(lì)磁涌流與故障電流的新判據(jù)，從而有效防止變壓器差動(dòng)保護(hù)出現(xiàn)誤動(dòng)。

變壓器各側(cè)的電磁式電流互感器的暫態(tài)特性誤差不一致，增大了變壓器差動(dòng)保護(hù)的暫態(tài)不平衡電流，目前的基本解決辦法是通過提高保護(hù)的動(dòng)作電流值（整定值）來防止誤動(dòng)，這必然影響匝間短路時(shí)保護(hù)的靈敏度。數(shù)字化變電站采用電子式互感器后，各側(cè)互感器的二次暫態(tài)電流高度一致，將匝間短路的靈敏度提高了10倍以上，顯著增加了變壓器差動(dòng)保護(hù)的有效性。

2.3．輸電線路數(shù)字化保護(hù)

傳統(tǒng)電流互感器的飽和問題一直是引起輸電線分相瞬時(shí)值縱差保護(hù)誤動(dòng)的根本原因，而數(shù)字化變電站的縱差保護(hù)，其數(shù)據(jù)取自無飽和的電子式電流互感器，從根本上解決了這一難題。通過分析、比較基于傳統(tǒng)電流互感器和電子式電流互感器的比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性，可以得出采用電子式電流互感器的差動(dòng)保護(hù)靈敏性顯著提高的結(jié)論。

對(duì)于數(shù)字化的距離保護(hù)，采樣值來自電子式互感器，不存在鐵芯磁飽和問題，保護(hù)的起動(dòng)元件、選相元件以及距離阻抗元件的性能得到提升，動(dòng)作準(zhǔn)確率大大提高。

此外，電磁式電流互感器的飽和對(duì)過電流保護(hù)，特別是對(duì)反時(shí)限過流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間有較大影響；取決于相角測(cè)定的方向過電流保護(hù)，也會(huì)因?yàn)閭鹘y(tǒng)電流互感器二次電流波形畸變，影響動(dòng)作的選擇性；過電流保護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于電磁式電流互感器飽和的影響，誤動(dòng)作率也較高。數(shù)字化變電站中通過采用無飽和的電子式電流互感器提供采樣數(shù)據(jù)，消除了電流傳變程中引入的誤差，從根本上改善了保護(hù)的動(dòng)作性能。

3、數(shù)字化保護(hù)測(cè)試方法

隨著數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展，智能化開關(guān)、電子式電流電壓互感器技術(shù)日趨成熟。對(duì)于安裝于數(shù)字化變電站的完全采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)裝置，試驗(yàn)儀可以通過以太網(wǎng)接口，按一定的采樣間隔持續(xù)向保護(hù)提供符合IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化模擬量，送出相當(dāng)于智能高壓設(shè)備及合并單元輸出的數(shù)字化模擬量信息給繼電保護(hù)。圖3是一對(duì)一的測(cè)試方法，圖中一臺(tái)試驗(yàn)儀通過兩根以太網(wǎng)線（一根雙絞線以太網(wǎng)線，一根光纖以太網(wǎng)線）連接一臺(tái)保護(hù)裝置，提供數(shù)字式模擬量，發(fā)送/接收GOOSE消息。

圖3 利用網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化保護(hù)的測(cè)試方法

此外，利用以太網(wǎng)的擴(kuò)展性，一臺(tái)試驗(yàn)儀也可以連接并且同時(shí)測(cè)試多臺(tái)繼電保護(hù)，試驗(yàn)儀通過HUB和多臺(tái)被測(cè)保護(hù)連接。在測(cè)試系統(tǒng)上開發(fā)特定的測(cè)試軟件，控制測(cè)試儀向多臺(tái)保護(hù)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流，產(chǎn)生需要的試驗(yàn)量，從每臺(tái)保護(hù)那里接收GOOSE消息，得到反饋，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)保護(hù)的整組試驗(yàn)。

4、數(shù)字化保護(hù)應(yīng)用中其他問題

4.1．?dāng)?shù)字化保護(hù)的實(shí)時(shí)性問題分析

圖4 保護(hù)系統(tǒng)的處理時(shí)間示意圖

動(dòng)作時(shí)間是保護(hù)系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。圖4為保護(hù)系統(tǒng)的處理時(shí)間示意圖，圖中tS為數(shù)據(jù)處理時(shí)間（含低通濾波、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換等），tB為保護(hù)算法處理時(shí)間（含保護(hù)測(cè)量、動(dòng)作判據(jù)時(shí)間等），tC為保護(hù)出口時(shí)間（含出口繼電器動(dòng)作時(shí)間），tD為斷路器動(dòng)作時(shí)間，tN1、tN2為網(wǎng)絡(luò)接口卡處理時(shí)間，tL為網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間。

圖4（a）中常規(guī)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為：

tsys1=tS+tB+tC+tD

而圖4（b）中數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間為：tsys2=tS+tN1+tL+tN2+tB+tC+tD

顯然，數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)增加了額外的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，這將對(duì)數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的速動(dòng)性產(chǎn)生不利影響。但由于在合并單元將采樣值以多播方式發(fā)送到過程總線之前，已經(jīng)打上了時(shí)標(biāo)，即使到達(dá)保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不同也不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

為了提高數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，可以采取改進(jìn)的措施，如利用GOOSE消息代替常規(guī)保護(hù)系統(tǒng)的出口繼電器硬件，減少tC從而加快保護(hù)的動(dòng)作；采用交換式以太網(wǎng)技術(shù)，從本質(zhì)上為通信的確定性提供了保證；應(yīng)用IEEE802.1p排隊(duì)特性，加快高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)幀（如采樣數(shù)據(jù)以及GOOSE消息）的響應(yīng)速度等。

4.2．基于電子式互感器的數(shù)字化保護(hù)接口

對(duì)于傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)，電壓、電流信號(hào)通過電纜從互感器引入到保護(hù)裝置里進(jìn)行采樣，信號(hào)的采樣點(diǎn)可以按照保護(hù)裝置的時(shí)鐘進(jìn)行抽取。其采樣的過程是一個(gè)“主動(dòng)”的過程，繼保裝置可以根據(jù)自己的需要完全掌握采樣的時(shí)間間隔，也可以根據(jù)A/D采樣芯片的配置來設(shè)置采樣值的數(shù)據(jù)格式。但是電子式互感器與保護(hù)系統(tǒng)采用數(shù)字量接口，保護(hù)裝置變成了“被動(dòng)”地接收采樣值數(shù)據(jù)。按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，合并單元的數(shù)據(jù)采樣率與保護(hù)裝置所要求的采樣率往往不等，兩者間無法通過簡(jiǎn)單抽點(diǎn)方式來完成。為了滿足繼電保護(hù)系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)的要求，就必須解決好合并單元數(shù)據(jù)采樣率與保護(hù)裝置所要求采樣率的配合問題。

通過在電子式互感器數(shù)據(jù)接口中采用PLL同步鎖相技術(shù)和基于插值的采樣值計(jì)算方法，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)頻率測(cè)量值實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù)字接口中的采樣頻率。該方法可有效地對(duì)電子式互感器的數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行高精度的同步采集，具有較好的實(shí)用性。

5、結(jié)語

伴隨著數(shù)字化變電站發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的數(shù)字化保護(hù)，它是一門需要不斷發(fā)展和完善的技術(shù)，它的研究和應(yīng)用也必須是一個(gè)持續(xù)、漸進(jìn)、發(fā)展的過程，相信在不久的將來定會(huì)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的景象。

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