2M光接口的繼電保護裝置線路隱藏故障檢測方法

國網江蘇省電力有限公司信息通信分公司 顧 彬 郭 燾 王義成 紀大偉 祁步仁

為確保應用2M 光接口技術傳輸保護業務安全可靠，通過調研不同品牌傳輸設備的2M 光接口傳輸技術原理和實際應用表現，梳理電網220千伏保護業務通道的實際應用場景和不同場景下的業務需求，協調通信廠商定制開發適用于電網保護業務的端口數量是十分必要的。具備TPS 倒換功能的新型2M 光接口板中，板卡的高集成度滿足了保護專用傳輸設備小型化目標[1]，創新實現的TPS（支路保護切換）倒換功能為支路側信號提供冗余保護，并通過在多場景、多方面進行功能性能測試[2]，確保了設備板卡傳輸繼電保護業務應用中功能可靠、性能優越。

在此基礎上，通過編制完善測試方案，搭建模擬應用場景，組織開展不同廠商傳輸設備2M 光接口的功能和性能測試[3]，并與現網在運的十余種品牌、型號保護裝置進行業務對接，測試繼電保護業務傳輸性能，確?；?M 光接口的繼電保護業務安全可靠傳輸是遠遠不夠的[3]。組織開展跨品牌、跨型號傳輸設備2M 光信號互聯互通效果檢測是實現其拓展多元化應用場景，為未來該技術的擴展應用提供技術支撐的重要保障[4]。通過對現有的繼電保護裝置線路故障檢測方法進行分析不難發現，其主要是采用直接檢測法實現的，利用傳感器作為核心構建，缺乏對動態影響因素的考慮，因此檢測結果的準確性也存在一定的提升空間。為進一步提高檢測結果的可靠性，優化繼電保護裝置線路門檻值的設置是十分必要的。

1 設置繼電保護裝置線路門檻值

為實現對2M 光接口繼電保護裝置線路隱藏故障的檢測，首先要結合檢測裝置的實際情況設置合理的門檻值，并將其作為判定繼電保護裝置線路是否存在隱藏故障的標準。本文按照國家標準《電流互感器》（GB/T1208-1997）中的規定要求，在線路一次電流為額定值的情況下，對繼電保護裝置相關設備運行參數的誤差允許范圍進行界定。

按照表1，采用GPS 同步法對光2M 光接口纖縱差保護裝置的運行方式進行管理，這樣就可忽略由于數據采樣同步性問題對檢測結果帶來的影響。在利用PMU 裝置對繼電保護裝置對應2M 光接口線路數據進行測量時，其可靠性及準確度都相對較高。本文將PMU 裝置的測量值作為繼電保護裝置線路二次電流的代替值，以此提高其準確性。通過這樣的處理方式，正常運行狀態下繼電保護裝置線路的二次電流與額定值之間的差值實現最小化。

表1 繼電保護裝置運行參數誤差允許范圍

在此條件下，將額定情況下的PMU 測量結果與繼電保護裝置的允許誤差進行融合，計算得出繼電保護裝置線路主站報警的門檻值，其可表示為I=2KIPMU(0.005+ε)、U=2KUPMU(0.005+ε)，其中：I 表示繼電保護裝置線路主站報警的電流門檻值，U表示繼電保護裝置線路主站報警的電壓門檻值，IPMU和UPMU分別表示PMU 裝置的測量得到的電流數據和電壓數據，K表示協同系數，ε表示PMU 裝置的測量誤差，上文已說明，該部分誤差在實際數據中可忽略不計，但為避免線路運行環境異常對其的影響，本文將其取值設置為非常態值，以測量數據的0.1%表示，通過這樣的方式實現對繼電保護裝置線路門檻值的設置。

但需注意，一般在輸電線路2M 光接口的兩側均會配有相應的保護CT 和測量CT，而PMU 裝置對應的交流電流回路在保護CT 和測量CT 中均可接入。這就意味著當其電流回路接入測量CT，更加傾向于對穩態電路數據的測量精度。而在實際運行過程中，線路出現故障時會誘發測量CT 迅速實現過飽和，從而加速線路傳變性能的惡化，這就導致PMU 裝置的測量精度難以得到保證。而直接將電流回路接入保護CT 會使電路數據的精度降低，但其不會受到故障狀態下線路異常的影響。

本文綜合了上述兩種方法的優點，考慮到隱藏故障是存在于繼電保護線路的各個環節的，建立了包含數據屬性的繼電保護裝置線路主站報警的門檻值，其計算方式可表示為I=2KIPMU(0.005+ε)/(λ1+λ2)、U=2KUPMU(0.005+ε)/(λ1+λ2)，其中的λ1和λ2分別表示測量CT 和保護CT 對PMU 裝置測量結果的影響系數。通過這樣的方式，實現對繼電保護裝置線路門檻值的準確設置，為后續的檢測工作提供可靠基礎。

2 繼電保護裝置線路隱藏故障檢測

在上述基礎上，本文針對2M 光接口的繼電保護裝置線路隱藏故障的不同階段展開了檢測方法研究。首先需明確，靜態特性下的隱藏故障檢測只需要直接對線路的電流和電壓與門檻值之間的關系進行比較即可，其檢測方式為：I'＞I or U'＞U，其中，I'和U'分別表示采集到的線路數據信息，按照此式即可實現對線路隱藏故障的檢測。

對于動態特性下的隱藏故障檢測，首先需要對2M 光接口以及線路采集模擬量進行統計，并將其作為動作的輸入值。在此過程中需要注意的是，線路中的測量回路既包括電流互感器、連接電纜、端子，同時也包括繼電保護裝置內部的前置變送器、濾波電路、A／D 轉換器等。因此在對隱藏故障進行檢測時需要對上述任一環節的失效或誤差增大情況作出分析。

以此為基礎，假設線路中的數據為Xi，其代表某一時刻的PMU 的測量值，將線路的測量值之和作為參考基準，對各個線路通道中的故障檢測方法步驟如下：計算出線路對應的PMU 以及保護測量數據的均值，其可表示為其中，表示保護測量數據的均值，n 表示參與故障檢測的測量數據總量，其中包含上述的2M 光接口以及線路采集模擬量的所有信息；將該值的均值與上文構建的門檻值進行比較，同樣按照上文檢測方式確定各測量值所對應的線路是否存在隱藏故障。

3 仿真測試

為測試本文設計檢測方法的應用效果，利用MATLAB 構建了仿真模型，并選用三相電流突變量作為模擬環境的啟動元件(圖1)。在此基礎上，應用文獻[1]和文獻[2]提出的檢測方法作為測試的對照組，對所提方法的有效性進行分析。

圖1 仿真模型

3.1 仿真環境設置

在對仿真參數進行設置時，本文將EA和EB的值一致化處理，并有EB=EA=40kV，其中M、N、P 均為2M 光接口，定義M 和N 之間的線路距離為L1、對應的長度為150km，定義N 和P 之間的線路距離為L2、對應的長度為220km。在兩條線路上，單位距離上的阻抗值相同。其中正序阻抗的大小為0.01103+j0.2812Ω/km，對應的R1=0.01103Ω/km、L1=0.9279H/km，零序阻抗大小為0.3645+j1.2775Ω/km，其對應的R0=0.3645Ω/km、L0=4.0644H/km，兩線路正序電容和零序電容分別為C1=0.01304μF/km，C0=0.07561μF/km。

以此為基礎，設置對線路信號的采樣頻率為4000Hz，也就意味著在t=0.1s 時間范圍內會生成400個采樣點，此時設置的故障為短路，短路位置為距M 端40km 處。與此同時，提取AB 相短路時A、B 各相的相電流和電壓值。以表1中的數據為基礎，分別采用三種檢測方法對線路進行檢測。得到響應的檢測結果并進行分析。

表2 AB 相短路條件下各項電流電壓數據

3.2 檢測結果與分析

從圖2（a）中可看出，文獻[1]方法的檢測結果與實際結果之間的誤差較大，最大值達到了4.220A，其對應的時間為短路發生后的0.2s，文獻[2]方法實現了對線路電流變化的準確檢測，但是在短路出現的初期，對應時間為0.10s 和0.15s 時，其對故障數據的檢測結果也存在一定的提升空間。本文方法的檢測結果與實際電路數據之間的誤差幾乎可忽略不計，始終穩定在0.50A 范圍內，不僅實現了準確的故障數據檢測，并具有較高的穩定性和靈敏性。觀察圖2（b）可看出，三種方法表現出的特征與電流檢測結果一致。由此不難看出，本文設計方法可實現對繼電保護裝置線路隱藏故障的有效檢測，對于保障線路安全穩定運行具有良好的實際應用效果。

圖2 三種方法對A 相短路數據檢測結果誤差對比圖