超高壓線路縱聯(lián)保護配置方案

　　0引言
　　
　　目前，我國超高壓電網中，220kV及以上電壓等級的線路基本上都配置有雙套主保護和后備保護。線路主保護一般為縱聯(lián)保護。縱聯(lián)保護形式的選擇，以前由于受到通信手段的限制，基本上都是采用電力線載波通道的閉鎖式或允許式距離、零序或方向保護（相差保護已基本淘汰）。隨著計算機和數(shù)字通信技術的發(fā)展，光纖及微波通信系統(tǒng)在電力系統(tǒng)得到廣泛應用，可供繼電保護使用的信號傳輸通道不再單一，而主保護的形式根據(jù)通信方式的不同可有不同的選擇。
　　
　　1保護信號傳輸通道的選擇
　　
　　目前，在發(fā)、輸變電工程中，根據(jù)不同的電力通信系統(tǒng)可選擇的保護信號傳輸通道方式主要有以下幾種：載波通道（ON-OFF）、復用載波機（FSK）、復用微波通道（FSK，64kbit／s）；光纖通道（64kbit／s，RS-232串行口）、復用光纖通道（FSK，64kbit／s，RS-232串行口）。
　　
　　1．1載波通道
　　
　　繼電保護裝置利用收發(fā)信機經高頻加工設備使用電力線載波通道傳輸保護信號，是以往電力系統(tǒng)中zui常見的，例如高頻閉鎖距離或方向保護。但是，由于載波通道是由電力線構成，在系統(tǒng)內發(fā)生故障或電力設備投入、退出操作時，會對載波通道構成嚴重干擾，經常出現(xiàn)因收發(fā)信機故障、載波通道故障或噪聲干擾造成線路保護誤動或拒動。此外，使用載波通道的縱聯(lián)保護的年投運率較低，按1994年電力工業(yè)部頒布的《電力系統(tǒng)繼電保護及安全自動裝置反事故措施要點》規(guī)定，年投運率僅為90．4％。
　　
　　1．2復用載波機
　　
　　復用載波機也是利用電力線載波通道傳輸保護信號，但保護裝置不需設置收發(fā)信機，而是利用通信專業(yè)的電力線載波機傳輸保護信號。正常運行時，載波機傳輸話音信號，當線路發(fā)生故障需要傳輸保護信號時，載波機將切斷話音信號，以移頻鍵控的方式傳輸保護信號。
　　
　　這種交替式復用載波機的方式與載波通道方式相比有兩大好處：一是可以充分利用載波機設備本身可靠性較高的優(yōu)勢，而且載波機的年投運率為99％以上；二是不必占用頻率，可以節(jié)省頻率資源。
　　
　　L3復用微波通道
　　
　　復用微波通道是利用通信的微波通道傳輸保護信號，在微波通信的終端設備PCM復接所要傳輸?shù)谋Ｗo信號。微波通信不受任何電力設備故障和操作的影響，具有較高的信號傳輸質量。而且，微波通信是采用數(shù)字信號傳輸技術，不僅能傳輸音頻信號，還能經數(shù)據(jù)口傳輸數(shù)據(jù)信號。為了提高信號傳輸?shù)目煽啃裕娏ο到y(tǒng)微波通信電路通常采用1：l的主備用方式，當主用頻道故障時，進行無損傷切換，使用備用頻道的微波信號。
　　
　　根據(jù)《電力系統(tǒng)微波通信工程設計技術規(guī)程》規(guī)定，數(shù)字微波通信電路64kbit／s輸出端的誤碼率（BER）為：①任何月份0．4％以上時間1min平均誤碼率不大于10-6；②任何月份0．054％以上時間1s平均誤碼率不大于10-3，年可用率大于99．7％。其中第2個誤碼率（10-3）也就是嚴重誤碼秒，是微波通道需要進行無損傷切換的門限值。但按保護閉鎖率為10-5推算，要求嚴重誤碼秒不大于10-4，此無損傷切換門限值應提高到10-4，可在具體工程中實現(xiàn)。
　　
　　總之，復用微波通道傳輸保護信號的*性是顯而易見的。
　　
　　1．4光纖通道
　　
　　光纖通道因傳輸容量大、信號傳輸速度快、安全性及可靠性高而成為電力通信系統(tǒng)傳輸通道的主要方式。也正因為上述*性，光纖通道已成為保護信號傳輸通道的方式。目前，在工程中使用光纖通道傳輸保護信號有3種方式：敷設光纜；與通信復用光纜，使用纖芯；復用光纖通信電路，即由通信的終端設備PCM復接所要傳輸?shù)谋Ｗo信號。
　　
　　1．4．1光纜
　　
　　使用光纜傳輸保護信號，需將線路兩端的保護設備用一根光纜連接，光纜便成為線路保護的一部分。在設計線路保護的同時，還要考慮如何敷設光纜，其光纜敷設的費用較高，而且，如果不與輸電線地線一同敷設（采用復合地線光纜OPGW、地線纏繞式光纜或捆綁式光纜），光纜的可靠性較低。由于光傳輸衰耗（不設置光中繼站），其長度一般不能超過25km。光纜的運行維護也將歸入繼電保護專業(yè)，光纜的戶外檢修維護會給繼電保護人員帶來一定的困難。
　　
　　1．4．2纖芯
　　
　　纖芯是使用通信光纜中的一對纖芯。光纜的敷設及光中繼站的設置均由通信專業(yè)統(tǒng)一考慮，與光纜方式相比，具有光纜可靠性較高、長度沒有特別限制等*性。
　　
　　但是，在通道設計時，除了保護使用的一對光纜芯外，還要預留一對備用光纜芯，也就是說一套保護要占用兩對光纜芯。而保護裝置所需的信號傳輸量與一對光纜芯能達到的傳輸容量相比是微乎其微，因此，該方式對通信資源來說是一種浪費。這種使用方式對光纜的施工質量及運行維護要求較高。一些地區(qū)已發(fā)生了幾次因施工質量問題和光纜活接頭的清潔問題造成保，護通道告警現(xiàn)象，影響了保護通道的可靠性。
　　
　　1．4．3復用光纖通信電路
　　
　　復用數(shù)字光纖通信電路是指由通信的PCM復接所要傳輸?shù)谋Ｗo信號。使用這種方式，只需將保護信號（FSK，64kbit／s或RS-232串行口）接人通信的PCM話路、64kbit／s數(shù)據(jù)口或RS-232接口。復用光纜通信電路可充分發(fā)揮通信網絡優(yōu)勢，一旦某部分電路發(fā)生中斷，運行維護人員可利用網絡在較短時間內實現(xiàn)電路調度，從而迅速恢復中斷的信號傳輸，這是光纖或光纜等無法提供的。
　　
　　目前，SDH光纖通信電路在電力系統(tǒng)應用比較普遍，部分地區(qū)已實現(xiàn)SDH光纖自愈環(huán)[1]，當傳輸電路發(fā)生中斷或性能劣化到一定程度后，無需人為干預，電路可自動完成切換，切換時間小于50ms。在未實現(xiàn)光纖自愈環(huán)的電源網點，部分已實現(xiàn)1路光纜、1路微波。在此情況下，可在光纜通道和微波通道分別配置1臺PCM，各傳1路主保護信號，利用PCM的64kbit／s通道保護功能提高保護信號傳輸?shù)目煽啃浴Ｆ鋺萌鐖D1所示。　　一日，A方向2M端口或設備故障，PCM設備可自動將需要保護的信號倒換至B方向傳送。從光纜通信電路的設計性能指標來看[2]，SDH光纜通信電路設計執(zhí)行ITU-TG．826建議，該建議采用誤塊秒比（ESR）、嚴重誤塊秒比（SESR）來衡量電路的性能指標。與微波通信相比較，該指標要求更加嚴格，例如，對于50km中繼間隔、傳送155Mbit／s（STM-1）信號，為滿足嚴重誤塊秒（SES）要求，等效于前面所述的BER無論什么時候都不能超過1．7x10-5，為滿足誤塊秒（ES）指標，等效于前面所述的1min的BER不應超過10-12，這項指標遠遠高于保護對通道質量的要求。
　　
　　2保護形式的選擇
　　
　　針對不同類型的信號傳輸通道以及信號形式的不同，保護形式可以有不同的選擇。
　　
　　2．1載波通道
　　
　　載波通道包括和復用載波通道。由于載波通道抗*力差、高頻加工設備質量問題及運行效果差，影響線路保護的正常運行，建議淘汰載波通道方式。
　　
　　復用通信載波機傳輸保護信號，大多采用交替式復用方式，保護與載波機之間通過保護信號接口裝置連接。我國高頻閉鎖保護[3~5]的工作原理是線路發(fā)生故障時先發(fā)閉鎖信號，經保護裝置判斷為被保護線路正方向故障再停信，為了可靠地閉鎖保護，保護的啟動發(fā)信元件整定得非常靈敏，相鄰線路故障及正常的系統(tǒng)操作都會引起發(fā)信元件動作。允許式保護是在判斷被保護線路正方向發(fā)生故障時，向線路對側發(fā)出允許信號。
　　
　　比較兩種保護發(fā)送信號方式，前者比后者的發(fā)信概率要大得多。因此，為了盡量不影響通信通話，復用通信載波機時，保護采用允許式方向或距離保護。
　　
　　2．2光纖及微波通道[6,7]
　　
　　數(shù)字光纖或微波通道所傳輸?shù)男盘柧鶠閿?shù)字信號，音頻信號將經過光纖及微波通信PCM終端設備的調制變換成數(shù)字信號傳輸。復用光纖或微波通道傳輸保護信號既可以是數(shù)據(jù)信號，也可以是命令信號。
　　
　　國內常使用的縱聯(lián)保護有閉鎖式方向或距離、允許式方向或距離保護和分相電流差動保護。閉鎖式方向或距離保護的優(yōu)勢在于：當線路發(fā)生故障時，載波通道可能被阻塞，但并不影響閉鎖式縱聯(lián)保護的正確動作，而允許式保護和分相電流差動保護是在被保護線路發(fā)生故障時，需要向線路對側傳送允許信號和數(shù)據(jù)。如果復用光纖或微波通道，閉鎖式保護不再具有優(yōu)勢，因此，復用光纖或微波通道不選用閉鎖式保護，而選用允許式方向或距離保護和分相電流差動保護方式。
　　
　　目前，我國電力系統(tǒng)中運行的分相電流差動保護（復用光纖或微波通道）均使用64kbit／s數(shù)字接口與光纖或微波通信的PCM連接。允許式方向或距離保護多數(shù)是經信號傳輸裝置FSK與光纖或微波通信終端設備的音頻口連接，傳輸音頻信號（允許跳閘命令）。
　　
　　近兩年，在東北500kV遼長吉哈輸變電工程中引進了美國SEL公司的允許式距離線路保護設備[8，9]，該允許式距離保護經RS-232串行口與光纖通信終端設備的靈活數(shù)據(jù)接人板（滿足ITU-TX．50建議）連接（見美國SEL公司的《PhaseandGroundDistanceRelaylnstructionManual》），以起止式異步傳輸?shù)姆绞絺鬏敱Ｗo狀態(tài)量，其傳輸速度為9．6kbit／s。這種保護裝置是將數(shù)字保護內相關元件動作的邏輯狀態(tài)實時存儲在內設的數(shù)據(jù)庫中，并實時地將特定的元件狀態(tài)量傳送至線路對側，兩側的保護根據(jù)本側保護元件動作狀態(tài)及對側保護的狀態(tài)信息，判別被保護線路是否發(fā)生區(qū)內故障。
　　
　　根據(jù)目前我國電力系統(tǒng)通信設備的狀況，新建的光纖通信系統(tǒng)均為SDH，其終端設備均可配置靈活數(shù)據(jù)接人板。我國允許式距離保護可以借鑒利用RS-232串行口傳輸保護信息的方式，將允許跳閘命令作為狀態(tài)數(shù)據(jù)量傳輸。這樣，可避免采用把保護的允許跳閘命令經信號傳輸裝置移頻鍵控調制成音頻信號、再經光纖及微波通信PCM的終端設備調制變換成數(shù)字信號及反調制成命令信號的環(huán)節(jié)，大大簡化了保護系統(tǒng)的信號傳輸設備，提高了信號傳輸?shù)目煽啃裕⑻岣吡诵盘杺鬏斔俣取＝ㄗh我國線路保護設備廠家能在這方面做一些工作。
　　
　　新建工程中，在設備允許的條件下，允許式方向或距離保護復用光纖通道，采用經RS-232串行口與光纖通信終端設備連接的方式。
　　
　　3雙重主保護配置方案的研究
　　
　　根據(jù)《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》，220kV及以上電壓等級的輸電線路需配置雙重主保護。線路主保護一般為縱聯(lián)保護。針對電力通信系統(tǒng)狀況以及具體的工程情況，雙重縱聯(lián)保護的配置方案會有所不同。
　　
　　3．1通道方式
　　
　　根據(jù)現(xiàn)行有關電力系統(tǒng)通信規(guī)程的規(guī)定，重要變電所及發(fā)電廠與電力調度之間都具有至少兩種通信方式。從目前看來，除了電網末端變電所，一般都采用光纖和微波通信作為電力通信的主備用通信方式，或者采用由不同路由構成的光纖通信方式。對于電網末端變電所，有可能采用光纖或微波通信作為電力通信的主用通信方式，載波通信作為備用通信方式。那么，雙重主保護可根據(jù)不同通信方式所構成的通信網絡選擇信號傳輸通道的方式，不外乎有以下幾種情況：一路復用光纖通道，一路復用微波通道；兩路復用不同路由的光纖通道；一路復用光纖或微波通道，使用不同的PCM終端；一路復用光纖或微波通道，一路復用載波通道。
　　
　　對于一些特殊的線路，例如超短線路、兩端無其他通信方式的線路，可采用光纖通道或載波通道。
　　
　　3．2保護方式
　　
　　根據(jù)前面的分析，縱聯(lián)保護的信號傳輸一般應采用復用光纖或微波通道和復用載波通道的方式。在第2節(jié)中已闡述，使用這些信號傳輸通道方式可選擇的保護形式有分相電流差動保護、允許式方向或距離保護。
　　
　　分相電流差動保護的動作原理是測量被保護線路各端電流相量，計算各端電流相量和，稱其為差動電流Id。理論上，當被保護線路發(fā)生故障時，差動電流就等于故障電流If，即Id＝If；當發(fā)生區(qū)外故障時，Id＝0。通過Id的大小來判斷線路是否故障。為保證保護動作的安全性，防止穿越故障時誤動，保護裝置還設置了制動特性，整組動作判據(jù)由動作量和制動量組成。動作量為線路各端電流相量和的值，制動量各設備廠家取值不同，這里就不列出具體的動作方程了。由于分相電流差動保護所需傳輸信息量比較大，信號傳輸通道必須是數(shù)字傳輸通道。
　　
　　可以看出，分相電流差動保護具有原理簡單、不受系統(tǒng)振蕩及重負荷的影響、對全相和非全相運行中的故障均能正確選相跳閘及適用面廣等優(yōu)點，特別是對同桿并架雙回線發(fā)生跨線故障時能實現(xiàn)故障相跳閘。因此，在有信號傳輸通道的條件下，應分相電流差動保護。
　　
　　允許式方向或距離保護的動作原理是通過功率方向或距離元件來判別線路故障的方向，向線路對側發(fā)送允許信號（FSK或RS-232）。當被保護線路發(fā)生故障時，線路兩側保護故障判別元件動作又收到對側的允許信號，則保護整組動作發(fā)出跳閘命令。當被保護線路區(qū)外（被保護線路背后）發(fā)生故障時，遠故障端的保護的功率方向或距離元件動作，判別為正方向故障，并發(fā)送允許信號，但近故障端的保護的功率方向或距離元件判別為反方向故障，不發(fā)送允許信號，兩側保護均不滿足動作條件，不會誤動作。這種保護在我國應用較為廣泛，具有適應各種信號傳輸通道的優(yōu)點，既可使用載波通道，也可復用光纖或微波通道，而且還具有通道故障瞬間短時開放保護（unblocking）的功能。unblocking的功能在線路和通道同時發(fā)生故障時，保護仍能動作。如果保護信號傳輸是復用光纖通道的線路，當光纖電路自愈環(huán)切換或光纖與載波電路間切換時（小于50ms），如被保護線路發(fā)生故障，該保護能快速動作切除故障。當然，此時發(fā)生區(qū)外故障，遠故障端的保護也有誤動的可能性。
　　
　　根據(jù)上面的分析，縱聯(lián)保護的配置方案如下：
　　
　　a．對于具有兩路數(shù)字通道的超高壓線路，即一路復用光纖通道和一路復用微波通道或兩路復用不同路由的光纖通道，其保護配置建議采用兩套分相電流差動保護，尤其是同桿并架雙回線。兩路通道同時故障的概率很小，即使一路通道故障或通道在切換中，還有一套保護能正常運行，也可配置一套分相電流差動保護和一套允許式方向或距離保護。當允許式保護復用的通道故障切換時，該保護可不退出運行。
　　
　　b．對于具有一個數(shù)字通道和一個載波通道的超高壓線路，鑒于這種線路一般都位于電網的末端，如果是光纖數(shù)字通道，建議采用一套分相電流差動保護和一套允許式方向或距離保護，均復用數(shù)字通道，分別使用不同的PCM終端設備。數(shù)字通道的可靠性和可用性較高，一般不會影響保護的投入率，除非發(fā)生光纖斷纜，但這畢竟屬于罕見事件。對于微波數(shù)字通道或系統(tǒng)安全穩(wěn)定對線路故障切除時間有要求的線路，可采用一套分相電流差動保護和一套復用載波通道的允許式方向或距離保護。
　　
　　c．對于超短線路及電纜短線路，可考慮使用光纜的兩套分相電流差動保護。
　　
　　4結語
　　
　　根據(jù)目前我國電力系統(tǒng)及電力通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和線路保護的設備水平，在考慮220kV及以上電壓等級的線路縱聯(lián)保護方案時，保護信號傳輸通道應復用數(shù)字通信電路，逐漸淘汰使用載波通道的方式。保護形式應分相電流差動保護。允許式方向或距離保護復用數(shù)字通信電路，經RS-232串行口與通信終端設備連接，采用起止式異步傳輸?shù)姆绞街档媒梃b。