超高压线路纵联保护配置方案

　　0引言
　　
　　目前，我国超高压电网中，220kV及以上电压等级的线路基本上都配置有双套主保护和后备保护。线路主保护一般为纵联保护。纵联保护形式的选择，以前由于受到通信手段的限制，基本上都是采用电力线载波通道的闭锁式或允许式距离、零序或方向保护（相差保护已基本淘汰）。随着计算机和数字通信技术的发展，光纤及微波通信系统在电力系统得到广泛应用，可供继电保护使用的信号传输通道不再单一，而主保护的形式根据通信方式的不同可有不同的选择。
　　
　　1保护信号传输通道的选择
　　
　　目前，在发、输变电工程中，根据不同的电力通信系统可选择的保护信号传输通道方式主要有以下几种：载波通道（ON-OFF）、复用载波机（FSK）、复用微波通道（FSK，64kbit／s）；光纤通道（64kbit／s，RS-232串行口）、复用光纤通道（FSK，64kbit／s，RS-232串行口）。
　　
　　1．1载波通道
　　
　　继电保护装置利用收发信机经高频加工设备使用电力线载波通道传输保护信号，是以往电力系统中zui常见的，例如高频闭锁距离或方向保护。但是，由于载波通道是由电力线构成，在系统内发生故障或电力设备投入、退出操作时，会对载波通道构成严重干扰，经常出现因收发信机故障、载波通道故障或噪声干扰造成线路保护误动或拒动。此外，使用载波通道的纵联保护的年投运率较低，按1994年电力工业部颁布的《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》规定，年投运率仅为90．4％。
　　
　　1．2复用载波机
　　
　　复用载波机也是利用电力线载波通道传输保护信号，但保护装置不需设置收发信机，而是利用通信专业的电力线载波机传输保护信号。正常运行时，载波机传输话音信号，当线路发生故障需要传输保护信号时，载波机将切断话音信号，以移频键控的方式传输保护信号。
　　
　　这种交替式复用载波机的方式与载波通道方式相比有两大好处：一是可以充分利用载波机设备本身可靠性较高的优势，而且载波机的年投运率为99％以上；二是不必占用频率，可以节省频率资源。
　　
　　L3复用微波通道
　　
　　复用微波通道是利用通信的微波通道传输保护信号，在微波通信的终端设备PCM复接所要传输的保护信号。微波通信不受任何电力设备故障和操作的影响，具有较高的信号传输质量。而且，微波通信是采用数字信号传输技术，不仅能传输音频信号，还能经数据口传输数据信号。为了提高信号传输的可靠性，电力系统微波通信电路通常采用1：l的主备用方式，当主用频道故障时，进行无损伤切换，使用备用频道的微波信号。
　　
　　根据《电力系统微波通信工程设计技术规程》规定，数字微波通信电路64kbit／s输出端的误码率（BER）为：①任何月份0．4％以上时间1min平均误码率不大于10-6；②任何月份0．054％以上时间1s平均误码率不大于10-3，年可用率大于99．7％。其中第2个误码率（10-3）也就是严重误码秒，是微波通道需要进行无损伤切换的门限值。但按保护闭锁率为10-5推算，要求严重误码秒不大于10-4，此无损伤切换门限值应提高到10-4，可在具体工程中实现。
　　
　　总之，复用微波通道传输保护信号的*性是显而易见的。
　　
　　1．4光纤通道
　　
　　光纤通道因传输容量大、信号传输速度快、安全性及可靠性高而成为电力通信系统传输通道的主要方式。也正因为上述*性，光纤通道已成为保护信号传输通道的方式。目前，在工程中使用光纤通道传输保护信号有3种方式：敷设光缆；与通信复用光缆，使用纤芯；复用光纤通信电路，即由通信的终端设备PCM复接所要传输的保护信号。
　　
　　1．4．1光缆
　　
　　使用光缆传输保护信号，需将线路两端的保护设备用一根光缆连接，光缆便成为线路保护的一部分。在设计线路保护的同时，还要考虑如何敷设光缆，其光缆敷设的费用较高，而且，如果不与输电线地线一同敷设（采用复合地线光缆OPGW、地线缠绕式光缆或捆绑式光缆），光缆的可靠性较低。由于光传输衰耗（不设置光中继站），其长度一般不能超过25km。光缆的运行维护也将归入继电保护专业，光缆的户外检修维护会给继电保护人员带来一定的困难。
　　
　　1．4．2纤芯
　　
　　纤芯是使用通信光缆中的一对纤芯。光缆的敷设及光中继站的设置均由通信专业统一考虑，与光缆方式相比，具有光缆可靠性较高、长度没有特别限制等*性。
　　
　　但是，在通道设计时，除了保护使用的一对光缆芯外，还要预留一对备用光缆芯，也就是说一套保护要占用两对光缆芯。而保护装置所需的信号传输量与一对光缆芯能达到的传输容量相比是微乎其微，因此，该方式对通信资源来说是一种浪费。这种使用方式对光缆的施工质量及运行维护要求较高。一些地区已发生了几次因施工质量问题和光缆活接头的清洁问题造成保，护通道告警现象，影响了保护通道的可靠性。
　　
　　1．4．3复用光纤通信电路
　　
　　复用数字光纤通信电路是指由通信的PCM复接所要传输的保护信号。使用这种方式，只需将保护信号（FSK，64kbit／s或RS-232串行口）接人通信的PCM话路、64kbit／s数据口或RS-232接口。复用光缆通信电路可充分发挥通信网络优势，一旦某部分电路发生中断，运行维护人员可利用网络在较短时间内实现电路调度，从而迅速恢复中断的信号传输，这是光纤或光缆等无法提供的。
　　
　　目前，SDH光纤通信电路在电力系统应用比较普遍，部分地区已实现SDH光纤自愈环[1]，当传输电路发生中断或性能劣化到一定程度后，无需人为干预，电路可自动完成切换，切换时间小于50ms。在未实现光纤自愈环的电源网点，部分已实现1路光缆、1路微波。在此情况下，可在光缆通道和微波通道分别配置1台PCM，各传1路主保护信号，利用PCM的64kbit／s通道保护功能提高保护信号传输的可靠性。其应用如图1所示。　　一日，A方向2M端口或设备故障，PCM设备可自动将需要保护的信号倒换至B方向传送。从光缆通信电路的设计性能指标来看[2]，SDH光缆通信电路设计执行ITU-TG．826建议，该建议采用误块秒比（ESR）、严重误块秒比（SESR）来衡量电路的性能指标。与微波通信相比较，该指标要求更加严格，例如，对于50km中继间隔、传送155Mbit／s（STM-1）信号，为满足严重误块秒（SES）要求，等效于前面所述的BER无论什么时候都不能超过1．7x10-5，为满足误块秒（ES）指标，等效于前面所述的1min的BER不应超过10-12，这项指标远远高于保护对通道质量的要求。
　　
　　2保护形式的选择
　　
　　针对不同类型的信号传输通道以及信号形式的不同，保护形式可以有不同的选择。
　　
　　2．1载波通道
　　
　　载波通道包括和复用载波通道。由于载波通道抗*力差、高频加工设备质量问题及运行效果差，影响线路保护的正常运行，建议淘汰载波通道方式。
　　
　　复用通信载波机传输保护信号，大多采用交替式复用方式，保护与载波机之间通过保护信号接口装置连接。我国高频闭锁保护[3~5]的工作原理是线路发生故障时先发闭锁信号，经保护装置判断为被保护线路正方向故障再停信，为了可靠地闭锁保护，保护的启动发信元件整定得非常灵敏，相邻线路故障及正常的系统操作都会引起发信元件动作。允许式保护是在判断被保护线路正方向发生故障时，向线路对侧发出允许信号。
　　
　　比较两种保护发送信号方式，前者比后者的发信概率要大得多。因此，为了尽量不影响通信通话，复用通信载波机时，保护采用允许式方向或距离保护。
　　
　　2．2光纤及微波通道[6,7]
　　
　　数字光纤或微波通道所传输的信号均为数字信号，音频信号将经过光纤及微波通信PCM终端设备的调制变换成数字信号传输。复用光纤或微波通道传输保护信号既可以是数据信号，也可以是命令信号。
　　
　　国内常使用的纵联保护有闭锁式方向或距离、允许式方向或距离保护和分相电流差动保护。闭锁式方向或距离保护的优势在于：当线路发生故障时，载波通道可能被阻塞，但并不影响闭锁式纵联保护的正确动作，而允许式保护和分相电流差动保护是在被保护线路发生故障时，需要向线路对侧传送允许信号和数据。如果复用光纤或微波通道，闭锁式保护不再具有优势，因此，复用光纤或微波通道不选用闭锁式保护，而选用允许式方向或距离保护和分相电流差动保护方式。
　　
　　目前，我国电力系统中运行的分相电流差动保护（复用光纤或微波通道）均使用64kbit／s数字接口与光纤或微波通信的PCM连接。允许式方向或距离保护多数是经信号传输装置FSK与光纤或微波通信终端设备的音频口连接，传输音频信号（允许跳闸命令）。
　　
　　近两年，在东北500kV辽长吉哈输变电工程中引进了美国SEL公司的允许式距离线路保护设备[8，9]，该允许式距离保护经RS-232串行口与光纤通信终端设备的灵活数据接人板（满足ITU-TX．50建议）连接（见美国SEL公司的《PhaseandGroundDistanceRelaylnstructionManual》），以起止式异步传输的方式传输保护状态量，其传输速度为9．6kbit／s。这种保护装置是将数字保护内相关元件动作的逻辑状态实时存储在内设的数据库中，并实时地将特定的元件状态量传送至线路对侧，两侧的保护根据本侧保护元件动作状态及对侧保护的状态信息，判别被保护线路是否发生区内故障。
　　
　　根据目前我国电力系统通信设备的状况，新建的光纤通信系统均为SDH，其终端设备均可配置灵活数据接人板。我国允许式距离保护可以借鉴利用RS-232串行口传输保护信息的方式，将允许跳闸命令作为状态数据量传输。这样，可避免采用把保护的允许跳闸命令经信号传输装置移频键控调制成音频信号、再经光纤及微波通信PCM的终端设备调制变换成数字信号及反调制成命令信号的环节，大大简化了保护系统的信号传输设备，提高了信号传输的可靠性，并提高了信号传输速度。建议我国线路保护设备厂家能在这方面做一些工作。
　　
　　新建工程中，在设备允许的条件下，允许式方向或距离保护复用光纤通道，采用经RS-232串行口与光纤通信终端设备连接的方式。
　　
　　3双重主保护配置方案的研究
　　
　　根据《继电保护和安全自动装置技术规程》，220kV及以上电压等级的输电线路需配置双重主保护。线路主保护一般为纵联保护。针对电力通信系统状况以及具体的工程情况，双重纵联保护的配置方案会有所不同。
　　
　　3．1通道方式
　　
　　根据现行有关电力系统通信规程的规定，重要变电所及发电厂与电力调度之间都具有至少两种通信方式。从目前看来，除了电网末端变电所，一般都采用光纤和微波通信作为电力通信的主备用通信方式，或者采用由不同路由构成的光纤通信方式。对于电网末端变电所，有可能采用光纤或微波通信作为电力通信的主用通信方式，载波通信作为备用通信方式。那么，双重主保护可根据不同通信方式所构成的通信网络选择信号传输通道的方式，不外乎有以下几种情况：一路复用光纤通道，一路复用微波通道；两路复用不同路由的光纤通道；一路复用光纤或微波通道，使用不同的PCM终端；一路复用光纤或微波通道，一路复用载波通道。
　　
　　对于一些特殊的线路，例如超短线路、两端无其他通信方式的线路，可采用光纤通道或载波通道。
　　
　　3．2保护方式
　　
　　根据前面的分析，纵联保护的信号传输一般应采用复用光纤或微波通道和复用载波通道的方式。在第2节中已阐述，使用这些信号传输通道方式可选择的保护形式有分相电流差动保护、允许式方向或距离保护。
　　
　　分相电流差动保护的动作原理是测量被保护线路各端电流相量，计算各端电流相量和，称其为差动电流Id。理论上，当被保护线路发生故障时，差动电流就等于故障电流If，即Id＝If；当发生区外故障时，Id＝0。通过Id的大小来判断线路是否故障。为保证保护动作的安全性，防止穿越故障时误动，保护装置还设置了制动特性，整组动作判据由动作量和制动量组成。动作量为线路各端电流相量和的值，制动量各设备厂家取值不同，这里就不列出具体的动作方程了。由于分相电流差动保护所需传输信息量比较大，信号传输通道必须是数字传输通道。
　　
　　可以看出，分相电流差动保护具有原理简单、不受系统振荡及重负荷的影响、对全相和非全相运行中的故障均能正确选相跳闸及适用面广等优点，特别是对同杆并架双回线发生跨线故障时能实现故障相跳闸。因此，在有信号传输通道的条件下，应分相电流差动保护。
　　
　　允许式方向或距离保护的动作原理是通过功率方向或距离元件来判别线路故障的方向，向线路对侧发送允许信号（FSK或RS-232）。当被保护线路发生故障时，线路两侧保护故障判别元件动作又收到对侧的允许信号，则保护整组动作发出跳闸命令。当被保护线路区外（被保护线路背后）发生故障时，远故障端的保护的功率方向或距离元件动作，判别为正方向故障，并发送允许信号，但近故障端的保护的功率方向或距离元件判别为反方向故障，不发送允许信号，两侧保护均不满足动作条件，不会误动作。这种保护在我国应用较为广泛，具有适应各种信号传输通道的优点，既可使用载波通道，也可复用光纤或微波通道，而且还具有通道故障瞬间短时开放保护（unblocking）的功能。unblocking的功能在线路和通道同时发生故障时，保护仍能动作。如果保护信号传输是复用光纤通道的线路，当光纤电路自愈环切换或光纤与载波电路间切换时（小于50ms），如被保护线路发生故障，该保护能快速动作切除故障。当然，此时发生区外故障，远故障端的保护也有误动的可能性。
　　
　　根据上面的分析，纵联保护的配置方案如下：
　　
　　a．对于具有两路数字通道的超高压线路，即一路复用光纤通道和一路复用微波通道或两路复用不同路由的光纤通道，其保护配置建议采用两套分相电流差动保护，尤其是同杆并架双回线。两路通道同时故障的概率很小，即使一路通道故障或通道在切换中，还有一套保护能正常运行，也可配置一套分相电流差动保护和一套允许式方向或距离保护。当允许式保护复用的通道故障切换时，该保护可不退出运行。
　　
　　b．对于具有一个数字通道和一个载波通道的超高压线路，鉴于这种线路一般都位于电网的末端，如果是光纤数字通道，建议采用一套分相电流差动保护和一套允许式方向或距离保护，均复用数字通道，分别使用不同的PCM终端设备。数字通道的可靠性和可用性较高，一般不会影响保护的投入率，除非发生光纤断缆，但这毕竟属于罕见事件。对于微波数字通道或系统安全稳定对线路故障切除时间有要求的线路，可采用一套分相电流差动保护和一套复用载波通道的允许式方向或距离保护。
　　
　　c．对于超短线路及电缆短线路，可考虑使用光缆的两套分相电流差动保护。
　　
　　4结语
　　
　　根据目前我国电力系统及电力通信系统的现状、发展趋势和线路保护的设备水平，在考虑220kV及以上电压等级的线路纵联保护方案时，保护信号传输通道应复用数字通信电路，逐渐淘汰使用载波通道的方式。保护形式应分相电流差动保护。允许式方向或距离保护复用数字通信电路，经RS-232串行口与通信终端设备连接，采用起止式异步传输的方式值得借鉴。