智能變電站光纖差動保護同步性能測試方法研究

張佳敏，李 鵬，王建明，卜強生，宋亮亮，仲偉寬

(1.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103；2.無錫供電公司，江蘇無錫214061)

隨著智能變電站的逐步推廣應用，新建和改擴建的變電站大部分采用了智能化的方案，智能變電站最大特點是采用了電子式互感器、智能開關、智能二次設備、光纖通信等新技術和新設備。在智能變電站逐步建設推廣的過程中，對電力系統的運行維護提出了新的要求，一些新的問題也逐步出現，如智能變電站與傳統變電站同時運行，線路光纖縱差保護會出現一側采用電子式互感器，另一側采用傳統互感器的情況[1]。兩側電氣量的同步是保證縱差保護正確動作的關鍵，若兩側線路保護存在角差，線路保護差流會隨著穿越電流的增大而增加，可能會導致保護不正確動作，測試過程中應對其同步性能進行測試把關，保證變電站投運的安全性[2]。

智能變電站集成測試過程中，應對一側數字式保護，一側傳統保護的線路光纖差動保護進行保護同步性能的測試[3-6]。本文構建了線路兩側分別采用數字式差動保護和傳統差動保護的試驗平臺，在同源一次電流下，測試兩側保護同步性能的方法。

1 兩側線路保護角差的產生原因

智能變電站電流互感器（TA）大都采用光纖電子式互感器，光纖互感器由光纖傳感頭、前置采集模塊、合并單元組成，在結構上、原理上與傳統的互感器截然不同。數據在前置采集模塊和合并單元中傳輸及處理需要一定的時間延時，對于同一廠家的合并單元、前置模塊，該時間延時通常是固定的[7-9]。傳統線路保護僅僅存在光纖通道的延時，因為兩側都是傳統的TA，模擬濾波回路的延時影響較小，通過適當地處理就可以消除影響。智能化變電站中的光纖差動保護數據來自間隔合并單元，從真實的電流到保護裝置收到數據報文，已經經歷了傳感頭、電氣單元、合并單元、直接采樣的光纖，這些部件的傳輸特性都對數據傳輸有一定的延時，總延時以合并單元數據中的Delay字段來表示；保護裝置收到電流數據報文后，還要通過光纖電流通道與對側保護采集到的傳統TA電流進行同步，從同步方法上經歷了插值同步、采樣時刻調整法等多個算法環節，這些算法都有一定的誤差，若沒有通過算法將數字側的通道延時和傳統側濾波回路的延時處理好，兩側保護中電氣量就會存在一定的角差，會影響光纖差動保護的動作性能[10，11]。

2 線路兩側差動保護同步性能測試方法

假設線路MN的M側是采用光纖電流互感器的數字式線路保護，N側是采用電磁式電流互感器的傳統線路保護，兩側實際TA變比相同，均為Ie1/Ie2；設M側數字式線路保護中設置的TA變比為IM1/IM2，N側傳統線路保護中設置的TA變比為IN1/IN2=Ie1/Ie2，兩側線路保護的TA變比系數均為1.0，線路MN模型如圖1所示。

不同廠家的線路保護數據傳輸方式不同，若兩側保護送給對側的為二次電流值，假設線路MN中流過穿越性一次電流I˙，數字式線路保護側感應到的本側二次電流為，對側傳統線路保護側二次電流為。實際運行時，若兩側TA變比相同，即IM1/IM2=IN1/IN2，則線路兩側保護TA變比匹配，兩套保護中本側和對側差流應為0。

實驗室用的升流器安全一次電流一般能加到1 000 A左右，若選擇與實際運行中的TA變比進行試驗，保護裝置中的二次電流較小，受噪聲等外部干擾影響較大，零漂可能淹沒二次電流的真實值，難以有效地進行兩側保護裝置同步性能測試。因此，實驗中選擇升流器的變比，傳統側保護的變比與升流器相同，同時考慮到光纖互感器對穿過其光纖環的電流能夠線性疊加，通過將升流器一次電流輸出導線在光纖互感器的光纖環上繞n圈，能夠模擬光纖電流互感器n×1 000 A左右的一次電流，使數字式保護感受到的n×1 000 A左右一次電流。該情形下，若兩側保護送給對側的是二次電流，光纖電流互感器上承受的一次電流等效為升流器一次電流的n倍，數字式線路保護裝置中顯示的本側二次電流為，而顯示對側二次電流為×（I2/I1），兩者二次電流由于一次電流不同而不同，會產生差流，無法驗證兩側保護是否同步。該情況下，調整保護裝置內的TA變比系數k=IMN/IMM=（I2×IM1）/（n×I1×IM2），消除由于一次電流不同產生的差流。

若兩側保護送給對側的為一次電流，則數字側線路保護顯示的本側二次電流為而顯示對側二次電流為=×（I2/I1）×（IN1/IN2）×（IM2/IM1），若保護裝置能夠設置TA變比系數，則k=IMN/IMM=（I2×IN1）/（n×I1×IN2），若保護裝置無法設置TA變比系數，則需要設置對側保護的TA變比IN1/IN2=n×I1×I2，以此來消除變比關系產生的誤差。

3 同步性能測試平臺構建

測試線路兩側數字式保護和傳統保護之間的同步性能，需要構建同步測試平臺，為了保證兩側線路保護一次電流的同源，采用升流器為兩側保護提供同源電流。升流器經過標互輸出的二次電流供傳統線路保護模擬量采集，一次電流流過光纖電流互感器的一次敏感環，通過光纖電流互感器前置單元和合并單元為數字式保護提供二次電流。試驗平臺如圖2所示。

圖2 線路電流縱差保護同步性能測試平臺

實驗室用的升流器安全一次電流能加到1 000 A左右，為了模擬更大范圍內的一次電流變化，將升流器一次電流輸出導線在光纖互感器的光纖環上繞了3圈，即n=3，以模擬測試一次電流從100 A到3 000 A變化過程中兩側保護裝置的同步精度，升流器二次模擬電流接到傳統側保護電流端子，兩側保護裝置TA變比預設為IM1/IM2=IN1/IN2=3 000/5，升流器變比I1/I2=1 000/1。

4 不同廠家同步試驗對比分析

本次試驗選用了2個廠家的線路保護裝置，均為一側數字化保護，另一側傳統保護，分別對2個廠家的線路保護裝置測試其同步精度。一次電流選取100～2 400 A，每150 A為間隔進行穿越性電流的差流測試。

廠家A兩側保護之間數據傳輸的是二次電流滿碼值，根據前文分析，設置數字化側保護裝置內TA變比IM1/IM2=3 000/5，TA變比系數k=IMN/IMM=（I2×IM1）/（n×I1×IM2）=0.2，則數字式線路保護裝置中顯示的本側電流變為。對側傳統保護TA變比IN1/IN2=3 000/5，對側電流為。記錄其在一次電流下的試驗數據如表1所示。

表1 廠家A線路保護差動試驗數據 A

由表1可知，一次電流從150 A變為2 400 A過程中，差流大小盡管有波動，但整體趨勢比較穩定，說明兩側保護裝置同步性能較高，采樣值之間的角度差極小，可以滿足保護運行要求。

廠家B兩側保護之間數據傳輸的是一次電流，由于保護裝置內沒有TA變比系數設置功能，若兩側采用同樣的TA變比，勢必產生差流，按照前文所述，數字式保護側TA變比IM1/IM2=2 500/5；傳統側保護TA變比設為IN1/IN2=n×I1/IN2=3 000/1。記錄其在一次電流下的試驗數據如表2所示。

表2 廠家B線路差動保護試驗數據 A

由表2可以明顯發現，隨著穿越電流的增加，保護差流逐漸變大，可以認為數字側保護與傳統側保護采樣同步性能不夠好，采樣值之間存在一定的角差，可以根據其差流大小估算出保護兩側的角差約為3°。實際運行過程中，發生區外故障時，穿越電流可能達到30 kA，若兩側角差在3°左右，對應兩側保護時差約167μs，差流最大可達到1 570 A。廠家A和廠家B線路保護兩側差流對比如圖3所示。

圖3 廠家A和廠家B線路保護兩側差流對比圖

對比廠家A和廠家B的線路差動保護的差流隨穿越電流變化的曲線?？梢园l現，廠家A的線路差動保護可以較好地保證兩側采樣值的同步性，而廠家B的兩側線路保護采樣值之間存在一定的角差，導致保護差流隨穿越電流的增加而增大，發生區外故障時，差流較大。

5 結束語

隨著智能變電站建設的大力推進，在一段時間內需要考慮智能站與傳統站之間的保護配合，兩側保護同步性能的測試對保證智能變電站可靠運行具有重要的意義。本文以某智能變電站集中集成測試為背景，給出了一種基于實驗室條件測試數字式線路差動保護和傳統線路差動保護同步性能的方法，構建了測試平臺，對2個廠家的線路光差保護同步性能進行了測試。

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