張佳敏，李 鵬，王建明，卜強(qiáng)生，宋亮亮，仲偉寬

(1.江蘇省電力公司電力科學(xué)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(yīng)用，新建和改擴(kuò)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(diǎn)是采用了電子式互感器、智能開關(guān)、智能二次設(shè)備、光纖通信等新技術(shù)和新設(shè)備。在智能變電站逐步建設(shè)推廣的過程中，對電力系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)提出了新的要求，一些新的問題也逐步出現(xiàn)，如智能變電站與傳統(tǒng)變電站同時運(yùn)行，線路光纖縱差保護(hù)會出現(xiàn)一側(cè)采用電子式互感器，另一側(cè)采用傳統(tǒng)互感器的情況[1]。兩側(cè)電氣量的同步是保證縱差保護(hù)正確動作的關(guān)鍵，若兩側(cè)線路保護(hù)存在角差，線路保護(hù)差流會隨著穿越電流的增大而增加，可能會導(dǎo)致保護(hù)不正確動作，測試過程中應(yīng)對其同步性能進(jìn)行測試把關(guān)，保證變電站投運(yùn)的安全性[2]。

智能變電站集成測試過程中，應(yīng)對一側(cè)數(shù)字式保護(hù)，一側(cè)傳統(tǒng)保護(hù)的線路光纖差動保護(hù)進(jìn)行保護(hù)同步性能的測試[3-6]。本文構(gòu)建了線路兩側(cè)分別采用數(shù)字式差動保護(hù)和傳統(tǒng)差動保護(hù)的試驗(yàn)平臺，在同源一次電流下，測試兩側(cè)保護(hù)同步性能的方法。

1 兩側(cè)線路保護(hù)角差的產(chǎn)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(jié)構(gòu)上、原理上與傳統(tǒng)的互感器截然不同。數(shù)據(jù)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(tǒng)線路保護(hù)僅僅存在光纖通道的延時，因?yàn)閮蓚?cè)都是傳統(tǒng)的TA，模擬濾波回路的延時影響較小，通過適當(dāng)?shù)靥幚砭涂梢韵绊?。智能化變電站中的光纖差動保護(hù)數(shù)據(jù)來自間隔合并單元，從真實(shí)的電流到保護(hù)裝置收到數(shù)據(jù)報文，已經(jīng)經(jīng)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(shù)據(jù)傳輸有一定的延時，總延時以合并單元數(shù)據(jù)中的Delay字段來表示；保護(hù)裝置收到電流數(shù)據(jù)報文后，還要通過光纖電流通道與對側(cè)保護(hù)采集到的傳統(tǒng)TA電流進(jìn)行同步，從同步方法上經(jīng)歷了插值同步、采樣時刻調(diào)整法等多個算法環(huán)節(jié)，這些算法都有一定的誤差，若沒有通過算法將數(shù)字側(cè)的通道延時和傳統(tǒng)側(cè)濾波回路的延時處理好，兩側(cè)保護(hù)中電氣量就會存在一定的角差，會影響光纖差動保護(hù)的動作性能[10，11]。

2 線路兩側(cè)差動保護(hù)同步性能測試方法

假設(shè)線路MN的M側(cè)是采用光纖電流互感器的數(shù)字式線路保護(hù)，N側(cè)是采用電磁式電流互感器的傳統(tǒng)線路保護(hù)，兩側(cè)實(shí)際TA變比相同，均為Ie1/Ie2；設(shè)M側(cè)數(shù)字式線路保護(hù)中設(shè)置的TA變比為IM1/IM2，N側(cè)傳統(tǒng)線路保護(hù)中設(shè)置的TA變比為IN1/IN2=Ie1/Ie2，兩側(cè)線路保護(hù)的TA變比系數(shù)均為1.0，線路MN模型如圖1所示。

不同廠家的線路保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸方式不同，若兩側(cè)保護(hù)送給對側(cè)的為二次電流值，假設(shè)線路MN中流過穿越性一次電流I˙，數(shù)字式線路保護(hù)側(cè)感應(yīng)到的本側(cè)二次電流為，對側(cè)傳統(tǒng)線路保護(hù)側(cè)二次電流為。實(shí)際運(yùn)行時，若兩側(cè)TA變比相同，即IM1/IM2=IN1/IN2，則線路兩側(cè)保護(hù)TA變比匹配，兩套保護(hù)中本側(cè)和對側(cè)差流應(yīng)為0。

實(shí)驗(yàn)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(shí)際運(yùn)行中的TA變比進(jìn)行試驗(yàn)，保護(hù)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(shí)值，難以有效地進(jìn)行兩側(cè)保護(hù)裝置同步性能測試。因此，實(shí)驗(yàn)中選擇升流器的變比，傳統(tǒng)側(cè)保護(hù)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(huán)的電流能夠線性疊加，通過將升流器一次電流輸出導(dǎo)線在光纖互感器的光纖環(huán)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(shù)字式保護(hù)感受到的n×1 000 A左右一次電流。該情形下，若兩側(cè)保護(hù)送給對側(cè)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(shù)字式線路保護(hù)裝置中顯示的本側(cè)二次電流為，而顯示對側(cè)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(chǎn)生差流，無法驗(yàn)證兩側(cè)保護(hù)是否同步。該情況下，調(diào)整保護(hù)裝置內(nèi)的TA變比系數(shù)k=IMN/IMM=（I2×IM1）/（n×I1×IM2），消除由于一次電流不同產(chǎn)生的差流。

若兩側(cè)保護(hù)送給對側(cè)的為一次電流，則數(shù)字側(cè)線路保護(hù)顯示的本側(cè)二次電流為而顯示對側(cè)二次電流為=×（I2/I1）×（IN1/IN2）×（IM2/IM1），若保護(hù)裝置能夠設(shè)置TA變比系數(shù)，則k=IMN/IMM=（I2×IN1）/（n×I1×IN2），若保護(hù)裝置無法設(shè)置TA變比系數(shù)，則需要設(shè)置對側(cè)保護(hù)的TA變比IN1/IN2=n×I1×I2，以此來消除變比關(guān)系產(chǎn)生的誤差。

3 同步性能測試平臺構(gòu)建

測試線路兩側(cè)數(shù)字式保護(hù)和傳統(tǒng)保護(hù)之間的同步性能，需要構(gòu)建同步測試平臺，為了保證兩側(cè)線路保護(hù)一次電流的同源，采用升流器為兩側(cè)保護(hù)提供同源電流。升流器經(jīng)過標(biāo)互輸出的二次電流供傳統(tǒng)線路保護(hù)模擬量采集，一次電流流過光纖電流互感器的一次敏感環(huán)，通過光纖電流互感器前置單元和合并單元為數(shù)字式保護(hù)提供二次電流。試驗(yàn)平臺如圖2所示。

圖2 線路電流縱差保護(hù)同步性能測試平臺

實(shí)驗(yàn)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(nèi)的一次電流變化，將升流器一次電流輸出導(dǎo)線在光纖互感器的光纖環(huán)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(cè)保護(hù)裝置的同步精度，升流器二次模擬電流接到傳統(tǒng)側(cè)保護(hù)電流端子，兩側(cè)保護(hù)裝置TA變比預(yù)設(shè)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(yàn)對比分析

本次試驗(yàn)選用了2個廠家的線路保護(hù)裝置，均為一側(cè)數(shù)字化保護(hù)，另一側(cè)傳統(tǒng)保護(hù)，分別對2個廠家的線路保護(hù)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(jìn)行穿越性電流的差流測試。

廠家A兩側(cè)保護(hù)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖嵌坞娏鳚M碼值，根據(jù)前文分析，設(shè)置數(shù)字化側(cè)保護(hù)裝置內(nèi)TA變比IM1/IM2=3 000/5，TA變比系數(shù)k=IMN/IMM=（I2×IM1）/（n×I1×IM2）=0.2，則數(shù)字式線路保護(hù)裝置中顯示的本側(cè)電流變?yōu)椤?cè)傳統(tǒng)保護(hù)TA變比IN1/IN2=3 000/5，對側(cè)電流為。記錄其在一次電流下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 廠家A線路保護(hù)差動試驗(yàn)數(shù)據(jù) A

由表1可知，一次電流從150 A變?yōu)? 400 A過程中，差流大小盡管有波動，但整體趨勢比較穩(wěn)定，說明兩側(cè)保護(hù)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(hù)運(yùn)行要求。

廠家B兩側(cè)保護(hù)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖且淮坞娏?，由于保護(hù)裝置內(nèi)沒有TA變比系數(shù)設(shè)置功能，若兩側(cè)采用同樣的TA變比，勢必產(chǎn)生差流，按照前文所述，數(shù)字式保護(hù)側(cè)TA變比IM1/IM2=2 500/5；傳統(tǒng)側(cè)保護(hù)TA變比設(shè)為IN1/IN2=n×I1/IN2=3 000/1。記錄其在一次電流下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 廠家B線路差動保護(hù)試驗(yàn)數(shù)據(jù) A

由表2可以明顯發(fā)現(xiàn)，隨著穿越電流的增加，保護(hù)差流逐漸變大，可以認(rèn)為數(shù)字側(cè)保護(hù)與傳統(tǒng)側(cè)保護(hù)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(jù)其差流大小估算出保護(hù)兩側(cè)的角差約為3°。實(shí)際運(yùn)行過程中，發(fā)生區(qū)外故障時，穿越電流可能達(dá)到30 kA，若兩側(cè)角差在3°左右，對應(yīng)兩側(cè)保護(hù)時差約167μs，差流最大可達(dá)到1 570 A。廠家A和廠家B線路保護(hù)兩側(cè)差流對比如圖3所示。

圖3 廠家A和廠家B線路保護(hù)兩側(cè)差流對比圖

對比廠家A和廠家B的線路差動保護(hù)的差流隨穿越電流變化的曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，廠家A的線路差動保護(hù)可以較好地保證兩側(cè)采樣值的同步性，而廠家B的兩側(cè)線路保護(hù)采樣值之間存在一定的角差，導(dǎo)致保護(hù)差流隨穿越電流的增加而增大，發(fā)生區(qū)外故障時，差流較大。

5 結(jié)束語

隨著智能變電站建設(shè)的大力推進(jìn)，在一段時間內(nèi)需要考慮智能站與傳統(tǒng)站之間的保護(hù)配合，兩側(cè)保護(hù)同步性能的測試對保證智能變電站可靠運(yùn)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(shí)驗(yàn)室條件測試數(shù)字式線路差動保護(hù)和傳統(tǒng)線路差動保護(hù)同步性能的方法，構(gòu)建了測試平臺，對2個廠家的線路光差保護(hù)同步性能進(jìn)行了測試。

[1]張兆云，劉宏君，張潤超.數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站間光纖縱差保護(hù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(3)：58-60.

[2]ZHANG Zhaoyun,LIU Hongjun,ZHANG Runchao.Research on Line Differential Protection Between Digitized Substation and Tradtional Substation[J].Power System Protection and Control2010,38(3)∶58-60.

[3]高厚磊，江世芳，賀家李.數(shù)字電流差動保護(hù)中幾種采樣同步方法[J].電力系統(tǒng)自動化，1996，20(9)：46-49，53.

[4]GAO Houlei,JIANG Shifang,HE Jiali.Sampling Synchroni-Zation Methods in Digital Current Differential Protection[J].Automation of Electric Power Systems,1996,20(9)∶46-49,53.

[5]曹團(tuán)結(jié)，尹項(xiàng)根，張 哲，等.通過插值實(shí)現(xiàn)光纖差動保護(hù)數(shù)據(jù)同步的研究[J].繼電器.2006，34(18)：4-8.

[6]劉宏君，孫一民，李延新.數(shù)字化變電站光纖縱差保護(hù)性能分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32(17)：72-74.

[7]LIU Hongjun,SUN Yimin,LI Yanxin.Performance Analysis and Research on Line Differential Protection in Digitized Substation[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(17)∶72-74.

[8]張兆云，劉宏君.數(shù)字化變電站光纖差動保護(hù)同步新方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(22)：91-92.

[9]ZHANG Zhaoyun,LIU Hongjun.A New Synchronization Method of Optical Fiber Line Differential Protection for DigitalSubstation[J].Automation of Electric Power Systems,2006,34(18)∶4-8.

[10]潘濟(jì)猛，孫永先，申狄秋，等.智能變電站光纖差動保護(hù)裝置同步方案比較[J].電力自動化設(shè)備，2010，30(9)：101-104.

[11]PAN Jimeng,SUN Yongxian,SHEN Diqiu,et al.Comparison of Fiber Current Differential Protection Synchronization Schemes for Smart Substation[J].Electric Power Automation Equipment,2010,30(9)∶101-104.