浅谈基于光纤结合载波方式的纵联距离保护

郑 伟 王 丽

（1.南京国电南自自动化有限公司，江苏 南京210032；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京210032）

0 引言

当线路发生故障时，为了有选择性地快速切除全线故障，需要将线路一侧电气量的信息传输到另一侧去，即在线路两侧之间发生纵向的联系。线路纵联保护是使两侧开关同时快速跳闸的一种保护装置，是线路的主保护。它以线路两侧判别量的特定关系作为判据。即两侧均将判别量借助通道传送到对侧，然后，两侧分别按照对侧与本侧判别量之间的关系来判别区内故障或区外故障。因此，判别量和通道是纵联保护装置的主要组成部分。

为了交换信息，需要利用通道。按照传输介质的不同，纵联距离保护可以分为光纤纵联距离保护和载波纵联距离保护。前者采用光纤通道传输信号，具有抗电磁干扰能力强、传输容量大、频带宽、传输衰耗小、资源丰富等优点；后者采用载波通道传输信号，载波通道具有无中继通信距离长、施工简单的优点，但同时因为载波通道直接通过高压线路传送高频电流，容易受到线路电晕、短路、过电压以及开关操作的干扰，因此容易造成保护拒动或误动。相比之下光纤通道没有易受干扰的架空线路设备，线路故障对光纤通道干扰较小，可靠性大大高于载波通道，所以目前新上的纵联保护大都采用光纤通信的方式。随着电力系统对继电保护可靠性和稳定性的要求越来越高，纵联保护光纤通道配置也由最初的1个增加到2个，双通道应用增加了线路保护运行的灵活性和安全性。在光纤通道纵联距离保护基础上增加载波通道的配置方式目前在国内尚不多见，本文对其保护逻辑思想以及实际应用中出现的问题加以说明。

1 光纤纵联保护与载波纵联保护相关逻辑

光纤结合载波方式的纵联距离保护，是在单光纤通道纵联距离保护基础上增加一个载波通道的纵联距离保护。光纤纵联保护和载波纵联保护逻辑独立，出口也独立。光纤纵联保护满足动作条件后直接跳闸出口，载波纵联保护在动作的时候需要进行一些额外的判别以决定是否跳闸出口，这区别于传统纵联距离保护逻辑，主要是载波纵联距离保护可靠性相对差些。载波纵联保护允许出口的逻辑如图1所示。

从图1可以看出，“光纤通道优先”控制字退出时，载波纵联保护不受光纤纵联保护的影响，满足动作条件后，直接跳闸出口；“光纤通道优先”控制字投入时，若光纤通道异常或光纤纵联保护压板退出，此时载波纵联保护动作后可直接跳闸出口，否则载波纵联保护动作后仅发报文，不跳闸出口。

图1 载波纵联保护跳闸出口逻辑

2 远传与通道告警逻辑

2.1 光纤通道远传与载波通道远传相关逻辑

过电压及远跳保护装置收信有2种方案：（1）过电压及远跳保护装置设计2套通道接口，分别与纵联距离保护和载波机接口，由过电压及远跳保护装置完成远传信号合成。（2）过电压及远跳保护装置采用1套通道接口，由纵联距离保护完成光纤与载波机接口，纵联距离保护再与过电压及远跳保护装置接口，由纵联距离保护完成远传信号合成，目前华东采用方案2，方案2只有纵联保护重新设计，方案1纵联保护和过电压及远跳保护都需要重新设计，故采用方案1经济成本和时间成本都不划算。但方案2也并非完美，其线路保护与过电压及远跳保护的回路设计过于复杂。下面就将华东电网采用的方案介绍如下：光纤结合载波方式的纵联距离保护远传逻辑在光纤通道远传的基础上增加了1个载波通道远传逻辑，如图2所示。

图2 光纤通道远传和载波通道远传逻辑

图2中M侧、N侧载波纵联出口有效是指：当“光纤通道优先”控制字投入时，载波收远传需要在光纤纵联保护退出或光纤通道异常时才能输出。当“光纤通道优先”控制字退出时，载波收远传才可直接输出。载波收远传受载波纵联有效压板控制，光纤收远传受光纤纵联有效压板控制。

光纤纵联距离和载波纵联距离共用远传1和远传2两副接点，远传1和远传2接点接收到断路器保护的失灵开入时，光纤通道直接将远传信息打包传给对侧纵联保护，而载波通道则开出载波发远传1和载波发远传2接点到本侧载波机，本侧载波机发信息到对侧载波机，对侧载波机再开出接点到纵联保护载波收远传1和载波收远传2开入。当光纤通道收远传或载波通道收远传开入动作时，开出远传1和远传2到过电压及远跳保护远跳开入。

2.2 通道告警逻辑

光纤结合载波方式的纵联距离保护输出“光纤通道异常”、“载波收远传通道故障”、“纵联通道告警”3种通道告警信息。

“光纤通道异常”为光纤通道异常信号。

“载波收远传通道故障”为载波通道故障，包含载波机故障时载波机给纵联距离保护的开入信号。

“纵联通道告警”表示载波收远传通道和光纤通道均异常，即整个远传通道不可用，用于启动过电压及远跳保护装置的通道告警。

3 串补功能逻辑

3.1 距离保护

加入串补电容可以缩小故障回路的测量阻抗，但可能导致区外故障时距离保护超越动作，这是距离保护应用于串补线路中存在的最大问题。采用故障点位置识别功能并辅以电平检测方案来解决上述问题。

（1）距离Ⅰ段故障点位置识别方案，国内普遍采用串补电容安装于线路一端的运行方式，如图3所示，故障后保护首先判别故障点相对于串补电容的位置，若故障点在串补电容前，距离保护动作行为完全由阻抗继电器决定，若不能明确判别故障点在串补电容前，则综合电平检测条件决定保护动作行为。

图3 串补输电线路模型

故障点位置识别的基本思想是采用实时计算的电容前线路电压和保护安装处电压进行相位比较。电容前故障时电压相位差在180°左右，电容后故障电压相位差一般较小，据此判别故障点相对于串补电容的位置。

（2）电平检测方案。电平检测条件如下式所示，若满足则开放该回路的阻抗元件。

式中，I为故障回路电流；ZZD为距离Ⅰ段整定阻抗；ZCL为测量的故障回路阻抗；UMOV为整定的距离动作电压值（MOV拐点电压定值）。

距离Ⅰ段动作逻辑如图4所示，其中Len＝0表示电容距本侧位置定值为0。

图4 距离Ⅰ段动作逻辑

3.2 纵联保护

纵联距离保护基本不受串补电容的影响，纵联零序方向保护在靠近补偿电容侧可能受电容影响误判方向，具体情况因故障位置和PT安装位置而异。串补线路内部发生接地故障，其零序回路示意图如图5所示，m侧保护零序方向不受串补电容影响，此处仅分析n侧保护情况。

图5 串补线路接地故障零序回路示意图

（1）PT在母线与电容之间（PT2）时，零序方向继电器不会误判方向。

（2）PT在线路与电容之间（PT1）时，反向故障时不会误判方向，正向故障时零序电流和零序电压之间的关系为其中Xn0为n侧系统等效零序电抗，假设零序阻抗为纯电抗，当Xn0＜XC时即出现所谓的电流反向问题，零序电流将滞后零序电压90°，造成零序正方向继电器拒动。

串补线路保护对于零序电流反向的解决方案主要有2种：

（1）纵联阻抗方向元件优先。为了防止零序方向元件在正方向故障后发生电流反向时零序正方向元件拒动，在方向元件的配置上采用了纵联阻抗方向元件优先的方法。

（2）采用零序电压补偿的方法。通常情况下，采取阻抗方向元件优先的方法已经可以防止保护拒动，但在高阻接地造成阻抗方向继电器灵敏度不足的时候，保护可能拒动，为此，在新的方案中增加零序电压补偿的方法，零序方向继电器判据改为其中XFX.0不需要单独整定，自动取为XFX.0＝XC。

4 现场实际应用说明

华东电网对500kV线路保护及远跳保护的通道配置要求是双通道，但不允许采用双高频通道，主要是为了防止高频通道受到干扰造成保护拒动或误动，可是目前网内有一部分运行线路保护通道配置不满足该要求。为了满足双通道配置这一要求，华东电网和保护厂家以及相关设计试验单位共同商讨后决定在单光纤通道纵联距离保护基础上增加1个载波通道。500kV堡任5231线采用国电南自PSL602UN和南瑞继保PCS902 2套光纤结合载波方式的纵联距离保护，取代ALPS 2套高频保护。保护采用允许式发信，载波机为西门子载波机，通道方式为载波通道和复用光纤通道，线路距离较短没有高抗，未投过电压保护。

基于此配置方式的纵联保护主要保护功能较传统纵联距离保护得到了优化，同时解决了原有的2个主要问题：

（1）载波通道故障时不点亮保护装置面板的通道故障灯，给运行巡视带来不便。

（2）过电压及远跳装置动作后闭锁中开关和边开关的重合闸，若同时启动断路器保护的失灵保护，会使两侧保护不停地相互启动，陷入死循环。

5 结语

光纤结合载波方式的纵联距离保护是一种全新的保护，保护逻辑和回路设计也比传统纵联距离保护复杂，其设计思想来源于华东电网，保护本身不具有典型性，硬件设计上也存在一些瑕疵，但是其开发思想还是有一定的借鉴意义，不仅满足了老线路保护改造的要求，而且由于有光纤通道优先的设计思想，可以有效控制载波纵联距离保护拒动或误动对系统的影响，当光纤通道中断（比如极端恶劣天气下避雷线被压断），载波纵联距离保护依然可以正常运行，大大提高了线路运行的可靠性和稳定性，值得向全国推广。

［1］江苏省电力公司.电力系统继电保护原理与实用技术［M］.北京：中国电力出版社，2006

［2］张辉，钱怡.浅析110kV线路保护的配置及原理［J］.机电信息，2013（6）

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