基于數(shù)字化變電站的光纖縱差保護(hù)研究
本文將結(jié)合220kV數(shù)字化變電站系統(tǒng)方案詳細(xì)說明光纖縱差保護(hù)的相關(guān)問題。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201601/285952.htm一、引言
由于光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展,新型光學(xué)電壓、電流互感器日益顯現(xiàn)出富有魅力的前景和強(qiáng)大的生命力,逐步取代電磁式互感器是繼電保護(hù)的一個發(fā)展方向。
數(shù)字化變電站建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)一次設(shè)備智能化和二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計(jì)理念。一次設(shè)備智能化的重點(diǎn)是光電互感器和智能斷路器的應(yīng)用。二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)貫徹和執(zhí)行IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字化變電站按過程層、間隔層、站控層3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),光電互感器和面向通用對象的變電站事件(GOOSE)通信技術(shù)的應(yīng)用將徹底解決電流互感器飽和問題、二次電纜的交直流串?dāng)_問題。數(shù)字化變電站建設(shè)應(yīng)以電網(wǎng)安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為前提,有效解決數(shù)據(jù)采集設(shè)備重復(fù)投資問題和二次智能設(shè)備的互操作問題。數(shù)字化變電站對光纖縱差保護(hù)提出了一些新問題,本文將結(jié)合220kV數(shù)字化變電站系統(tǒng)方案詳細(xì)說明光纖縱差保護(hù)如何解決上述問題。
二、光纖縱差保護(hù)的應(yīng)用環(huán)境
數(shù)字化變電站內(nèi)線路保護(hù)、主變保護(hù)、母線保護(hù)通過過程層間隔局域網(wǎng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源和智能操作機(jī)構(gòu)的共享。數(shù)字化變電站之間的一對光纖縱差保護(hù)通過租用的光纖通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和采樣時鐘的同步。
數(shù)字化變電站的數(shù)據(jù)源來自合并單元(Mu),Mu的采樣采用全站統(tǒng)一的時鐘源SYN。各站的線路差動保護(hù)也采用同一時鐘源。Mu數(shù)據(jù)通過過程層交換機(jī)給間隔的繼電保護(hù)設(shè)備,包括線路保護(hù)、母差保護(hù)等。線路差動保護(hù)的數(shù)據(jù)來自2個不同的變電站,在系統(tǒng)內(nèi)無統(tǒng)一時鐘信號時,兩站Mu的采樣不同步。差動保護(hù)需要解決兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)同步問題。
三、數(shù)字化變電站對數(shù)據(jù)采集的要求
數(shù)字化變電站每個線路間隔的MU提供線路保護(hù)需要的Ia,Ib,Ic,ua,Ub,Uc,3Uo,31o,以及一相母線電壓數(shù)據(jù),線路保護(hù)、主變保護(hù)和母線保護(hù)通過過程層間隔交換機(jī)與間隔MU按IEC 61850-9-1/2標(biāo)準(zhǔn)通信獲取上述數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的共享。由于母線保護(hù)對間隔之間的數(shù)據(jù)采集同步要求很高,因此在數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)時,要求全站數(shù)據(jù)采集同步信號來源于同一個時鐘源。目前2個變電站之間的一對光纖縱差保護(hù)采取的是以某個變電站光纖縱差保護(hù)的采集時鐘為主時鐘,另一個變電站光纖縱差保護(hù)調(diào)整自身的采集時鐘與主時鐘同步的方法。增加MU違背數(shù)據(jù)源共享原則,通過全球定位系統(tǒng)(GPS)實(shí)現(xiàn)變電站之間的數(shù)據(jù)采集同步,違背電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行規(guī)則。這就引出了本文所要論述的主要問題:如何實(shí)現(xiàn)變電站之間的數(shù)據(jù)采集同步?
四、光纖縱差保護(hù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題
(一)線路差動保護(hù)同步
在數(shù)字化變電站中,母差保護(hù)和變壓器保護(hù)所采集的交流量均在一個變電站內(nèi),在全站使用統(tǒng)一時鐘源時,各Mu采樣同步,不存在同步問題。對線路差動保護(hù),采集的電量為2個不同變電站的電流、電壓。在整個電力系統(tǒng)未使用同一時鐘源的前提下,線路差動保護(hù)需實(shí)現(xiàn)變電站之間的數(shù)據(jù)采集同步。與傳統(tǒng)的線路差動保護(hù)采樣同步不同,數(shù)字化變電站的交流量采集由Mu完成,不能實(shí)時調(diào)整采樣,這就需要對同步提出新的方案。
1、基于乒乓原理的時鐘信號同步
數(shù)字化變電站的線路差動保護(hù)采用基于乒乓原理的時鐘信號同步的采樣同步調(diào)整方案
以M站差動保護(hù)為例,當(dāng)裝置收到本站的同步信號SYNM時,在傳向N站的數(shù)據(jù)幀中增加“同步信號幀”;同時在收到N站傳過來的“同步信號幀”時,記錄下此時刻相對于本側(cè)同步時鐘的時差Tma,同時回發(fā)N側(cè)一幀“同步確認(rèn)幀”。“同步確認(rèn)幀”中包含Tma。N側(cè)裝置的收發(fā)過程與此相同。
M站差動保護(hù)在收到從N站傳過來的“同步確認(rèn)幀”時,記錄下此時刻相對于本側(cè)同步時鐘的時差Tnb。經(jīng)過一個來回,M站保護(hù)裝置就知道了本側(cè)保護(hù)裝置與對側(cè)保護(hù)裝置的同步時鐘的時刻差△t=Tnb/2-Tma。同理,N站檢測到的本側(cè)保護(hù)裝置與對側(cè)保護(hù)裝置的同步時鐘的時刻差△t=Tmb/2-Tna。
△t有正負(fù)之分。當(dāng)△t為正時,表示本側(cè)同步時鐘超前對側(cè)同步時鐘:當(dāng)△t為負(fù)時,表示本側(cè)同步時鐘落后對側(cè)同步時鐘。
數(shù)字化變電站光纖分相縱差保護(hù)要求兩側(cè)Mu的采集頻率相同,假設(shè)Mu發(fā)送數(shù)據(jù)幀的頻率為fs,計(jì)算出△t后,可計(jì)算出兩側(cè)差動保護(hù)裝置對點(diǎn)的間隔Nd,Nd=round(fS△t)
式中:round函數(shù)是將實(shí)數(shù)取整,余數(shù)四舍五入。
當(dāng)△t為正時,將本側(cè)的采樣值后移Nd點(diǎn)與對側(cè)同步;當(dāng)△t為負(fù)時,將本側(cè)的采樣值前移Nd點(diǎn)與對側(cè)同步
采用此種同步方式,兩側(cè)同步后理論上存在的最大相位差δ=ω/(2fS),其中,ω為系統(tǒng)角頻率。 2、相位差分析
數(shù)字化變電站的光纖差動保護(hù)采用時鐘信號同步后,兩側(cè)裝置的同步時差td可表示為:
td=δ+ts
式中:δ為基于乒乓原理的時鐘同步后兩側(cè)角差。
由于電子式互感器的數(shù)據(jù)采集頻率fs比較高,采用時鐘信號同步后的線路差動保護(hù)的同步角差與fs相關(guān),成反比關(guān)系。以每周期40點(diǎn)(fS=2000Hz)采樣為例,同步后的角差6≤4.5°。
ts為兩側(cè)Mu的采樣相對于各自全站統(tǒng)一時鐘源的時間差。目前,Mu的運(yùn)算速度快,兩側(cè)不一致的時間差小,一般在10μs以下。
采樣報(bào)文從Mu經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳輸?shù)奖Wo(hù)裝置,這個時間在同步報(bào)文中考慮,不影響同步后的時差。
綜合分析,從一次電氣量到保護(hù)計(jì)算整個環(huán)節(jié),基于乒乓原理的時鐘信號同步后對點(diǎn)造成的角差δ為兩側(cè)差動保護(hù)不完全同步的主要因素,tS的影響小。傳統(tǒng)的電磁型保護(hù)用電流互感器,由于勵磁電流的存在,導(dǎo)致二次電流相對于一次電流有角差。繼電保護(hù)“四統(tǒng)一”規(guī)定,線路兩側(cè)電流互感器傳變的角差誤差最大考慮7°?;诹_氏線圈原理的電子式電流互感器,由于沒有鐵芯,沒有勵磁電流,理論上二次電流傳變沒有角差,也不存在飽和。因此,數(shù)字化變電站線路兩側(cè)電流互感器傳變無角差,基于同步形成的時差td對差動保護(hù)影響小,可以不用考慮其對差動的影響。
(二)線路縱差保護(hù)的性能
數(shù)字化變電站的線路差動保護(hù)相對于傳統(tǒng)的光纖差動保護(hù)而言具有很多優(yōu)點(diǎn),限于篇幅,對其中的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一一例舉。
1、應(yīng)用電子式互感器的線路差動保護(hù)因無飽和,區(qū)外故障時,穿越性電流引起的不平衡電流小(需考慮同步后的角差6引起的不平衡電流),不會出現(xiàn)區(qū)外故障誤動,提高了差動保護(hù)的可靠性。
2、應(yīng)用電子式互感器的線路差動保護(hù)整定的差流門檻低,制動系數(shù)取值小,提高了差動保護(hù)的靈敏度。
3、電子式互感器不飽和,線性度好。除采用傳統(tǒng)的相量差動外,應(yīng)用采樣值差動,相關(guān)差動可提高差動保護(hù)的動作速度。
(三)開入開出處理
數(shù)字化變電站的光纖縱差保護(hù),開入量來源分為3類,包括:
1、投退型壓板開入,包括差動保護(hù)投退、距離保護(hù)投退以及閉鎖重合閘等。此類開入直接從保護(hù)屏柜獲得,采用開入量采集獲得。
2、開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài),包括分相的TWJ(跳位機(jī))、斷路器合閘壓力低等。此類開入量信息由智能操作箱(或智能斷路器)采集。光纖縱差保護(hù)通過過程層間隔局域網(wǎng)與智能操作箱/斷路器通信,通信協(xié)議為IEC61850-8-1標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE協(xié)議,獲得斷路器的運(yùn)行狀態(tài)。
3、屏柜間的閉鎖信號,包括遠(yuǎn)傳和遠(yuǎn)跳信息。母差保護(hù)動作,啟動操作箱的TJR(不啟動重合閘的三相跳閘),TJR去啟動遠(yuǎn)跳。數(shù)字化變電站中,母差的動作信號可通過智能操作箱發(fā)給線路保護(hù),也可由母差保護(hù)直接傳給線路保護(hù),這2種方式理論上均可實(shí)現(xiàn)。
(四)與其他設(shè)備配合
與光纖縱差保護(hù)配合的其他設(shè)各包括智能操作箱、母差保護(hù)以及穩(wěn)定控制裝置等。光纖縱差保護(hù)通過過程層間隔局域網(wǎng)與智能操作箱/斷路器通信,通信協(xié)議為IEC61850-8-1標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE協(xié)議。智能操作箱/斷路器采集和多播上述重要的保護(hù)信號。光纖縱差保護(hù)將跳閘命令多播至相關(guān)智能操作箱/斷路器,并將閉鎖命令多播至其他相關(guān)保護(hù)。
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