吳通華, 洪 豐, 鄭玉平, 柳煥章, 林湘寧, 王興國(guó)

(1. 智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇省南京市211106; 2. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司, 江蘇省南京市 211106; 3. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院, 江蘇省南京市 210098; 4. 國(guó)家電網(wǎng)公司華中分部, 湖北省武漢市 430077; 5. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)), 湖北省武漢市 430074; 6. 中國(guó)電力科學(xué)研究院, 北京市 100192)

半波長(zhǎng)交流輸電線路保護(hù)方案及裝置研制

吳通華1,2,3, 洪 豐2, 鄭玉平1,3, 柳煥章4, 林湘寧5, 王興國(guó)6

(1. 智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇省南京市211106; 2. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司, 江蘇省南京市 211106; 3. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院, 江蘇省南京市 210098; 4. 國(guó)家電網(wǎng)公司華中分部, 湖北省武漢市 430077; 5. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)), 湖北省武漢市 430074; 6. 中國(guó)電力科學(xué)研究院, 北京市 100192)

半波長(zhǎng)線路輸電距離遠(yuǎn),故障特征與常規(guī)輸電線路差異顯著。針對(duì)半波長(zhǎng)線路對(duì)保護(hù)帶來(lái)的挑戰(zhàn),基于自由波能量保護(hù)、同步差動(dòng)阻抗保護(hù)和假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)等半波長(zhǎng)保護(hù)原理,設(shè)計(jì)了實(shí)用的半波長(zhǎng)線路保護(hù)方案,確保近端故障單端量保護(hù)快速動(dòng)作,遠(yuǎn)端故障雙端量保護(hù)全線速動(dòng)。針對(duì)半波長(zhǎng)線路保護(hù)算法復(fù)雜、計(jì)算量大、采樣率要求高、縱聯(lián)通道延時(shí)長(zhǎng)等難題,設(shè)計(jì)了基于中央處理器+雙數(shù)字信號(hào)處理器(CPU+雙DSP)的系統(tǒng)構(gòu)架,提出了保護(hù)邏輯分處理器及分調(diào)度周期處理、假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)采樣數(shù)據(jù)回退處理等關(guān)鍵技術(shù),形成完整的半波長(zhǎng)線路保護(hù)裝置軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。經(jīng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真(RTDS)試驗(yàn)和動(dòng)模試驗(yàn)驗(yàn)證,所研制保護(hù)裝置各項(xiàng)動(dòng)作行為、性能指標(biāo)均滿足半波長(zhǎng)輸電線路安全運(yùn)行要求。

半波長(zhǎng)線路; 自由波能量保護(hù); 差動(dòng)阻抗保護(hù); 假同步; 回退機(jī)制; 通道延時(shí)

0 引言

近年來(lái),隨著大規(guī)模新能源超遠(yuǎn)距離輸送和全球能源互聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn),半波長(zhǎng)輸電作為一種適用于大規(guī)模電力超遠(yuǎn)距離輸送方案得到了廣泛關(guān)注[1-9]。2016年國(guó)家電網(wǎng)公司將半波長(zhǎng)輸電技術(shù)列為重大專題,并開(kāi)展研究。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,常規(guī)線路微機(jī)保護(hù)裝置的保護(hù)原理、軟硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)已日臻成熟。但由于半波長(zhǎng)輸電線路電氣特性、故障特征與常規(guī)線路差異顯著[10],現(xiàn)有保護(hù)原理在半波長(zhǎng)輸電線路上遇到了很大挑戰(zhàn)。

對(duì)于電流差動(dòng)保護(hù),由于半波長(zhǎng)線路故障后沿線電壓呈現(xiàn)非線性、不單調(diào)的波動(dòng)特征,線路沿線電容電流無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算,現(xiàn)有電容電流補(bǔ)償方式失效[11];半波長(zhǎng)線路中部故障時(shí),差動(dòng)電流接近于零,現(xiàn)有差動(dòng)保護(hù)算法失效;線路故障后,電磁波傳播及通道傳輸延時(shí)較長(zhǎng),差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不能滿足速動(dòng)性的要求,因此差動(dòng)保護(hù)無(wú)法直接應(yīng)用于半波長(zhǎng)線路[12]。

對(duì)于距離保護(hù),半波長(zhǎng)線路測(cè)量阻抗隨故障點(diǎn)位置非線性變化,線路的空間距離與電氣距離不再呈線性關(guān)系,無(wú)法區(qū)分線路首端及正向出口故障,存在嚴(yán)重的正向超越,距離保護(hù)不再適用[10]。

方向元件雖然不受半波長(zhǎng)線路影響,但是利用方向元件構(gòu)成縱聯(lián)方向保護(hù)時(shí),與差動(dòng)保護(hù)類似,受電磁波傳播和通道傳輸延時(shí)影響,不能滿足速動(dòng)性要求。

為解決半波長(zhǎng)輸電繼電保護(hù)問(wèn)題,國(guó)家電網(wǎng)公司將半波長(zhǎng)輸電繼電保護(hù)列入繼電保護(hù)發(fā)展綱要重點(diǎn)研究方向,相關(guān)高校和科研單位對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。但由于半波長(zhǎng)輸電是新生事物,其繼電保護(hù)問(wèn)題也是研究熱點(diǎn),現(xiàn)階段各種保護(hù)原理和觀點(diǎn)處于百家爭(zhēng)鳴狀態(tài),學(xué)術(shù)上可能還存在各種觀點(diǎn)的碰撞。限于篇幅,本文著重于闡述半波長(zhǎng)保護(hù)裝置的基本原理與實(shí)現(xiàn),有關(guān)半波長(zhǎng)保護(hù)理論問(wèn)題本文不做討論。

文獻(xiàn)[13]提出基于最優(yōu)差動(dòng)點(diǎn)的半波長(zhǎng)線路差動(dòng)保護(hù)方法。文獻(xiàn)[14]利用故障點(diǎn)補(bǔ)償電壓和補(bǔ)償電流構(gòu)建伴隨阻抗。文獻(xiàn)[15]在此基礎(chǔ)上利用本側(cè)電流與對(duì)側(cè)一周期前電流補(bǔ)償?shù)焦收宵c(diǎn)計(jì)算差流,該伴隨阻抗稱為假同步阻抗,相比于文獻(xiàn)[14],該方法速度更快。文獻(xiàn)[16-17]提出了利用線路中故障自由分量傳播特性構(gòu)建的自由波能量保護(hù)原理及選相方法。以上文獻(xiàn)研究了半波長(zhǎng)線路單端量保護(hù)、雙端量保護(hù),構(gòu)建了較為完善的半波長(zhǎng)輸電線路保護(hù)理論。

相比于傳統(tǒng)線路保護(hù),文獻(xiàn)[13-17]所述半波長(zhǎng)保護(hù)原理存在算法相對(duì)復(fù)雜、計(jì)算量大，且部分保護(hù)需要寬頻采樣,對(duì)采樣率要求較高等問(wèn)題。另一方面,由于半波長(zhǎng)輸電距離遠(yuǎn)長(zhǎng)于常規(guī)線路,縱聯(lián)通道延時(shí)遠(yuǎn)大于常規(guī)線路,現(xiàn)有保護(hù)無(wú)法適應(yīng)。

針對(duì)半波長(zhǎng)線路在保護(hù)算法及裝置軟、硬件實(shí)現(xiàn)上帶來(lái)的挑戰(zhàn),本文給出了實(shí)用的半波長(zhǎng)線路保護(hù)方案,設(shè)計(jì)了基于中央處理器+雙數(shù)字信號(hào)處理器(CPU+雙DSP)的系統(tǒng)構(gòu)架,提出了保護(hù)邏輯分處理器及分調(diào)度周期處理、假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)采樣數(shù)據(jù)回退處理等關(guān)鍵技術(shù),形成了完整的半波長(zhǎng)線路保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)方案。經(jīng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真(RTDS)試驗(yàn)和動(dòng)模試驗(yàn)驗(yàn)證,所研制保護(hù)裝置滿足半波長(zhǎng)輸電線路安全運(yùn)行要求。

1 半波長(zhǎng)線路保護(hù)方案

根據(jù)文獻(xiàn)[13-17]保護(hù)原理,設(shè)計(jì)半波長(zhǎng)線路保護(hù)完整解決方案,在保護(hù)功能上,保護(hù)元件由高靈敏度的啟動(dòng)和測(cè)距元件[13]、雙端量保護(hù)、單端量保護(hù)構(gòu)成。雙端量保護(hù)包括同步差動(dòng)阻抗保護(hù)[13-14]和假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)[15],單端量保護(hù)為自由波能量保護(hù)[16-17]。整個(gè)半波長(zhǎng)線路完整保護(hù)邏輯構(gòu)成如圖1所示。

圖1 半波長(zhǎng)線路保護(hù)邏輯構(gòu)成Fig.1 Protection logic constitution of half-wavelength transmission line

1.1 啟動(dòng)元件及測(cè)距元件

1.1.1啟動(dòng)元件

保護(hù)設(shè)置了高靈敏度的行波啟動(dòng)元件:

(1)

|Δf(t)|=|f(t)-f(t-T)|>Iset_qd

(2)

式中:ΔiA(t),ΔiB(t),ΔiC(t)分別為三相電流的變化量;Iset_qd為啟動(dòng)門檻定值。當(dāng)滿足式(2)條件時(shí)該元件啟動(dòng)。

行波啟動(dòng)元件能夠保證保護(hù)在各種故障類型下快速啟動(dòng),為測(cè)距的精確性提供前提條件。保護(hù)裝置還設(shè)置了包括電流突變量和零序過(guò)流邏輯的保護(hù)啟動(dòng)元件。

1.1.2測(cè)距元件

當(dāng)半波長(zhǎng)輸電線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),同步差動(dòng)阻抗保護(hù)需要通過(guò)快速確定故障點(diǎn)大致位置以選擇最優(yōu)差動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)計(jì)算。因此裝置設(shè)有高靈敏度的測(cè)距元件,其原理是利用半波長(zhǎng)線路區(qū)內(nèi)故障時(shí),本側(cè)啟動(dòng)時(shí)刻tl與對(duì)側(cè)啟動(dòng)時(shí)刻tr的時(shí)間差定位故障點(diǎn),得到相對(duì)于本側(cè)的故障測(cè)距l(xiāng)[13]:

(3)

式中:l為保護(hù)安裝處至故障點(diǎn)的測(cè)距值。

由式(3)可知,測(cè)距精度由啟動(dòng)時(shí)刻tl和tr的準(zhǔn)確性決定,而啟動(dòng)時(shí)刻的準(zhǔn)確性取決于啟動(dòng)元件的靈敏性和裝置采樣中斷間隔時(shí)間的長(zhǎng)短。行波啟動(dòng)元件靈敏度高,從而保證啟動(dòng)時(shí)刻為保護(hù)裝置感受到故障的時(shí)刻。由于采樣頻率影響,可能發(fā)生啟動(dòng)時(shí)刻在兩個(gè)采樣點(diǎn)間的情況,此時(shí)測(cè)距結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一個(gè)采樣間隔的誤差,可以通過(guò)提高保護(hù)采樣頻率來(lái)縮短采樣中斷間隔時(shí)間,從而提高測(cè)距準(zhǔn)確性。例如:采樣頻率為1 200點(diǎn)/s(1.2 kHz,下同)時(shí),理論測(cè)距誤差小于±125 km;采樣頻率為2.4 kHz時(shí),理論測(cè)距誤差小于±62.5 km。本文啟動(dòng)和測(cè)距元件的采樣頻率設(shè)定為2.4 kHz,考慮到在一些極端情況(如線路空載經(jīng)過(guò)渡電阻故障)下,因故障特征不明顯造成行波啟動(dòng)不能及時(shí)動(dòng)作,測(cè)距結(jié)果會(huì)出現(xiàn)±125 km的誤差,但仍能滿足差動(dòng)保護(hù)對(duì)于最優(yōu)差動(dòng)點(diǎn)的要求[13]。

1.2 同步差動(dòng)阻抗保護(hù)

半波長(zhǎng)輸電線路沿線電壓呈非線性、非單調(diào)特征,現(xiàn)有對(duì)差流進(jìn)行電容電流集中補(bǔ)償?shù)姆椒ú贿m用,需要利用長(zhǎng)線方程進(jìn)行電壓、電流的補(bǔ)償[13]:

(4)

利用補(bǔ)償?shù)綔y(cè)距點(diǎn)處的補(bǔ)償電壓和補(bǔ)償電流構(gòu)造同步差動(dòng)阻抗保護(hù)[14],動(dòng)作特性如式(5)、式(6)所示:

(5)

zdif_sync

(6)

為滿足保護(hù)速動(dòng)性和靈敏性的不同要求,同步差動(dòng)阻抗保護(hù)設(shè)置一段不經(jīng)延時(shí)的分相差動(dòng)阻抗保護(hù),用于快速判別金屬性故障,設(shè)置一段經(jīng)30 ms延時(shí)的零序差動(dòng)阻抗保護(hù),用于識(shí)別線路高阻故障。

同步差動(dòng)阻抗保護(hù)解決了半波長(zhǎng)線路電容電流補(bǔ)償和差動(dòng)定值整定困難的問(wèn)題,能夠保護(hù)線路全長(zhǎng),但由于其動(dòng)作時(shí)間受縱聯(lián)通道延時(shí)影響,半波長(zhǎng)線路通道延時(shí)一般均較長(zhǎng),因此保護(hù)動(dòng)作速度較慢。同時(shí)在保護(hù)計(jì)算過(guò)程中需要進(jìn)行多個(gè)長(zhǎng)線方程補(bǔ)償計(jì)算,計(jì)算量較大,對(duì)保護(hù)裝置的處理器運(yùn)算能力提出較高要求。

1.3 假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)

假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)以本側(cè)電流和對(duì)側(cè)一個(gè)周期前的電流分別補(bǔ)償?shù)綔y(cè)距點(diǎn)處再計(jì)算差流。結(jié)合本側(cè)電壓補(bǔ)償?shù)綔y(cè)距點(diǎn)處的電壓計(jì)算假同步差動(dòng)阻抗,進(jìn)而構(gòu)造假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)[15],動(dòng)作特性如式(7)、式(8)所示:

(7)

zdif_nosync

(8)

該保護(hù)和同步差動(dòng)阻抗保護(hù)相比,優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需完全依靠?jī)啥送粫r(shí)刻數(shù)據(jù),而是采用了對(duì)側(cè)前一周期數(shù)據(jù),節(jié)省了20 ms的時(shí)間,比同步差動(dòng)阻抗保護(hù)更快速動(dòng)作,較好地彌補(bǔ)了同步差動(dòng)阻抗保護(hù)由于通道延時(shí)較長(zhǎng)導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作速度慢的問(wèn)題。但假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)由于采用沒(méi)有完全同步的雙端電氣量進(jìn)行計(jì)算,在某些情況下該元件不能完全反應(yīng)于故障特征。為解決該問(wèn)題,需將該保護(hù)元件結(jié)合其他條件,構(gòu)成允許式、測(cè)距式和閉鎖式的假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)[15]。

假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)計(jì)算過(guò)程中，同樣需要進(jìn)行多個(gè)長(zhǎng)線方程補(bǔ)償計(jì)算,計(jì)算量較大。另一方面,還需對(duì)雙端同步采樣的電氣量進(jìn)行數(shù)據(jù)回退處理,以獲取一周期前對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)和當(dāng)前點(diǎn)本側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差動(dòng)計(jì)算,實(shí)現(xiàn)上較為復(fù)雜。

1.4 自由波能量保護(hù)

半波長(zhǎng)輸電線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),在故障點(diǎn)產(chǎn)生的電流自由分量在線路及母線中傳播與反射形成自由波。近端故障時(shí),自由波來(lái)回反射次數(shù)多,保護(hù)獲取的自由波能量聚積迅速;遠(yuǎn)端和反向故障時(shí),自由波來(lái)回反射次數(shù)少,保護(hù)獲取的自由波能量聚積緩慢。根據(jù)自由波的這一特點(diǎn),對(duì)保護(hù)獲取的自由波功率在一定時(shí)間內(nèi)積分得到自由波能量,并根據(jù)能量的大小判斷故障點(diǎn)的位置[16],構(gòu)成自由波能量保護(hù):

(9)

w(t)>Wset

(10)

式中:iA(t),iB(t),iC(t)分別為三相電流的自由分量;w(t)為電流自由波的能量;Wset為預(yù)設(shè)自由波能量定值,滿足式(10)時(shí)自由波能量保護(hù)動(dòng)作。該保護(hù)元件分為不經(jīng)延時(shí)的前半周自由波能量保護(hù)和經(jīng)10 ms延時(shí)的后半周自由波能量保護(hù),分別用于近端故障和較遠(yuǎn)處故障的判別。

相比于傳統(tǒng)工頻量保護(hù),自由波能量保護(hù)由于自由分量在半波長(zhǎng)線路中，以波的形式的傳輸過(guò)程中含有大量的諧波分量,為盡可能多地提取自由波能量,加快保護(hù)動(dòng)作速度,提高保護(hù)靈敏度,對(duì)裝置的采樣頻率提出較高要求,至少需達(dá)到2.4 kHz才能滿足其需求。

1.5 半波長(zhǎng)線路保護(hù)體系

自由波能量保護(hù)作為單端量保護(hù),近端故障快速動(dòng)作,但不能保證全線故障均動(dòng)作。同步差動(dòng)阻抗保護(hù)為高靈敏度的全線保護(hù),但需要兩側(cè)完全同步的數(shù)據(jù),動(dòng)作速度較慢,這樣在兩者之間就出現(xiàn)了保護(hù)的真空期。假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)采用本側(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)側(cè)一周期前數(shù)據(jù),減少了20 ms數(shù)據(jù)等待時(shí)間,比同步差動(dòng)阻抗保護(hù)動(dòng)作更快,可以作為自由波能量保護(hù)和同步差動(dòng)阻抗保護(hù)之間的銜接。因此,半波長(zhǎng)線路保護(hù)的三類保護(hù)動(dòng)作元件是一個(gè)有機(jī)整體,相輔相成,構(gòu)成如圖2所示的完整保護(hù)體系。

圖2 半波長(zhǎng)線路保護(hù)體系Fig.2 Protection system mechanism of half-wavelength transmission line

2 裝置軟硬件實(shí)現(xiàn)方案

2.1 半波長(zhǎng)保護(hù)硬件新需求

半波長(zhǎng)輸電線路保護(hù)在保護(hù)原理上相比于常規(guī)輸電線路保護(hù)發(fā)生了重大革新,由于半波長(zhǎng)保護(hù)算法的特殊性,對(duì)保護(hù)裝置的硬件也提出了一些新的需求。

1)主處理器高速運(yùn)算能力需求。半波長(zhǎng)線路保護(hù)由啟動(dòng)元件、測(cè)距元件、差動(dòng)阻抗元件、假同步差動(dòng)阻抗元件、自由波能量元件等諸多保護(hù)模塊構(gòu)成,尤其是差動(dòng)阻抗元件的多個(gè)長(zhǎng)線方程補(bǔ)償算法復(fù)雜、計(jì)算量大,對(duì)裝置主處理器的運(yùn)算能力提出了較高要求。

2)數(shù)據(jù)寬頻采樣需求。半波長(zhǎng)線路保護(hù)各保護(hù)元件對(duì)采樣頻率有不同需求。其中同步差動(dòng)阻抗保護(hù)、假同步差動(dòng)保護(hù)采用常規(guī)超高壓線路保護(hù)裝置主流的1.2 kHz采樣頻率即可滿足需求。但啟動(dòng)元件、測(cè)距元件和自由波能量保護(hù)對(duì)采樣頻率要求較高,為提高保護(hù)靈敏性、快速性或測(cè)距精度,建議采樣頻率應(yīng)不小于2.4 kHz。若所有保護(hù)元件均采用2.4 kHz高速采樣,處理器需要在一個(gè)中斷周期(416 μs)內(nèi)完成所有保護(hù)功能計(jì)算,這無(wú)疑又進(jìn)一步提高了對(duì)處理器的要求。

2.2 保護(hù)裝置系統(tǒng)框架

本文在成熟的超高壓線路保護(hù)硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上研制半波長(zhǎng)輸電線路保護(hù)裝置。整個(gè)硬件框架由電源模塊、交流量輸入模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模塊、開(kāi)入模塊、開(kāi)出模塊、CPU模塊、管理CPU模塊和人機(jī)接口等模塊構(gòu)成。

傳統(tǒng)超高壓線路保護(hù)一般采用單CPU+DSP的模式,CPU完成管理和保護(hù)啟動(dòng)功能,DSP完成保護(hù)邏輯功能?？紤]到半波長(zhǎng)線路保護(hù)運(yùn)算量大,單DSP難以同時(shí)完成所有功能計(jì)算，本文采用CPU+雙DSP構(gòu)架,整個(gè)硬件框架如圖3所示。圖中:FPGA為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列;RAM為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。

圖3 半波長(zhǎng)線路保護(hù)硬件框架示意圖Fig.3 Schematic diagram of hardware framework for half-wavelength transmission lines protection

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1功能分處理器、分調(diào)度周期處理機(jī)制

根據(jù)不同保護(hù)元件對(duì)采樣頻率和任務(wù)調(diào)度周期的不同需求,將保護(hù)功能分別放在兩個(gè)DSP中處理。如圖4所示,電流突變量啟動(dòng)、零序過(guò)流啟動(dòng)、假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)、同步差動(dòng)阻抗保護(hù)在DSP1中執(zhí)行,其任務(wù)調(diào)度周期(INT0)為833 μs(1.2 kHz);電流突變量啟動(dòng)、零序過(guò)流啟動(dòng)、行波啟動(dòng)、測(cè)距元件和自由波能量保護(hù)元件在DSP2中執(zhí)行,其任務(wù)調(diào)度周期(INT1)為416 μs(2.4 kHz),DSP1和DSP2通過(guò)雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),FPGA1產(chǎn)生INT0(1.2 kHz)中斷給DSP1使用,由于DSP1要進(jìn)行差動(dòng)阻抗保護(hù)計(jì)算,為實(shí)現(xiàn)兩側(cè)數(shù)據(jù)的同步,需通過(guò)調(diào)整INT0間隔長(zhǎng)短實(shí)現(xiàn)兩側(cè)采樣同步,具體做法如下:線路兩端分別設(shè)為主、從機(jī),主機(jī)按固有中斷間隔觸發(fā)采樣中斷,從機(jī)側(cè)需通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整INT0間隔長(zhǎng)短實(shí)現(xiàn)兩側(cè)同步采樣。FPGA1產(chǎn)生INT1(2.4 kHz)中斷給DSP2使用,INT1嚴(yán)格按1/2的INT0間隔時(shí)間觸發(fā)中斷,因此INT1的采樣間隔也會(huì)根據(jù)INT0變化實(shí)時(shí)調(diào)整。

圖4 保護(hù)邏輯分核處理Fig.4 Split core processing of protection logic

不同保護(hù)功能分解在兩個(gè)獨(dú)立的DSP中以不同的任務(wù)調(diào)度周期運(yùn)行,這樣簡(jiǎn)化了程序處理的復(fù)雜性,大幅降低了單個(gè)DSP的計(jì)算處理量。DSP選型上采用在常規(guī)超高壓線路保護(hù)有成熟應(yīng)用的DSP處理器即可,不必追求超強(qiáng)運(yùn)算能力的新型DSP處理器,利于提升保護(hù)系統(tǒng)成熟度。兩個(gè)DSP分別設(shè)置獨(dú)立的啟動(dòng)元件,只有當(dāng)兩個(gè)DSP的QD1和QD2均動(dòng)作時(shí),才開(kāi)放出口繼電器正電源,在滿足啟動(dòng)條件的同時(shí),兩個(gè)DSP中的動(dòng)作元件DZ1或DZ2任一個(gè)滿足,保護(hù)跳閘出口,滿足單一元件故障保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)的基本原則。

2.3.2采樣截止頻率選取原則

為防止采樣混疊,保護(hù)裝置的采樣回路中一般均設(shè)置RC低通回路,用于濾除高頻分量。根據(jù)采樣混疊定理,若采樣頻率為1.2 kHz時(shí),其低通截止頻率需小于600 Hz。如某超高壓線路保護(hù)截止頻率為483 Hz,可濾除9.66次以上諧波,若用于半波長(zhǎng)線路保護(hù),由于差動(dòng)阻抗保護(hù)均基于工頻量計(jì)算,能滿足要求,但不能滿足自由波能量保護(hù)的要求。

為滿足不同保護(hù)功能對(duì)諧波的不同需求,所研制半波長(zhǎng)保護(hù)裝置,對(duì)于同一電氣量輸入,分別設(shè)計(jì)兩路不同低通截止頻率的采樣回路,第1路RC回路截止頻率為483 Hz,用于所有工頻量保護(hù)元件;第2路RC回路截止頻率為1 000 Hz,用于自由波能量保護(hù),該回路濾除20次以上諧波。圖5所示為不同截止頻率下自由波能量保護(hù)的動(dòng)作速度示意圖,顯然提高采樣截止頻率能夠明顯加快正向故障時(shí)自由波能量的積累過(guò)程,提高自由波能量保護(hù)動(dòng)作速度和靈敏性。

圖5 不同采樣截止頻率下的自由波能量保護(hù)動(dòng)作速度Fig.5 Action speed of free wave energy protection under different cut-off frequencies

2.3.3假同步差動(dòng)阻抗采樣數(shù)據(jù)回退機(jī)制

假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)采用本側(cè)當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與對(duì)側(cè)相同時(shí)刻一周期前采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差動(dòng)阻抗計(jì)算。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),需完成以下步驟。

步驟1:線路兩側(cè)數(shù)據(jù)同步采樣。同傳統(tǒng)線路差動(dòng)保護(hù)一樣,假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)同樣需要對(duì)線路兩側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采樣[18-19]。

步驟2:對(duì)側(cè)一周期前數(shù)據(jù)提取。兩側(cè)保護(hù)實(shí)現(xiàn)同步采樣后,根據(jù)縱聯(lián)通道延時(shí)的長(zhǎng)短,對(duì)側(cè)一周期前數(shù)據(jù)可能早于、等于或晚于本側(cè)當(dāng)前點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)到達(dá)本側(cè)。為最大限度地提高保護(hù)動(dòng)作速度,需要確保能以最新電氣量進(jìn)行假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)計(jì)算,提出以下假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)采樣數(shù)據(jù)回退機(jī)制。

1)當(dāng)通道延時(shí)Tx>工頻周期T(20 ms)時(shí),假設(shè)本側(cè)當(dāng)前采樣時(shí)刻為t,則此時(shí)接收到的對(duì)側(cè)采樣點(diǎn)實(shí)際為t-Tx時(shí)刻的數(shù)據(jù)。按照假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)的要求,取本側(cè)t時(shí)刻與對(duì)側(cè)t-T時(shí)刻的采樣值進(jìn)行差流計(jì)算,但在本側(cè)獲取到當(dāng)前時(shí)刻t的采樣時(shí),對(duì)側(cè)t-T時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)還需Tx-T時(shí)間后才能到達(dá)本側(cè),如果讓本側(cè)等待對(duì)側(cè)數(shù)據(jù),會(huì)造成保護(hù)動(dòng)作延時(shí),而采用本側(cè)t-Tx+T時(shí)刻與對(duì)側(cè)t-Tx時(shí)刻的數(shù)據(jù),即本側(cè)當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)回退Tx-T時(shí)刻的采樣點(diǎn)與收到對(duì)側(cè)的采樣點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,如圖6所示,既能滿足假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的要求,又能保證兩側(cè)使用最新的電氣量來(lái)計(jì)算,提高了保護(hù)動(dòng)作速度。

圖6 Tx>T時(shí)的采樣數(shù)據(jù)回退機(jī)制Fig.6 Sampling data rollback mechanism when Tx>T

2)當(dāng)通道延時(shí)Tx

3)當(dāng)通道延時(shí)Tx=T時(shí),本側(cè)接收到的對(duì)側(cè)采樣點(diǎn)實(shí)際正好為一個(gè)工頻周期T前的數(shù)據(jù),因此無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回退處理,直接采用本側(cè)當(dāng)前采樣點(diǎn)和接收到的對(duì)側(cè)采樣點(diǎn)進(jìn)行假同步差動(dòng)阻抗計(jì)算。

圖7 Tx

采用以上回退機(jī)制后,保護(hù)在不同通道延時(shí)的情況下,均能以最新雙端電氣量實(shí)現(xiàn)假同步差動(dòng)阻抗保護(hù),提高保護(hù)動(dòng)作速度。

2.3.4超長(zhǎng)通道延時(shí)適應(yīng)技術(shù)

GBT 14285—2006[20]規(guī)定傳輸線路縱聯(lián)信息的數(shù)字式通道傳輸時(shí)間應(yīng)不大于12 ms,因此超高壓線路保護(hù)裝置允許的最大通道延時(shí)一般為15 ms。半波長(zhǎng)交流輸電線路輸電距離達(dá)3 000 km,同時(shí)考慮到通道路由迂回等情況,通道延時(shí)可能大于20 ms,因此常規(guī)超高壓線路保護(hù)的通道延時(shí)測(cè)量及差動(dòng)數(shù)據(jù)回退機(jī)制無(wú)法滿足半波長(zhǎng)線路保護(hù)對(duì)于保護(hù)通道延時(shí)的特殊需求。

本文所研制的保護(hù)裝置通過(guò)擴(kuò)展通道采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(最大可支持連續(xù)6周期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)),擴(kuò)大通道采樣點(diǎn)編號(hào)(序號(hào)0～511)等方法使保護(hù)能夠適應(yīng)最大60 ms的通道延時(shí),滿足了半波長(zhǎng)線路對(duì)于保護(hù)通道延時(shí)的特殊需求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按本文方案研制的半波長(zhǎng)線路保護(hù)樣機(jī)先后通過(guò)RTDS仿真模型和動(dòng)態(tài)物理模型試驗(yàn)測(cè)試。限于篇幅,僅以動(dòng)態(tài)物理模型試驗(yàn)為例進(jìn)行說(shuō)明。

試驗(yàn)所用線路模型如附錄A圖A1所示,采用750 kV電壓等級(jí)的多機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng),由4臺(tái)發(fā)電機(jī)向無(wú)窮大系統(tǒng)側(cè)輸送功率,線路沿線布置了多個(gè)氧化鋅避雷器(MOA)設(shè)備,兩端配置了高速接地開(kāi)關(guān)(HSGS)。M和N兩側(cè)為保護(hù)安裝處,線路參數(shù)如附錄A表A1所示。

在無(wú)窮大系統(tǒng)大小方式情況下,線路輸送功率分空載、自然功率和極限功率3種情況,共采用6種運(yùn)行方式,如附錄A表A2所示。

模型共設(shè)置11個(gè)故障點(diǎn),如附錄A圖A1中K1～K11所示:兩側(cè)母線,以及距離發(fā)電機(jī)側(cè)0,400,800,1 200,1 500,1 800,2 200,2 600,3 000 km的線路。故障類型包括:金屬性故障、區(qū)內(nèi)永久性故障、發(fā)展/轉(zhuǎn)換性故障、經(jīng)過(guò)渡電阻故障、空充和空充于故障、電流互感器斷線和電流互感器斷線再故障、電壓互感器斷線和電壓互感器斷線再故障、通道試驗(yàn)等。以下僅對(duì)重點(diǎn)項(xiàng)目的結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 通道延時(shí)測(cè)試

在光纖通道中串入通道延時(shí)設(shè)備,通道延時(shí)在0～60 ms范圍內(nèi)隨機(jī)設(shè)定,并模擬各種故障。保護(hù)裝置均能達(dá)到以下要求。

1)兩側(cè)保護(hù)裝置均能準(zhǔn)確顯示通道延時(shí)值。

2)正常運(yùn)行時(shí),兩側(cè)保護(hù)裝置假同步差流和同步差流都為零。

3)區(qū)內(nèi)故障時(shí),假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)和同步差動(dòng)阻抗保護(hù)均正確動(dòng)作;區(qū)外故障時(shí),保護(hù)不誤動(dòng)。由此可見(jiàn),半波長(zhǎng)保護(hù)裝置能適應(yīng)0～60 ms范圍通道延時(shí),保護(hù)動(dòng)作行為正確。

3.2 兩類差動(dòng)阻抗保護(hù)對(duì)比測(cè)試

在20 ms和30 ms通道延時(shí)情況下,模擬系統(tǒng)運(yùn)行方式5下的各種故障,記錄假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)和同步差動(dòng)阻抗保護(hù)動(dòng)作報(bào)文時(shí)間。

由附錄A表A3可知,在20 ms和30 ms通道延時(shí)情況下,同步差動(dòng)阻抗保護(hù)和假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)均能保證區(qū)內(nèi)金屬性故障正確動(dòng)作,區(qū)外故障不誤動(dòng)。在相同通道延時(shí)條件下,線路兩端故障時(shí),假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)的動(dòng)作速度明顯快于同步差動(dòng)阻抗保護(hù),如果在對(duì)側(cè)出口故障,自由波先動(dòng)作后給本側(cè)發(fā)允許信號(hào),假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)比同步差動(dòng)阻抗保護(hù)能快近20 ms,故障越靠近線路中點(diǎn),兩者動(dòng)作速度相差越小。

3.3 整組動(dòng)作時(shí)間測(cè)試

投入所有保護(hù)功能,在通道延時(shí)20 ms情況下,模擬各種故障,記錄保護(hù)整組動(dòng)作報(bào)文時(shí)間,如附錄A表A4所示。

對(duì)于區(qū)內(nèi)各點(diǎn)金屬性故障,線路兩側(cè)保護(hù)均能保證在30 ms之內(nèi)可靠動(dòng)作;對(duì)于區(qū)內(nèi)經(jīng)過(guò)渡電阻故障,同步零序差動(dòng)阻抗保護(hù)能夠在65 ms內(nèi)動(dòng)作。如果通道延時(shí)能夠進(jìn)一步縮短,保護(hù)動(dòng)作速度還能加快。對(duì)于區(qū)外故障,保護(hù)可靠不誤動(dòng)。保護(hù)各項(xiàng)動(dòng)作行為及性能指標(biāo)均滿足超(特)高壓輸電線路保護(hù)要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有超高壓線路保護(hù)裝置不適用于半波長(zhǎng)交流輸電線路的難題,在文獻(xiàn)[13-17]基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了實(shí)用的半波長(zhǎng)線路保護(hù)方案。在成熟的超高壓線路保護(hù)硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上,結(jié)合半波長(zhǎng)線路保護(hù)的特殊需求,提出了具體的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法,所得結(jié)論如下。

1)自由波能量保護(hù)、同步差動(dòng)阻抗保護(hù)和假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)相結(jié)合的半波長(zhǎng)線路保護(hù)方案能夠滿足半波長(zhǎng)輸電線路特殊要求。

2)所提基于CPU+雙DSP系統(tǒng)架構(gòu),保護(hù)邏輯分處理器、分調(diào)度周期處理機(jī)制,根據(jù)保護(hù)元件不同需求采用不同采樣截止頻率等半波長(zhǎng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法,滿足了半波長(zhǎng)線路保護(hù)算法的要求。

3)通過(guò)采樣點(diǎn)回退機(jī)制實(shí)現(xiàn)了假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)的數(shù)據(jù)采集,確保保護(hù)在不同通道延時(shí)的情況下,均能以最新雙端電氣量實(shí)現(xiàn)假同步差動(dòng)阻抗保護(hù),提高保護(hù)動(dòng)作速度。

4)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本文所研制保護(hù)設(shè)備滿足半波長(zhǎng)輸電線路安全運(yùn)行要求。

半波長(zhǎng)線路作為一種先進(jìn)的超遠(yuǎn)距離輸電方式,目前為止尚未有過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用,本文所提半波長(zhǎng)輸電線路保護(hù)方案及保護(hù)裝置,可為半波長(zhǎng)輸電線路的可行性研究、真型實(shí)驗(yàn)和推廣應(yīng)用提供有益的參考價(jià)值,其正確性、實(shí)用性和可靠性,仍有待半波長(zhǎng)輸電實(shí)際工程進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí),半波長(zhǎng)輸電線路保護(hù)的許多問(wèn)題,如保護(hù)整體配置方案、整定原則及運(yùn)行管理策略,雙回半波長(zhǎng)輸電線路繼電保護(hù),自由波保護(hù)的量化理論支撐,假同步差動(dòng)阻抗的保護(hù)性能理論分析等,仍有待下一步完善和研究。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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ProtectionSchemeandDeviceDevelopmentforHalf-wavelengthACTransmissionLines

WUTonghua1,2,3,HONGFeng2,ZHENGYuping1,3,LIUHuanzhang4,LINXiangning5,WANGXingguo6

(1. State Key Laboratory of Smart Grid Protection and Control, Nanjing211106, China;2. NARI Technology Co. Ltd., Nanjing211106, China;3. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing210098, China;4. Central China Branch of State Grid Corporation of China, Wuhan430077, China;5. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan430074, China;6. China Electric Power Research Institute, Beijing100192, China)

The fault characteristics of half-wavelength transmission line with long transmission distance are significantly different from those of conventional ones. To meet the challenge, a practical protection scheme of half-wavelength transmission line is designed based on the principle of half-wavelength protection such as free wave energy protection, synchronous differential impedance protection, false synchronous differential impedance protection, etc. The proposed scheme forms a system that the single terminal protection clears the near-terminal fault with high speed operation and the remote two-terminal protection achieve rapid fault clearing for whole lines. Since the half-wavelength transmission line protection algorithm has the disadvantages of complex, large amount of calculation, high sampling rate and long channel delay, several key technologies are proposed such as hardware architecture based on CPU and double-DSP, split core processing and split dispatching cycle processing of protection logic and rollback mechanism of false synchronous differential impedance protection sampled data. The complete protection implementation scheme of half-wavelength transmission line protection is formed. At last, the real time digital simulation (RTDS) test and dynamic simulations prove that the protective action and performance index meet all the safety operation requirements of half-wavelength transmission line.

This work is supported by State Grid Corporation of China.

half-wavelength transmission line; free wave energy protection; differential impedance protection; false synchronization; rollback mechanism; channel delay

2017-08-24;

2017-10-25。

上網(wǎng)日期: 2017-11-06。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“半波長(zhǎng)交流輸電繼電保護(hù)理論關(guān)鍵技術(shù)研究”。

吳通華(1977—),男,通信作者,博士研究生,高級(jí)工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail： wutonghua@sgepri.sgcc.com.cn

洪 豐(1982—),男,碩士,工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail: hongfeng@sgepri.sgcc.com.cn

鄭玉平(1964—),男,博士,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與控制。E-mail: zhengyuping@sgepri.sgcc.com.cn

(編輯章黎)