李 斌 陳瑞俊 婁玲嬌 喬星金 丁衎然

智能變電站線路保護(hù)差流異常分析

李 斌 陳瑞俊 婁玲嬌 喬星金 丁衎然

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，南京 210000）

光纖電流差動(dòng)保護(hù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，它利用光纖通道傳輸線路兩端的數(shù)據(jù)，在兩側(cè)數(shù)據(jù)同步的基礎(chǔ)上，能夠簡(jiǎn)單可靠地判斷出區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。本文對(duì)某智能變電站中由于合并單元實(shí)際延時(shí)與設(shè)定的額定延時(shí)不一致造成兩側(cè)線路保護(hù)差流異常的情況進(jìn)行分析，并給出現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試建議。

智能變電站；合并單元；額定延時(shí)；數(shù)據(jù)同步

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，智能電網(wǎng)建設(shè)取得飛速發(fā)展[1]。作為智能電網(wǎng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，智能變電站包括智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備，按過(guò)程層、間隔層、站控層三層結(jié)構(gòu)體系分層構(gòu)建。合并單元（merging unit, MU）作為變電站過(guò)程層重要設(shè)備，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了過(guò)程層數(shù)據(jù)的共享和數(shù)字化，并為間隔層、站控層設(shè)備提供數(shù)據(jù)來(lái)源，在整個(gè)變電站中占有十分重要的地位。但是，合并單元運(yùn)行缺陷率較高，由合并單元缺陷導(dǎo)致的電網(wǎng)異常事件大幅增加[2]。在合并單元的缺陷中，合并單元額定延時(shí)設(shè)置錯(cuò)誤會(huì)引起保護(hù)裝置不正確動(dòng)作。

本文通過(guò)對(duì)一起220kV智能變電站線路差動(dòng)保護(hù)異常情況的處理，介紹合并單元額定延時(shí)產(chǎn)生的原因[3-4]，分析額定延時(shí)設(shè)置錯(cuò)誤引起線路差動(dòng)保護(hù)異常的原因，并給出合并單元現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試建議。

1 光纖電流差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步

線路光纖電流差動(dòng)保護(hù)是一種建立在基爾霍夫電流定律基礎(chǔ)上的保護(hù)，需要獲取本側(cè)及對(duì)側(cè)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算判別，這要求參加比較的各端電流量必須實(shí)現(xiàn)同步采樣處理[5-7]。

傳統(tǒng)變電站采用電磁式互感器采樣，互感器輸出的模擬量通過(guò)電纜直接傳輸?shù)介g隔層，模擬量傳輸接近光速，傳輸延時(shí)固定且數(shù)值很小。對(duì)于線路光纖差動(dòng)保護(hù)，線路兩側(cè)數(shù)據(jù)同步僅需要考慮光纖通道延時(shí)和誤碼率的影響。

智能變電站目前普遍采用“電磁式互感器+模擬量輸入式合并單元”的采樣方式，互感器輸出的模擬量需經(jīng)過(guò)合并單元轉(zhuǎn)換、同步處理等環(huán)節(jié)，然后通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式或組網(wǎng)模式傳輸?shù)介g隔層，合并單元對(duì)采樣數(shù)據(jù)處理的環(huán)節(jié)造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)[8-11]。線路兩側(cè)數(shù)據(jù)同步除了要考慮光纖通道延時(shí)和誤碼率的影響，還要考慮合并單元傳輸延時(shí)的影響。

2 差動(dòng)保護(hù)異常情況

2.1 變電站概況

系統(tǒng)接線示意圖如圖1所示。線路全長(zhǎng)為23.09km，甲站電流互感器（current transformer, CT）電流比為800/5，乙站CT電流比為600/5。

圖1 系統(tǒng)接線示意圖

2.2 差動(dòng)保護(hù)異常

帶負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程中，甲站顯示負(fù)荷電流為0.275A（二次值），甲站三相電流的本、對(duì)側(cè)相對(duì)角度分別為196.27°、196.27°、196.37°；乙站顯示負(fù)荷電流為0.367A（二次值），乙站三相電流的本、對(duì)側(cè)相對(duì)角度分別為162.86°、162.86°、163.73°。

自環(huán)線路裝置，通道顯示數(shù)據(jù)正常，說(shuō)明裝置采樣環(huán)節(jié)及光通道板正常；測(cè)試發(fā)現(xiàn)兩側(cè)裝置發(fā)送和接收光功率在正常范圍內(nèi)，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)線路保護(hù)裝置縱聯(lián)通道通信正常，且現(xiàn)場(chǎng)無(wú)通道異常告警信號(hào)，排除通道原因?qū)е碌漠惓！?/p>

圖2 甲、乙站本側(cè)、對(duì)側(cè)電流相量圖

線路電流中存在電容電流，智能站存在采樣通道延時(shí)，理論上電容電流和采樣通道延時(shí)均會(huì)對(duì)此角度產(chǎn)生影響，現(xiàn)對(duì)這兩種影響因素進(jìn)行分析。

3 電容電流影響分析

電容電流超前電壓，在一定程度上會(huì)對(duì)差流產(chǎn)生影響。架空線路的電容電流的理論計(jì)算公式為[12]

式中：為線路的額定電壓（kV）；為線路長(zhǎng)度（km）。

該110kV線路理論上的電容電流值c（二次值）為

甲站線路保護(hù)空載情況下差流波形如圖3所示。線路保護(hù)裝置差流為0.027A（二次值），電流超前電壓90°，符合110kV線路電容電流特征。

由式（3）可知，實(shí)際產(chǎn)生的16°的偏差與理論偏差5.6°不符，下面進(jìn)一步分析合并單元延時(shí)對(duì)這一角度產(chǎn)生的影響。

4 合并單元額定延時(shí)影響分析

與兩側(cè)線路保護(hù)連接的合并單元由不同廠家提供，甲、乙兩站線路保護(hù)讀取合并單元采樣值（sample value, SV）報(bào)文中的合并單元額定延時(shí)分別為1 250ms和1 750ms，甲、乙站保護(hù)采樣通道狀態(tài)見(jiàn)表1和表2。這兩種MU額定延時(shí)均符合合并單元額定延時(shí)要求（2 000ms以內(nèi)）。

表1 甲站保護(hù)采樣通道狀態(tài)

表2 乙站保護(hù)采樣通道狀態(tài)

假設(shè)負(fù)荷電流功率因數(shù)為1，理論上差流幅值應(yīng)為實(shí)際電容電流0.027A，且該值不會(huì)隨著負(fù)荷電流的改變而發(fā)生較大變化。

調(diào)取甲站不同負(fù)荷狀態(tài)下差流波形，分別如圖5和圖6所示。負(fù)荷電流為0.275A時(shí)，差流幅值為0.080A，負(fù)荷電流為0.545A時(shí)，差流幅值為0.157A。差流幅值隨負(fù)荷電流增大而增大，前后兩次負(fù)荷電流比值為

圖5 甲站0.275A負(fù)荷電流下差流波形

圖6 甲站0.545A負(fù)荷電流下差流波形

前后兩次差流幅值比值為

1與2近似相等。同時(shí)，隨著負(fù)荷電流的變化，甲站保護(hù)裝置測(cè)量的兩側(cè)電流相位差保持不變，一直保持在180°+16°=196°。

甲站保護(hù)裝置測(cè)量的兩側(cè)電流相位差與理論分析的兩側(cè)電流相位差相差較大，綜合以上分析，應(yīng)為兩側(cè)線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置中的一臺(tái)接收合并單元數(shù)據(jù)實(shí)際延時(shí)與設(shè)定的額定延時(shí)不一致，在電容電流共同作用下，導(dǎo)致兩側(cè)電流不同步，造成差流偏大且兩側(cè)電流相位差一直保持在196°左右。

圖7 甲站本、對(duì)側(cè)電流相量關(guān)系

圖8 保護(hù)負(fù)荷電流與差流幅值誤差關(guān)系

5 合并單元現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試建議

智能變電站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中，必須實(shí)際測(cè)量合并單元的延時(shí)，并保證合并單元參數(shù)設(shè)置中額定延時(shí)設(shè)置與實(shí)際延時(shí)一致。本文介紹一種模擬量輸入式合并單元額定延時(shí)測(cè)試方法，測(cè)試示意圖如圖9所示。

圖9 合并單元額定延時(shí)測(cè)試示意圖

測(cè)試步驟為：①通過(guò)合并單元測(cè)試儀給模擬量輸入式合并單元加量；②通過(guò)合并單元測(cè)試儀查看測(cè)試結(jié)果，測(cè)試時(shí)間2min。測(cè)試模擬量輸入式合并單元電流、電壓信號(hào)輸入時(shí)間與數(shù)字量輸出時(shí)間之差。測(cè)試要求模擬量輸入式合并單元額定延時(shí)小于2ms且誤差不超過(guò)20ms。

6 結(jié)論

本次線路差動(dòng)保護(hù)異常主要由于合并單元額定延時(shí)設(shè)置錯(cuò)誤，導(dǎo)致實(shí)際合并單元額定延時(shí)與裝置本身配置報(bào)文中發(fā)送額定延時(shí)不一致，造成兩側(cè)數(shù)據(jù)采樣不同步。因此，在投產(chǎn)驗(yàn)收階段應(yīng)根據(jù)智能變電站技術(shù)特點(diǎn)，完善智能化變電站設(shè)備的試驗(yàn)調(diào)試方法，針對(duì)合并單元等智能變電站使用的新型設(shè)備，在驗(yàn)收調(diào)試工作中應(yīng)按照設(shè)備的驗(yàn)收規(guī)范增加核查項(xiàng)目，以保證設(shè)備正常運(yùn)行。

[1] 劉琨, 黃明輝, 李一泉, 等. 智能變電站繼電保護(hù)在線運(yùn)檢方法研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(7): 58-65.

[2] 吳薇, 余志林, 杜家偉, 等. 一起合并單元故障引起的主變壓器動(dòng)作事故分析[J]. 電氣時(shí)代, 2020(3): 40-43.

[3] 曹團(tuán)結(jié), 俞拙非, 吳崇昊. 電子式互感器接入的光纖差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2009, 33(23): 65-68.

[4] 倪兆瑞, 王延安. 智能變電站合并單元延時(shí)特性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(10): 119-124.

[5] 莊紅山, 張路, 南東亮, 等. 縱聯(lián)保護(hù)對(duì)光纖通道適應(yīng)性的研究[J]. 電工電氣, 2019(10): 20-24, 66.

[6] 朱丹. 線路保護(hù)光纖通道延時(shí)判別及實(shí)用方案研究[J]. 電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì), 2018(2): 7-10.

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

[8] 李超, 徐啟峰. 合并單元時(shí)間同步系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 電氣技術(shù), 2013, 14(9): 1-5.

[9] 黃燦, 肖馳夫, 方毅, 等. 智能變電站中采樣值傳輸延時(shí)的處理[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2011, 35(1): 5-10.

[10] 曹團(tuán)結(jié), 陳建玉, 黃國(guó)芳. 基于IEC 61850-9的光纖差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2013, 33(24): 58-60.

[11] 肖洋, 周斌, 潘曉明, 等. 智能變電站差動(dòng)保護(hù)不平衡電流產(chǎn)生原因[J]. 電力安全技術(shù), 2020, 22(4): 36-39.

[12] 鐘新華. 配電網(wǎng)電容電流估算公式的修正[J]. 供用電, 2004(1): 32-34.

Fault analysis of differential current of transmission line protection in smart substation

LI Bin CHEN Ruijun LOU Lingjiao QIAO Xingjin DING Kanran

(State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company, Nanjing 210000)

The optical fiber differential current protection, using fiber channel to transmit data between both ends of the line, is applied in power system widely. On the basis of data synchronization, the protection is able to judge the internal faults and external faults simply and reliably. This paper analyzes the abnormal differential current of transmission line protection caused by difference of the rated time delay between the setting value and the actual value of merging unit in intelligent substation. The corresponding testing advice is put forward in this paper.

intelligent substation; merging unit (MU); rated time delay; synchronization of data

2020-11-16

2020-12-11

李 斌（1991—），男，工程師，主要從事繼電保護(hù)裝置研究與檢修工作。