光纤差动保护原理分析

1、光纤差动保护原理分析 光纤电流差动保护是在电流差动保护的基础上演化而来的， 基本 保护原理也是基于克希霍夫基本电流定律， 它能够理想地使保护实现 单元化，原理简单，不受运行方式变化的影响，而且由于两侧的保护 装置没有电联系， 提高了运行的可靠性。 目前电流差动保护在电力系 统的主变压器、线路和母线上大量使用，其灵敏度高、动作简单可靠 快速、能适应电力系统震荡、 非全相运行等优点是其他保护形式所无 法比拟的。光纤电流差动保护在继承了电流差动保护的这些优点的同 时，以其可靠稳定的光纤传输通道保证了传送电流的幅值和相位正确 可靠地传送到对侧 1 原理介绍 光纤分相电流差动保护借助于线路光纤通道， 实

2、时地向对侧传递 采样数据， 同时接收对侧的采样数据， 各侧保护利用本地和对侧电流 数据按相进行差动电流计算。 根据电流差动保护的制动特性方程进行 判别，判为区内故障时动作跳闸，判为区外故障时保护不动作。光纤 电流差动保护系统的典型构成如图 1 所示。当线路在正常运行或发生区外故障时，线路两侧电流相位是反向 的。如图所示，假设 M 侧为送电端，N 侧为受电端，贝卩，M 侧电流为 母线流向线路，N 侧电流为线路流向母线，两侧电流大小相等方向相 反，此时线路两侧的差电流为零；当线路发生区内故障时，故障电流 都是由母线流向线路，方向相同，线路两侧电流的差电流不再为零， 当其满足电流差动保护的动作特性方

3、程时， 保护装置发出跳闸令快速 将故障相切除。 对于光纤分相电流差动保护而言， 其差动保护一般采用如图 2 所 示的双斜率制动特性，以保证发生穿越故障时的稳定性。图中， Id 表示差动电流， Ir 表示制动电流， K1、K2 分别表示不同的制动斜率。 采用这样的制动特性曲线，可以保证在小电流时有较高的灵敏 度，而在电流大时具有较高的可靠性， 即当线路末端发生区外故障时， 因电流互感器发生饱和产生传变误差， 此时采用较高斜率的制动特性 更为可靠。 由于线路两侧电流互感器的测量误差和超高压线路运行时产生 的充电电容电流等因素， 差动保护在利用本地和对侧电流数据按相进 行实时差电流计算时，其值并不为

4、零，也即存在一定的不平衡电流。 光差动保护必须按躲过此电流值进行整定，这也是在上面所示的图 2 中最小差电流整定值 Isl 不为零的原因所在。 如何躲过该不平衡电流 对差动保护的影响， 不同类型的保护装置其采用的整定方法也不尽相 同，一般采用固定门坎法进行整定， 即将在正常运行中保护装置测量 到的差电流作为被保护线路的纯电容电流， 并将该电流值乘以一系数 （ 一般为 2-3） 作为差动电流的动作门坎。 当差动元件判为区内故障发出跳闸命令时， 除跳开线路本侧断路 器外，还借助于光纤通道向线路对侧发出联跳信号， 使得对侧断路器 快速跳闸。 对通信系统的要求 光纤电流差动保护借助于通信通道双向传输电

5、流数据， 供两侧保 护进行实时计算。其一般采用两种通信方式：一种是保护装置以 64Kbps/2Mbps速率，按 ITU-T 建议 G.703 规定于数字通信系统复用 器的 64Kbps/2Mbps数据通道同向接口，即复用 PCM 方式；另一种是 保护装置的数据通信以64Kbps/ 2Mbps 速率采用专用光纤芯进行双 向传输，即专用光纤方式。 （详见图 3） 光纤电流差动保护要求线路两侧的保护装置的采样同时、同步， 因此时钟同步对光纤电流差动保护至关重要。 当电流差动保护采用专 用光纤通道时，保护装置的同步时钟一般采用 主- 从方式，即两侧 保护中一侧采用内部时钟作为主时钟， 另一侧保护则应设

6、置成从时钟 方式。设置为从时钟侧的保护装置， 其时钟信号从对侧保护传来的信 息编码中提取，从而保证与对侧的时钟同步。当采用复用 PCM 方式时, 复用数字通信系统的数据通道作为主时钟， 两侧保护装置均应设置为 从时钟方式， 即均从复用数字通信系统中提取同步时钟信号： 否则保 护装置将无法与通信系统数据通道进行复接。 3 实例介绍 我公司月湖变贵月 1 2 线保护是由许昌继电器厂 生产的GXH803-10 理微机保护（命名为 B 套）和南京电力自动化研 究院生产的GPSL603-621 型微机保护（命名为 A 套）组成的双光纤微 机快速保护，两者主保护均为分相电流差动保护和零序电流差动保 护，以

7、距离和零序方向电流保护为后备保护 （以 GPSL603 保护为例） PSL603 光纤分相电流差动保护装置以分相电流差动保护作为纵 联保护。 分相电流差动保护可以通过 64KB/S 数字同向接口复接终端，2M 数字或者 专用光缆作为通道， 传送三相电流及其他数字信号。 使用专用光纤作 为通信媒介时采用了 1Mbps 的传送速率,极大的提高了保护的性能， 并采用内置式光端机 , 不需要任何光电转换设备即可独立完成光电转 换过程. 差动继电器动作简单可靠， 动作速度快， 在故障电流超过额定电 流时，确保跳闸时间小于 25ms 即使在经过大接地电阻故障，故障 电流小于额定电流时，也能在 30ms 以

8、内正确动作，而零序电流差动 保护大大提高了整个装置的灵敏度，增强了耐过渡电阻能力。 分相电流差动保护主要由差动 cpu 模件及通信接口组成，差动 cpu 模件完成采样数据读取、滤波、数据发送、接收、数据同步、故 障判断、跳闸逻辑出口；通信接口完成与光纤的光电物理接口功能， 另外专门加装的 PCM复接接口装置则完成数据码型转换，时钟提取等 同向接口功能 3.1 启动元件 差动保护启动元件包括相电流突变量启动元件，零序辅助启动元 件，低电压启动元件和利用 TWJ 的辅助启动元件 3.1.1 相电流突变量启动元件 保护启动元件用于启动故障处理程序及开放保护跳闸出口 继电器的负电源，各个保护模件以相电

9、流突变量为主要的启动元 件，启动门槛由突变量启动定值加上浮动门槛，在系统振荡时自 动抬高突变量启动元件的门槛。零序电流启动元件、静稳破坏检 测元件为辅助启动元件。延时 30ms 以确保相电流突变量元件的优 先动作 判据为： I IQX 1。25A It 其中a、b、c 三种相别，T 为 20ms I 为相电流突变量 It 为相电流不平衡量的最大值 当任一相电流突变量连续三次大于启动门槛时，保护启动 3.1.2 零序电流辅助启动元件 为了防止远距离故障或者经过大电阻故障时相电流突变量启动元 件灵敏度不够而设置。该元件在零序电流大于启动门槛并持续 30ms 后动作 3.1.3 低电压辅助启动元件

10、用于弱馈负荷侧的辅助启动元件 , 该元件在对侧启动而本侧未启 动的情况下投入，相电压52V 或者相间电压90V 时本侧被对侧拉入 故障处理 （简要说明 , 对于单电源供电或者一侧大电源一侧小电源系统 , 当 发生故障时 , 无电源或弱电源侧相电流突变量启动元件灵敏度可能不 够, 不能满足差动保护双端同时启动才能出口的必要条件 , 因此可能 拒动） 3.1.4 利用 TWJ 的辅助启动元件 作为手合故障时 , 一侧启动而另外一侧不启动时 , 未合侧保护装置 的启动元件 3 .2 分相差动原理 动作判据如下： IM+IN lcd . (1) IM+IN | 4lc . (2) IM+IN | 三

11、lint . (3) IM+IN KBL IM-IN KBL 为差动比例系数系数，内部固定为 0.5,Icd 为整定值（差动启 动电流值 ）;Iint 为四倍额定电流 ; 零序差动对高阻接地故障起辅助保 护作用.原理同分相差动 , 零序差动比例系数保护内部固定为 KOBL=0.8,Ic 为正常运行时计算得到的电容电流 3.3 通信可靠性 光纤差动保护中通信可靠性是影响保护性能至关重要的因素 , 因 此对通信进行了严密细致的监视 ,没帧数据进行 crc 校验, 错误舍弃 , 错误帧数达到一定值时 ,报通道失效 ;通信位恒速率 , 每秒钟收到的帧 数未恒定 , 如果丢失帧数大于给定值 , 报通道中

12、断 , 以上两种情况发生 后,发出告警信号并闭锁保护 , 一旦通信恢复 ,则自动恢复保护 . 3.4 跳闸逻辑 3.4.1 差动保护可分相跳闸 , 区内单相故障时 ,单独将该相切除 , 保 护发跳闸命令后 250ms 故障相仍有电流，补发三跳令；三跳发出后 250ms 故障相仍有电流，补发永跳令 3.4.2 两相以上区内故障时 , 跳三相 3.4.3 当控制字采用三相跳闸时任何时候均跳三相 344 零序电流差动具有两段，1 段延时 60ms 选相跳闸，11 段延时 150ms 三 跳 (4) 3.4.5 两侧差动都动作才确定为本相区内故障 3.4.6 收到对侧远跳命令发永跳 3.5 手合故障处

13、理 手动合闸时 , 差动保护自动抬高至额定电流 In, 以防止正常合闸时 线路充电电流造成差动保护误动 3.6 永跳远传功能 本功能是当本侧由于永久性故障或者重合于永久故障时发永跳出 口, 这时永跳命令通过光纤传送到对侧 , 闭锁对侧重合闸 , 防止对侧开 关重合于故障.保护收到光纤通道远传令后发 60ms 永跳出口信号.本 功能可经过控制字投退 3.7 远跳远传功能 本装置具备远跳功能及两路远传信号通道 , 可用于实现远跳及远 传信号功能用于远跳的开入连续 8ms 确认后，作为数字信息和采样 数据一起打包，经过编码,crc 校验,再由光电转换后发送至对侧.同样 收到对侧数据后经过 crc 校

14、验, 解码提取远跳信号 , 而且只有连续三 次收到对侧远跳信号才确认出口跳闸 .远跳用于直接跳闸时 ,可经过 就地启动闭锁 , 当保护控制字整定为远跳经本地启动闭锁时 , 收到对 侧远跳信号 500ms 保护没有跳闸，保护发 “跳信号长期不复归”报 文.同时,用于远传信号的开入连续 5ms 确认后,再过远跳信号同样的 处理传送至对侧 . 运行注意事项 1） 根据两套保护的配置，只要有一套保护在投入运行，则要求两 套保护的操作电源（在保护屏）均在投入位置，原因在于 GPSL60 保护 只配置断路器控制装置而 WXH-80 猱护装置只配置操作箱，因为这两 者的不可分割性，所以有上述要求 2） WX

15、H80 装置有故障或需将保护全停时，应先断开跳闸出口压板， 再断开直流电源.装置发“告警 I ”信号时一般为硬件异常、定值出 错和采样错误等同时闭锁保护出口回路的 +24V 电源,强烈建议将次故 障信号作为紧急缺陷，通知调度或有关继电保护人员以便做出处理 . 3） 差动保护的投入退出，两侧保护应同时进行.通道异常或故障时 应将两侧差动保护退出.如果只退出一侧差动压板，另一侧将给出 “对侧纵差退出”报文，并闭锁对侧保护. 4） 装置重合闸退出时，只断开重合闸出口压板，且重合方式应与另 一套运行的重合闸的重合方式一致，不允许单独置于 “停用”位置. GPSL60；装置运行异常判断和处理 正常运行时

16、，“运行”指示灯发平光，其他指示灯灭。装置告警 的原因及处理方式如下 事件名称 装置反映 处理措施 备注 RAM 错误 告警，呼唤，闭 停机检修 EPR 0 错误 锁保护 EEPRO 错误 开出异常 AD 错误 零漂越限 定值区无效 切换到有效定值区 定值校验错误 重新输入正确定值 闪存错误 呼唤 停机检修 内部电源偏低 PT 反序 检修 PT 回路 CT 不平衡 检修 CT 回路 CT 反序 负载不对称 PT 断线 PT 断线灯亮， 呼 唤 检修 PT 回路 PT 三相失压 PT 断线灯亮， 呼 唤 WXH80 装置异常告警及其处理 正常时“运行”灯发绿光，常亮；“告警 I ”“告警 II

17、”及其它 跳闸灯均不亮。装置异常告警的原因及其处理措施可归纳如表所示 信号灯 显示 故障现象 故障原因 异常处理 运行 不发光 通讯中断，无报 1) 接口 1) 关断装置 告打印，但不影 程序紊乱 直流电源 响保护运行和 或丢失 2) 按面板上 出口跳闸 2) 接口 复位按钮 板芯片坏 3) 重新写程 序 4) 更换接口 板 通信告警 发红光 接口板与某一 接口板与保 1) 更换接口 保护板不通讯 护板通讯中 板 断 2) 更换保护 板 告警 I 发红光 发本地及中央 1) 硬件 更换保护板 告警信号切断 异常 保护出口回路 2) 定值 + 24V 电源 错 3) 采样 错 告警 II 发红光 发本地及中央 1) TV 断 1) 检查交流 告警信号 线 回路是否异常 2) 开关 2) 检杳开入 量错 是否异常 3) TA 断 线 通道异常 发红光 发本地及中央 通道中断或 检杳光纤、通道 灯 告警信号 误码率高 出现上述信号时，运行值班人员应详细记录各指示灯显示情况和 有关事件打印报告，并及时向调度和继电保护人员反映异常情况， 以 便及时做出相应处理。 关于旁路光纤保护在旁路带路的问题 旁路光纤保护在旁路代路时不方便操作，由于光纤活接头不能随 便拔插，每次拔插都需要重新作衰耗测试， 而且经常性拔插也容易造 成活接头的损坏，因此