基于32位DSP的WXH-803光纤电流差动保护的研究

光纤电流差动保护是高压超高压线路主保护的发展方向，本文介绍了基于32位DSP所研制开发的WXH-803数字式光纤电流差动保护、在500kV系统动模情况及330kV挂网运行情况。该装置采用96点高采样率、快速短窗算法，采用故障分量差动、全电流差动、零序差动作为差动保护的判据，在500kV系统动模中典型动作时间16－18ms。
    关键词：微机线路保护；光纤；电流差动保护；快速短窗算法

Study of WXH-803 Current Differential Protection Based on Fibre-optic

LI Rui-sheng¹,WANG Qiang¹,WEN Ming-hao²,WANG Er-han¹

(1. XJ Business department of Electric protection and automation ，Xuchang , Henan 461000 ;2.Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074)

    Abstract：With the development of tele-communication in power system , current differential protection based on fibre-optic may be development trend for main protection of EHV power transmission line . This paper presents WXH-803 current differential protection system developed with 32-bit DSP , its dynamic simulation test in 500kV system and its tentative running in 330kV power line . The protection relay regards fault component current differential , phase full current differential , zero-sequence current differential as criterions with 96 sample points per power cycle and short-window fast algorithm , spends 16-18ms operating in 500kV dynamic simulation test .
    Keywords：microcomputer-based line protection，fibre-optic，current differential protection，short-window fast algorithm

0  引言
    分相电流差动保护原理简单，不受系统振荡、线路串补电容、平行互感、系统非全相运行、单侧电源运行方式的影响，差动保护本身具有选相能力，保护动作速度快，最适合作为主保护。近年来，光纤技术、DSP技术、通信技术、继电保护技术的迅速发展为光纤电流差动保护的应用提供了机遇。随着通信技术的向前发展和光纤等通信设备的成本下降，超高压线路光纤电流差动保护将会更广泛的使用。目前国内外大公司相继推出了新的光纤电流差动保护，国外公司如GE公司的L90, ABB公司的REL561、东芝公司的GRL-100、阿尔斯通的P554等，国内公司南瑞公司的RCS—931、四方公司的CSL—103、国电南自的PSL-603等各有其特点。
    2000年许继电气公司推出基于32位DSP所研制开发的WXH-801/802微机线路保护,在姚(孟)－郑(州)线、江(门)－茂(名)线等7条500kV线路运行良好。但一直没有与之配套的光纤电流差动保护。WXH-803数字式光纤电流差动保护就是许继电气为800系列配套开发的光纤电流差动保护。

1  光纤电流差动保护通信插件设计
    保护CPU采用TI公司的DSP数字信号处理器C32系列，完成16位A/D采样、数据计算、故障判别等功能。通信CPU完成主从定位、数据收发、采样同步调整、同步校准功能、通道检测等功能。保护CPU和通信CPU之间通过双口RAM完成并行数据交换，如图1。接收数据时，光收发模块传来64Kb/s的同步串行数据，先把它变为并行数据送至通信CPU，完成对数据的检错、同步计算后，将正确的带有同步信息的数据通过双口RAM送给差动CPU插件。发送数据时，通信CPU把差动CPU插件传来的采样数据变为64Kb/s同步串行数据送至光收发模块，由光收发模块将串行数据信号转化成光信号，通过光纤通道传送。

    差动保护两侧交换的是数字信号,通道采用专用光纤或复接PCM(微波或光纤通道)数据接口。考虑到复接通信设备一般是在通信机房，离保护间隔有一定距离，在通信机房设有一个64kb/s(亦可为2M kb/s)同向数据接口与通用PCM设备相连，采用同步通讯方式，通信规约符合CCITT标准中关于G.703码型协议。保护间隔内的差动保护将数据通过光纤传送给64kb/s同向数据接口。专用、复用通信接口示意图如图2、3所示。专用方式下，发送数据采用内部时钟，即两侧装置发送时钟工作在“主—主”方式下，接收时钟采用从接收数据流提取的时钟。复用方式下，发送数据采用从接收数据流中提取的时钟，即两侧装置发送时钟工作在“从—从”方式下，接收时钟仍采用从接收数据流提取的时钟。

2 光纤电流差动保护配置
    WXH-803数字式光纤电流差动保护装置采用96点高速采样、快速变数据窗相量算法(以下快速短窗算法)。快速短窗算法在WXH-801/2数字式线路保护中作为短窗方向元件使用^[1]。变窗算法不需要半周整数倍的数据窗，根据变窗算法计算相量的最小数据窗为四分之一周波。主保护采用故障分量差动、稳态量电流差动、零序差动，后备保护由三段式相间距离和接地距离以及六段零序方向保护(四段零序电流及二段不灵敏零序电流保护)构成的全套后备保护，并配有自动重合闸。
    (a) 故障分量差动保护
  

    式(1)为电流差动判据，式(2)为比率差动判据，两者同时成立保护跳闸，式中：ΔI_mφ、ΔI_nφ为两侧相电流的故障分量，Φ＝A,B,C， k为制动系数，I_set动作门槛。故障分量电流差动保护，不受负荷电流的影响，保护的灵敏度高，护耐过渡电阻能力强^[2,3]。
    (b) 稳态量电流差动保护

    电流差动判据和比率差动判据同时成立保护跳闸，式中： I_mφ、I_nφ为两侧相电流的故障分量，Φ＝A,B,C ，k≤1的制动系数，I_set动作门槛。全电流差动保护利用保护继电器测量的故障电流，是负荷电流与故障分量电流的叠加，一般情况下可以满足灵敏度的要求，但稳态量电流差动保护存在问题，判据中未考虑负荷电流的影响。假设忽略电容电流的影响，无故障及区外故障两侧电流大小相等，方向相反，保护可靠不动作，负荷电流不会产生影响。区内故障发生经过渡电阻短路，负荷电流为穿越性电流，对两侧电流大小及相位有影响，使其朝不利动作方向发展，影响保护的灵敏度，即允许过渡电阻能力有限，稳态量电流差动保护允许过渡电阻能力一般不超过250Ω，不满足500kV线路允许过渡电阻能力300Ω的要求^[4]。图4给出了双端系统区内发生单相经过渡电阻短路电压、电流向量图，由于负荷电流的存在，使两侧电流相位变大，同时影响两侧电流幅值，在长线路重负荷经过渡电阻情况下，影响更严重。若一端故障电流小于负荷电流,两侧电流I_m，I_n夹角超过90°，导致保护距动^[5]。

    (c) 零序电流差动保护

    电流差动判据和比率差动判据同时成立保护跳闸，式中：I_m0 、I_n0为两侧零序电流，I_0dz为零序电流差动整定值。由于零序分量仅在接地故障存在，亦为故障分量。区内发生接地故障：I_m0 、I_n0从保护流向线路，只要达到电流差动判据门槛，保护可靠动作。区外发生接地故障：流过两侧的电流为穿越性电流，式(5)、(6)均不满足，零序差动保护可靠不动作。
    (d)三种差动保护的配合使用
    故障分量电流差动保护不受负荷电流的影响、灵敏度高，但存在时间短，在首次故障使用。稳态量电流差动受负荷电流及过渡电阻的影响，灵敏度下降，可在全相及非全相全过程使用。零序电流差动仅反应接地故障，接地故障时故障分量差流和零序差流是相等。零序差动不比故障分量电流差动保护灵敏度高。可在无法使用故障分量电流差动保护的少数场合(如故障频繁发生而且间隔很短的时候)弥补全电流差动保护灵敏度不足的缺陷，零序电流差动保护需要100ms左右延时以躲过三相合闸不同时等因素的影响及三相门口短路测量误差和暂态分量引起的计算误差^[6]。

3  试验与现场试运行
    WXH-803数字式光纤电流差动保护装置于2002年10月通过了国家继电器质量监督检验中心的动模实验，2002年11月通过了华北电科院的数模试验，于2002年9月在陕西省电力局330kV输电线路张(村)罗(敷)I线上挂网试运行，该线路全长97.5公里，挂网试运行线路如图5。

 
 该线路配置双重保护配置：一套为南瑞公司RCS-931型纵差保护装置； 另一套为日本三菱重工MCD-H PCM 电流差动继电器。鉴于线路较长，以上保护均复用PCM通道，保护室与通信机房之间采用光纤连接，在通信机房设有专用数字接口实现光电转换并与通信设备相连。WXH-803保护装置输出光信号通过光纤传输至通信机房，在通信机房经过专用设备采用PCM复用方式实现与通信设备的连接，如图6。试运行期间，装置未发生异常情况，经受三次区外故障，正确不动作，倒闸操作过程中，装置未出现异常。

    2002年11月在华北电力集团公司电网安全稳定技术管理中心数模试验室进行了500kV数模试验。参加此次试验还有：ALSTOM公司的P544纵联差动保护，南京南瑞继保电气有限公司RCS-931A型纵联差动保护，北京四方继保自动化有限公司CSL-103A型纵联差动保护。由于WXH-803保护装置采用快速变数据窗相量算法可在保证可靠性的前提下可有效地提高电流差动保护的动作速度。验收试验中金属性故障时保护的典型动作时间16－18ms (含出口继电器时间)，此算法至少比采用半周算法的保护快5ms。图7是150km小系统中点发生A相单相接地故障50ms后转换为B相接地故障，首次A相故障18ms跳A相(短路电流0.9A),转换为B相故障33ms三相跳闸。

4  结束语
    WXH-803数字式光纤电流差动保护装置采用96点高速采样、快速短窗算法、采用故障分量差动、稳态量电流差动、零序电流差动作为差动保护的判据。经过500kV系统动模试验、数模试验验证及330kV系统挂网试运行，证明了WXH-803保护装置可以适用于500kV输电线路。