高頻縱聯(lián)保護(hù)在高壓輸電線路中的應(yīng)用

摘要：繼電保護(hù)系統(tǒng)的作用在于保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和連續(xù)供電，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)通過遠(yuǎn)方保護(hù)系統(tǒng)在線路兩端間高速度地傳送繼電保護(hù)信息，控制兩端保護(hù)裝置有選擇性地快速動作切除故障。文章基于此提出了利用通信調(diào)度復(fù)用載波機(jī)在高壓輸電線路中傳送縱聯(lián)保護(hù)高頻信號，闡述了高頻保護(hù)信號傳送方式與載波信號轉(zhuǎn)接，充分論述了高頻縱聯(lián)保護(hù)的工作方式。舉例實(shí)現(xiàn)110kV輸電線路的高頻保護(hù)的方法，方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)，且不影響原有保護(hù)的動作特性。

關(guān)鍵詞：通信調(diào)度；載波機(jī)；載波信號；高頻縱聯(lián)保護(hù)

中圖分類號：TM773 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2009）15-0030-03

為保護(hù)電力設(shè)備安全防止事故擴(kuò)大，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和連續(xù)供電在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)需通過遠(yuǎn)方保護(hù)系統(tǒng)在線路兩端間高速度地傳送繼電保護(hù)信息，控制兩端保護(hù)裝置有選擇性地快速動作切除故障。高頻方向保護(hù)與高頻閉鎖距離保護(hù)、相差高頻保護(hù)等縱聯(lián)保護(hù)，作為具有全線速動性能的輸電線路主保護(hù)，能夠快速切除輸電線路故障。

目前，縱聯(lián)保護(hù)已經(jīng)成為220kV及以上輸電線路的最主要、最基本的重要保護(hù)之一，為維護(hù)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定水平發(fā)揮了巨大的作用。為了滿足縱聯(lián)保護(hù)對可靠性的高度要求，通常使用縱聯(lián)保護(hù)專用載波通道，并使用傳送高頻保護(hù)信號的專用相。采用保護(hù)專用載波通道，由于需要配置保護(hù)專用高頻收發(fā)信機(jī)以及高頻加工設(shè)備（阻波器、接合濾波器等），因而投資昂貴，從而其使用范圍受到很大的限制。在不加設(shè)專用載波通道的情況下，利用通信調(diào)度復(fù)用載波機(jī)傳送縱聯(lián)保護(hù)高頻信號，實(shí)現(xiàn)輸電線路的高頻保護(hù)，具有較大的實(shí)際意義。文獻(xiàn)提出對于傳送遠(yuǎn)方保護(hù)信號的復(fù)用電力線載波機(jī)通常采用發(fā)送保護(hù)信號時(shí)中斷電話及全部或部分非電話信號，并相應(yīng)提高保護(hù)信號電平的方式（交替復(fù)用）。

一、高頻縱聯(lián)保護(hù)基本原理

高頻縱聯(lián)保護(hù)是當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，使兩側(cè)開關(guān)同時(shí)快速跳閘的一種保護(hù)裝置，是線路的主保護(hù)。有關(guān)文獻(xiàn)提出其基本原理是：以線路兩側(cè)判別量的特定關(guān)系作為判據(jù)，即兩側(cè)均將判別量借助通道傳送到對側(cè)，然后兩側(cè)分別按照對側(cè)與本側(cè)判別量之間的關(guān)系來判別區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障。因此，判別量和通道是縱聯(lián)保護(hù)裝置的主要組成部分。

高頻縱聯(lián)保護(hù)包括：高頻方向保護(hù)、高頻閉鎖距離保護(hù)、相差高頻保護(hù)等。

1．高頻方向保護(hù)是比較線路兩端各自看到的故障方向，以綜合判斷是線路內(nèi)部故障還是外部故障。如果以被保護(hù)線路內(nèi)部故障時(shí)看到的故障方向?yàn)檎较?，則當(dāng)被保護(hù)線路外部故障時(shí)，總有一側(cè)看到的是反方向。其特點(diǎn)是：（1）要求正向判別啟動元件對于線路末端故障有足夠的靈敏度；（2）必須采用雙頻制收發(fā)信機(jī)。

2．高頻閉鎖距離保護(hù)是以線路上裝有方向性的距離保護(hù)裝置作為基本保護(hù)，增加相應(yīng)的發(fā)信與收信設(shè)備，通過通道構(gòu)成縱聯(lián)距離保護(hù)。其特點(diǎn)是：（1）能足夠靈敏和快速地反應(yīng)各種對稱與不對稱故障；（2）仍保持后備保護(hù)的功能；（3）電壓二次回路斷線時(shí)保護(hù)將會誤動，需采取斷線閉鎖措施，使保護(hù)退出運(yùn)行；（4）不是獨(dú)立的保護(hù)裝置，當(dāng)距離保護(hù)停用或出現(xiàn)故障、異常需停用時(shí)，該保護(hù)要退出運(yùn)行。

3．相差高頻保護(hù)是比較被保護(hù)線路兩側(cè)工頻電流相位的高頻保護(hù)。當(dāng)兩側(cè)故障電流相位相同時(shí)保護(hù)被閉鎖，兩側(cè)電流相位相反時(shí)保護(hù)動作跳閘。其特點(diǎn)是：（1）反應(yīng)全相狀態(tài)下的各種對稱和不對稱故障，裝置比較簡單；（2）不反應(yīng)系統(tǒng)振蕩。在非全相運(yùn)行狀態(tài)下和單相重合閘過程中保護(hù)能繼續(xù)運(yùn)行；（3）不受電壓回路斷線的影響；（4）對收發(fā)信機(jī)及通道要求較高，在運(yùn)行中兩側(cè)保護(hù)需要聯(lián)調(diào)；（5）當(dāng)通道或收發(fā)信機(jī)停用時(shí)，整個(gè)保護(hù)要退出運(yùn)行，因此需要配備單獨(dú)的后備保護(hù)。

二、高頻保護(hù)信號傳送方式與載波信號轉(zhuǎn)接

通常220kV至110kV降壓變電站均有完整的220kV電力載波通道，110kV變電站同樣建有用于傳送調(diào)度通信信息的載波通道。雖然部分110kV變電站之間沒有載波通道，仍可利用上述220kV載波通道及110kV調(diào)度通信通道并采用信號轉(zhuǎn)接技術(shù)完成保護(hù)信號的傳送。調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)常常采用星形網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接方式，即調(diào)度中心或中心變電站與多個(gè)其它變電站之間采用星形聯(lián)接方式如圖1所示：

圖1 星形聯(lián)接方式示意圖

（一）高頻保護(hù)信號傳送方式

如圖1所示，調(diào)度中心或中心變電站與多個(gè)其它變電站之間均有載波通道，而其它變電站之間不一定有載波通道，因此，通常可以采用以下兩種信號傳送方式：

1．110kV變電站之間已經(jīng)具有調(diào)度通信通道。由于大多數(shù)110kV變電站之間已經(jīng)具有調(diào)度通信通道，且調(diào)度通信通道使用復(fù)用載波機(jī)，因此，文獻(xiàn)提出可以使用時(shí)分多路共傳方式的復(fù)用載波機(jī)傳送保護(hù)信號。復(fù)用載波機(jī)在正常情況下傳送話音信號及遠(yuǎn)動信號。當(dāng)需要傳送保護(hù)信號時(shí)，切斷話音信號及遠(yuǎn)動信號，提升復(fù)用載波機(jī)的發(fā)信功率，完成保護(hù)信號的短時(shí)傳送。

2．110kV變電站之間沒有載波通道，但與調(diào)度中心或中心變電站之間均有載波通道，仍然可以利用調(diào)度通信通道，使用時(shí)分多路共傳方式的復(fù)用載波機(jī)傳送保護(hù)信號。由于110 kV變電站之間沒有載波通道，因此，保護(hù)信號將由調(diào)度中心或中心變電站進(jìn)行轉(zhuǎn)接。信號轉(zhuǎn)接可以是單級轉(zhuǎn)接，也可以是多級轉(zhuǎn)接。

（二）載波信號轉(zhuǎn)接

載波信號轉(zhuǎn)接裝置的主要作用是：在輸電線路發(fā)生故障時(shí)，完成故障線路的保護(hù)裝置與復(fù)用載波機(jī)之間的信號轉(zhuǎn)接。由于多條輸電線路可能利用同一復(fù)用載波機(jī)傳送保護(hù)信號，因此，轉(zhuǎn)接信號應(yīng)該包含故障線路編號。在轉(zhuǎn)接裝置完成包含故障線路編號的保護(hù)信號的編碼與譯碼工作時(shí)，應(yīng)滿足復(fù)用載波機(jī)要求的編碼格式。當(dāng)保護(hù)信號需要進(jìn)行多級轉(zhuǎn)接時(shí)，載波信號轉(zhuǎn)接裝置應(yīng)當(dāng)具有正確的轉(zhuǎn)接路由控制，并將所接收到的保護(hù)信號傳送到正確的復(fù)用載波機(jī)。

三、縱聯(lián)保護(hù)的工作方式

對于間接比較方式的縱聯(lián)保護(hù)，文獻(xiàn)按高頻信號的作用方式分類，可分別構(gòu)成閉鎖式高頻保護(hù)、允許式高頻保護(hù)以及直接跳閘式高頻保護(hù)。它們對于載波通道的安全性與可依賴性有不同的要求。這里所說的安全性，是指遠(yuǎn)方保護(hù)系統(tǒng)在發(fā)信端未發(fā)命令的情況下，收信端抵御干擾和噪聲，不產(chǎn)生虛假命令的能力?？梢蕾囆詣t是指在發(fā)信端發(fā)出命令的情況下，收信端不丟失命令的能力。

（一）直接跳閘式高頻保護(hù)

直接跳閘式高頻保護(hù)的跳閘邏輯為：

{GPSX=1}OR{P=1}=1

其中，{GPSX=1}表示高頻收信動作，{P=1}表示本側(cè)保護(hù)動作。

收到高頻信號以后，保護(hù)裝置直接跳閘，要求載波通道有較強(qiáng)的抗干擾能力，即有較高的安全性。當(dāng)通道故障時(shí)，收信端的保護(hù)只能由本側(cè)保護(hù)動作，可能會延遲保護(hù)動作時(shí)間，因而應(yīng)具有較高的可依賴性。這種方式目前只是在500kV系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。

（二）允許式高頻保護(hù)

允許式高頻保護(hù)的跳閘邏輯為：

{GPSX=1}OR{P=1}=1

其中，{GPSX=1}表示高頻收信動作，{P=1}表示本側(cè)保護(hù)動作。

收到高頻信號以后，保護(hù)裝置允許跳閘。可見，收到高頻信號是保護(hù)裝置跳閘的條件之一，保護(hù)裝置能否跳閘還要由本側(cè)保護(hù)是否動作來確定。當(dāng)然，如果收不到高頻信號，滿足不了跳閘條件，保護(hù)裝置仍然不能跳閘。因此，要求載波通道具有很強(qiáng)的可依賴性，即收信端必須不丟失命令。

（三）閉鎖式高頻保護(hù)

閉鎖式高頻保護(hù)的跳閘邏輯為

OR{P=1}=1

其中，表示高頻收信不動作，{P=1}表示本側(cè)保護(hù)動作。

不能收到高頻閉鎖信號，而且本側(cè)保護(hù)動作時(shí)，保護(hù)裝置跳閘。正常運(yùn)行時(shí)誤收高頻信號不會造成保護(hù)的誤動作，在保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，收不到高頻信號是保護(hù)裝置的動作條件之一，因此，閉鎖式高頻保護(hù)對載波通道的安全性與可依賴性的要求比起直接跳閘式高頻保護(hù)和允許式高頻保護(hù)要低。

直接跳閘式高頻保護(hù)和允許式高頻保護(hù)在500kV系統(tǒng)中得到了較多的應(yīng)用。由于它們對載波通道的安全性與可依賴性都有高的要求，因此在500kV系統(tǒng)中載波通道一般都采用“相—相制”。這種方式下，高頻信號的傳輸衰減較?。ㄓ欣谔岣咝盘杺魉偷目梢蕾囆裕?，所受的干擾也小（有利于提高信號傳送的安全性，減小收信的誤碼率）。

在220kV系統(tǒng)中大量使用了閉鎖式高頻保護(hù)。這是因?yàn)?20 kV載波通道采用了“相—地制”方式，高頻信號的衰減相對較大。當(dāng)線路故障時(shí)載波通道可能遭到破壞，高頻信號的衰減還會進(jìn)一步增大，以至于可能收不到高頻信號。而采用閉鎖式高頻保護(hù)時(shí)，收不到高頻信號正是保護(hù)跳閘的條件之一，因此，不會影響保護(hù)工作的正確性。

四、110kV輸電線路縱聯(lián)保護(hù)方式

在110kV輸電線路中實(shí)現(xiàn)縱聯(lián)保護(hù)時(shí)，需要大量利用110kV復(fù)用載波通道，與220kV載波通道一樣，110kV載波通道也采用了“相—地制”方式。根據(jù)110kV載波通道特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇高頻閉鎖式保護(hù)方案，然而，使用此方案在輸電線路區(qū)外故障時(shí)，靠近故障側(cè)需要發(fā)出長達(dá)10s左右的高頻閉鎖信號，這是使用復(fù)用載波機(jī)時(shí)難以達(dá)到的要求。同時(shí)，使用高頻閉鎖方案時(shí)，所有非故障線路都需要收發(fā)高頻閉鎖信號。顯然，不可能由調(diào)度通信通道提供所有非故障線路所需的高頻閉鎖信號通道。因此，在110kV輸電線路縱聯(lián)保護(hù)中不能使用閉鎖式高頻保護(hù)。

復(fù)用載波機(jī)與允許式高頻保護(hù)聯(lián)用時(shí)，其配合關(guān)系相對較為簡單。同時(shí)，允許式高頻保護(hù)只需要在保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時(shí)短時(shí)間發(fā)出允許信號，對調(diào)度通信通道傳送話音信號及遠(yuǎn)動信號的復(fù)用載波機(jī)影響較小，因而可以選擇“允許方式”實(shí)現(xiàn)110 kV輸電線的縱聯(lián)高頻保護(hù)。

在使用允許式高頻保護(hù)方式時(shí)，可以有幾種選擇：

1．當(dāng)110 kV輸電線路距離保護(hù)和零序電流保護(hù)具有“閉鎖/允許式”高頻接口時(shí)，直接使用“允許式”高頻接口。

2．對于沒有“閉鎖/允許式”高頻接口的距離保護(hù)和零序電流保護(hù)，可以使用非標(biāo)準(zhǔn)的“允許式”保護(hù)方案。

這時(shí)，非標(biāo)準(zhǔn)的允許式高頻保護(hù)的跳閘邏輯為：

{RELAY（1）=1}OR{［RELAY（2）=1］&［SZSX=1］}=1

其中，{RELAY（1）=1}表示本側(cè)階段式保護(hù)一段動作，直接跳閘；{RELAY（2）=1}表示本側(cè)階段式保護(hù)二段動作；{SZSX=1}表示收到包含正確的故障線路編號的數(shù)字信號。當(dāng)收信動作時(shí)，即{SZSX=1}時(shí)，加速階段式保護(hù)二段跳閘。

110kV輸電線路保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，近故障側(cè)距離保護(hù)和零序電流保護(hù)一段動作。在保護(hù)裝置跳閘的同時(shí)，啟動高頻發(fā)信，短時(shí)發(fā)出高頻允許信號。遠(yuǎn)故障側(cè)距離保護(hù)或零序電流保護(hù)二段動作，當(dāng)收到高頻允許信號時(shí)，載波信號轉(zhuǎn)接裝置將允許信號經(jīng)由重合閘后加速回路輸入距離保護(hù)或零序保護(hù)裝置，加速距離保護(hù)二段和零序電流保護(hù)二段動作（如圖2所示），從而實(shí)現(xiàn)110kV輸電線路全線速斷保護(hù)。

圖2110kV輸電線路速斷保護(hù)示意圖

選擇“允許方式”實(shí)現(xiàn)110kV輸電線路全線速斷的縱聯(lián)高頻保護(hù)時(shí)，由于使用允許跳閘邏輯，因此，當(dāng)信號通道出現(xiàn)故障時(shí)，完全不會對原有繼電保護(hù)裝置的工作產(chǎn)生影響。此時(shí)，繼電保護(hù)設(shè)備將按階段特性工作，與沒有載波通道時(shí)的動作行為相同。但是，大多數(shù)情況下高頻信號通道工作正常，則可以獲得全線速動的縱聯(lián)保護(hù)動作特性。

五、結(jié)論

選擇適當(dāng)?shù)母哳l信號工作方式及傳送路由，利用通信調(diào)度復(fù)用載波機(jī)傳送縱聯(lián)保護(hù)高頻信號，可以方便地實(shí)現(xiàn)輸電線路的高頻保護(hù)。方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)，且不影響原有的保護(hù)的動作特性。利用調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)縱聯(lián)保護(hù)的高頻信號傳送，由于無須專用載波通道，因此有可能在110kV及以下電壓輸電線路中得到廣泛的應(yīng)用，并極大地提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定水平。

參考文獻(xiàn)

[1]單邊帶電力線載波設(shè)計(jì)導(dǎo)則（GB/T14430-93）[S]．

[2]趙偉．電力線載波通信系統(tǒng)指南[M]．昆明：云南科技出版社，1995．

[3]賀家李，等．電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M]．北京：水電出版社，1984．

作者簡介：任廣闊（1977－），男，供職于江蘇省黑馬高科技發(fā)展有限責(zé)任公司，碩士，研究方向：電力線載波通信工程。