高频纵联保护在高压输电线路中的应用

摘要：继电保护系统的作用在于保证电力系统稳定运行和连续供电，在电力系统发生故障时通过远方保护系统在线路两端间高速度地传送继电保护信息，控制两端保护装置有选择性地快速动作切除故障。文章基于此提出了利用通信调度复用载波机在高压输电线路中传送纵联保护高频信号，阐述了高频保护信号传送方式与载波信号转接，充分论述了高频纵联保护的工作方式。举例实现110kV输电线路的高频保护的方法，方法简单，容易实现，且不影响原有保护的动作特性。

关键词：通信调度；载波机；载波信号；高频纵联保护

中图分类号：TM773 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）15-0030-03

为保护电力设备安全防止事故扩大，保证电力系统稳定运行和连续供电在电力系统发生故障时需通过远方保护系统在线路两端间高速度地传送继电保护信息，控制两端保护装置有选择性地快速动作切除故障。高频方向保护与高频闭锁距离保护、相差高频保护等纵联保护，作为具有全线速动性能的输电线路主保护，能够快速切除输电线路故障。

目前，纵联保护已经成为220kV及以上输电线路的最主要、最基本的重要保护之一，为维护电力系统的安全稳定运行，提高系统的稳定水平发挥了巨大的作用。为了满足纵联保护对可靠性的高度要求，通常使用纵联保护专用载波通道，并使用传送高频保护信号的专用相。采用保护专用载波通道，由于需要配置保护专用高频收发信机以及高频加工设备（阻波器、接合滤波器等），因而投资昂贵，从而其使用范围受到很大的限制。在不加设专用载波通道的情况下，利用通信调度复用载波机传送纵联保护高频信号，实现输电线路的高频保护，具有较大的实际意义。文献提出对于传送远方保护信号的复用电力线载波机通常采用发送保护信号时中断电话及全部或部分非电话信号，并相应提高保护信号电平的方式（交替复用）。

一、高频纵联保护基本原理

高频纵联保护是当线路发生故障时，使两侧开关同时快速跳闸的一种保护装置，是线路的主保护。有关文献提出其基本原理是：以线路两侧判别量的特定关系作为判据，即两侧均将判别量借助通道传送到对侧，然后两侧分别按照对侧与本侧判别量之间的关系来判别区内故障或区外故障。因此，判别量和通道是纵联保护装置的主要组成部分。

高频纵联保护包括：高频方向保护、高频闭锁距离保护、相差高频保护等。

1．高频方向保护是比较线路两端各自看到的故障方向，以综合判断是线路内部故障还是外部故障。如果以被保护线路内部故障时看到的故障方向为正方向，则当被保护线路外部故障时，总有一侧看到的是反方向。其特点是：（1）要求正向判别启动元件对于线路末端故障有足够的灵敏度；（2）必须采用双频制收发信机。

2．高频闭锁距离保护是以线路上装有方向性的距离保护装置作为基本保护，增加相应的发信与收信设备，通过通道构成纵联距离保护。其特点是：（1）能足够灵敏和快速地反应各种对称与不对称故障；（2）仍保持后备保护的功能；（3）电压二次回路断线时保护将会误动，需采取断线闭锁措施，使保护退出运行；（4）不是独立的保护装置，当距离保护停用或出现故障、异常需停用时，该保护要退出运行。

3．相差高频保护是比较被保护线路两侧工频电流相位的高频保护。当两侧故障电流相位相同时保护被闭锁，两侧电流相位相反时保护动作跳闸。其特点是：（1）反应全相状态下的各种对称和不对称故障，装置比较简单；（2）不反应系统振荡。在非全相运行状态下和单相重合闸过程中保护能继续运行；（3）不受电压回路断线的影响；（4）对收发信机及通道要求较高，在运行中两侧保护需要联调；（5）当通道或收发信机停用时，整个保护要退出运行，因此需要配备单独的后备保护。

二、高频保护信号传送方式与载波信号转接

通常220kV至110kV降压变电站均有完整的220kV电力载波通道，110kV变电站同样建有用于传送调度通信信息的载波通道。虽然部分110kV变电站之间没有载波通道，仍可利用上述220kV载波通道及110kV调度通信通道并采用信号转接技术完成保护信号的传送。调度通信网络常常采用星形网络联接方式，即调度中心或中心变电站与多个其它变电站之间采用星形联接方式如图1所示：

图1 星形联接方式示意图

（一）高频保护信号传送方式

如图1所示，调度中心或中心变电站与多个其它变电站之间均有载波通道，而其它变电站之间不一定有载波通道，因此，通常可以采用以下两种信号传送方式：

1．110kV变电站之间已经具有调度通信通道。由于大多数110kV变电站之间已经具有调度通信通道，且调度通信通道使用复用载波机，因此，文献提出可以使用时分多路共传方式的复用载波机传送保护信号。复用载波机在正常情况下传送话音信号及远动信号。当需要传送保护信号时，切断话音信号及远动信号，提升复用载波机的发信功率，完成保护信号的短时传送。

2．110kV变电站之间没有载波通道，但与调度中心或中心变电站之间均有载波通道，仍然可以利用调度通信通道，使用时分多路共传方式的复用载波机传送保护信号。由于110 kV变电站之间没有载波通道，因此，保护信号将由调度中心或中心变电站进行转接。信号转接可以是单级转接，也可以是多级转接。

（二）载波信号转接

载波信号转接装置的主要作用是：在输电线路发生故障时，完成故障线路的保护装置与复用载波机之间的信号转接。由于多条输电线路可能利用同一复用载波机传送保护信号，因此，转接信号应该包含故障线路编号。在转接装置完成包含故障线路编号的保护信号的编码与译码工作时，应满足复用载波机要求的编码格式。当保护信号需要进行多级转接时，载波信号转接装置应当具有正确的转接路由控制，并将所接收到的保护信号传送到正确的复用载波机。

三、纵联保护的工作方式

对于间接比较方式的纵联保护，文献按高频信号的作用方式分类，可分别构成闭锁式高频保护、允许式高频保护以及直接跳闸式高频保护。它们对于载波通道的安全性与可依赖性有不同的要求。这里所说的安全性，是指远方保护系统在发信端未发命令的情况下，收信端抵御干扰和噪声，不产生虚假命令的能力。可依赖性则是指在发信端发出命令的情况下，收信端不丢失命令的能力。

（一）直接跳闸式高频保护

直接跳闸式高频保护的跳闸逻辑为：

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

其中，{GPSX=1}表示高频收信动作，{P=1}表示本侧保护动作。

收到高频信号以后，保护装置直接跳闸，要求载波通道有较强的抗干扰能力，即有较高的安全性。当通道故障时，收信端的保护只能由本侧保护动作，可能会延迟保护动作时间，因而应具有较高的可依赖性。这种方式目前只是在500kV系统中得到了应用。

（二）允许式高频保护

允许式高频保护的跳闸逻辑为：

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

其中，{GPSX=1}表示高频收信动作，{P=1}表示本侧保护动作。

收到高频信号以后，保护装置允许跳闸。可见，收到高频信号是保护装置跳闸的条件之一，保护装置能否跳闸还要由本侧保护是否动作来确定。当然，如果收不到高频信号，满足不了跳闸条件，保护装置仍然不能跳闸。因此，要求载波通道具有很强的可依赖性，即收信端必须不丢失命令。

（三）闭锁式高频保护

闭锁式高频保护的跳闸逻辑为

OR{P=1}=1

其中，表示高频收信不动作，{P=1}表示本侧保护动作。

不能收到高频闭锁信号，而且本侧保护动作时，保护装置跳闸。正常运行时误收高频信号不会造成保护的误动作，在保护区内故障时，收不到高频信号是保护装置的动作条件之一，因此，闭锁式高频保护对载波通道的安全性与可依赖性的要求比起直接跳闸式高频保护和允许式高频保护要低。

直接跳闸式高频保护和允许式高频保护在500kV系统中得到了较多的应用。由于它们对载波通道的安全性与可依赖性都有高的要求，因此在500kV系统中载波通道一般都采用“相—相制”。这种方式下，高频信号的传输衰减较小（有利于提高信号传送的可依赖性），所受的干扰也小（有利于提高信号传送的安全性，减小收信的误码率）。

在220kV系统中大量使用了闭锁式高频保护。这是因为220 kV载波通道采用了“相—地制”方式，高频信号的衰减相对较大。当线路故障时载波通道可能遭到破坏，高频信号的衰减还会进一步增大，以至于可能收不到高频信号。而采用闭锁式高频保护时，收不到高频信号正是保护跳闸的条件之一，因此，不会影响保护工作的正确性。

四、110kV输电线路纵联保护方式

在110kV输电线路中实现纵联保护时，需要大量利用110kV复用载波通道，与220kV载波通道一样，110kV载波通道也采用了“相—地制”方式。根据110kV载波通道特点，应当优先选择高频闭锁式保护方案，然而，使用此方案在输电线路区外故障时，靠近故障侧需要发出长达10s左右的高频闭锁信号，这是使用复用载波机时难以达到的要求。同时，使用高频闭锁方案时，所有非故障线路都需要收发高频闭锁信号。显然，不可能由调度通信通道提供所有非故障线路所需的高频闭锁信号通道。因此，在110kV输电线路纵联保护中不能使用闭锁式高频保护。

复用载波机与允许式高频保护联用时，其配合关系相对较为简单。同时，允许式高频保护只需要在保护区内故障时短时间发出允许信号，对调度通信通道传送话音信号及远动信号的复用载波机影响较小，因而可以选择“允许方式”实现110 kV输电线的纵联高频保护。

在使用允许式高频保护方式时，可以有几种选择：

1．当110 kV输电线路距离保护和零序电流保护具有“闭锁/允许式”高频接口时，直接使用“允许式”高频接口。

2．对于没有“闭锁/允许式”高频接口的距离保护和零序电流保护，可以使用非标准的“允许式”保护方案。

这时，非标准的允许式高频保护的跳闸逻辑为：

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

其中，{RELAY（1）=1}表示本侧阶段式保护一段动作，直接跳闸；{RELAY（2）=1}表示本侧阶段式保护二段动作；{SZSX=1}表示收到包含正确的故障线路编号的数字信号。当收信动作时，即{SZSX=1}时，加速阶段式保护二段跳闸。

110kV输电线路保护区内故障时，近故障侧距离保护和零序电流保护一段动作。在保护装置跳闸的同时，启动高频发信，短时发出高频允许信号。远故障侧距离保护或零序电流保护二段动作，当收到高频允许信号时，载波信号转接装置将允许信号经由重合闸后加速回路输入距离保护或零序保护装置，加速距离保护二段和零序电流保护二段动作（如图2所示），从而实现110kV输电线路全线速断保护。

图2110kV输电线路速断保护示意图

选择“允许方式”实现110kV输电线路全线速断的纵联高频保护时，由于使用允许跳闸逻辑，因此，当信号通道出现故障时，完全不会对原有继电保护装置的工作产生影响。此时，继电保护设备将按阶段特性工作，与没有载波通道时的动作行为相同。但是，大多数情况下高频信号通道工作正常，则可以获得全线速动的纵联保护动作特性。

五、结论

选择适当的高频信号工作方式及传送路由，利用通信调度复用载波机传送纵联保护高频信号，可以方便地实现输电线路的高频保护。方法简单，容易实现，且不影响原有的保护的动作特性。利用调度通信网络实现纵联保护的高频信号传送，由于无须专用载波通道，因此有可能在110kV及以下电压输电线路中得到广泛的应用，并极大地提高电力系统运行的稳定水平。

参考文献

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[2]赵伟．电力线载波通信系统指南[M]．昆明：云南科技出版社，1995．

[3]贺家李，等．电力系统继电保护原理[M]．北京：水电出版社，1984．

作者简介：任广阔（1977－），男，供职于江苏省黑马高科技发展有限责任公司，硕士，研究方向：电力线载波通信工程。