智能变电站光纤差动保护同步性能测试方法研究

张佳敏，李 鹏，王建明，卜强生，宋亮亮，仲伟宽

(1.江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103；2.无锡供电公司，江苏无锡214061)

随着智能变电站的逐步推广应用，新建和改扩建的变电站大部分采用了智能化的方案，智能变电站最大特点是采用了电子式互感器、智能开关、智能二次设备、光纤通信等新技术和新设备。在智能变电站逐步建设推广的过程中，对电力系统的运行维护提出了新的要求，一些新的问题也逐步出现，如智能变电站与传统变电站同时运行，线路光纤纵差保护会出现一侧采用电子式互感器，另一侧采用传统互感器的情况[1]。两侧电气量的同步是保证纵差保护正确动作的关键，若两侧线路保护存在角差，线路保护差流会随着穿越电流的增大而增加，可能会导致保护不正确动作，测试过程中应对其同步性能进行测试把关，保证变电站投运的安全性[2]。

智能变电站集成测试过程中，应对一侧数字式保护，一侧传统保护的线路光纤差动保护进行保护同步性能的测试[3-6]。本文构建了线路两侧分别采用数字式差动保护和传统差动保护的试验平台，在同源一次电流下，测试两侧保护同步性能的方法。

1 两侧线路保护角差的产生原因

智能变电站电流互感器（TA）大都采用光纤电子式互感器，光纤互感器由光纤传感头、前置采集模块、合并单元组成，在结构上、原理上与传统的互感器截然不同。数据在前置采集模块和合并单元中传输及处理需要一定的时间延时，对于同一厂家的合并单元、前置模块，该时间延时通常是固定的[7-9]。传统线路保护仅仅存在光纤通道的延时，因为两侧都是传统的TA，模拟滤波回路的延时影响较小，通过适当地处理就可以消除影响。智能化变电站中的光纤差动保护数据来自间隔合并单元，从真实的电流到保护装置收到数据报文，已经经历了传感头、电气单元、合并单元、直接采样的光纤，这些部件的传输特性都对数据传输有一定的延时，总延时以合并单元数据中的Delay字段来表示；保护装置收到电流数据报文后，还要通过光纤电流通道与对侧保护采集到的传统TA电流进行同步，从同步方法上经历了插值同步、采样时刻调整法等多个算法环节，这些算法都有一定的误差，若没有通过算法将数字侧的通道延时和传统侧滤波回路的延时处理好，两侧保护中电气量就会存在一定的角差，会影响光纤差动保护的动作性能[10，11]。

2 线路两侧差动保护同步性能测试方法

假设线路MN的M侧是采用光纤电流互感器的数字式线路保护，N侧是采用电磁式电流互感器的传统线路保护，两侧实际TA变比相同，均为Ie1/Ie2；设M侧数字式线路保护中设置的TA变比为IM1/IM2，N侧传统线路保护中设置的TA变比为IN1/IN2=Ie1/Ie2，两侧线路保护的TA变比系数均为1.0，线路MN模型如图1所示。

不同厂家的线路保护数据传输方式不同，若两侧保护送给对侧的为二次电流值，假设线路MN中流过穿越性一次电流I˙，数字式线路保护侧感应到的本侧二次电流为，对侧传统线路保护侧二次电流为。实际运行时，若两侧TA变比相同，即IM1/IM2=IN1/IN2，则线路两侧保护TA变比匹配，两套保护中本侧和对侧差流应为0。

实验室用的升流器安全一次电流一般能加到1 000 A左右，若选择与实际运行中的TA变比进行试验，保护装置中的二次电流较小，受噪声等外部干扰影响较大，零漂可能淹没二次电流的真实值，难以有效地进行两侧保护装置同步性能测试。因此，实验中选择升流器的变比，传统侧保护的变比与升流器相同，同时考虑到光纤互感器对穿过其光纤环的电流能够线性叠加，通过将升流器一次电流输出导线在光纤互感器的光纤环上绕n圈，能够模拟光纤电流互感器n×1 000 A左右的一次电流，使数字式保护感受到的n×1 000 A左右一次电流。该情形下，若两侧保护送给对侧的是二次电流，光纤电流互感器上承受的一次电流等效为升流器一次电流的n倍，数字式线路保护装置中显示的本侧二次电流为，而显示对侧二次电流为×（I2/I1），两者二次电流由于一次电流不同而不同，会产生差流，无法验证两侧保护是否同步。该情况下，调整保护装置内的TA变比系数k=IMN/IMM=（I2×IM1）/（n×I1×IM2），消除由于一次电流不同产生的差流。

若两侧保护送给对侧的为一次电流，则数字侧线路保护显示的本侧二次电流为而显示对侧二次电流为=×（I2/I1）×（IN1/IN2）×（IM2/IM1），若保护装置能够设置TA变比系数，则k=IMN/IMM=（I2×IN1）/（n×I1×IN2），若保护装置无法设置TA变比系数，则需要设置对侧保护的TA变比IN1/IN2=n×I1×I2，以此来消除变比关系产生的误差。

3 同步性能测试平台构建

测试线路两侧数字式保护和传统保护之间的同步性能，需要构建同步测试平台，为了保证两侧线路保护一次电流的同源，采用升流器为两侧保护提供同源电流。升流器经过标互输出的二次电流供传统线路保护模拟量采集，一次电流流过光纤电流互感器的一次敏感环，通过光纤电流互感器前置单元和合并单元为数字式保护提供二次电流。试验平台如图2所示。

图2 线路电流纵差保护同步性能测试平台

实验室用的升流器安全一次电流能加到1 000 A左右，为了模拟更大范围内的一次电流变化，将升流器一次电流输出导线在光纤互感器的光纤环上绕了3圈，即n=3，以模拟测试一次电流从100 A到3 000 A变化过程中两侧保护装置的同步精度，升流器二次模拟电流接到传统侧保护电流端子，两侧保护装置TA变比预设为IM1/IM2=IN1/IN2=3 000/5，升流器变比I1/I2=1 000/1。

4 不同厂家同步试验对比分析

本次试验选用了2个厂家的线路保护装置，均为一侧数字化保护，另一侧传统保护，分别对2个厂家的线路保护装置测试其同步精度。一次电流选取100～2 400 A，每150 A为间隔进行穿越性电流的差流测试。

厂家A两侧保护之间数据传输的是二次电流满码值，根据前文分析，设置数字化侧保护装置内TA变比IM1/IM2=3 000/5，TA变比系数k=IMN/IMM=（I2×IM1）/（n×I1×IM2）=0.2，则数字式线路保护装置中显示的本侧电流变为。对侧传统保护TA变比IN1/IN2=3 000/5，对侧电流为。记录其在一次电流下的试验数据如表1所示。

表1 厂家A线路保护差动试验数据 A

由表1可知，一次电流从150 A变为2 400 A过程中，差流大小尽管有波动，但整体趋势比较稳定，说明两侧保护装置同步性能较高，采样值之间的角度差极小，可以满足保护运行要求。

厂家B两侧保护之间数据传输的是一次电流，由于保护装置内没有TA变比系数设置功能，若两侧采用同样的TA变比，势必产生差流，按照前文所述，数字式保护侧TA变比IM1/IM2=2 500/5；传统侧保护TA变比设为IN1/IN2=n×I1/IN2=3 000/1。记录其在一次电流下的试验数据如表2所示。

表2 厂家B线路差动保护试验数据 A

由表2可以明显发现，随着穿越电流的增加，保护差流逐渐变大，可以认为数字侧保护与传统侧保护采样同步性能不够好，采样值之间存在一定的角差，可以根据其差流大小估算出保护两侧的角差约为3°。实际运行过程中，发生区外故障时，穿越电流可能达到30 kA，若两侧角差在3°左右，对应两侧保护时差约167μs，差流最大可达到1 570 A。厂家A和厂家B线路保护两侧差流对比如图3所示。

图3 厂家A和厂家B线路保护两侧差流对比图

对比厂家A和厂家B的线路差动保护的差流随穿越电流变化的曲线。可以发现，厂家A的线路差动保护可以较好地保证两侧采样值的同步性，而厂家B的两侧线路保护采样值之间存在一定的角差，导致保护差流随穿越电流的增加而增大，发生区外故障时，差流较大。

5 结束语

随着智能变电站建设的大力推进，在一段时间内需要考虑智能站与传统站之间的保护配合，两侧保护同步性能的测试对保证智能变电站可靠运行具有重要的意义。本文以某智能变电站集中集成测试为背景，给出了一种基于实验室条件测试数字式线路差动保护和传统线路差动保护同步性能的方法，构建了测试平台，对2个厂家的线路光差保护同步性能进行了测试。

[1]张兆云，刘宏君，张润超.数字化变电站与传统变电站间光纤纵差保护研究[J].电力系统保护与控制，2010，38(3)：58-60.

[2]ZHANG Zhaoyun,LIU Hongjun,ZHANG Runchao.Research on Line Differential Protection Between Digitized Substation and Tradtional Substation[J].Power System Protection and Control2010,38(3)∶58-60.

[3]高厚磊，江世芳，贺家李.数字电流差动保护中几种采样同步方法[J].电力系统自动化，1996，20(9)：46-49，53.

[4]GAO Houlei,JIANG Shifang,HE Jiali.Sampling Synchroni-Zation Methods in Digital Current Differential Protection[J].Automation of Electric Power Systems,1996,20(9)∶46-49,53.

[5]曹团结，尹项根，张 哲，等.通过插值实现光纤差动保护数据同步的研究[J].继电器.2006，34(18)：4-8.

[6]刘宏君，孙一民，李延新.数字化变电站光纤纵差保护性能分析[J].电力系统自动化，2008，32(17)：72-74.

[7]LIU Hongjun,SUN Yimin,LI Yanxin.Performance Analysis and Research on Line Differential Protection in Digitized Substation[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(17)∶72-74.

[8]张兆云，刘宏君.数字化变电站光纤差动保护同步新方法[J].电力系统自动化，2010，34(22)：91-92.

[9]ZHANG Zhaoyun,LIU Hongjun.A New Synchronization Method of Optical Fiber Line Differential Protection for DigitalSubstation[J].Automation of Electric Power Systems,2006,34(18)∶4-8.

[10]潘济猛，孙永先，申狄秋，等.智能变电站光纤差动保护装置同步方案比较[J].电力自动化设备，2010，30(9)：101-104.

[11]PAN Jimeng,SUN Yongxian,SHEN Diqiu,et al.Comparison of Fiber Current Differential Protection Synchronization Schemes for Smart Substation[J].Electric Power Automation Equipment,2010,30(9)∶101-104.