一起线路保护重合闸瞬间放电现象研究分析

原敬磊

（山西省电力公司调度控制中心，山西 太原 030001）

0 引言

智能变电站应用电子式互感器或常规式互感器就地数字化的方式进行采样，不仅能有效避免电流二次回路开路、外界环境干扰、电压二次回路短路、电缆多点接地等问题的影响，而且可以实现采集信号的共享化，具有一定的优越性。数字采样引入了数据处理、传输和等待所需的固有延时，从而引入额定延时的问题[1-6]。现场调试人员在采样延时方面都遵循一个原则：级联合并单元延时=上一级采样延时+本级采样延时（忽略报文输出延时）；但为什么延时必须叠加，如果不直接叠加，可能会带来什么后果？本文以一起智能变电站线路保护重合闸瞬间放电为例，分析说明级联合并单元的延时缘由及设置错误可能带来的后果。

1 线路保护重合闸瞬间放电现象描述

2016 年10 月在对220 kV 景阳变电站巡视时发现，运行中的220 kV 临景I 线264 线路保护NSR-302GF 有重合闸自动放电现象，但很快又自动充电。检查历史记录发现，该保护装置重合闸每天均有4～5 次放电现象，且均为瞬间放电，随后立即进入自动充电状态。景阳变电站投运以来，220 kV 线路共3 条出线，二次保护装置均为双套配置，一套是许继电气的WXH-803B，另一套为国电南瑞的NSR-302GF。检查其他两条线路的保护装置重合闸，其他两条出线的NSR-302GF 保护装置也有重合闸瞬间放电现象，许继的差动保护WXH-803B 无瞬间放电现象，且3 条出线的放电时间不一样，无规律可循。

2 线路保护重合闸瞬间放电原因查找

为找出重合闸放电的原因，针对其中1 条出线的NSR-302GF 保护装置的变位报告进行分析。NSR-302GF 为纵联距离保护，其重合闸放电逻辑如下：第一，重合闸在停用方式；第二，重合闸在单重方式时，保护三相跳闸或TWJa、TWJb、TWJc 同时动作；第三，重合闸合闸脉冲发出时；第四，有低气压闭锁重合闸开入输入且400 ms 内重合闸未启动；第五，有闭锁重合闸开入输入；第六，重合闸充电计数器未满15 s 时，TWJa、TWJb、TWJc 中任一个动作，或保护启动重合闸（含内部或外部）；第七，重合闸充电已完成，TWJa、TWJb、TWJc 同时动作且持续20 s；第八，保护永跳；第九，当投检无压、检同期方式时，有电压互感器 TV 断线 （potential transformer）、TV 失压或同期电压异常现象；第十，故障切除后，该故障相电流消失，在没有发重合令前，该相又有电流。通过对装置的记录逐项分析及排除，最终将放电原因初步确定为第九条：母线或线路电压可能瞬间存在异常。通过观察重合闸放电时间，在网络分析仪中查找对应时刻对应线路合并单元发送的数据集与母线合并单元发送的数据集，发现对应时刻线路合并单元发送的报文确实有一帧电压有异常。该帧报文的电压显示L3 相无效，但对应时刻母线合并单元发送的数据集均无异常。

从该帧报文的原始报文可以看到，C 相电压的数值为00 00 00 00，品质位为00 00 00 01，即数值为0，品质无效。

通过上述分析，引起重合闸放电的原因是线路合并单元提供的电压每天有4～5 帧有问题，但母线合并单元提供的电压正常，且并不是所有出线在同一时间电压同时有一帧无效，即时间上参差不齐。另一套保护WXH-803B 不放电并不是接收到的电压均没有问题，而是差动保护放电条件不判断电压，偶尔有一帧报文不正常并不会引起保护重合闸放电。所以引起重合闸瞬间放电的原因确定为线路合并单元存在问题，且为共性问题。

3 深层解析及消除隐患

3.1 采样结构分析

该站采用目前智能变电站二次采样最为常见的一种方式，具有典型性。即常规电磁式电压互感器+母线合并单元，常规电磁式电流互感器TA（currant transformer） +线路合并单元。电磁式电压互感器的二次电压经母线电压合并单元MU（merging unit） 转换成数字量送至下一级合并单元（线路MU），线路合并单元对电磁式电流互感器的二次电流及线路同期电压进行采样，并与母线MU 过来的电压数字量进行同步，组合成1 组数字量送入测控、保护设备，如图1 所示。这种方式的总传输延时时间为：传输延时=上一级MU 延时+同步处理延时+报文输出延时（报文输出延时一般可忽略）。

3.2 采样延时分析

图1 线路间隔采样结构图

继电保护对合并单元的要求是点对点直接采样，并尽量减少采样的延时，规定合并单元最长延时不超过2 ms[7-11]。

关于采样延时错误的问题，点对点传输方式下发现角度偏差，一般是合并单元额定延时输出和固有延时输出不一致导致的，在调试阶段容易发现并及时纠正。但对于级联合并单元正常输出中突然有一帧报文中某个通道品质异常是不是与额定延时有关有待研究。

该站220 kV 两套母线合并单元均为许继公司的DMU833/G，220 kV 线路两套合并单元均为上海思源宏瑞的UDM-502-G。从网络报文分析仪记录的结果看，在重合闸放电时刻，线路合并单元的电压有异常，但母线合并单元均无异常，由此排除母线合并单元的问题，重点检查分析线路合并单元。

线路合并单元的作用：一是对三相电流及线路电压进行采样，二是数据的同步处理。数据同步处理主要处理上一级合并单元发送过来的数据，具体的方法是插值再采样，如图2 所示。对于线路合并单元电流的采样是否可以与母线合并单元电压的采样在同一时间内进行，从继电保护对合并单元尽量减少采样转换延时的角度出发，两个合并单元的采样是可以同时进行的；但之所以级联合并单元延时=上一级采样延时+本级采样延时（忽略报文输出延时），主要原因在于数据的同步处理；对于合并单元自身的采样数据（三相电流及线路电压），由于采样时刻是根据自身脉冲上升沿触发的，所以不需过多处理，只是等待打包即可；而对上一级合并单元传过来的数据（母线电压） 需要重新处理，即对传过来的数据逐个通道进行插值再采样。插值再采样的时间一般等于合并单元自身的采样时间，所以出现级联合并单元延时=上一级采样延时+本级采样延时，其本质是上一级采样延时+数据处理延时，只是数据处理延时等于本级合并单元的采样延时。

图2 采样数据的插值同步

本案例中该线路合并单元为级联方式，传输延时=级联所需等待延时（上一级合并单元延时）+数据同步处理延时+MU 报文输出延时。图2 中，母线MU 额定延时td1与线路MU 自身采样延时td2存在交集，即线路合并单元真正需要的额定延时可能小于图2 中所示额定延时（td1+td2），但由于合并单元的采样、等待、数据处理环节一般基于定时中断完成，定时中断一般是采样周期的整数倍，所以出现了必须是两级合并单元额定延时叠加，忽略了交集部分（交集部分一定小于脉冲间隔对应的250 μs）。通过对SV 报文进行抓包分析得上一级母线合并单元的额定延时为1 000 μs，即级联所需等待延时为1 000 μs。思源宏瑞线路合并单元自身的采样延时是3 个点（1 个点对应250 μs），即750 μs，线路MU 报文输出延时固定为50 μs。计算线路合并单元额定延时应为1 000+750+50=1 800 (μs)，但检查保护装置收到的额定延时为1 550 μs。即线路合并单元的额定延时错误设置为1 550 μs，修改为1 800 μs 后重合闸瞬间放电的隐患消除。

另外，在思源宏瑞合并单元设置中为了简便及减少出错，不再设置固有延时、额定延时等多参数，仅有一个延时设置，即固有延时与额定延时一体，这样就避免了由于固有延时与额定延时不一致引起的相位误差。

本案例中，在线路合并单元额定延时设置不正确的情况下，通过网络分析仪发现每次放电时刻均是L3 相电压或L2、L3 相电压品质异常，其原因在于数据处理过程按通道的先后顺序进行，在母线MU 的发送数据集中，L2 相、L3 相保护电压通道靠后，当数据处理不过来时，从最后面的通道开始出错；而在线路合并单元额定延时设置比要求小250 μs 的情况下，数据也基本正确，只是每天会有几帧报文不正常。这是因为插值同步处理延时与采样延时类似，通常给出的额定延时是在不利环境条件下、通过长时间大量试验验证，保证在此延时条件下采样数据正确，而当小一档延时时，大多数情况下可能也能正常运行，但偶尔可能会有不正常现象，即不能保证全数据全时间正确。本案例中插值同步处理延时比要求小一档，一般情况下也能正确处理通道数据，但不能保证所有时间所有数据都正确，所以出现了每天会有几帧报文不正常，且无规律可寻的现象。由于一般情况下数据正常，给现场调试发现问题及隐患查询带来很大干扰。

3.3 保护插值重采样分析

保护装置收到合并单元的采样输入后，需要对其进行插值重采样。合并单元发送帧的频率与采样频率一样，即4 000 帧/s，且每一帧里都含有一个采样点的值和品质位。

线路保护装置采用24 点采样，即每个周波有24 个采样点的值和其所对应的品质位，其处理方式如下。

a） 采样值：对接收到的每周波80 点采样值进行重采样计算，最后形成每周波24 点的采样值。但前提是品质位有效，当品质位无效时，数值显示为零。

b） 品质位：在从80 点到24 点的过程中，对于重采样算法牵涉的点对应的品质位进行合并，即计算一个采样点所涉及的N 个原始采样点的品质进行合并，因不同厂家或不同类型保护所采用的重采样算法可能不同，N 的值可能不同。对于国电南瑞科技股份有限公司的NSR-302 线路保护，对合并单元的数据进行重采样后，N<1，也就是说即使合并单元发送数据集出现一帧品质异常，线路保护装置也会受到影响。

保护插值重采样分析如下，24 点插值重采样会针对80 点采样进行处理，并不是品质异常或数据不正确的点丢弃，而是先对品质位进行处理，若品质位有效，再对其数值进行线性插值或其他运算的处理，若品质位无效，其数值也无效，显示为零。所以，当80 点采样中的一点有问题，很可能影响24 点插值重采样的某一点，进而影响距离保护的重合闸放电问题。

4 结论

a） 现场调试应严格遵循级联合并单元采样延时等于上一级合并单元采样延时与本级合并单元采样延时之和的原则，其本质是上一级合并单元采样延时与本级合并单元数据处理延时之和，只是数据处理延时等于合并单元自身的采样延时。

b） 线路保护装置采用24 点采样，即每个周波有24 个采样点的值和其所对应的品质位。品质位在从合并单元80 点采样到保护24 点采样的过程中，对于重采样算法牵涉的点对应的品质位进行合并；数值大小的计算是按80 点采样进行重采样计算，但当品质位无效时，数值也无效，显示为零。对于国电南瑞科技股份有限公司的NSR-302 线路保护，对合并单元的数据进行重采样后，即使合并单元出现一帧品质异常，线路保护装置也会受到影响。

c） SV 报文中数据通道可以根据工程应用而配置，数据通道的多少直接影响SV 报文长度，对其传输延时及接收处理具有一定影响。本案例在线路合并单元额定延时设置不合理的情况下，每次放电时刻均是L3 相电压或L2、L3 相电压品质异常，其主要原因在于处理过程按通道的先后顺序进行，L2 相、L3 相保护电压通道靠后，故数据处理不过来时一般为L2、L3 相电压异常。