变电站----光纤纵差保护 - fpga_hjh - 博客园
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1短线路保护应用的背景及现状 & 110
kV线路常规配置一般是三段式相间距离保护和三段式零序电流保护。对短线来说，接地零序电流保护显然不能获得良好的速动性，通常没有瞬时动作段，阶梯式保 护的动作时间又较长，对快速切除故障极为不利。距离保护的阻抗元件一般是方向阻抗继电器或带偏移特性的阻抗继电器，这种圆特性阻抗继电器躲过渡电阻性能较 差，一般对于6 km以下（CT为600／5或更小）的线路保护就起不了作用。所以设计上对于6
km左右的线路一般就需配置高频保护作为线路的主保护。但线路高频保护的抗干扰性问题十分突出，通道不畅通引起区外误动是高频保护不正确动作的主要原因。　 　随着微机保护的发展及大范围的应用，短线路保护的问题得到了缓解。由于微机保护的阻抗特性采用四边形阻抗特性，对躲弧光电阻的能力较好，因此部分短线路 保护更换为微机保护后，其灵敏度得到提高，基本上也能满足系统运行要求。但随着电力负荷需求的增长，负荷密度大，短线路或极短线路将越来越普遍。对短至 2～3 km甚至1 km内的线路，普通微机保护也满足不了要求，特别是环网运行的线路，普通的阶梯式保护动作时间长，对快速切除故障极为不利。　 　可见，给线路配置快速纵联保护已不单是220kV线路为满足系统稳定性的需要，也是110
kV短线路或环网线路运行的需要。《继电保护和安全自动装置技术规程》也指出对于短线路可配置导引线保护或光纤保护作为主保护。　　目前国内各大 保护厂家研制的微机光纤保护均在不同程度上得到应用，如许继公司WXH－35型装置、南自厂PSL631型装置、南自院LFP－900系列装置和四方公司 CSL－103光纤保护装置等等。国外ABB公司的REL561和英国的GEC公司的LFCB102／103型光纤（微波）保护装置均已进入中国市场。2 短线路纵联保护的比较 &
&纵联保护按照所用通道的不同类型可分为电力线载波纵联保护（简称载波保护）；导引线纵联保护（简称导引线保护）；微波纵联保护（简称微波保护）；光纤纵 联保护（简称光纤保护）。　　（1）载波保护由于能充分利用现成的电力线载波通道，所以应用最广，但载波保护的可靠性很大程度上受通道抗干扰性所 制约，高频加工设备故障隐蔽性强，在短线路上应用还可能产生差拍，且随着综合自动化水平的提高，系统之间需传送的数据量愈来愈多，载波通道愈来愈拥挤，载 波的传送速率也无法满足要求。　　（2）电流差动保护原理最早应用于短线路上的是导引线保护，它要求要有一条从这端到那端的金属回路，以传送交流 电压信号和直流电压信号。采用50 Hz或60
Hz的辅助导线纵联保护系统是一个简单和直接的办法。导引线保护原理简单但安全性较差，易受雷击及产生感应过电压，目前应用不多，且随着光缆价格下降，在 经济上同光纤保护有一定的可比性。　　（3）微波保护所用的微波通道与输电线无直接联系，可提供足够多的通道，彻底解决了通道拥挤问题。采用脉冲 编码调制（PCM）方式可进一步扩大信息传输量，提高抗干扰能力，更适合于数字保护。光纤保护与微波保护具有类似的优点。当微波设备与保护装置间距离较长 时常利用光缆将两者连接起来，在保护装置中将电信号变为光信号，通过光缆送到微波终端，再经光电转换变成电信号发送出去。由于微波保护需建微波塔，通路衰 减受大气影响，所以对于短线路投资不合算。直接利用光纤通道传送经保护处理后的数字量显得更为简单方便。特别是光纤电流差动保护，其原理简单，不受电磁感 应，在短线路上更具实用性，当保护与通信合用光缆时更具经济性。 光纤电流差动保护的优点：　　（1）能适应电力系统的振荡，非全相运行等各种复 杂的运行状态。　　（2）仅需测量保护各端的线路电流，不受PT断线的影响，动作速度可以做得很快。 &　　（3）具有良好的选相能力。3
WXH－35型光纤纵差保护在揭阳电网的应用情况及建议 & &揭阳电网现有一条110 kV路源电厂至220
kV揭阳变电站的联络线（长度为800
m），采用许继WXH－35型光纤纵差保护，8芯单模，通信与保护复用，通信和保护各用2芯，另各留2芯备用。配置分相电流差动主保护和三段相间（接地） 距离后备保护，自1996年投产以来经受过数次区外故障无误动情况，区内无故障未受考验。即将投产的110kV仙桥变电站原线路（不足1
km）保护选型也有一套光纤保护。根据路源线保护的初步运行情况，笔者提出以下几点建议：　　（1）对于长度为5、6
km的线路理论上可采用高频保护，但由于前述原因及结合目前通信发展情况仍推荐配置光纤保护，长度为1 km内的线路则以光纤保护更具可靠性和经济性。　 　（2）短线路保护可配置光纤纵联保护作为主保护，三段式相间（接地）距离保护和四段式零序电流保护作为后备保护。WXH－35型保护取消零序电流保护， 为提高高阻接地时保护的灵敏度，一般保护配置时建议仍应有零序电流保护作为线路后备保护，因为零序电流末段定值较小，灵敏度较高。
　　（3）WXH－35型保护装置设计没有自动切换光纤通道功能，运行中曾发生过老鼠咬断光纤芯造成通道故障，线路主保护纵差自动退出，仅有后备保护，对 系统运行安全造成威胁。需靠继保人员手动换接光缆纤芯后才恢复纵差主保护。为提高保护的可靠性，建议对于具备双通道的保护装置应具备通道自动切换功能，即 光缆芯数1＋1热备用。而对于仅配置单通道的保护装置，装置应能提供一光口和一电口，可通过光口连接专用通道，电口通过64
kbit／s数字接口复接通信的PCM设备构成复用通道，保护装置同样应具备通道自动切换功能。无专用通道的通过64
kbit／s数字接口复接通信的PCM设备，利用PCM的自动切换功能，当主通道发生故障时自动切换至备用通道。如FOTMAX400数字复接与光纤传输 设备自动切换时间＜1 ms，可大大提高光纤通道的可靠性。上述3个方案以方案2更具可行性和可靠性，兼具了专用通道和SDH光纤自愈网的优点。　 　（4）WXH－35型分相差动保护判据中使用的是各侧电流相量，在发生内部不对称或经过渡电阻对称故障时负荷电流使制动量增大，降低保护灵敏度；在经高 阻故障伴有大负荷送出时可能导致保护拒动［2］。为解决保护拒动问题可采用故障分量差动原理判据的保护以消除负荷电流的影响。　　（5）线路区外 故障时由于短路电流大引起CT饱和，而导致波形畸变，差流增大，影响差动保护的灵敏度。为解决CT饱和问题措施之一可采用采样值差动原理判据的保护，合理 选取重复判别次数R和S抑制CT暂态响应不一致的影响。采样值差动不是计算某一数据窗的差流值，而是通过连续R次采样判别中有S次及以上符合动作判据来确 定内部故障。根据CT的饱和机理，即使在CT严重饱和时，在故障发生的初始阶段和线路电流过零点附近CT存在一个线性传变区，在线性传变区内差流很小，不 满足动作判据，故可适当加大S值来躲开不平衡电流。根据文献［3］的动模实验表明判别数据窗θ≥π可满足上述目的。当采样率为12点／周期时S取 12／2＝6。为保证内部故障的灵敏度，考虑内部故障时极端情况下过零点位于两采样值中点时有可能连续两点不满足差动判据，故须取R≥S＋2，即连续8点 采样值中至少有6点符合动作判据才判为内部故障。另一解决CT饱和的措施是采用没有磁饱和的罗柯夫斯基电流变换器及光电流变换器构成的差动保护，这也是未 来的一个发展趋势。 &　　（6）电流差动保护的一个关键问题是两侧数据的同步采样，WXH－35保护采用数据修正法进行调整。这种同步 调整方法在收到对侧一帧信息后即可完成，对通道的依赖不强，通信干扰或中断不影响采样同步。通信恢复正常，保护即可根据新收的报文进行保护算法处理，有利 于保护的快速性。缺点是每次的保护算法处理，均要进行数据修正，且总离不开通道延时Td；要求通信路由固定，电网频率的变化也会影响其相量移位修正结果； 只能送相量，不能送采样瞬时值。目前正在研究的GPS同步采样法与通道无关，既能送相量也能送采样瞬时值，且精度高，不受电网频率的影响，具有广阔的应用 前景。四方公司的CSL－103保护也提出了一种可适应SDH通信自愈网的电流采样同步法：改进的采样时刻调整法。可适应通信路由发生变化而造成传输延迟 达20 ms之多，其同步误差不超过1°，更适应当前大力建设的SDH光纤自愈网的形势。4结束语 &
随着光纤通信网的迅速发展和电流差动保护判据的成熟，光纤电流差动保护应用于短线路上将极大改善电网的运行性能，提高保护的可靠性，具有很大的应用前景。原创论文:以FPGA为核心实现继电保护装置：暂态信号可定制实时时频精细分析算法及实现3
本帖最后由 linwei_jinan_fpga 于
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对后续工作的展望
文所做的工作，仅仅完成了暂态信号可定制实时时频精细分析的第一步：实时滤出各频段的分量信号，为后续算法模块提供基础数据，为新特征量的发现、新特征量提取算法的研究拓展思路。如第4
章所述，后续的数据处理工作将更为复杂、繁重。
在发现保护算法的新特征量、设计新特征量提取算法阶段，需要从大量故障仿真数据、现场故障录波数据中滤出的更大量的频域细分数据流，对其离线进行多维度关联分析，这将有可能必须依赖大型机、云计算、大数据处理等执行大数据量、大运算量计算的最新科学计算工具，从而有可能必须在继电保护行业采用最先进的离线数据分析手段。
在将所设计的新特征量提取算法映射为保护装置可实时执行的实现算法之后，在实现算法的实时执行阶段（也包括在本文所述的频域细分数据提取阶段），将涉及大量的实时数据并行处理工作，将必须运用FPGA
的并行运算能力予以实现。
的“片内大型计算机”属性[2]
，使其在大量的实时数据并行处理方面比其它技术手段更具性价比优势，而运算量需求的急剧增多，又将导致几千、上万元一片甚至更加昂贵的高端FPGA
芯片大量应用于继电保护装备制造业。这一成本将由于继电保护装置“四性”的提高、整个电力系统运行质量的提高而被客户所接受，进而把整个行业的蛋糕做大。
同时，与实时海量运算伴随而至的片内/
芯片系统架构设计问题、原始算法向实现算法映射的策略问题、实现算法的优化策略问题、单FPGA
芯片多通道/
芯片多通道工作模式下的可靠性控制问题、冗余运算问题、热备用芯片/
热备用通道的实时监测/
无缝切换问题、片间/
板间的高速可靠数据传输问题、运算/
传输的容错/
前向纠错问题、功耗控制问题、芯片供电问题、EMC
问题等等，都将成为无法回避的工作。
个人猜测，这一思路是如此简单，应该已经有研究者想到过，之所以未曾公开发表，是因为它对运算能力提出了对于
来说过高的要求
这一困难使前人认为它完全是不切实际的纸上谈兵，从而没有继续进行研究。
的发展为继电保护算法的实现提供了前所未有的运算能力，本文所做的工作证明了暂态信号可定制实时时频精细分析算法具有优异的性能，并且是完全可行的。
在此引用敝文《以
为核心实现继电保护装置的片内系统架构及保护算法实现策略
》结语部分的内容[2]
为核心实现继电保护装置，将CPU
架构下的‘运算能力天花板’抬升到了前所未有的高度，为各种新算法的开发、实现提供了坚实的基础。采取‘以硬件资源换性能’的策略提高保护装置的性能，需要各方面技术人员的通力协作，尤其需要保护算法设计师在设计理念上进行一定程度的调整，需要电力系统故障分析师、保护算法设计师、FPGA
应用研发设计师、PCB
设计师密切配合，甚至可能需要借鉴大型机系统架构设计师的经验，需要多方协作进行大量的理论探索、算法研究、实践验证，不可能一蹴而就。
事实上，这个过程在技术上必将是困难重重、成本高昂的。而且，由于其将在很大程度上改变继电保护行业现有的技术格局、产业格局，从而必将面对来自方方面面的阻力。尽管如此，正如历史上一再上演的由技术手段突破导致的产业变革一样，这一变革将是不可阻挡的。因为，一旦有企业率先取得成功，其产品将在性能上取得显著的优势，从而迫使其他企业在技术跟进与退出市场之间做出选择。”
参考文献：
《小波分析在电力系统暂态信号处理中的应用》，何正友，中国电力出版社，2011
为核心实现继电保护装置的片内系统架构及保护算法实现策略》，林伟，2014
月发布于各大电力论坛。
《MATLAB/Simulink
电力系统建模与仿真》，于群等，机械工业出版社，2014
《电力系统暂态信号的小波分析方法及其在EHV
输电线路暂态保护中的应用研究》，何正友，学位论文，西南交通大学，2000
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感谢：在此特别感谢我的同事刘益青先生，他在我构思此方案时提供了重要的继电保护专业知识，弥补了我在这方面的不足，为本文成稿提供了重要帮助。
另外，各位读者对本文的技术观点有任何异议，欢迎回帖讨论。若您能在讨论中证明本文的错误，将是对笔者的重要帮助，本人表示诚挚的谢意！
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