光纤差动保护原理

光纤差动保护原理分析
光纤电流差动保护是在电流差动保护的基础上演化而来的，基本保护原理也是基于克希霍夫基本电流定律，它能够理想地使保护实现单元化，原理简单，不受运行方式变化的影响，而且由于两侧的保护装置没有电联系，提高了运行的可靠性。

目前电流差动保护在电力系统的主变压器、线路和母线上大量使用，其灵敏度高、动作简单可靠快速、能适应电力系统震荡、非全相运行等优点是其他保护形式所无法比拟的。

光纤电流差动保护在继承了电流差动保护的这些优点的同时，以其可靠稳定的光纤传输通道保证了传送电流的幅值和相位正确可靠地传送到对侧
1 原理介绍
光纤分相电流差动保护借助于线路光纤通道，实时地向对侧传递采样数据，同时接收对侧的采样数据，各侧保护利用本地和对侧电流数据按相进行差动电流计算。

根据电流差动保护的制动特性方程进行判别，判为区内故障时动作跳闸，判为区外故障时保护不动作。

光纤电流差动保护系统的典型构成如图1所示。

当线路在正常运行或发生区外故障时，线路两侧电流相位是反向的。

如图所示，假设M侧为送电端，N侧为受电端，则，M侧电流为母线流向线路，N侧电流为线路流向母线，两侧电流大小相等方向相反，此时线路两侧的差电流为零；当线路发生区内故障时，故障电流都是由母线流向线路，方向相同，线路两侧电流的差电流不再为零，当其满足电流差动保护的动作特性方程时，保护装置发出跳闸令快速将故障相切除。

对于光纤分相电流差动保护而言，其差动保护一般采用如图2所示的双斜率制动特性，以保证发生穿越故障时的稳定性。

图中，Id
表示差动电流，Ir表示制动电流，K1、K2分别表示不同的制动斜率。

采用这样的制动特性曲线，可以保证在小电流时有较高的灵敏度，而在电流大时具有较高的可靠性，即当线路末端发生区外故障时，因电流互感器发生饱和产生传变误差，此时采用较高斜率的制动特性更为可靠。

由于线路两侧电流互感器的测量误差和超高压线路运行时产生
的充电电容电流等因素，差动保护在利用本地和对侧电流数据按相进行实时差电流计算时，其值并不为零，也即存在一定的不平衡电流。

光差动保护必须按躲过此电流值进行整定，这也是在上面所示的图2中最小差电流整定值Isl不为零的原因所在。

如何躲过该不平衡电流对差动保护的影响，不同类型的保护装置其采用的整定方法也不尽相同，一般采用固定门坎法进行整定，即将在正常运行中保护装置测量到的差电流作为被保护线路的纯电容电流，并将该电流值乘以一系数(一般为2-3)作为差动电流的动作门坎。

当差动元件判为区内故障发出跳闸命令时，除跳开线路本侧断路器外，还借助于光纤通道向线路对侧发出联跳信号，使得对侧断路器快速跳闸。

2 对通信系统的要求
光纤电流差动保护借助于通信通道双向传输电流数据，供两侧保护进行实时计算。

其一般采用两种通信方式：一种是保护装置以
64Kbps／2Mbps速率，按ITU-T建议G.703规定于数字通信系统复用器的64Kbps／2Mbps数据通道同向接口，即复用PCM方式；另一种是保护装置的数据通信以64Kbps／2Mbps速率采用专用光纤芯进行双
向传输，即专用光纤方式。

(详见图3)
光纤电流差动保护要求线路两侧的保护装置的采样同时、同步，因此时钟同步对光纤电流差动保护至关重要。

当电流差动保护采用专用光纤通道时，保护装置的同步时钟一般采用"主-从"方式，即两侧保护中一侧采用内部时钟作为主时钟，另一侧保护则应设置成从时钟方式。

设置为从时钟侧的保护装置，其时钟信号从对侧保护传来的信息编码中提取，从而保证与对侧的时钟同步。

当采用复用PCM方式时，
复用数字通信系统的数据通道作为主时钟，两侧保护装置均应设置为从时钟方式，即均从复用数字通信系统中提取同步时钟信号：否则保护装置将无法与通信系统数据通道进行复接。

3实例介绍我公司月湖变贵月1 2 线保护是由许昌继电器厂生产的GXH803-102型微机保护（命名为B套）和南京电力自动化研究院生产的GPSL603-621型微机保护（命名为A套）组成的双光纤微机快速保护，两者主保护均为分相电流差动保护和零序电流差动保护，以距离和零序方向电流保护为后备保护
(以GPSL603保护为例)
PSL603光纤分相电流差动保护装置以分相电流差动保护作为纵联保护。

分相电流差动保护可以通过64KB/S数字同向接口复接终端，2M 数字或者
专用光缆作为通道，传送三相电流及其他数字信号。

使用专用光纤作为通信媒介时采用了1Mbps的传送速率,极大的提高了保护的性能,并采用内置式光端机,不需要任何光电转换设备即可独立完成光电转换过程.
差动继电器动作简单可靠，动作速度快，在故障电流超过额定电流时，确保跳闸时间小于25ms，即使在经过大接地电阻故障，故障电流小于额定电流时，也能在30ms以内正确动作，而零序电流差动保护大大提高了整个装置的灵敏度，增强了耐过渡电阻能力。

分相电流差动保护主要由差动cpu模件及通信接口组成，差动cpu模件完成采样数据读取、滤波、数据发送、接收、数据同步、故障判断、跳闸逻辑出口；通信接口完成与光纤的光电物理接口功能，另外专门加装的PCM复接接口装置则完成数据码型转换，时钟提取等同向接口功能
3.1 启动元件
差动保护启动元件包括相电流突变量启动元件，零序辅助启动元件，低电压启动元件和利用TWJ的辅助启动元件
分相电流差动保护启动元件逻辑框图
3.1.1相电流突变量启动元件
保护启动元件用于启动故障处理程序及开放保护跳闸出口继电器的负电源，各个保护模件以相电流突变量为主要的启动元件，启动门槛由突变量启动定值加上浮动门槛，在系统振荡时自动抬高突变量启动元件的门槛。

零序电流启动元件、静稳破坏检测元件为辅助启动元件。

延时30ms以确保相电流突变量元件的优先动作
判据为：
△IΦ>IQD＋1。

25△It
其中Φ a、b、c三种相别，T为20ms
△IΦ为相电流突变量
△It为相电流不平衡量的最大值
当任一相电流突变量连续三次大于启动门槛时，保护启动
3.1.2零序电流辅助启动元件
为了防止远距离故障或者经过大电阻故障时相电流突变量启动元件灵敏度不够而设置。

该元件在零序电流大于启动门槛并持续30ms 后动作
3.1.3低电压辅助启动元件
用于弱馈负荷侧的辅助启动元件,该元件在对侧启动而本侧未启动的情况下投入,相电压<52V或者相间电压<90V时本侧被对侧拉入故障处理
(简要说明,对于单电源供电或者一侧大电源一侧小电源系统,当发生故障时,无电源或弱电源侧相电流突变量启动元件灵敏度可能不够,不能满足差动保护双端同时启动才能出口的必要条件,因此可能拒动)
3.1.4利用TWJ的辅助启动元件
作为手合故障时,一侧启动而另外一侧不启动时,未合侧保护装置的启动元件
3 .2分相差动原理
动作判据如下：
│IM+IN│>Icd (1)
│IM+IN│>4Ic (2)
│IM+IN│≦Iint (3)
│IM+IN│>KBL│IM-IN│ (4)
KBL为差动比例系数系数,内部固定为0.5,Icd为整定值(差动启动电流值);Iint为四倍额定电流;零序差动对高阻接地故障起辅助保护作用.原理同分相差动,零序差动比例系数保护内部固定为
KOBL=0.8,Ic为正常运行时计算得到的电容电流
3.3通信可靠性
光纤差动保护中通信可靠性是影响保护性能至关重要的因素,因此对通信进行了严密细致的监视,没帧数据进行crc校验,错误舍弃,错误帧数达到一定值时,报通道失效;通信位恒速率,每秒钟收到的帧数未恒定,如果丢失帧数大于给定值,报通道中断,以上两种情况发生后,发出告警信号并闭锁保护,一旦通信恢复,则自动恢复保护.
3.4 跳闸逻辑
3.4.1差动保护可分相跳闸,区内单相故障时,单独将该相切除,保护发跳闸命令后250ms故障相仍有电流,补发三跳令;三跳发出后250ms故障相仍有电流,补发永跳令
3.4.2两相以上区内故障时,跳三相
3.4.3当控制字采用三相跳闸时任何时候均跳三相
3.4.4零序电流差动具有两段,I段延时60ms选相跳闸,II段延时150ms三跳
3.4.5两侧差动都动作才确定为本相区内故障
3.4.6收到对侧远跳命令发永跳
3.5手合故障处理
手动合闸时,差动保护自动抬高至额定电流In,以防止正常合闸时线路充电电流造成差动保护误动
3.6永跳远传功能
本功能是当本侧由于永久性故障或者重合于永久故障时发永跳出口,这时永跳命令通过光纤传送到对侧,闭锁对侧重合闸,防止对侧开关重合于故障.保护收到光纤通道远传令后发60ms永跳出口信号.本功能可经过控制字投退
3.7远跳远传功能
本装置具备远跳功能及两路远传信号通道,可用于实现远跳及远传信号功能.用于远跳的开入连续8ms确认后,作为数字信息和采样数据一起打包,经过编码,crc校验,再由光电转换后发送至对侧.同样
收到对侧数据后经过crc校验,解码提取远跳信号,而且只有连续三
次收到对侧远跳信号才确认出口跳闸.远跳用于直接跳闸时,可经过
就地启动闭锁,当保护控制字整定为远跳经本地启动闭锁时,收到对
侧远跳信号500ms保护没有跳闸,保护发“跳信号长期不复归”报文.同时,用于远传信号的开入连续5ms确认后,再过远跳信号同样的处理传送至对侧.
运行注意事项
1) 根据两套保护的配置,只要有一套保护在投入运行,则要求两
套保护的操作电源(在保护屏)均在投入位置,原因在于GPSL603保护只配置断路器控制装置而WXH-803保护装置只配置操作箱,因为这两者的不可分割性,所以有上述要求
2)WXH803装置有故障或需将保护全停时,应先断开跳闸出口压板,再断开直流电源.装置发“告警I”信号时一般为硬件异常、定值出错和采样错误等同时闭锁保护出口回路的+24V电源,强烈建议将次故障信号作为紧急缺陷，通知调度或有关继电保护人员以便做出处理.
3)差动保护的投入退出,两侧保护应同时进行.通道异常或故障时应将两侧差动保护退出.如果只退出一侧差动压板,另一侧将给出
“对侧纵差退出”报文,并闭锁对侧保护.
4)装置重合闸退出时,只断开重合闸出口压板,且重合方式应与另一套运行的重合闸的重合方式一致,不允许单独置于“停用”位置.
GPSL603装置运行异常判断和处理
正常运行时，“运行”指示灯发平光，其他指示灯灭。

装置告警的原因及处理方式如下
WXH803装置异常告警及其处理
正常时“运行”灯发绿光，常亮；“告警I”“告警II”及其它跳闸灯均不亮。

装置异常告警的原因及其处理措施可归纳如表所示
出现上述信号时，运行值班人员应详细记录各指示灯显示情况和有关事件打印报告，并及时向调度和继电保护人员反映异常情况，以便及时做出相应处理。

关于旁路光纤保护在旁路带路的问题
旁路光纤保护在旁路代路时不方便操作，由于光纤活接头不能随便拔插，每次拔插都需要重新作衰耗测试，而且经常性拔插也容易造成活接头的损坏，因此不宜使用拔插活接头的办法实现光纤通道的切换。

在我国部分省、市的电网中并没有单独的旁路保护，旁路代路时是切换交流回路，因此不存在通道切换问题，但在我公司220KV月湖变有独立的旁路保护，对于光纤闭锁式、允许式纵联保护暂时可以采用切换二次回路的方式，但对于光纤差动电流保护则无法代路，目前都是采取旁路保护单独增设一套光纤差动保护的方法解决。

已有部分厂家在谋求解决光纤保护切换问题的办法，如使用光开关来实现光纤通道切换。

但是目前我们仍然只能依靠人工插拔光纤尾纤的方式进行旁路带的光纤通道切换。

这就需要细心谨慎的操作以免因为插拔不当造成光纤通道异常。