继电保护原理介绍 和对通信的要求分析

目录 电力系统继电保护介绍 专有业务介绍（远方保护） 继电保护原理 继电保护装置的要求 继电保护的分类和对通信的要求 距离保护原理 差动保护原理 专有业务介绍（远方保护） 远方保护通道属性介绍 远方保护动作时间要求

电力系统的继电保护 电力系统是由众多发电厂,输电线路,变电站, 组成的复杂网络,如图是中国南方电网的500KV的拓扑图. 这张电网的安全可靠运行至关重要. 然而,电力设施分布广,设备难免不出故障,自然灾害也会对输电线路等造成损害,为了避免全网停电,必须对故障进行快速隔离.继电保护(relay protection)装置就是不间断检测电力系统的不正常运行状态,并尽快采取正确的动作隔离故障,使系统恢复到正常状态. 速动性是继电保护系统的基本特性,要求它的反映时间在几十ms之内.

继电保护的原理 继电保护的基本任务是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除. 　　继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障，是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。 　　电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是： 　　(1) 电流增大。 短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。 　　(2) 电压降低。当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压越低。 　　(3) 电流与电压之间的相位角改变。正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角，一般约为20°，三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为60°～85°，而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的相位角则是180°+(60°～85°)。 　　(4) 测量阻抗发生变化。测量阻抗即测量点(保护安装处)电压与电流之比值。正常运行时，测量阻抗为负荷阻抗；金属性短路时，测量阻抗转变为线路阻抗，故障后测量阻抗显著减小，而阻抗角增大。

继电保护装置的要求 继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。 1）选择性 　　1）选择性 　　选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。 　　2）速动性 　　速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。 　　故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间，一般快速保护的动作时间为40ms～80ms，最快的可达10ms～40ms，一般断路器的跳闸时间为60ms～100ms，最快的可达20ms～60ms。 对220kV及以上电压等级的线路，其近故障点侧与远故障点侧的故障切除时间，即从故障发生开始到断路器断开故障为止，应分别不大于100ms与100~150ms 　　3）灵敏性 　　灵敏性指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。 　　4）可靠性 　　可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。 　　安全性：要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。 　　信赖性：要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不拒动。 　　继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害。

继电保护的分类和对通信的要求 继电保护可按以下方式分类: 输电线保护 　继电保护可按以下方式分类: 输电线保护 过电流保护, 超过额定电流动作,本地采集电流值,没有通信要求,额定值和延时由调度设定. 距离保护, 本地采集电压和电流值,通过计算线路阻抗确定保护范围, 远跳功能有远程通信需求,需要将开关量送到对端变电站的保护装置, 通信信息量少, 传输时延短. ABB的NSD570就是用来传输这些信号,最短传输时延可达到4ms. 南瑞继保的FOX41也是这类设备. 差动保护, 通过比较本端采集的电流值和远端送来的电流值, 当电流差值超过设定值的时候动作. 这就要求通过远程通信将电流值持续不断地送到对端变电站的保护装置. 现在一般通过光纤来传递这些信号. 主设备保护(如发电机、变压器、母线等保护)。 这类保护属于站内保护,只需要站内通信, 没有远程通信需求.

距离保护原理 输电线路的长度是一定的，单位长度的阻抗也是确定的。当发生故障时, 通过测量故障点到距离保护装置安装点的阻抗,就可以知道故障点发生的距离, 如果距离小于输电线路的长度,则可判断这条线路发生了故障,装置动作,将线路两端的断路器跳开,将故障线路隔离. 图里面的保护装置假设为海外老式的模拟继电保护装置,没有通信能力. 新的数字式保护装置具备通信能力,基本不用硬接点,国内基本没有硬接点,直接在保护装置之间通信传递信号. 通过测量电压和电流获得阻抗 开出,让断路器跳闸 All in one的典型设备就是ABB FOX515,通过TEBIT板提供硬接点.命令传输时延小于4ms. 保护接口设备有ABB 的NSD570和南瑞继保的FOX41A, 可以提供硬接点. 让远端跳闸 距离保护装置 距离保护装置 硬接点 硬接点 硬接点 硬接点 保护接口设备 All in one 通信设备 All in one 通信设备 保护接口设备 光纤 E1 E1 华为的通信设备不支持硬接点,可通过两种方式补齐: 光传输上开发单板,提供硬接点 通过合作,如和南瑞FOX41A组合 SDH SDH 光纤 两种通信方式选一种,带宽低(小于64Kbps),时延低(小于5ms).

差动保护原理 输电线路正常运行时,输电线路两端的电流值相同, 而当这条输电线路发生故障时,两端的电流就会不一致.当差动电流大于差动保护装置的整定值时，保护动作，将被保护设备的各侧断路器跳开，使故障设备断开电源。 G x x x 差动保护装置 差动保护装置 C37.94 2M光口 C37.94 2M光口 MUX-2M All in one 通信设备 All in one 通信设备 MUX-2M 光纤 E1 E1 SDH SDH 光纤 两种通信方式选一种, 时延低(小于5ms). All in one的典型设备就是ABB FOX515, 可直接出C37.94 2M光口. 华为的OSN光传输设备可通过新开发的SSN1PFL1单板出2M光口,直接连接差动保护装置,可透传C37.94报文,已经完成和ABB设备互通测试. 但不能识别该报文. MUX-2M设备在国内都是由继电保护厂家生产,一般只是光电转换.

C37.94协议介绍 C37.94 协议正式名称: IEEE Standard for N Times 64 Kilobit Per Second Optical Fiber Interfaces Between Teleprotection and Multiplexer Equipment 在2M带宽的情况下, 每帧256比特,包含Header, Overhead,Channel Data. Header : a b c d e f g h 0 0 0 0 1 1 1 1 Pattern 1: a b c d e f g h = 1 0 0 1 1 0 1 1 Pattern 2: a b c d e f g h = 1 1 y 1 1 1 1 1 y = Yellow Alarm bit = 0 for normal; = 1 if receiving bad signal (LOS declared) (华为设备透传时,无法设置LOS 比特) Overhead: p,q,r,s One or zero data that depend upon the value of N used, where N = 1 to 12. e.g., 0,0,0,1 for N = 1 0,0,1,0 for N = 2 1,1,0,0, for N = 12 DATA: This 192-bit section comprises 96 data bits, with each data bit followed by its complement. The first N times 8 data bits carry the N times 64 kilobit per second (kbit/s) data. The remaining 96 – (N times 8) data bits are set to 1. 数据部分的内容没有规定,由继电保护设备厂家自行定义,线路两端的继电保护装置都是同一个厂家的设备.

C37.94 LOS比特设置示意 C37.94 的LOS比特设置主要用于定位通信中断的位置,不设置并不影响和继电保护装置的互通,继电保护装置可根据收到的全1来判断通信通道中断了. 和ABB的RED670继电保护装置进行了互通测试,可以顺利互通. 复接装置到继电保护装置的光纤中断时,继电保护装置发送C37.94报文时将LOS为1 继电保护装置到复接装置的光纤中断时,复接装置发送给继保装置的C37.94报文时将LOS为1 传输网络通信中断时,不设置C37.94报文的LOS

光纤差动保护报文格式 一般报文格式 报文 Ia/Ib/Ic：输电线路三相电流值 Kgl1/2 ： 输电线路相关开关量信号，如开关位置信号 同步字节 同步信息 Ia Ib Ic Kgl1 Kgl2 CRC Ia/Ib/Ic：输电线路三相电流值 Kgl1/2 ： 输电线路相关开关量信号，如开关位置信号 CRC: 校验码 1、三相电流数值是光纤差动保护能准确动作的根本依据，是继电保护通道中是最主要的信息； 2、校验码是误码率的判断依据，当校验出错，“误码总数”+1 3、同步字节出错时，“报文异常数”+1

远方保护动作时间分析 保护装置 远方保护（发送端） 通信链路 远方保护（接收端） 断路器 故障发生 故障切除 保护系统故障切除时间Tc 2~70ms 保护装置 远方保护（发送端） 通信链路 远方保护（接收端） 断路器 故障识别 命令启动时间 传输时延 选择及判 断时间 噪声附加 时间 继电器出 口时间 动作时间 包括消 弧时间 0~5ms 10~30ms 1~5ms 1~40ms 0~20ms 0~10ms 16~80ms 1、点对点数字式通道传输时间应不大于5ms 2、光纤差动保护主保护动作时间（不保护通道传输时间）应不大于30ms 标称传输时间2~45ms

测量通信传输时延 tmr tms 主机 tss tsr 从机 通道延时-Td 1、从机发送同步请求命令（包含采样时标信息），主机收到请求后返回一帧（包含采样时标及相应同步时钟信息） 2、2010年南网组织的测试中，南瑞继保通道时延为0.207ms；深圳南瑞0.690ms；国电南自1.066ms；许继电气3.504ms；北京四方参与测试的保护装置不支持时延显示 对不同保护方式的最大传输时间分别有以下建议值(远方保护-窄带命令系统)： 闭锁式：15ms（模拟）/10ms（数字） 允许式： 20ms（模拟）/10ms（数字） 直接跳闸式： 40ms（模拟）/10ms（数字） 《微波电路传输继电保护信息设计技术规定》中规定微波通道（光纤通道参照执行）传输主保护信息是传输延时应不大于5ms

远方保护（采样同步调整） 主机 从机 采样同步调整机制（从机） 1、只有在装置上电或失步后，才需要测通道延时，测定延时后，装置不再需要传输时间信息； 2、在同步过程中测量信号传输时延Td，并计算两侧采样时间差△Ts，然后从机将采样时刻作多次小步幅调制，直至两侧采样同步； 3、两侧继电保护采用时刻不可能绝对同步，最大的采样时刻误差应不大于一个采用周期，以RCS931为例：采样频率为1200Hz，采用周期约为0.83ms 4、当△Ts大于阀值，差动保护由正常运行状态退出，并再次进行同步（该状态称为失步，在通道状态监视中“失步次数”+1） 海外电力系统频率的差异及不同保护设备采样周期的长短，均对采样时差阀值有影响（国内电力系统频率为50Hz）

远方保护（采样同步） 差流计算示意 光纤差动保护的动作依据：采样同步 电流差值（即差流） I/A t/s B侧电流波形 0.02 1、当两侧继电保护存在采样时差△Ts时，将产生相应的差流数值△I，如该数值超过差流阀值，保护可能误动 2、采样时间的差异最终体现为工频角度差及由此产生的电流差值 以南瑞继保RCS931为例：每周波采集24点，最大采样时差△Ts约为0.83ms

远方保护（通道状态） 通道状态 光纤差动保护通道状态一般包含时延、同步状态、误码率及周期性滑码等 目前的保护装置一般通过统计“误码率”，判断其是否超出阀值来决定是否告警 是否可以考虑由网管来对通道进行监控（ABB-FOX515指出其具备该监控功能）

110KV单套保护光纤通道连接方式 保护复用SDH时光缆连接方式 若保护用光缆芯数较多，在保护室也需配置光纤配线架 OPGW 出线架构（终端接续盒） 通信配线架 SDH1 数字接口装置1 光缆 光纤转接盒 差动保护1 引入光缆 2048bit/s 电信号 保护室 通信机房 1、若保护用光缆芯数较多，在保护室也需配置光纤配线架； 2、通信机房与保护室之间需配置联络光缆，以实现空余缆芯双向互为备用 若保护用光缆芯数较多，在保护室也需配置光纤配线架 通信机房与保护室之间需配置联络光缆，以实现空余缆芯双向互为备用

220KV两套保护光纤通道连接方式 通信配线架 变电站A 变电站B 出线架构2 出线架构1 SDH1 1 2 SDH2 数字接口装置1 数字接口装置2 线路1差动保护1 线路1差动保护2 OPGW 1、目前南网220kV及以下电压等级每套线路保护配置一个通道，即上图所以配置；220kV以上电压等级每套保护配置双通道，通过保护装置压板投切或由通信设备切换（南瑞继保光纤差动保护双通道同时运行，独立判断） 2、双通道配置是光纤连接方式参考主备保护通道 3、国内光纤差动保护一般采用专用通道与复接通道互为备用模式（输电线路跨度小于50km时可采用专用通道） 4、以上通道速率为2Mbit/s，如采用64kbit/s则对应将SDH替换为PCM+SDH 变电站A 变电站B

500KV两套保护双通信光纤通道连接方式 通信配线架 变电站A 变电站B 出线架构2 出线架构1 SDH1 1 2 SDH2 数字接口装置1-1 数字接口装置2-1 数字接口装置1-2 数字接口装置2-2 线路差动保护1 线路差动保护2 OPGW 1、目前南网220kV及以下电压等级每套线路保护配置一个通道，即上图所以配置；220kV以上电压等级每套保护配置双通道，通过保护装置压板投切或由通信设备切换（南瑞继保光纤差动保护双通道同时运行，独立判断） 2、双通道配置是光纤连接方式参考主备保护通道 3、国内光纤差动保护一般采用专用通道与复接通道互为备用模式（输电线路跨度小于50km时可采用专用通道） 4、以上通道速率为2Mbit/s，如采用64kbit/s则对应将SDH替换为PCM+SDH 变电站A 变电站B

光纤保护通道切换 220kV及以下输电线路每套保护配置1个通道，采用主备保护 500kV及以上输电线路每套保护配置2个通道，采用主备保护 采用专用通道与复用通道结合互为备用 500kV及以上保护通道切换由继电保护硬压板投退或通过通信设备切换实现 双通道同时在网运行的保护装置，各通道具有独立的判断逻辑 保护通道切换时间与通信设备倒换时间是不同概念

通道对差动保护业务影响—通道异常 差动保护装置判断通道异常的条件 单向通信中断 双向通信中断 Page 20 连续3帧（0.833ms×3≈2.5ms）接收不到数据 连续24帧（0.833ms×24≈20ms）有2帧无效数据（CRC校验错误） 单向通信中断 一端差动保护装置A判定通道异常，通道闭锁，不使用该通道数据 差动保护装置A通告对端差动保护装置B进行通道闭锁 如果差动保护装置的备用通道正常，差动保护装置切换到备用通道工作 双向通信中断 两端差动保护装置A、B各自判定通道异常，通道闭锁 Page 20