CN105406452A - 一种四端线路光纤差动保护装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四端线路光纤差动保护装置及方法，所述差动保护装置包括差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块、交流插件、通信管理模块、光接口模块、信号模块、跳合闸插件、显示模块和电源插件，交流插件采集交流电压电流信号传送至3个CUP模块，3个CUP模块接收和发送信息到通讯管理模块，光接口模块单独连接到差动CPU，接受对侧发送的信息同时发送本侧的信息。差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块根据逻辑判断控制信号模块和跳合闸模块，给外部发送所需要的信息以及控制外部断路器的分合。将上述四端线路光纤差动保护装置安装在四端线路的各个端口上，根据差动保护计算结果执行相应的保护动作。
Description
技术领域
本发明涉及一种四端线路光纤差动保护装置及方法，属于继动保护自动化领域。
背景技术
电流差动保护原理基于基尔霍夫定律，对于四端线路***，可将两个T型节点或者一个“十”型节点等效视为放大了的节点，仍然满足基尔霍夫定律。当被保护区外故障时，所有被保护线路流过的电流之和即差动电流为0，当区内故障时，差动电流就是故障电流。考虑线路的对地电容后，区外故障或正常运行时线路上流出的电流与流入的电流将在幅值和相角上产生偏差，此时的差动电流为不平衡电流，区别故障的差动电流和不平衡电流的大小就可区分区内、区外故障。
如不考虑输电线路的分布电容、分布电导、区内并联电抗器以及电流互感器传变误差和饱和的等因素的影响，差动保护只要躲过不大的平衡电流，就可以保证差动保护在任何故障下都能正确动作。对于短架空线路，分布电容电流小，在外部故障的时候，不会产生很大的不平衡电流。对于电缆线路，分布电容相对架空线路大，在线路较长或者电压等级较高的情况下，线路分布电容电流较大，而且故障电流中的非周期分量可导致电流互感器饱和等因素，在线路有穿越性电流的情况下可能引起很大的不平衡电流，必须采取制动措施，防止保护误动作。这些情况对于多端线路电流差动都是一样的。然而四端或者更多端线路，还可能有以下因素造成保护的误动或者拒动：
1、多T型线路区外故障时，其中一端线路流过的电流可能是其他几端线路的电流之和，容易引起电流互感器饱和，如图1所示，外部故障时可能引起D端电流互感器饱和；
2、多T型线路内部故障时，可能有电流流出其中一个端子，使得差动电流减小，容易引起保护的拒动，如图2所示，内部故障时可能有电流流出情况；
3、线路上的串联补偿电容和并联电抗以及线路上是否有变压器等因素也同样影响保护的动作性能。
为了防止保护外部故障时误动，通常做法就是采用制动策略，即在动作特性中加入了制动量。但是在外部故障下电流互感器严重饱和的情况下，若保护只靠制动的办法还是会误动，同时，加过大的制动量会影响内部故障时保护的灵敏性。
有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种四端线路光纤差动保护装置及方法，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种四端线路光纤差动保护装置及方法。
为了实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种四端线路光纤差动保护装置，包括差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块、交流插件、通信管理模块、光接口模块、信号模块、跳合闸插件、显示模块和电源插件，其中，所述交流插件与差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块的信号输入端相连，将采集到的电流电压信号分别发送给差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块；所述信号模块、跳合闸插件分别与差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块的信号输出端相连，所述通信管理模块分别与差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块相连，所述光接口模块与差动CPU模块相连，显示模块与通信管理模块相连。
作为优选，所述差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块均采用32位或64位处理器控制。
作为优选，所述显示模块采用液晶显示模块，具体可以采用触摸屏。
作为优选，所述电源插件为各个模块提供直流5V和直流24V工作电源。
上述结构的四端线路光纤差动保护装置工作原理：电源模块为各个模块提供所有的工作电源。交流插件采集交流电压电流信号传送至差动CPU、零序CPU、距离CPU，三个CPU通过CAN总线接受和发送信息到通讯管理模块，同时通讯管理模块通过内部数据总线方式显示信息到液晶显示模块，同时也接受液晶显示模块的操作信息。光口模块单独连接到差动CPU，接受对侧发送的信息同时发送本侧的信息。差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块根据逻辑判断控制信号模块和跳合闸模块，给外部发送所需要的信息以及控制外部断路器的分合。
上述结构的四端线路光纤差动保护装置使用时，分别安装在四端线路的各个端口上，当线路区域内或区域外出现故障时，及时作出准确动作或不动作的判别，实现相间和接地距离保护、带方向零序保护、三相一次重合闸带检同期功能、手合检同期和失灵保护等功能。
一种四端线路光纤差动保护方法，包括如下步骤：
1）将上述结构的四端线路光纤差动保护装置安装在四端线路的各个端口上，其中，第一端口的保护装置分别与第二端口和第四端口的保护装置通讯连接，第二端口的保护装置与第三端口的保护装置通讯连接；
2）通信正常时，电流信息同时在两个方向上传输，一条传输链路是由第四端口（链头D端）开始，且以第四端口的电流为基准，第四端口的电流传送到第一端口后，第一端口将本端口的电流和第四端口的电流同步后，发往第二端口；第二端口将本端口的电流和第四端口的电流同步后，然后将第四端口、第一端口和第二端口的数据一同打包发往第三端口（链尾C端），第三端口收到后，将本端口的电流与第四端口、第一端口和第二端口的电流同步，得到了四个端口的同步电流数据；另外一条传输链路过程基本与上一条传输链路相同，传输方向由第三端口开始，经第一端口和第二端口中转，最后在第四端口得到四个端口的同步电流数据；
3）由于线路各端保护装置是独立进行采样的，不能保证采样的同步性，必须采取数据修正同步，数据传输时2个端口的延时采用以下公式：，其中，T1为发送端的数据发送时刻，T2为接收端的数据接收时刻，T3为接收端数据再次发送时刻，T4为发送端数据接收时刻，数据发送端和接收端各自以相同的频率进行独自采样，他们之间的相角差为θ，T4减去传输延时Td，计算得到接收端的T3时刻在发送端对应的时刻t(i)，以及接收端的电流数据对应的采样序号M(i)，将与序号对应的发送端的电流矢量旋转θ，得到与接收端T3时刻的同步电流矢量，对于接收端的处理过程和发送端类似，数据经过修正后，进行差动保护计算；
4）四端线路光纤差动保护装置根据差动保护计算结果执行相应的保护动作。
作为优选，所述第三端口的保护装置与第四端口的保护装置通讯连接，形成备用通道，当工作中的其他某条通讯通道发生故障时，可以实现通道自动切换，投入备用通道，使差动保护恢复工作。
本发明所述的四端线路光纤差动保护装置及方法，具有以下优点：
1、在原先三端线路光纤差动的基础上只需要增加单台线路光纤差动保护以及专用光纤通道和设备就能实现；
2、四端线路光纤差动保护不仅仅适用于四端的线路光纤差动保护，也适用于三端或者两端线路的光纤差动保护；
3、采用创新的数据同步方式，保证四端线路四侧差动保护装置的可靠性。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为现有技术中的故障示意图（外部故障）；
图2为现有技术中的故障示意图（内部故障）；
图3为本实施例的四端线路光纤差动保护装置模块框图；
图4为本实施例的四端线路光纤差动保护装置安装示意图；
图5为本实施例的采样数据同步修正示意图；
图6为本实施例的差动动作特性图。
具体实施方式
如图3所示，一种四端线路光纤差动保护装置，包括差动CPU模块1、零序CPU模块2、距离CPU模块3、交流插件4、通信管理模块5、光接口模块6、信号模块7、跳合闸插件8、显示模块9和电源插件，其中，所述交流插件4与差动CPU模块1、零序CPU模块、距离CPU模块3的信号输入端相连，将采集到的电流电压信号分别发送给差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块；其中，差动CPU模块1：根据交流插件采集的电流电压信号，运用差动保护原理计算并判断线路故障是否属于区域内故障；零序CPU模块2：根据交流插件采集的电流电压信号，运用零序保护原理计算并判断线路故障是否属于区域内故障；距离CPU模块3：根据交流插件采集的电流电压信号，运用距离保护原理计算并判断线路故障是否属于区域内故障。
所述信号模块7、跳合闸插件8分别与差动CPU模块1、零序CPU模块2、距离CPU模块3的信号输出端相连，其中，信号模块7：用于向外部发送装置各类运行信号、告警信号和动作信号；跳合闸插件8：根据差动CPU模块1、零序CPU模块2、距离CPU模块3的计算结果，执行装置动作出口命令。
所述通信管理模块5分别与差动CPU模块1、零序CPU模块2、距离CPU模块3相连，通信管理模块5用于装置内部通信管理，以及装置与变电站自动化***的通信管理。所述光接口模块6单独连接到差动CPU模块1，接收对侧发送的信息同时发送本侧的信息，显示模块9与通信管理模块相连。电源插件为各个模块提供直流5V和直流24V工作电源。
在本实施例中，所述显示模块9采用液晶显示模块，具体采用触摸屏。差动CPU模块1、零序CPU模块2、距离CPU模块3均采用微处理器控制，具体可以采用32位或者64的处理器。
上述结构的四端线路光纤差动保护装置工作原理：电源模块为各个模块提供所有的工作电源。交流插件4采集交流电压电流信号传送至差动CPU模块1、零序CPU模块、距离CPU模块3，三个CPU模块通过CAN总线接受和发送信息到通讯管理模块5，同时通讯管理模块5通过内部数据总线方式显示信息到液晶显示模块9，同时也接受液晶显示模块9的操作信息。光接口模块6单独连接到差动CPU模块1，接受对侧发送的信息同时发送本侧的信息。差动CPU模块1、零序CPU模块、距离CPU模块3块根据逻辑判断控制信号模块7和跳合闸模块8，给外部发送所需要的信息以及控制外部断路器的分合。
上述结构的四端线路光纤差动保护装置使用时，分别安装在四端线路的各个端口上，当线路区域内或区域外出现故障时，及时作出准确动作或不动作的判别，实现相间和接地距离保护、带方向零序保护、三相一次重合闸带检同期功能、手合检同期和失灵保护等功能。
一种四端线路光纤差动保护方法，包括如下步骤：
1）将四端线路光纤差动保护装置安装在四端线路的各个端口上，其中，第一端口A的保护装置分别与第二端口B和第四端口D的保护装置通讯连接，第二端口B的保护装置与第三端口C的保护装置通讯连接；所述第三端口C的保护装置与第四端口D的保护装置也可以进行通讯连接，形成备用通道，当工作中的其他某条通讯通道发生故障时，可以实现通道自动切换（由控制字设置），投入备用通道，使差动保护恢复工作；
2）通信正常时，电流信息同时在两个方向上传输，一条传输链路是由第四端口（链头D端）开始，且以第四端口D的电流为基准，第四端口D的电流传送到第一端口A后，第一端口A将本端口的电流和第四端口D的电流同步后，发往第二端口B；第二端口B将本端口的电流和第四端口D的电流同步后，然后将第四端口D、第一端口A和第二端口B的数据一同打包发往第三端口（链尾C端），第三端口C收到后，将本端口的电流与第四端口D、第一端口A和第二端口B的电流同步，得到了四个端口的同步电流数据；另外一条传输链路过程基本与上一条传输链路相同，传输方向由第三端口C开始，经第一端口A和第二端口B中转，最后在第四端口D得到四个端口的同步电流数据；由上述通信过程可以看出，在链头/链尾C端、D端可以分别得到一个基准同步的所有端的数据，而在第一端口A和第二端口B可以得到2个基准同步的所有站的数据，实现所有站的信息共享；
3）因为四端线路光纤差动保护比较的是线路各端的电流值，为了保证保护计算的正确性，进行差动计算所需的线路各端的电流必须是同一时刻的电流值，由于线路各端保护装置是独立进行采样的，不能保证采样的同步性，必须采取数据修正同步，数据传输时2个端口（N端和M端）的延时采用以下公式：，其中，T1为发送端M的数据发送时刻，T2为接收端N的数据接收时刻，T3为接收端N数据再次发送时刻，T4为发送端M数据接收时刻，数据发送端M和接收端N各自以相同的频率进行独自采样，他们之间的相角差为θ，T4减去传输延时Td，计算得到接收端N的T3时刻在发送端M对应的时刻t(i)，以及接收端N的电流数据对应的采样序号M(i)，将与序号对应的发送端M的电流矢量旋转θ，得到与接收端NT3时刻的同步电流矢量，对于接收端N的处理过程和发送端M类似，数据经过修正后，就可以进行差动保护计算；
4）四端线路光纤差动保护装置根据差动保护计算结构执行相应的保护动作。
差动保护的基本差动判据如下：
式中为差动电流，为制动电流，，为制动系数。
以四侧差动为例，如图6所示保护的动作特性为两折线。其中斜率适用于小电流区域，CT特性工作在线性区，定值为差动保护的最小启动值，定值的选取可保证CT运行在线性区，当制动电流大于时，认为CT逐渐进入非线性区。斜率适用于大电流域，CT特性接近或进入饱和，通过选择适合的斜率加大制动量以防止保护误动作。
本实施例所述的四端线路光纤差动保护装置及方法，1、在原先三端线路光纤差动的基础上只需要增加单台线路光纤差动保护以及专用光纤通道和设备就能实现；2、四端线路光纤差动保护不仅仅适用于四端的线路光纤差动保护，也适用于三端或者两端线路的光纤差动保护；3、采用创新的数据同步方式，保证四端线路四侧差动保护装置的可靠性。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (6)
1.一种四端线路光纤差动保护装置，其特征在于：包括差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块、交流插件、通信管理模块、光接口模块、信号模块、跳合闸插件、显示模块和电源插件，其中，所述交流插件与差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块的信号输入端相连，将采集到的电流电压信号分别发送给差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块；所述信号模块、跳合闸插件分别与差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块的信号输出端相连，所述通信管理模块分别与差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块相连，所述光接口模块与差动CPU模块相连，显示模块与通信管理模块相连。
2.如权利要求1所述的一种四端线路光纤差动保护装置，其特征在于：所述差动CPU模块、零序CPU模块、距离CPU模块均采用32位或64位处理器控制。
3.如权利要求1所述的一种四端线路光纤差动保护装置，其特征在于：所述显示模块采用触摸屏。
4.如权利要求1所述的一种四端线路光纤差动保护装置，其特征在于：所述电源插件为各个模块提供直流5V和直流24V工作电源。
5.如权利要求1所述的一种四端线路光纤差动保护装置的差动保护方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）将上述结构的四端线路光纤差动保护装置安装在四端线路的各个端口上，其中，第一端口的保护装置分别与第二端口和第四端口的保护装置通讯连接，第二端口的保护装置与第三端口的保护装置通讯连接；
2）通信正常时，电流信息同时在两个方向上传输，一条传输链路是由第四端口开始，且以第四端口的电流为基准，第四端口的电流传送到第一端口后，第一端口将本端口的电流和第四端口的电流同步后，发往第二端口；第二端口将本端口的电流和第四端口的电流同步后，然后将第四端口、第一端口和第二端口的数据一同打包发往第三端口，第三端口收到后，将本端口的电流与第四端口、第一端口和第二端口的电流同步，得到了四个端口的同步电流数据；另外一条传输链路过程基本与上一条传输链路相同，传输方向由第三端口开始，经第一端口和第二端口中转，最后在第四端口得到四个端口的同步电流数据；
3）由于线路各端保护装置是独立进行采样的，不能保证采样的同步性，必须采取数据修正同步，数据传输时2个端口的延时采用以下公式：，其中，T1为发送端的数据发送时刻，T2为接收端的数据接收时刻，T3为接收端数据再次发送时刻，T4为发送端数据接收时刻，数据发送端和接收端各自以相同的频率进行独自采样，他们之间的相角差为θ，T4减去传输延时Td，计算得到接收端的T3时刻在发送端对应的时刻t(i)，以及接收端的电流数据对应的采样序号M(i)，将与序号对应的发送端的电流矢量旋转θ，得到与接收端T3时刻的同步电流矢量，对于接收端的处理过程和发送端类似，数据经过修正后，进行差动保护计算；
4）四端线路光纤差动保护装置根据差动保护计算结果执行相应的保护动作。
6.如权利要求5所述的一种四端线路光纤差动保护装置的差动保护方法，其特征在于：所述第三端口的保护装置与第四端口的保护装置通讯连接，形成备用通道，当工作中的其他某条通讯通道发生故障时，实现通道自动切换，投入备用通道，使差动保护恢复工作。
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