【精彩论文推荐】国电南瑞 吴通华，洪丰，郑玉平等：半波长交流输电线路保护装置研制

半波长线路输电距离远，故障特征与常规输电线路差异显著，常规线路保护不能适用。针对半波长线路对保护带来的挑战，基于自由波能量保护、同步差动阻抗保护和假同步差动阻抗保护等半波长保护原理，设计了实用的半波长线路保护方案，确保近端故障单端量保护快速动作，远端故障双端量保护全线速动。针对半波长线路保护算法复杂、计算量大、采样率要求高、纵联通道延时长等难题，设计了基于CPU+双DSP的系统构架，提出了保护逻辑分处理器及分调度周期处理、假同步差动阻抗保护采样数据回退处理等关键技术，形成完整的半波长线路保护装置软硬件实现方案。经RTDS试验和动模试验验证，所研制保护装置各项动作行为、性能指标均满足半波长输电线路安全运行要求。

在保护功能上，保护元件由高灵敏度的启动和测距元件、双端量保护、单端量保护构成。双端量保护包括同步差动阻抗保护和假同步差动阻抗保护，单端量保护为自由波能量保护。整个半波长线路完整保护逻辑构成如图1所示。

图1  半波长线路保护逻辑构成

自由波能量保护作为单端量保护，近端故障快速动作；同步差动阻抗保护为高灵敏度的全线保护，但需要两侧完全同步的数据，动作速度较慢；假同步差动阻抗保护采用本侧数据和对侧一周波前数据，减少了20ms数据等待时间，比同步差动阻抗保护动作更快，作为自由波能量保护和同步差动阻抗保护之间的衔接，构成完整的保护体系。

考虑到半波长线路保护运算量大，单DSP难以同时完成所有功能计算。本文采用CPU+双DSP构架，整个硬件框架如图2所示。

图2  半波长线路保护硬件框架示意图

2.2.1  功能分处理器、分调度周期处理机制

本文提出根据不同保护元件对采样频率和任务调度周期的不同需求，将保护功能分别放在两个DSP中处理的机制。电流突变量启动、零序过流启动、假同步差动阻抗保护、同步差动阻抗保护在DSP1中执行，其任务调度周期(INT0)为833us(1.2kHz)；电流突变量启动、零序过流启动、行波启动、测距元件和自由波能量保护元件在DSP2中执行，其任务调度周期(INT1)为416us(2.4kHz)，DSP1和DSP2通过双口RAM进行数据交互。

2.2.2  采样截止频率选取原则

为满足不同保护功能对谐波的不同需求，所研制半波长保护装置，对于同一电气量输入，分别设计两路不同低通截止频率的采样回路，第一路RC回路截止频率为483Hz，用于所有工频量保护元件；第二路RC回路截止频率为1000Hz，用于自由波能量保护，该回路滤除20次以上谐波。图3是不同截止频率下自由波能量保护的动作速度示意图，显然提高采样截止频率能够明显加快正向故障时自由波能量的积累过程，提高自由波能量保护动作速度和灵敏性。

图3  不同采样截止频率下的自由波能量保护动作速度

2.2.3  假同步差动阻抗数据回退机制

1）当通道延时T_x>工频周期T(20ms)时，假设本侧当前采样时刻为t，则此时接收到的对侧采样点实际为t-T_x时刻的数据。按照假同步差动阻抗保护的要求，取本侧t时刻与对侧t-T时刻的采样值进行差流的计算，但在本侧获取到当前时刻t的采样时，对侧t-T时刻的采样数据还需T_x-T时间后才能到达本侧，如果让本侧等待对侧数据，会造成保护动作延时，而采用本侧t-T_x+T时刻与对侧t-T_x时刻的数据，即本侧当前采样数据回退T_x-T时刻的采样点与收到对侧的采样点进行计算，如图4所示，既满足假同步差动阻抗保护对采样数据的要求，又能保证两侧使用最新的电气量来计算，提高保护动作速度。

图4  T_x>T时采样数据回退机制

2）当通道延时T_x<工频周期T时，假设本侧当前采样时刻为t，则本侧接收到对侧的采样点实际为t-T_x时刻的数据。对侧t-T时刻与本侧t时刻的采样数据满足假同步差动阻抗保护对采样数据的要求，如图5所示，因此，采用本侧当前采样点与接收到对侧数据回退T-T_x时刻的采样点与进行假同步差动阻抗计算。

图5  T_x<T时采样数据回退机制

2.2.4  超长通道延时适应技术

半波长交流输电线路输电距离达3000km，同时考虑到通道路由迂回等情况，通道延时可能大于20ms，因此常规超高压线路保护的通道延时测量及差动数据回退机制无法满足半波长线路保护对于保护通道延时的特殊需求。

本文所研制的保护装置通过扩展通道采样数据缓冲区(最大支持连续6周波数据存储)，扩大通道采样点编号(序号：0~511)等方法使保护能够适应最大60ms的通道延时，满足了半波长线路对于保护通道延时的特殊需求。

按本文方案研制的半波长线路保护样机先后通过RTDS仿真模型和动态物理模型实验测试。在通道延时20ms情况下，对于区内各点金属性故障，线路两侧保护均能保证在30ms之内可靠动作；对于区内经过渡电阻故障，同步零序差动阻抗保护能够在65ms内动作。如果通道延时能够进一步缩短，保护动作速度还能加快。对于区外故障，保护可靠不误动。保护各项动作行为及性能指标均满足超（特）高压输电线路保护要求。

本文针对现有超高压线路保护装置不适用于半波长交流输电线路的难题，提出了半波长线路保护完整解决方案。并结合半波长线路保护的特殊需求，提出了半波长线路保护装置软硬件具体实现方案，所得结论如下：

1）自由波能量保护、同步差动阻抗保护和假同步差动阻抗保护相结合的半波长线路保护方案能够满足半波长输电线路特殊要求。

2）所提基于CPU+双DSP系统架构，保护逻辑分处理器、分调度周期处理机制，根据保护元件不同需求采用不同采样截止频率等半波长保护实现方法，满足半波长线路保护算法的要求。

3）通过采样点回退机制实现了假同步差动阻抗保护的数据采集，确保保护在不同通道延时的情况下，均能以最新双端电气量实现假同步差动阻抗保护，提高保护动作速度。通过扩展通道采样数据缓冲区和扩大采样编号，解决半波长线路保护通道延时过长带来的问题。

4）经实验验证，本文所研制的半波长线路保护动作行为及各项性能指标均满足超(特)高压输电线路保护要求。

半波长线路作为一种先进的超远距离输电方式，目前为止全世界尚未有过实际工程应用，本文所提半波长输电线路保护方案及保护装置，可为半波长输电线路的可行性研究、真型实验和推广应用提供有益的参考价值，其正确性、实用性和可靠性，仍有待半波长输电实际工程进一步验证。同时，半波长输电线路保护的许多问题，如保护整体配置方案、整定原则及运行管理策略，双回半波长输电线路继电保护等，仍有待下一步完善和研究。