继电保护重载通信设备和光缆治理研究

邓 舒

(福建永福电力设计股份有限公司,福建 福州 350003)

0 引言

近年来,电网朝着高压及超高压方向发展,随着智能电网的发展,对电网控制与管理的要求也越来越高。作为智能电网的一项关键技术,继电保护对于电网的安全运行有着重要的意义。 光纤电流差动保护的简单性和可靠性,使其成为高压和超高压线路保护的主要方式,逐渐取代传统的高频距离保护方式。

随着光纤电流差动保护大力推广,通信设备和光缆承载保护业务数量急剧增加,承载继电保护数量8套及以上,属于重载设备或光缆。 根据国家电网有限公司关于印发《国家电网有限公司安全事故调查规程》的通知:220 kV 以上系统中,一条通信光缆或同一厂站通信设备(设施)故障,导致8 条以上线路出现一套主保护的通信通道全部不可用。 这种事件为六级设备事件,严重影响电网安全生产和运行[1]。 因此,文章提出有效重载的治理方法,降低重载通信光缆和设备的风险,降低电网运行的风险。

1 继电保护配置

1.1 继电保护类型

220 kV 以上线路保护设备主要采用高频距离保护和光纤差动保护。 高频距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离,根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。 光纤差动保护是利用光纤通道对比两侧断路器流入电流等于流出电流,产生差流达到保护定值即动作[2]。 高频距离保护原理简单,动作可靠,但不能实现全线快速保护,而光纤差动保护可实现全线快速保护,且保护动作高效和可靠。

1.2 继电保护通信通道

220 kV 以上线路保护应采用双重化配置,每套线路保护装置应具备双通道接入能力,原则上应采用光纤通道。 光纤通道在继电保护业务系统中主要采用专用芯保护通道和2 M 复用保护通道[3]。 专用芯保护通道是利用专业光缆纤芯直连在带光口的继电保护设备,避免复用保护装置经过光电转换而引发设备故障风险。 2 M 复用保护通道是通过传输设备的2 M 接口提供保护切换,由于中间多增加光电转换装置和传输设备,增加故障点,提高纤芯使用利用率。 通道传输示意如图1 和图2 所示。

图1 专用芯保护通道连接示意

图2 2 M 保护通道连接示意

2 继电保护业务现状

2.1 重载光缆和设备计数原则

通信传输设备或光缆故障,通信通道中断,造成220 kV 及以上继电保护业务中断,计数1;通信传输设备或光缆故障,通信通道中断,不会造成220 kV 及以上继电保护业务造成业务中断,不计数;承载继电保护数量8 套及以上,属于重载设备或光缆[4]。

2.2 继电保护业务现状

以福建省为例,福建省继电保护业务通道基本采用专用纤芯或者2 M 通道,光纤化率达到100%,继电保护设备端口主要以单口模式,部分保护设备采用AB 口。

2.2.1 重载光缆现状

福建全省承载220 kV 及以上继电保护业务光缆情况统计如表1 所示。 500 kV 线路重载光缆最严重。

表1 福建全省承载220 kV 及以上继电保护业务光缆情况统计

2.2.2 重载设备现状

福建全省承载220 kV 及以上继电保护业务设备情况统计如表2 所示。 省级传输设备重载问题最严重。

表2 福建全省承载220 kV 及以上继电保护业务设备情况统计

3 继电保护重载原因

3.1 光缆资源受限

目前,省内500 kV/220 kV 变电站基本有2 回出线,但每回出线上只架设1 根OPGW 光缆,每条500 kV/220 kV 线路保护需要至少2 条独立通信路由,这就导致除了需要开通直达光缆路由,还需要组织1路迂回的通信通道作为保护通道。 由于电力光缆建设依附于电网网架,光传输设备组网依附于现有光缆资源,光缆资源不足,造成光传输网络受限,传输设备在开通保护通道时受限。 因此,传输设备造成重载问题,同时也导致光缆重载。

3.2 电网网架受限

根据《国调中心、国网信通部关于印发国家电网有限公司线路保护通信通道配置原则指导意见的通知》,对于50 km 以上长输电线路,保护通道采用2 M 复用保护通道;对于50 km 及以下短线路,保护通道采用专用光纤芯或2 M 复用保护通道。 由于电网网架制约,传输组网受限,500 kV 线路保护第二迂回路由需要开通在多台传输设备上,造成传输重载问题。

3.3 继电保护装置选型受限

目前,福建省内220 kV 以上保护设备采用单口模式占比98%以上,保护设备不具备冗余能力,连接通信通道(光缆或传输)故障导致保护业务中断,造成单口继电保护装置退出运行。 8 条以上单口继电保护装置承载在同一根光缆或同一设备上,就造成设备或光缆重载。

3.4 继电保护通道方式选择不合理

对于地区220 kV 线路长度小于50 km,保护通信通道可以采用专用芯或2 M 复用保护通道。 在选择保护业务通道时,2 套保护业务都采用2 M 复用保护通道,这就加重了传输设备承载保护业务数量,造成设备重载。

3.5 其他

由于用户电厂接入,用户电厂的光传输设备的数量不同步于电网的光传输设备,开通继电保护业务时,只能接在光传输设备上,造成设备承载保护业务不均衡,产生设备重载问题。

4 继电保护重载治理思路

4.1 丰富光缆网架

针对旧线路,多回线路只架设单根光缆时,通过电网技改项目将另一回的光缆架设上,或者随着电网基建项目对旧线路开断建设项目,同步将光缆补建上。

新投产线路,220 kV 及以上线路和重要110 kV 线路双地线均建设为OPGW 光缆,两个站之间多回线路,建议随线路工程架设OPGW 光缆,丰富光缆网架资源,减少继电保护业务迂回路由的通道,同时减少重载设备及光缆的情况。

4.2 优化传输网络

梳理电力通信网的现状,220 kV 及以上变电站传输网络组网时,两站之间具有2 根光缆(相同电压等级的2 根光缆或不同电压等级的2 根光缆)情况时,不同网络组织2 个光路将2 根光缆同时利用,便于继电保护通道开通,实现传输网业务灵活配置。

分析全网现有的保护业务通道路由,优化2 M 复用保护通道,以最短路径为主配置方式。 同时,构建保护专网能够缓解部分设备重载问题。

4.3 继电保护双口改造

继电保护装置具备A、B 两个接口,由站内不同通信传输设备提供通道。 根据《国调中心、国网信通部关于印发国家电网有限公司线路保护通信通道配置原则指导意见的通知》要求:“500 千伏及以上双通道线路保护所对应的4 条通信通道应配置3 条独立的通信路由(简称‘双保护、三路由’)”“220 千伏双通道线路保护所对应的4 条通信通道应至少配置2 条独立的通信路由,通道条件具备时,宜配置3 条独立的通信路由”和“新建220 kV 及以上变电站应依据远期规划出线规模,按照‘双保护、三路由’配置原则,测算线路保护通道需求数量,合理配置通信设备和光缆,确保线路保护通道配置满足运行要求。”

4.4 优化继电保护通道方式

针对50 km 以下输电线路,在光缆纤芯富裕(保护业务使用后纤芯>8 芯)情况下,优先采用专用芯+2 M 通道要求;在光缆纤芯紧张(保护业务使用后纤芯≤8 芯)情况下,采用2 M+2 M 通道要求可以缓解设备重载问题。

5 继电保护重载治理方案

5.1 新建保护专网

梳理现网传输设备承载保护业务情况,得到通信设备重载情况,在重载站点配置新的传输设备,利用现有网络资源,构建一张保护专用子网,用于分担已有通信设备的保护业务,从而降低通信设备重载问题。 构架保护专网,只能缓解通信设备重载问题,无法从根本上解决重载问题。

5.2 优化光缆网架

可酌情结合停电检修窗口及技改项目,对地线开展OPGW 光缆更换工作,只要新建OPGW 与现有OPGW 参数一致,通常情况可以直接架设,无须改造杆塔。 对参数不一致的情况,需对光缆和杆塔进行配合验算,一般对于年代较近的杆塔,由于技术资料齐全,建设标准高,改造OPGW 光缆工作简单,费用低或无须改造;对于年代较远的杆塔,技术资料不完备,建设标准低,杆塔可能无法验算,就需要更换杆塔,造成OPGW 光缆工作量大,费用高。

地线改造OPGW 光缆,增加光缆资源,丰富站间线路保护通道资源,继电保护的2 套保护装置提供2 条直达路由,减少迂回路由和环节,提高了继电保护通道的可靠性。 同时,这还可以解决单一断面带宽不足、光缆纤芯资源紧张等问题,提高骨干通信网业务可靠性。

5.3 保护设备改造

分析现有220 kV 及以上变电站继电保护装置,各站点装置分为以下2 种情况:(1)两个站点的保护装置具备A、B 接口,通信通道只开通单口。 (2)两个站点的保护装置具备单接口,通信通道只开通单口。

第一点情况改造方式,220 kV 以上线路具备3 条独立通信路由,将原有A、B 口启用,通道配置方式如表3 所示。

表3 A、B 口通道配置方式

第二点情况改造方式,将单接口的继电保护装置

220 kV 线路具备两条独立通信路由,启用原有A、B 口,通道配置方式如表4 所示。更换成具备双接口的继电保护装置,具备3 条独立通信路由,通道配置如表3 所示,如通道只具备2 条独立通信路由,通道配置如表4 所示。

表4 A、B 口通道配置方式

双接口的继电保护装置可以提高线路保护通道接入保障能力,降低受单光缆或单设备故障而造成保护装置中断的概率,从本质上降低光缆和传输设备重载问题。

6 结语

本文根据分析电网线路保护重载光缆和设备现状,提出继电保护重载治理思路和解决方案,降低通信通道重载风险,避免单光缆或设备故障或检修造成多条继电保护业务同时中断,构架保护专网,用于缓解设备重载问题。 多回线路进行地线改造OPGW 光缆,丰富电网光缆资源,同时积极进行双接口继电保护装置改造,从根本上解决通信光缆和通信设备重载问题,从而保证智能电网的快速、安全、稳定运行。