分布式母線保護在智能變電站中的應用

王風光 ，張祖麗，張 艷

(1.南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.海西供電公司，青海 格爾木 816000)

所謂智能變電站，是指由智能化一次設備（電子式互感器、智能化開關等）和網絡化二次設備分層 （過程層、間隔層、站控層）構建，建立在IEC 61850通信規范基礎上，能夠實現變電站內智能電氣設備間信息共享和互操作的現代化變電站。隨著智能變電站的廣泛推廣使用，應用于智能變電站中的繼電保護裝置在保證其“可靠性、選擇性、靈敏性、速動性”的同時，也應提高其智能化水平。母線保護作為智能變電站中的重要元件保護裝置，在模擬量采集與開關量的輸入輸出方面均發生了顯著的變化，配置方法更加靈活。2010年4月，國家電網公司發布了《智能變電站繼電保護技術規范》，對于智能變電站中的母線保護裝置提出了明確的要求，在此情況下，當面對接入間隔數目較多的情況時，集中式母線保護裝置已無法滿足智能變電站大容量數據交換的要求，因此開發應用于智能變電站的分布式母線裝置已成為當務之急。

相比于集中式母線保護裝置，分布式母線保護裝置符合變電站保護分散布置、就地化的發展趨勢，且分布式母線保護采取數據分散采集，集中處理的方法，相比于集中式母線保護集中采集、集中處理的方法有很大優勢。但是分布式母線保護相比集中式母線保護需要解決2個難題：一是大量數據的可靠、實時傳輸；二是高精度的同步采樣[1]。

1 分布式母線保護裝置介紹

根據IEC 61850標準體系描述，智能變電站可分為三層：過程層，間隔層，站控層[2-4]。其中過程層包括面向模擬量的合并單元（MU）和面向開關的智能操作箱單元：MU負責同步接收數字化的模擬量信號（SMV），并將接收到的數字量按標準規范要求（IEC 61850-9-2）發送給保護及測控裝置；智能操作箱單元負責采集開關及刀閘位置信息傳送給間隔層的保護及測控裝置，并接收間隔層跳閘信號控制開關跳閘。分布式母線保護裝置整體設計方案如圖1所示。

圖1框內為分布式母線保護裝置的配置方案。從機處理單元（BU）與主機處理單元（CU）之間通過光纖連接。負責電流采集的合并單元及點對點傳輸的GOOSE開關量通過光纖與BU連接，負責電壓采集的合并單元及網絡傳輸的GOOSE開關量通過光纖與CU連接。分布式式母線保護的CU與BU的硬件配置如圖2所示。

CU共有四大功能插件：保護管理插件、邏輯運算插件、從機通信插件及過程層通信插件。其中保護管理插件由高性能的嵌入式處理器、存儲器、以太網控制器及其他外設組成。實現對整個裝置的管理、人機界面、通信和錄波等功能。邏輯運算插件由高性能的數字信號處理器及其他外設組成，他通過高速數據總線與從機通信插件機及CU過程層通信插件通信，接收SMV數據及GOOSE開關量數據，兩塊邏輯運算插件接收的SMV數據完全獨立，以保證某一路采樣數據無效的情況下可靠閉鎖保護。從機通信插件由高性能的數字信號處理器、4組光纖收發口及其他外設組成，負責CU與BU之間通信，每塊從機通信插件可連接4個BU。它接收BU打包上送的電流SMV數據及點對點GOOSE開關量數據，解壓縮后傳輸給CU，并接收CU的跳閘命令，打包后發送給BU。過程層通信插件由高性能的數字信號處理器、8個百兆光纖以太網接口組成。插件支持GOOSE功能和IEC 61850-9-2規約，負責接收電壓SMV數據及網絡傳輸的GOOSE開關量數據并傳輸給邏輯運算插件。

BU共有兩大功能插件：管理及通信插件和過程層通信插件。管理及通信插件由高性能的數字信號處理器、一組光纖收發接口及其他外設組成，它通過光纖與CU的從機通信插件連接，完成與CU的通信，并通過高速數據總線與BU過程層通信插件通信，接收電流SMV數據及點對點GOOSE開關量數據，并打包后傳輸給CU，接收CU下發的GOOSE跳閘命令并傳輸給過程層通信插件。過程層通信插件負責接收點對點采樣數據，并向智能操作箱發送跳閘命令。每塊過程層通信插件由8個百兆光纖以太網接口組成，連接4個間隔，因此每個BU共可以接收12個間隔的點對點采樣數據。

2 大容量數據的可靠及實時傳輸

應用于智能變電站的分布式母線保護的每個BU負責采集間隔的SMV及GOOSE信號并上送給CU進行保護邏輯運算并接收CU下發的保護跳閘命令實現開關跳閘，因此保證CU與BU間可靠、實時通信是分布式母差保護的關鍵之一[5]。

針對SMV信號，目前MU傳送給BU的采樣頻率廣泛采用4 kb/s的標準，每間隔數字量通常包含保護用電流、電壓、測量用電流、電流等12路數據，以12個間隔，4 kb/s，16位數據為例，BU每秒需要傳送給 CU 的數據量為 24×12×16×80×50 bit，約18 Mb/s；此外BU還需要將每個間隔的SMV信號的品質狀態上送給CU。針對GOOSE信號，BU負責采集每個間隔的開關位置（常開、常閉節點）及每個間隔每條母線的刀閘位置（常開、常閉節點），并將每個開入的GOOSE品質位上送給CU，以12個間隔，每個間隔傳送16個GOOSE開關量及GOOSE開關量狀態，BU每秒傳送給CU的數據量為12×16×16×2×50 bit， 約 307 kb/s。 如果 BU 不預先對SMV及GOOSE信號處理，將會給BU和CU間的光纖傳輸造成很大的負擔。

為解決上述問題，BU對SMV及GOOSE信號進行了處理：

（1）BU對每個間隔的SMV信號首先進行插值算法處理，即4000點/s的采樣信號通過插值算法后變成1200點/s，且只上送保護用電流及測量用電流，舍棄其他不需要的數字量；

（2）BU將每個間隔的SMV品質狀態按位處理，這樣一個字（16 bit）即可以傳送2個間隔的采樣品質；

（3）BU對每個間隔的 GOOSE開關量及GOOSE開關量狀態按位處理，這樣兩個字 （16×2 bit）即可傳送一個間隔的GOOSE開關量及GOOSE開關量狀態。

（4）BU與CU之間的數據傳輸采樣，且自定義規約。

通過以上處理，BU和CU間的傳輸速率大大下降，目前，BU與CU間的光纖傳輸速率為10 Mb/s，需要交換的數據量僅為134 kb/s，可以充分保證BU與CU間數據的實時傳輸。

3 分布式母線保護的采樣同步問題

差動保護計算所需要的各個間隔的電流采樣數據必須是同一時刻的值，而分布式母差保護的各子站間沒有電氣上的連接，從而帶來了各個子站的同步采樣問題。采樣同步的好壞，直接影響到差動保護的性能。

采用GPS同步時鐘為每個間隔單元對時的方案在技術上是可行，但增加了硬件的復雜性，更重要的是當同步時鐘受到電磁干擾或同步時鐘失去時，差動保護的安全性問題更令人擔憂。間隔單元采樣同步時鐘要求是相對時鐘準確，對絕對時間沒有要求，如何在不增加硬件和通信網絡負擔的前提下，解決間隔單元的采樣同步性問題，也是分布式母差要解決的一個關鍵性技術問題。

目前，國外分布式母差的情況是ABB公司的REB500最早投入商業運行的分布式微機母差保護，其工作原理是子站進行有關數據的收集、預處理之后，以一定的時間間隔將數據發送到主站，受到數據傳輸能力的限制，子站只傳基波的實部和虛部，而且是每隔8 ms向主站傳送一次，由主站進行綜合計算處理，發出跳閘指令，因此動作速度偏低。西門子公司的7SS52分布式母線保護也由子站和主站構成，子站對電流量進行每周期48點采樣，并進行模擬和數字濾波，將采樣電流值轉換為電流相量，然后將這些相量帶上相應的時標，在算法設定的間隔傳到主站，由主站負責算法處理、故障檢測，并發出跳閘命令。

可見，國外一些廠家的分布式母線保護受數據傳輸能力和數據同步處理的限制，子站送到主站的都是相量數據，采用相量差動算法使得保護的動作速度和抗飽和性能都受到一定的限制。為此設計了不依賴于GPS的同步方案，CU通過光纖向BU發布時間基準，BU記錄下CU發送過來的時間基準，并將此時間基準與本板中斷時刻做比較，將二者的差值與同步基準做比較后自動調整BU采樣中斷，以保證各個BU發送給CU的SMV數據為同一時刻采樣值，同步精度可保證為5 μs，完全滿足母線保護跨間隔數據同步采樣的要求[6，7]。

4 分布式母線保護功能配置

與集中式母線保護相同，本分布式母線保護裝置配置了母線差動保護、母聯失靈保護、母聯死區保護及斷路器失靈保護功能。一套分布式母差最多可接入4個BU，每個BU可接收12個間隔的SMV及GOOSE信號，最大可支持48個間隔。全新的面向間隔對象母線保護設計方法，在不同的主接線方式只需根據實際情況對間隔單元進行配置即可，不需修改保護主程序，母線保護的差動構成靈活可靠，而且不再只能適應已知的主接線模式。該分布式母差為每個支路提供GOOSE接收和發送軟壓板，用來控制每個支路的GOOSE開入開出。此外還為每個支路設置了支路使能軟壓板，用以控制支路的GOOSE及SMV使能，當支路投入軟壓板退出時，相應間隔的電流將退出差流計算，并屏蔽相關鏈路報警。

若支路投入軟壓板退出時相應間隔有電流，裝置發“支路退出異常”報警信號，相應支路電流不退出差流計算。

為了防止單一通道數據異常導致保護裝置被閉鎖，裝置將按照光纖數據通道的異常狀態有選擇性地閉鎖相關的保護元件，具體原則為：

（1）采樣數據無效時采樣值不清零，顯示無效的采樣值；

（2）某段母線電壓通道數據異常不閉鎖保護，但開放該段母線電壓閉鎖；

（3）支路電流通道數據異常，閉鎖差動保護及其相應支路的失靈保護，其他支路的失靈保護不受影響；

（4）母聯支路電流通道數據異常，閉鎖母聯保護，母聯所連接的兩條母線自動置互聯。

5 結束語

隨著智能變電站的廣泛推廣使用，集中式母線保護在某些情況下已不能滿足智能變電站大容量數據傳輸的要求。應用于智能變電站的分布式母線保護主站和子站之間通過光纖交換數據，采用FPGA實現硬件通信編碼和CRC校驗，可靠性高，不占用保護CPU的資源。目前，本文設計的分布式母線保護裝置已在多個智能變電站成功運行。

[1]鄒貴彬，王曉剛，高厚磊，等.新型數字化變電站分布式母線保護[J].電力自動化設備，2010，30(11)：94-97.

[2]操豐梅，宋小舟，秦應力.變電站過程層的分布式母線保護的研制[J].電力系統自動化，2008，32(4)：69-72.

[3]王攀峰，周曉龍，楊恢宏.一種面向數字化變電站的母線保護方案[J].電力系統保護與控制，2009，37(12)：48-51.

[4]朱 林，蘇 盛，殷獻忠.基于IEC 61850過程總線的分布式母線保護研究[J].繼電器，2007，35(S1)：40-44.

[5]王攀峰，張克元，文明浩.應用于數字化變電站的分布式母線保護的研究[J].電力系統保護與控制，2009，37(13)：68-71.

[6]殷志良，劉萬順，楊奇遜.一種遵循IEC 61850標準的合并單元同步的實現方法[J].電力系統自動，2004，28(11)：57-61.

[7]高 翔，張沛超.數字化變電站的主要特征和關鍵技術[J].電網技術，2006，30(23)：67-71.