繼電保護及自動化系統在國內外電網配置中的差異分析

王 敬，許 可

(1. 北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；2. 三峽國際能源投資集團有限公司，北京 100033)

隨著中國經濟的發展及制造能力的增強，電力系統繼電保護及自動化等二次保護設備逐步在全球占有一席之地，打破了西門子、ABB、施耐德等傳統國外品牌的市場壟斷。隨著國家“一帶一路”戰略的深入發展，電力企業走出去的同時，也帶著中國標準及二次設備一起走出去，特別是在東南亞、非洲、拉美等地區，使得國內產品在全球的知名度有了更進一步的提升。在這個過程中，國外品牌的二次設備和國內品牌的二次設備從保護原理、產品特性、組網方式等多方面存在差異，同時“一帶一路”的諸多國家的電力公司對于二次設備也有著明確的準入門檻、入網要求、管理規范，為了更好使產品適應國際化需求，滿足不同國家的當地規范要求，本文簡要的闡述了國內外產品間的幾個典型差異及國內外的使用習慣。

1 保護產品通訊協議的差異

微機保護產品的通訊接口以RS485/232串口和以太網為主，目前主流市場以以太網通訊方式居多。而通訊規約大多以以太網IEC61850及串口IEC103為主，在規約的處理機制和組網方案上，國內外市場及國內外品牌的繼電保護設備存在著一定的差別。

國外品牌(西門子、ABB、施耐德等)保護裝置支持的協議為PRP和HSR冗余協議。HSR(high available seamless ring)協議是裝置提供2個獨立的物理端口，首尾相連組成環網進行通訊，當一個DANH節點發送報文時，將其復制2份分別沿環網的兩個方向發送，即同一報文沿著不同的路徑傳輸(見圖1)，環中任何一個節點故障，都可以從另一方向冗余傳輸，因此可以實現無縫自愈。

圖1 HSR協議路徑傳輸環網圖

PRP(parallel redundancy protocol)協議采用網絡節點冗余的方式，每個DANP有兩個獨立的網口，分為A網段(LAN A)和B(LAN B)網段，A網段設備接入交換機A，B網段設備接入交換機B，交換機獨立組環網組成雙環網(見圖2)，也可以組成雙星型網(見圖3)。這種網絡的并行冗余，即使一個網絡出現故障，仍有另一套網絡及各設備的冗余端口是正常工作的，系統可無延時自愈[1-2]。

圖2 PRP協議路徑傳輸環網圖

圖3 PRP協議路徑傳輸星型網圖

國產產品均支持以太網IEC61850及串口103規約，同時支持國家電網公司企業標準的以太網103規約。國內產品在國內市場應用不適用HSR協議，而是每臺保護提供兩個不同的獨立IP地址，組成雙星型網或者環網。目前隨著國產設備出口國別的增多，有些公司的產品也逐步兼容了PRP和HSR冗余協議。

2 傳統RTU(remote terminal unit)模式和遠動模式的差異

國外傳統的通訊模式為傳統RTU(remote terminal unit)通訊，即將保護裝置的遙信量(斷路器和刀閘的位置信號、繼電保護和自動裝置的位置信號、發電機和遠動裝置的運行狀態)、遙控量(操作廠站各電壓等級的斷路器、投切SVG、發電機組的啟停等)、遙調量(改變變壓器分接頭位置(調壓)、改變發電機組P或Q的整定值、自動裝置整定值的設定等)、遙測量(電壓、電流、有功、無功、檔位、溫度等)通過硬接線的方式接入到RTU系統中，進而通過RTU將信息量上送到調度端，接入調度規約為IEC-101/IEC-104。

國內通用的通訊模式為測控(BCU bay control unit)和遠動(gateway)相結合的方式，即遙測量、遙控量、遙調量、遙測量通過測控(BCU)采集，遠動裝置直接從測控裝置采集信息上送到調度，接入調度規約為IEC-101/IEC-104。此種方式節約了線纜，直接通過通訊規約的方式將信息上送到調度(見圖4)。

圖4 國內220 kV變電站自動化系統網絡結構圖

3 繼電保護及自動化系統組網結構差異

國外變電站組網結構為星型網和環網共存，非洲等國家受中國配置影響較多，所以他們傾向使用星型網組網結構，印度尼西亞等國家保護裝置多用西門子、施耐德、阿爾斯通等裝置，所以他們的組網結構更傾向于環網(見圖5)。

國內變電站組網結構為星型網，110 kV及以上的變電站考慮可靠性，采用雙星型網結構(見圖6)，110 kV以下的變電站多采用單星型網結構[3]。

4 繼電保護(母線保護)配置選型差異

母線是電力系統中的樞紐元件，母線故障的不及時切除或者母線保護的誤動作都會對系統帶來嚴重的影響，因此要求母線保護要有絕對的可靠性和快速的動作性。目前微機式母差保護是目前應用最為廣泛的母線保護。

圖5 變電站環網結構圖

圖6 國內星型網結構圖

母差保護分為集中式母差保護和分布式母差保護。與集中式母差保護相比，分布式母差保護有優越性，比如，某個母差保護單元偶爾誤跳閘時只誤跳一個回路，不會造成整個母線停電；節省了從電流互感器到控制室長距離敷設的大量二次電纜；能夠適應于變電站主接線，以及系統運行方式的變化。分布式母差在實際應用中也存在一些問題，比如價格昂貴；如果保護間隔不分散布置，間隔數量少，分布式母差無優勢。

國外保護尤其是220 kV以上的母線保護多采用分布式母差，分布式母差包括主單元和子單元，主單元匯集所有單元采樣數據、開關狀態等信息供母差保護完成功能計算，并向相關回路的母線子單元發出跳閘命令，在被保護母線所連接的每一個元件回路上裝設的母線保護單元為子單元，只負責采樣和執行跳閘。國內保護多采用集中式母差，集中式母差為將各個連接元件的交流、直流回路均引至主母線保護中，對電流、電壓以及開關量進行處理，轉換為數字量，根據一定的算法進行計算、判斷及跳閘。目前，國內保護廠家也逐步具有了分布式母差保護，產品的種類更加全面[4-5]。

5 結 論

本文從保護通訊協議、傳統RTU和遠動模式、繼電保護及自動化系統組網結構以及繼電保護(母線保護)配置選型四個主要方面，總結了微機繼電保護及其自動化系統在國內外電網中的差異。在進行國外項目配置時，不能簡單照搬國內電網配置模式，首先需要了解并熟悉當地電網的規范要求與習慣，在因地制宜的基礎上，通過技術設備配置方案的不斷優化和改進，進而不斷提高國內二次設備企業走出去的競爭力。