基于無源光網絡的站域保護研究

李輝，李源軍，曾兵元，劉智兵，金華鋒

（1. 云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明 650011；2.國網杭州供電公司，浙江 杭州 310000；3.南京智匯電力技術有限公司，江蘇 南京 211100）

0 前言

隨著計算機技術和網絡通信技術的快速發展，不斷深化的數字化過程是變電站自動化技術發展的主要方向。IEC 61850標準[1]是由國際電工委員會第57技術委員會于2004年頒布的、應用于變電站通信網絡和系統的國際標準。作為基于網絡通訊平臺的變電站唯一的國際標準，IEC61850標準不僅應用在變電站內，而且運用于變電站與調度中心之間以及各級調度中心之間。國內外各大電力公司、研究機構都在積極參與研發應用采用IEC61850標準的繼電保護設備和調控系統，推動了繼電保護設備和調控系統的標準化、小型化和智能化[2-3]。

數字化變電站采用“三層兩網”結構，特別是隨著IEC61850-9-2技術的推廣，基于采樣同步性和通信實時性的網采網跳技術得到的廣泛應用。通常同一變電站各采集終端均以統一的GPS接收時鐘的秒脈沖作為同步基準，為了提升可靠性，大多數方案會采用兩個不同的GPS或北斗的秒脈沖相互備份，當主用時鐘丟失時裝置會自動取備用時鐘作為同步基準。但實際應用中，各終端同步異常現象還時有發生，導致數字化變電站保護系統運行異常，外部干擾情況下甚至發生誤動或拒動。另一方面，SMV、GOOSE和MMS“三網合一”組網方式下的通信實時性也面臨相關技術問題，若沒有按報文類型區分帶寬優先級，電網發生擾動觸發各終端大量發送GOOSE報文和MMS報文時，或有其它類型的網絡風暴時，會導致SMV和GOOSE報文超時甚至丟失。另外，交換機故障導致整個變電站二次系統失效的事故也時有發生。

無源光網絡[4]作為寬帶接入的主流技術之一，是光纖到戶最優競爭力的解決方案。是一種純介質網絡，避免了外部設備的電磁干擾和雷電影響，減少線路和外部設備的故障率，提高了系統可靠性，同時節省了維護成本。但由于寬帶接入用戶主要考慮通信帶寬和通信效率，無同步性和通信實時性的要求。本文擬解決無源光網絡的同步性和實時性問題，將其應用于數字化變電站，以簡化網絡結構，提升通信可靠性。

實現全站母線和所有間隔電氣量和開關狀態同步采樣和快速可靠通信的基礎上，可以在一臺主機上實現全站所有跨間隔保護和備自投功能，包括母差保護、主變差動保護和各個電壓等級相互配合的備自投功能。

1 總體架構

基于無源光網絡的站域保護總體架構如圖1所示。35 kV變電站配置兩臺主變，35 kV和10 kV均為單母雙分段接線方式，高壓側兩段母線各有兩條進線，低壓側兩段母線各有四條出線。本方案按間隔配置間隔單元，包括35 kV四個進線間隔單元，10 kV八個出線間隔單元，兩臺主變各配置高低壓側主變間隔單元，高低壓側兩臺母聯間隔單元，10 kV側兩臺電容器組間隔單元。各間隔單元通過內置的ONU經無源分光器和站域保護主機內置的OLT連接。站域保護主機連接GPS，僅用于接收標準時鐘，并通過通信網口和調度主站連接。

圖1 總體架構圖

各間隔單元和站域保護主機對時實現同步采樣，采集間隔三相電流、對應的母線電壓、開關位置，實現間隔就地保護（主要是過流保護），并通過無源光網絡以IEC61850協議上傳給主機。主機根據間隔單元上傳的信息，實現母差保護、主變差動保護、備自投等功能。

2 通信方案

2.1 EPON通信

EPON是一種基于光纖傳送網的長距離的以太網接入技術，采用點對多點架構，一根光纖承載上下行數據信號，經過1：N分光器將光信號等分成N路，以光分支覆蓋多個接入點或接入用戶。EPON系統由一個OLT，若干個ONU經若干個ODF經光纖連接組成。采用波分復用技術，上下行數據采用不同頻段的光波在同一根纖芯里面傳輸數據。下行數據由OLT向下廣播發送，不同的ONU分時復用上行發送給OLT，不同ONU之間無法實現點對點通信。

2.2 同步方案

模擬量輸入式合并單元檢測規范Q/GDW 1105-2-13規定：“當合并單元接收到時鐘信號從無到有，或因主鐘快速跟蹤衛星信號等情況，導致合并單元接收到的時鐘信號發生跳變時，在收到2個等秒的脈沖信號后，在第3-4 個秒脈沖間隔內將采樣點偏差補償，并在第4個秒脈沖沿將樣本計數器清零、將采樣數據置同步標志”。另一方面，差動保護要求參與差動計算的各側裝置實現同步采樣。

采用GPS或北斗等外界時鐘信號同步是當前數字化變電站常用的方案，若用作差動保護同步采樣，保護裝置需做嚴格的校驗以確保同步時鐘出錯時保護能可靠不誤動。

傳統的用于主網的線路縱差保護通常采用乒乓原理測量通道時延，由通道時延補償反推同步基準實現采樣同步，要求是通道雙向時延一致。EPON網絡雖然上下行采用同一纖芯，但由于下行廣播、上行采用時分復用方式，雙向時延不完全一致，因此采用乒乓原理測量通道時延會有一定的誤差，從而導致各終端同步誤差較大。采用上下行延時不對稱補償算法，修正了上述誤差，將無源光網絡內各終端同步誤差控制在了1微秒以內。

2.3 適用于IEC 61850的BDA算法

采用SMV、GOOSE和MMS“三網合一”方案，需要劃分不同的報文優先級來確保SMV和GOOSE采樣響應時間[5]。

適用于IEC 61850的EPON DBA算法采用固定輪詢周期，將帶寬劃分為SMV、GOOSE、MMS三類及三個優先級，優先保證SMV、GOOSE報文實時傳輸，減少網絡時延抖動。該算法采用改進的REPORT上傳和GATE下發機制，避免產生空閑帶寬，提高帶寬利用率。

在輪詢周期TN=250 μS情況下，在同一個輪詢周期TN內各個智能采集終端產生的SMV報文依次上傳，并在同一個輪詢周期T內上傳的SMV報文smpCnt值相同；同一個智能采集終端產生的相鄰smpCnt值SMV報文達到網分裝置的時間差基本等間隔（250 μS），同一個終端的SMV報文網絡傳輸時延抖動＜3 μS；GOOSE、MMS通信正常，同一個終端GOOSE報文網絡傳輸時延抖動＜=500 μS；PC機與智能采集終端之間的網絡通信正常，即MMS正常。

3 保護元件

間隔內過流保護隨間隔單元配置，跨間隔保護，如母差保護、主變差動保護和備自投，由站域保護主機實現。根據間隔單元配置的信息，上送到主機后，由主機自動生成對應的保護元件。

配置信息包括開關對應的支路編號、開關兩側所連接的節點編號、相應的節點類型。節點類型分分線路、母線、變壓器等。變壓器類型須標明其對應的接線方式。支路需設置對應的CT變比。節點需設置接入對應間隔單元的PT變比。

一段母線自動配置一個母差保護元件，接入同一母線的所有支路構成母差保護的各支路；一臺主變自動生成一個主變差動保護元件，各支路根據主變接線方式，經對應的移相處理構成主變差動元件；母聯開關和對應的電源進線開關，自動根據不同的運行方式，生成不同的備自投邏輯。

主變差動和母線差動動作判據和邏輯參考常規保護裝置實現的邏輯。

主變差動主要包括差動速斷保護、比例差動保護。比例差動保護勵磁涌流判別和TA飽和判別。差動和制動電流計算時，要對變壓器各側電流作平衡處理。變壓器各側電流互感器采用星形接線，以母線指向變壓器為正方向指向。平衡系數的計算方法如下。

1）計算變壓器各側一次額定電流：

式中Sn為變壓器高壓額定容量，U1n為變壓器計算側額定電壓（應以變壓器銘牌電壓為準）。

2）計算變壓器各側二次額定電流：

式中I1n為變壓器計算側一次額定電流，nLH為變壓器計算側TA變比。

3）計算變壓器各側平衡系數：

以高壓側為基準，計算變壓器中、低壓側平衡系數：

將高、中、低壓側各相電流與相應的平衡系數相乘，即得幅值補償后的各相電流。

裝置采用Y-＞Δ變化調整差流平衡。

對于Y0/Δ-1 的接線，其Y側的校正方法如下：

對于Y0/Δ-11 和Y0/Y的接線，Y側的校正方法如下：

母差和線路縱差均采用比例差動元件，需防止區外故障TA飽和引起差動元件誤動。通常采用諧波閉鎖或啟動時差法閉鎖。對于母差保護，常采用電壓閉鎖元件閉鎖差動保護，以增加母差保護的可靠性。

4 備自投

變電站不同電壓等級母線通常配置獨立的備自投裝置，通過配置不同的延時實現配合，以提升供電可靠性。缺點是低壓側備投延時長，動作速度慢，也可能出現高壓側進線故障，但由于高低壓側啟動條件不一致，導致低壓側備投先動，從而出現兩臺主變并列運行的情況[6]。

采用基于無源光網絡的站域保護系統[7]，由站域保護主機接收各終端上傳的實時數據，可以避免高低壓側備投啟動條件不一致引起的高低壓側備投動作結果失調問題。

如圖1所示的系統，由系統接線方式自動生成高低壓側兩個備自投元件。

對于高壓側系統，進線開關1~4、母聯開關均可以作為備投開關。上述5個開關只要處在跳閘位置，并且開關兩側均有壓，并且相關功能壓板和控制字均投入，經延時后完成備投充電。若某段母線失電，低壓啟動經整定的延時后，需跳開對應的主供線路（或母聯）開關，確保和故障點隔離，并根據優先級合對應的備投開關。高壓側母線分列運行時，進線故障引起的母線失電，同一母線的進線開關優先于母聯開關。

對于低壓側系統，只有主變低壓側開關和母聯開關作為備投開關。只有主變故障、低壓側母線故障，或高壓側備投失敗，才啟動低壓側備投。

如高低壓側母線均分列運行，高壓側進線1發生故障，高壓側備投啟動跳進線1開關，優先合進線2開關，若進線2開關拒動，再和高壓側母聯開關，但高壓側母聯開關拒動。此時，才啟動低壓側備投，跳主變1低壓側開關，通過低壓側母聯備投恢復低壓側Ⅰ母供電。

5 結束語

采用無源光網絡結構，通過上下行時差補償實現網絡內所有終端同步采樣，通過BDA算法解決不同SMV、GOOSE和MMS“三網合一”時的報文實時性問題[8-10]，按間隔配置間隔單元，全網配置一臺站域保護主機，可以實現一套不依賴于交換機、兩層一網的變電站站域保護系統，既簡化了網絡結構、減少了二次設備，也提升了數字化變電站高低壓側備自投性能和全站保護的可靠性。連接不同電壓等級的采用無源光網絡的廣域保護或層次化保護有待于進一步研究。