分布式母線保護(hù)在智能變電站中的應(yīng)用

王風(fēng)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(shè)備（電子式互感器、智能化開關(guān)等）和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層 （過程層、間隔層、站控層）構(gòu)建，建立在IEC 61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。隨著智能變電站的廣泛推廣使用，應(yīng)用于智能變電站中的繼電保護(hù)裝置在保證其“可靠性、選擇性、靈敏性、速動(dòng)性”的同時(shí)，也應(yīng)提高其智能化水平。母線保護(hù)作為智能變電站中的重要元件保護(hù)裝置，在模擬量采集與開關(guān)量的輸入輸出方面均發(fā)生了顯著的變化，配置方法更加靈活。2010年4月，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，對(duì)于智能變電站中的母線保護(hù)裝置提出了明確的要求，在此情況下，當(dāng)面對(duì)接入間隔數(shù)目較多的情況時(shí)，集中式母線保護(hù)裝置已無法滿足智能變電站大容量數(shù)據(jù)交換的要求，因此開發(fā)應(yīng)用于智能變電站的分布式母線裝置已成為當(dāng)務(wù)之急。

相比于集中式母線保護(hù)裝置，分布式母線保護(hù)裝置符合變電站保護(hù)分散布置、就地化的發(fā)展趨勢，且分布式母線保護(hù)采取數(shù)據(jù)分散采集，集中處理的方法，相比于集中式母線保護(hù)集中采集、集中處理的方法有很大優(yōu)勢。但是分布式母線保護(hù)相比集中式母線保護(hù)需要解決2個(gè)難題：一是大量數(shù)據(jù)的可靠、實(shí)時(shí)傳輸；二是高精度的同步采樣[1]。

1 分布式母線保護(hù)裝置介紹

根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)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(guān)的智能操作箱單元：MU負(fù)責(zé)同步接收數(shù)字化的模擬量信號(hào)（SMV），并將接收到的數(shù)字量按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求（IEC 61850-9-2）發(fā)送給保護(hù)及測控裝置；智能操作箱單元負(fù)責(zé)采集開關(guān)及刀閘位置信息傳送給間隔層的保護(hù)及測控裝置，并接收間隔層跳閘信號(hào)控制開關(guān)跳閘。分布式母線保護(hù)裝置整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1框內(nèi)為分布式母線保護(hù)裝置的配置方案。從機(jī)處理單元（BU）與主機(jī)處理單元（CU）之間通過光纖連接。負(fù)責(zé)電流采集的合并單元及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)腉OOSE開關(guān)量通過光纖與BU連接，負(fù)責(zé)電壓采集的合并單元及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腉OOSE開關(guān)量通過光纖與CU連接。分布式式母線保護(hù)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(hù)管理插件、邏輯運(yùn)算插件、從機(jī)通信插件及過程層通信插件。其中保護(hù)管理插件由高性能的嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)控制器及其他外設(shè)組成。實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝置的管理、人機(jī)界面、通信和錄波等功能。邏輯運(yùn)算插件由高性能的數(shù)字信號(hào)處理器及其他外設(shè)組成，他通過高速數(shù)據(jù)總線與從機(jī)通信插件機(jī)及CU過程層通信插件通信，接收SMV數(shù)據(jù)及GOOSE開關(guān)量數(shù)據(jù)，兩塊邏輯運(yùn)算插件接收的SMV數(shù)據(jù)完全獨(dú)立，以保證某一路采樣數(shù)據(jù)無效的情況下可靠閉鎖保護(hù)。從機(jī)通信插件由高性能的數(shù)字信號(hào)處理器、4組光纖收發(fā)口及其他外設(shè)組成，負(fù)責(zé)CU與BU之間通信，每塊從機(jī)通信插件可連接4個(gè)BU。它接收BU打包上送的電流SMV數(shù)據(jù)及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)GOOSE開關(guān)量數(shù)據(jù)，解壓縮后傳輸給CU，并接收CU的跳閘命令，打包后發(fā)送給BU。過程層通信插件由高性能的數(shù)字信號(hào)處理器、8個(gè)百兆光纖以太網(wǎng)接口組成。插件支持GOOSE功能和IEC 61850-9-2規(guī)約，負(fù)責(zé)接收電壓SMV數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腉OOSE開關(guān)量數(shù)據(jù)并傳輸給邏輯運(yùn)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(shù)字信號(hào)處理器、一組光纖收發(fā)接口及其他外設(shè)組成，它通過光纖與CU的從機(jī)通信插件連接，完成與CU的通信，并通過高速數(shù)據(jù)總線與BU過程層通信插件通信，接收電流SMV數(shù)據(jù)及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)GOOSE開關(guān)量數(shù)據(jù)，并打包后傳輸給CU，接收CU下發(fā)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(fù)責(zé)接收點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，并向智能操作箱發(fā)送跳閘命令。每塊過程層通信插件由8個(gè)百兆光纖以太網(wǎng)接口組成，連接4個(gè)間隔，因此每個(gè)BU共可以接收12個(gè)間隔的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)。

2 大容量數(shù)據(jù)的可靠及實(shí)時(shí)傳輸

應(yīng)用于智能變電站的分布式母線保護(hù)的每個(gè)BU負(fù)責(zé)采集間隔的SMV及GOOSE信號(hào)并上送給CU進(jìn)行保護(hù)邏輯運(yùn)算并接收CU下發(fā)的保護(hù)跳閘命令實(shí)現(xiàn)開關(guān)跳閘，因此保證CU與BU間可靠、實(shí)時(shí)通信是分布式母差保護(hù)的關(guān)鍵之一[5]。

針對(duì)SMV信號(hào)，目前MU傳送給BU的采樣頻率廣泛采用4 kb/s的標(biāo)準(zhǔn)，每間隔數(shù)字量通常包含保護(hù)用電流、電壓、測量用電流、電流等12路數(shù)據(jù)，以12個(gè)間隔，4 kb/s，16位數(shù)據(jù)為例，BU每秒需要傳送給 CU 的數(shù)據(jù)量為 24×12×16×80×50 bit，約18 Mb/s；此外BU還需要將每個(gè)間隔的SMV信號(hào)的品質(zhì)狀態(tài)上送給CU。針對(duì)GOOSE信號(hào)，BU負(fù)責(zé)采集每個(gè)間隔的開關(guān)位置（常開、常閉節(jié)點(diǎn)）及每個(gè)間隔每條母線的刀閘位置（常開、常閉節(jié)點(diǎn)），并將每個(gè)開入的GOOSE品質(zhì)位上送給CU，以12個(gè)間隔，每個(gè)間隔傳送16個(gè)GOOSE開關(guān)量及GOOSE開關(guān)量狀態(tài)，BU每秒傳送給CU的數(shù)據(jù)量為12×16×16×2×50 bit， 約 307 kb/s。 如果 BU 不預(yù)先對(duì)SMV及GOOSE信號(hào)處理，將會(huì)給BU和CU間的光纖傳輸造成很大的負(fù)擔(dān)。

為解決上述問題，BU對(duì)SMV及GOOSE信號(hào)進(jìn)行了處理：

（1）BU對(duì)每個(gè)間隔的SMV信號(hào)首先進(jìn)行插值算法處理，即4000點(diǎn)/s的采樣信號(hào)通過插值算法后變成1200點(diǎn)/s，且只上送保護(hù)用電流及測量用電流，舍棄其他不需要的數(shù)字量；

（2）BU將每個(gè)間隔的SMV品質(zhì)狀態(tài)按位處理，這樣一個(gè)字（16 bit）即可以傳送2個(gè)間隔的采樣品質(zhì)；

（3）BU對(duì)每個(gè)間隔的 GOOSE開關(guān)量及GOOSE開關(guān)量狀態(tài)按位處理，這樣兩個(gè)字 （16×2 bit）即可傳送一個(gè)間隔的GOOSE開關(guān)量及GOOSE開關(guān)量狀態(tài)。

（4）BU與CU之間的數(shù)據(jù)傳輸采樣，且自定義規(guī)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(shù)據(jù)量僅為134 kb/s，可以充分保證BU與CU間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

3 分布式母線保護(hù)的采樣同步問題

差動(dòng)保護(hù)計(jì)算所需要的各個(gè)間隔的電流采樣數(shù)據(jù)必須是同一時(shí)刻的值，而分布式母差保護(hù)的各子站間沒有電氣上的連接，從而帶來了各個(gè)子站的同步采樣問題。采樣同步的好壞，直接影響到差動(dòng)保護(hù)的性能。

采用GPS同步時(shí)鐘為每個(gè)間隔單元對(duì)時(shí)的方案在技術(shù)上是可行，但增加了硬件的復(fù)雜性，更重要的是當(dāng)同步時(shí)鐘受到電磁干擾或同步時(shí)鐘失去時(shí)，差動(dòng)保護(hù)的安全性問題更令人擔(dān)憂。間隔單元采樣同步時(shí)鐘要求是相對(duì)時(shí)鐘準(zhǔn)確，對(duì)絕對(duì)時(shí)間沒有要求，如何在不增加硬件和通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)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(gè)關(guān)鍵性技術(shù)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(yè)運(yùn)行的分布式微機(jī)母差保護(hù)，其工作原理是子站進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的收集、預(yù)處理之后，以一定的時(shí)間間隔將數(shù)據(jù)發(fā)送到主站，受到數(shù)據(jù)傳輸能力的限制，子站只傳基波的實(shí)部和虛部，而且是每隔8 ms向主站傳送一次，由主站進(jìn)行綜合計(jì)算處理，發(fā)出跳閘指令，因此動(dòng)作速度偏低。西門子公司的7SS52分布式母線保護(hù)也由子站和主站構(gòu)成，子站對(duì)電流量進(jìn)行每周期48點(diǎn)采樣，并進(jìn)行模擬和數(shù)字濾波，將采樣電流值轉(zhuǎn)換為電流相量，然后將這些相量帶上相應(yīng)的時(shí)標(biāo)，在算法設(shè)定的間隔傳到主站，由主站負(fù)責(zé)算法處理、故障檢測，并發(fā)出跳閘命令。

可見，國外一些廠家的分布式母線保護(hù)受數(shù)據(jù)傳輸能力和數(shù)據(jù)同步處理的限制，子站送到主站的都是相量數(shù)據(jù)，采用相量差動(dòng)算法使得保護(hù)的動(dòng)作速度和抗飽和性能都受到一定的限制。為此設(shè)計(jì)了不依賴于GPS的同步方案，CU通過光纖向BU發(fā)布時(shí)間基準(zhǔn)，BU記錄下CU發(fā)送過來的時(shí)間基準(zhǔn)，并將此時(shí)間基準(zhǔn)與本板中斷時(shí)刻做比較，將二者的差值與同步基準(zhǔn)做比較后自動(dòng)調(diào)整BU采樣中斷，以保證各個(gè)BU發(fā)送給CU的SMV數(shù)據(jù)為同一時(shí)刻采樣值，同步精度可保證為5 μs，完全滿足母線保護(hù)跨間隔數(shù)據(jù)同步采樣的要求[6，7]。

4 分布式母線保護(hù)功能配置

與集中式母線保護(hù)相同，本分布式母線保護(hù)裝置配置了母線差動(dòng)保護(hù)、母聯(lián)失靈保護(hù)、母聯(lián)死區(qū)保護(hù)及斷路器失靈保護(hù)功能。一套分布式母差最多可接入4個(gè)BU，每個(gè)BU可接收12個(gè)間隔的SMV及GOOSE信號(hào)，最大可支持48個(gè)間隔。全新的面向間隔對(duì)象母線保護(hù)設(shè)計(jì)方法，在不同的主接線方式只需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)間隔單元進(jìn)行配置即可，不需修改保護(hù)主程序，母線保護(hù)的差動(dòng)構(gòu)成靈活可靠，而且不再只能適應(yīng)已知的主接線模式。該分布式母差為每個(gè)支路提供GOOSE接收和發(fā)送軟壓板，用來控制每個(gè)支路的GOOSE開入開出。此外還為每個(gè)支路設(shè)置了支路使能軟壓板，用以控制支路的GOOSE及SMV使能，當(dāng)支路投入軟壓板退出時(shí)，相應(yīng)間隔的電流將退出差流計(jì)算，并屏蔽相關(guān)鏈路報(bào)警。

若支路投入軟壓板退出時(shí)相應(yīng)間隔有電流，裝置發(fā)“支路退出異?！眻?bào)警信號(hào)，相應(yīng)支路電流不退出差流計(jì)算。

為了防止單一通道數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致保護(hù)裝置被閉鎖，裝置將按照光纖數(shù)據(jù)通道的異常狀態(tài)有選擇性地閉鎖相關(guān)的保護(hù)元件，具體原則為：

（1）采樣數(shù)據(jù)無效時(shí)采樣值不清零，顯示無效的采樣值；

（2）某段母線電壓通道數(shù)據(jù)異常不閉鎖保護(hù)，但開放該段母線電壓閉鎖；

（3）支路電流通道數(shù)據(jù)異常，閉鎖差動(dòng)保護(hù)及其相應(yīng)支路的失靈保護(hù)，其他支路的失靈保護(hù)不受影響；

（4）母聯(lián)支路電流通道數(shù)據(jù)異常，閉鎖母聯(lián)保護(hù)，母聯(lián)所連接的兩條母線自動(dòng)置互聯(lián)。

5 結(jié)束語

隨著智能變電站的廣泛推廣使用，集中式母線保護(hù)在某些情況下已不能滿足智能變電站大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。?yīng)用于智能變電站的分布式母線保護(hù)主站和子站之間通過光纖交換數(shù)據(jù)，采用FPGA實(shí)現(xiàn)硬件通信編碼和CRC校驗(yàn)，可靠性高，不占用保護(hù)CPU的資源。目前，本文設(shè)計(jì)的分布式母線保護(hù)裝置已在多個(gè)智能變電站成功運(yùn)行。

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