集中式保護測控系統(tǒng)中母線保護同步方案

鮑凱鵬，呂 航 ，張紹純 ，施志暉 ，李 鵬

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100；2.鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114000）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)建設的不斷推進，IEC61850標準［1］在實際工程中的應用也不斷深入。智能變電站內(nèi)的信息全部數(shù)字化，信息傳遞實現(xiàn)網(wǎng)絡化，通信模型達到標準化，使各種設備和功能共享統(tǒng)一的信息平臺。由于采用了過程層網(wǎng)絡傳輸采樣值，因此出現(xiàn)了采樣同步的問題。現(xiàn)有智能變電站通常采用全站GPS時鐘源同步方案或插值（重采樣）同步方案［2］，2種方案應用的環(huán)境和硬件實現(xiàn)是完全不同的。

對變電站集中式保護的研究在國內(nèi)開展不多［3］。文獻［4］提出了一種基于IEC61850標準的集中式智能設備方案，在1臺集中式智能設備上實現(xiàn)多臺智能設備所完成的功能。文獻［5］提出了集中式保護原理、集中式保護的硬件系統(tǒng)構(gòu)成、對象建模以及保護功能的實現(xiàn)。從工程應用的角度看，目前采用基于IEC61850標準的集中式保護測控系統(tǒng)的例子不多。

營口供電公司220 kV大石橋變電站是營口地區(qū)重要的樞紐變電站，所進行的全站數(shù)字化改造首次將不同保護測控功能集成在數(shù)臺物理裝置中，大幅減少了屏柜個數(shù)、小室和主控室的占地面積、二次電纜及光纜數(shù)量，具有很好的經(jīng)濟效益。本文將著重論述母線保護在集中式保護測控系統(tǒng)中的實現(xiàn)方案。

1 集中式保護測控系統(tǒng)總體方案

大石橋變電站數(shù)字化改造采用基于IEC61850標準的集中式保護測控系統(tǒng)。整個保護測控系統(tǒng)完全雙重化配置，保證了在一套系統(tǒng)故障或停用的情況下被保護設備不失去保護，發(fā)生故障時系統(tǒng)能夠可靠動作。系統(tǒng)構(gòu)架為標準的3層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)［6］，即過程層、間隔層和站控層，聯(lián)系這3層的是過程層網(wǎng)絡和站控層網(wǎng)絡。過程層采用純光學互感器，并采用基于IEC61850-9-2［7］的模擬量網(wǎng)絡傳輸方式和基于GOOSE的開關(guān)量網(wǎng)絡傳輸方式。過程層GOOSE/SV合并組網(wǎng)。不同電壓等級獨立組網(wǎng)，采用獨立雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)。間隔層一體化設計，采用南京南瑞繼保電氣有限公司研制的集中式保護測控系統(tǒng)，每套系統(tǒng)為：2臺PCS-931線路保護測控裝置及1臺PCS-978元件保護測控裝置共同完成220 kV全部保護測控功能；4臺PCS-951線路保護測控裝置共同完成66 kV全部保護測控功能。站控層制造報文規(guī)范（MMS）獨立組網(wǎng)。二次系統(tǒng)網(wǎng)絡圖如圖1所示。

以220 kV系統(tǒng)為例，母線保護與主變保護集中設置于PCS-978元件保護測控裝置中，母線保護和主變保護通過裝置內(nèi)部高速總線共享數(shù)據(jù)接口插件從采樣值（SV）網(wǎng)絡接收到的主變間隔數(shù)據(jù)（雖然母線保護和主變保護置于同一臺物理裝置中，但分別由獨立的DSP處理插件實現(xiàn)，只共享機箱內(nèi)的數(shù)據(jù)總線和接口插件，最大限度地避免了相互影響）。線路間隔的數(shù)據(jù)由線路保護裝置的數(shù)據(jù)接口插件通過采樣網(wǎng)絡接收并處理后，再通過專用光纖發(fā)送到PCS-978元件保護測控裝置的數(shù)據(jù)接口插件用于母線保護。母線差動保護涉及多個間隔的采樣，采用該方法達到了信息共享的目的，減少了網(wǎng)絡流量和網(wǎng)絡設備投資，充分發(fā)揮了過程層網(wǎng)絡通信方式的優(yōu)越性。同時由于全站采用了雙重化配置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，雖然保護集成度高，但能保證系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)基于數(shù)字化采樣和網(wǎng)絡傳輸，多個間隔采樣數(shù)據(jù)的同步是母線保護需要解決的核心問題，主要體現(xiàn)在2個方面。一方面，IEC61850-9-2網(wǎng)絡傳輸方式要求各合并單元（MU）與保護裝置同步［8］，需通過外接GPS同步時鐘源實現(xiàn)；另一方面，由于合并單元發(fā)送4 kHz采樣率的數(shù)據(jù)，而保護計算的傳統(tǒng)采樣率為1.2 kHz，因此需要進行重采樣；母線保護裝置只進行主變間隔數(shù)據(jù)的重采樣，線路保護裝置進行線路間隔數(shù)據(jù)的重采樣并發(fā)送給母線保護，這就要求母線保護、線路保護裝置的重采樣時刻同步，該同步需通過母線保護發(fā)送主同步中斷信號給各線路保護裝置實現(xiàn)。

2 母線保護同步方案

2.1 MU與保護裝置采樣同步

大石橋變電站過程層采樣采用IEC61850-9-2組網(wǎng)方式。從MU采樣發(fā)生至裝置接收到該采樣報文并打上時標的過程中，會產(chǎn)生1個時間延遲，如下：

其中，TMU，delay為從MU發(fā)生采樣到將該報文發(fā)送到網(wǎng)絡上經(jīng)歷的延遲，該延遲與合并器的實現(xiàn)原理、報文處理方式（如使用中斷、操作系統(tǒng)發(fā)送）等有關(guān)，具有很大的不確定性；TNet，delay為報文在交換機中轉(zhuǎn)發(fā)的延時，包含固定延遲（即發(fā)送需要的時間，很小，可忽略不計）和不固定延遲（由于網(wǎng)上有報文發(fā)送，需要等待發(fā)送的時間）；TTag，delay為打時標的時間延遲。因為裝置使用了查詢的方式，只能將進入查詢功能時的時刻假定為報文的到達時刻TTag，該時刻始終晚于裝置實際收到報文的時刻 TRx，則 TTag，delay=TTag-TRx。

由此可見，采樣數(shù)據(jù)從合并單元到保護裝置的延時是不確定的［9］，解決方案是給合并單元和保護裝置接入GPS同步時鐘［10］。采樣數(shù)據(jù)通過遠方模塊發(fā)送到合并單元后，合并單元根據(jù)接入的GPS同步信號，刷新IEC61850-9-2采樣數(shù)據(jù)幀中的采樣計數(shù)器（相當于給每一幀采樣數(shù)據(jù)分配一個時間序號，4 kHz采樣率下序號范圍從0至3 999）。保護裝置經(jīng)網(wǎng)絡獲得各個間隔的采樣數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的采樣計數(shù)和采樣時間間隔（接入GPS同步后采樣時間間隔是固定的）來計算每一幀數(shù)據(jù)的采樣時刻，采樣時刻等于初始時刻加上采樣計數(shù)與采樣間隔的乘積。GPS同步保證了不同裝置的初始時刻和采樣間隔都是相同的，因此所有數(shù)據(jù)采樣時刻的計算是在同一個時間坐標下進行的。每一次保護進行重采樣都使用采樣時刻相同的數(shù)據(jù)幀，保證了保護接收MU采樣數(shù)據(jù)的同步性。數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡延時對保護的動作行為影響不大，但如果太大可能導致保護動作的速度較慢，一般要求控制在2個采樣時間間隔之內(nèi)。

對時系統(tǒng)采用冗余雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，2套對時裝置間互相發(fā)送對時信號，如圖2所示。當其中1套對時裝置失去衛(wèi)星信號后，通過交互信息，可以迅速把另一套裝置的衛(wèi)星信號切換過來，保證在只有1套衛(wèi)星信號時2套對時系統(tǒng)仍能正常工作。

圖2 GPS對時網(wǎng)絡Fig.2 Network of time synchronization by GPS

值得指出的是，雖然GPS對時的時鐘源來自衛(wèi)星信號，但是由于對時裝置本身具有守時功能［11］，因此，即使對時裝置失去所有衛(wèi)星信號，仍然能夠保證為全站提供對時脈沖，對母線保護沒有影響。

2.2 母線保護與線路保護裝置間同步

由于MU送到保護裝置的數(shù)據(jù)采樣率為4 kHz，而保護計算使用的采樣率為1.2 kHz，因此保護在從SV網(wǎng)絡上獲得經(jīng)過GPS同步的數(shù)據(jù)后，將通過重采樣把4 kHz的數(shù)據(jù)插值成1.2 kHz的數(shù)據(jù)［12］。對母線保護而言，主變間隔的重采樣在本裝置中完成，其余間隔的重采樣在線路保護裝置的數(shù)據(jù)接口插件中完成，因此必須保證母線保護和所有線路保護裝置的重采樣時刻是同步的。

利用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)可以實現(xiàn)在光纖鏈路層鎖定數(shù)據(jù)時標［13］，即自動記錄數(shù)據(jù)的到達時刻。母線保護正是利用該技術(shù)實現(xiàn)了多裝置間的高精度同步。母線保護插件在每個中斷發(fā)出同步數(shù)據(jù)信號，其他線路保護裝置根據(jù)母線保護下發(fā)數(shù)據(jù)的到達時刻以及通道延時推算出母線保護的中斷時刻，以此調(diào)整各自的重采樣中斷時刻進行跟蹤。母線保護同時向各線路保護裝置下發(fā)同步數(shù)據(jù)幀，最終各線路保護裝置就能夠和母線保護在同一時刻重采樣。同步方案如圖3所示。

圖3 母線保護同步方案Fig.3 Synchronization scheme of busbar protection

母線保護發(fā)出同步信號，通過光纖接至同電壓等級的其他線路保護裝置的數(shù)據(jù)接口插件，相應裝置按母線保護發(fā)出的同步信號進行中斷同步，同時從該插件通過光纖發(fā)出本裝置重采樣后的數(shù)據(jù)，供母線保護使用。

另外，為了防止母線裝置異?；蛑貑⒂绊懫渌€路保護裝置正常運行，線路保護裝置中的同步插件始終監(jiān)視母線同步信號的正確性，一旦同步信號異常立即報警，并向母線保護裝置發(fā)出同步異常信號以及時閉鎖差動保護，此時不會根據(jù)異常的同步信號調(diào)整采樣時刻；而在母線保護裝置重啟過程中，各線路保護裝置中的同步插件根據(jù)母線保護的同步信號逐步調(diào)整采樣中斷時刻，一方面保證線路保護的采樣中斷始終等間隔，另一方面在1～2 s內(nèi)各裝置就會自動進入同步，保證母線保護進入正常運行狀態(tài)。

3 動模試驗

為了驗證該方案，在南京南瑞繼保電氣有限公司進行了動模試驗。

系統(tǒng)主接線如圖4所示。

圖4 動模系統(tǒng)主接線圖Fig.4 Main connection diagram of dynamic simulation system

保護配置為：1臺PCS-978集中式保護完成主變保護及母線保護功能，1臺PCS-931集中式保護完成2條線路保護及母聯(lián)保護功能。采樣數(shù)據(jù)通過MU送到保護裝置；對側(cè)按現(xiàn)場實際應用情況配置2臺PCS-931線路縱差保護。

圖5為Ⅰ母區(qū)內(nèi)A相故障時的錄波，最上面6個波形為保護的動作情況，由上至下分別為總起動、差動跳母聯(lián)、變化量差動跳Ⅰ母、穩(wěn)態(tài)量差動跳Ⅰ母、變化量差動跳Ⅱ母、穩(wěn)態(tài)量差動跳Ⅱ母。錄波顯示母差保護4 ms動作。

圖6為母線區(qū)外故障時的錄波，最上面6個波形與圖5中最上面6個波形的含義相同?？梢钥闯?，此時母線基本無差流，錄波顯示母線保護在區(qū)外故障時未發(fā)生誤動作。

實驗結(jié)果表明所提同步方案的精度非常高，通過示波器實測的重采樣同步跟蹤誤差小于5μs，與理論分析一致。因此誤差所帶來的影響對保護而言是很小的。

圖5 母線區(qū)內(nèi)故障錄波Fig.5 Recorded waveforms of busbar fault within protection zone

圖6 母線區(qū)外故障錄波Fig.6 Recorded waveforms of busbar fault outside protection zone

4 結(jié)語

針對集中式保護的特點，提出了一種母線保護同步方案。該方案在保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的前提下提高了數(shù)據(jù)共享度，節(jié)約了設備和占地投資，在智能化變電站的建設過程中不失為一種有益的嘗試。需要指出的是，該集中式保護測控系統(tǒng)存在保護裝置依賴于外部GPS同步的缺點，還有待解決。