高性能的新一代母線保護(hù)裝置研究和應(yīng)用

王風(fēng)光，高兆麗，潘東明，宣喜文

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.山東濟(jì)南供電公司，山東濟(jì)南250022)

在中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，電網(wǎng)建設(shè)步入飛速發(fā)展的時(shí)代。母線是電力傳輸?shù)闹匾M成部分，母線保護(hù)的穩(wěn)定、安全、可靠直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供電的可靠性[1]。微機(jī)母線保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用超過(guò)10年時(shí)間，積累了豐富的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，南瑞繼保電器有限公司結(jié)合最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)和用戶日益復(fù)雜的應(yīng)用需求，研發(fā)出了全新一代的母線保護(hù)裝置，它在繼承老一代母線保護(hù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，有以下改進(jìn)：（1）保護(hù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)化、模塊化，基于該公司新一代統(tǒng)一、先進(jìn)的控制保護(hù)（UAPC）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，支持使用可視化工具編程，便于升級(jí)維護(hù)；（2）模塊設(shè)計(jì)對(duì)象化，采用面向間隔對(duì)象的母線保護(hù)設(shè)計(jì)方法，母線保護(hù)的差動(dòng)構(gòu)成靈活可靠；（3）設(shè)備安裝靈活化，可滿足不同變電站分布式或集中式安裝的需求；（4）狀態(tài)信息多樣化，滿足新一代智能變電站繼電保護(hù)裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需求。文中將基于以上4點(diǎn)介紹新一代母線保護(hù)裝置關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用。

1 UAPC平臺(tái)

傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)，一般無(wú)操作系統(tǒng)，因此上送信息單一，程序維護(hù)復(fù)雜。新一代的母線保護(hù)裝置基于UAPC平臺(tái)開(kāi)發(fā)，具有以下特點(diǎn)。

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接方便：裝置硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜度低，從而功耗與溫度低；插件與背板采用插針，連接簡(jiǎn)單可靠。高電磁兼容性，抗干擾能力強(qiáng)；

（2）可擴(kuò)充性好：采用當(dāng)今先進(jìn)的中央處理器（CPU）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，運(yùn)算處理能力強(qiáng),平臺(tái)對(duì)上層應(yīng)用提供統(tǒng)一編程接口，維護(hù)方便；

（3）結(jié)構(gòu)清晰，重用性好：模塊以功能來(lái)劃分，模塊內(nèi)數(shù)據(jù)安全可靠，模塊之間數(shù)據(jù)耦合性低，功能結(jié)構(gòu)劃分清晰；

（4）裝置不同板卡之間依托高速數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信，接口統(tǒng)一，數(shù)據(jù)總線高效、安全可靠；

（5）適用范圍廣：除母線保護(hù)裝置外，線路保護(hù)裝置、變壓器保護(hù)裝置及穩(wěn)控裝置等一系列保護(hù)裝置均基于UAPC硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)。

保護(hù)裝置的平臺(tái)化開(kāi)發(fā)為不同類(lèi)型保護(hù)裝置間的集成提供了便利。新一代智能變電站提出層次化保護(hù)的概念，站域保護(hù)作為層次化保護(hù)的一部分得到推廣。站域保護(hù)裝置集全站的備自投、線路、主變和母差等保護(hù)功能于一體，不同類(lèi)型保護(hù)裝置之間需要共享電流、電壓模擬量，并實(shí)時(shí)交換開(kāi)關(guān)量信息，以集中分析或分布協(xié)同方式判定故障，自動(dòng)調(diào)整動(dòng)作決策。UAPC平臺(tái)數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一，數(shù)據(jù)總線高效、可靠，在集成站域保護(hù)裝置中發(fā)揮了極大的優(yōu)勢(shì)。

2 面向間隔對(duì)象的母線保護(hù)設(shè)計(jì)方法

2.1 傳統(tǒng)母線保護(hù)設(shè)計(jì)方法介紹

母線保護(hù)差動(dòng)回路包括母線大差回路和各段母線小差回路。母線大差是指除母聯(lián)開(kāi)關(guān)和分段開(kāi)關(guān)外所有支路電流所構(gòu)成的差動(dòng)回路。某段母線的小差是指該段母線上所連接的所有支路（包括母聯(lián)和分段開(kāi)關(guān)）電流所構(gòu)成的差動(dòng)回路。母線大差比率差動(dòng)用于判別母線區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障，小差比率差動(dòng)用于故障母線的選擇[2]。

傳統(tǒng)母線保護(hù)以母線為對(duì)象，在母線主接線確定的基礎(chǔ)上，再定義該母線上連接有哪些元件，從而形成母線的大差及各母線的小差[3]。以主接線形式相對(duì)復(fù)雜的雙母單分段主接線為例，如圖1所示，母線數(shù)量及母線主接線方式固定：母聯(lián)1連接1、2母，母聯(lián)2連接2、3母，分段連接1、3母，間隔1和間隔2在母線1和母線2之間切換，間隔3和間隔4在母線2和母線3之間切換。間隔1到間隔4根據(jù)各自的刀閘位置決定本間隔電流計(jì)入哪條母線差動(dòng)。大差（DI）及各母線小差（DIx）的差動(dòng)構(gòu)成邏輯如下：

圖1 雙母單分段主接線示意圖

其中：Kxx為對(duì)應(yīng)支路刀閘位置，當(dāng)?shù)堕l位置閉合，Kxx為1，否則為0。當(dāng)主接線變成如圖2所示，應(yīng)用于圖1主接線的母線保護(hù)程序就無(wú)法適用了。

圖2 雙母單分段特殊主接線

與圖1相比，圖2雖然只包含一個(gè)母聯(lián)開(kāi)關(guān)，但是本母聯(lián)開(kāi)關(guān)可根據(jù)刀閘位置來(lái)決定本母聯(lián)電流計(jì)入哪條母線差動(dòng)，各母線的差動(dòng)構(gòu)成邏輯變化如下：

由于差動(dòng)構(gòu)成邏輯發(fā)生變化，母線保護(hù)程序必然需要做出相應(yīng)改動(dòng)以適應(yīng)該特殊主接線，且修改后的程序也無(wú)法滿足圖1主接線的需求。

綜上所述，以母線為對(duì)象的傳統(tǒng)母線保護(hù)受母線主接線形式的局限性很大，母線主接線形式稍微發(fā)生變化，保護(hù)程序就需要進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)，從而無(wú)法保證母線保護(hù)程序的穩(wěn)定性。

2.2 面向間隔對(duì)象的母線保護(hù)設(shè)計(jì)方法介紹

面向間隔對(duì)象的母線保護(hù)設(shè)計(jì)方法 （國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利CN200910181793.0）是先確定母線上的各連接元件，再由保護(hù)程序自動(dòng)構(gòu)造母線主接線。雖然母線主接線形式千變?nèi)f化，但是母線上的連接元件只有可能是母線電壓互感器，母聯(lián)或分段間隔，線路或主變間隔，通過(guò)配置文本的形式確定好各連接元件的屬性，再由母線保護(hù)程序?qū)υ傩赃M(jìn)行解析，母線主接線即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)構(gòu)造，再以母線為對(duì)象依照傳統(tǒng)的方法完成小差的構(gòu)成邏輯，從而實(shí)現(xiàn)了母線保護(hù)程序不再受制于母線主接線形式的變化。

在上述理論基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)方法定義了一個(gè)通用模型，此通用模型涵蓋了電壓互感器、母聯(lián)或分段間隔、線路或主變間隔的所有屬性及開(kāi)入開(kāi)出，PCS-915母線保護(hù)程序在此通用模型基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)以保證母線保護(hù)程序的通用性。此通用模型如圖3所示。

圖3 面向間隔對(duì)象的通用模型定義

仍然以圖1和圖2主接線為例，在此通用模型基礎(chǔ)上，圖1與圖2主接線的區(qū)別只是母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的數(shù)量不同，支路及各母聯(lián)刀閘位置定義如表1所示（1，0表示該支路刀閘可在母線間進(jìn)行切換）。

表1 支路及各母聯(lián)刀閘位置定義

大差及各母線小差的差動(dòng)構(gòu)成邏輯如下：

其中：K1x間隔TA側(cè)x母刀閘位置；K2x間隔開(kāi)關(guān)側(cè)x母刀閘位置。

圖1主接線無(wú)母聯(lián)開(kāi)關(guān)，所以IBC固定為0，圖2主接線無(wú)母聯(lián)1、母聯(lián)2和分段開(kāi)關(guān)，所以IBC1，IBC2，IFD固定為0。通過(guò)配置文本修改母聯(lián)的屬性而不需要修改保護(hù)程序，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖1主接線及圖2主接線的兼容。從而節(jié)省了大量的因主接線變化而修改保護(hù)程序的時(shí)間，保證了程序的穩(wěn)定和質(zhì)量。

3 分布式母線保護(hù)

變電站規(guī)模的逐漸擴(kuò)大使母線上的出線數(shù)目日益增多，出線間的距離變長(zhǎng)。采用集中式母線保護(hù)裝置將造成二次電纜數(shù)量的增多，提高工程造價(jià)，且接入間隔數(shù)目的增多對(duì)母線保護(hù)裝置的CPU處理能力提出了更高的要求。研究面向間隔、分散式安裝的分布式母線保護(hù)裝置成為迫切需要[4]。

分布式母線保護(hù)需要保證主站、子站之間的同步性和實(shí)時(shí)性，應(yīng)充分利用各間隔單元的數(shù)據(jù)處理能力，降低對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)的要求，在簡(jiǎn)化設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)、提高母線保護(hù)可靠性的同時(shí)，為增加母線保護(hù)冗余度創(chuàng)造條件[5]。

分布式母線保護(hù)系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，如圖4所示，圖中包含1個(gè)主站間隔和4個(gè)子站間隔。主站間隔負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)裝置的管理如人機(jī)界面、通信、錄波、打印以及保護(hù)邏輯運(yùn)算功能；子站間隔負(fù)責(zé)本間隔的采樣、跳閘。子站間隔可就地布置，并通過(guò)光纖與主站進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，實(shí)時(shí)性高，采用FPGA實(shí)現(xiàn)硬件通信編碼和循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC），可靠性高，且不占用保護(hù)CPU的資源。

圖4 分布式母線保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式母線保護(hù)裝置采用了用于分布式保護(hù)系統(tǒng)的時(shí)標(biāo)跟蹤的同步采樣方法 （國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01110081966.9），采用此同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分散采集分散執(zhí)行功能，同步算法占用主機(jī)和從機(jī)計(jì)算資源少，無(wú)需外接同步源，同步方案穩(wěn)定可靠且同步精度很高。

此外，分布式母線保護(hù)通信鏈路層完全支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的電子式互感器標(biāo)準(zhǔn)，只需更換軟件便可實(shí)現(xiàn)與電子式互感器的對(duì)接，滿足智能變電站對(duì)母線保護(hù)裝置的需求。

4 母線保護(hù)裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)

傳統(tǒng)母線保護(hù)的檢修以人工定檢為主，這種檢修方法不可避免會(huì)產(chǎn)生“過(guò)剩維修”，造成設(shè)備有效利用時(shí)間的損失，如果因檢修失誤引發(fā)母線誤動(dòng)，將導(dǎo)致變電站損失負(fù)荷，并影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并且2次檢修之間裝置發(fā)生故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。研究保護(hù)裝置的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握裝置的運(yùn)行狀態(tài)并根據(jù)裝置狀態(tài)合理安排定檢，可減輕檢修人員的工作負(fù)擔(dān)并提高供電可靠性和售電量[6]。

新一代母線保護(hù)裝置依托于更為強(qiáng)大的微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，突破了傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)裝置只能發(fā)出“正常”或“異常”的狀態(tài)信息的情況，不僅可以處理和傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)裝置相同或類(lèi)似的基本信息內(nèi)容，還可以在現(xiàn)有信息傳輸方式不發(fā)生變化的前提下輸出一份完整的監(jiān)視參數(shù)狀態(tài)值報(bào)表，該報(bào)表包括以下內(nèi)容：

（1）當(dāng)前時(shí)間信息；

（2）保護(hù)設(shè)備所有的自身監(jiān)視開(kāi)關(guān)量狀態(tài)；

（3）保護(hù)設(shè)備的電源工作情況，包括CPU系統(tǒng)、AD系統(tǒng)和繼電器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電源電壓值；

（4）保護(hù)裝置內(nèi)部溫度值；

（5）保護(hù)裝置的接收光纖的光強(qiáng)值 （智能變電站母線保護(hù)提供）；

（6）過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)監(jiān)視信息 （智能變電站母線保護(hù)提供）；

（7）差電流信息。

這份報(bào)表可以通過(guò)打印的方式進(jìn)行輸出，也可以通過(guò)遠(yuǎn)方系統(tǒng)通過(guò)文件服務(wù)直接進(jìn)行讀取。

保護(hù)裝置為以上監(jiān)視信息設(shè)置檢修門(mén)檻和故障門(mén)檻，當(dāng)達(dá)到了檢修門(mén)檻時(shí)，裝置發(fā)出橙色預(yù)警信息，并輸出狀態(tài)參數(shù)監(jiān)視報(bào)表，提醒檢修人員注意，并提前安排檢修計(jì)劃；當(dāng)達(dá)到了故障門(mén)檻時(shí)，裝置發(fā)出紅色警告信息，閉鎖保護(hù)裝置[7]。

智能站的推廣使用打破了傳統(tǒng)變電站依靠電纜傳輸模擬量及開(kāi)關(guān)量的方式，取而代之的為SV和GOOSE網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用于智能變電站的母線保護(hù)裝置接入光纖數(shù)量多，任何一根光纖異常都有可能影響母線保護(hù)裝置的正常運(yùn)行。

母線保護(hù)裝置的狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能可以幫助運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)母線保護(hù)裝置異常工況并迅速消除隱患，大大縮短了母線保護(hù)的退出運(yùn)行時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

新一代母線保護(hù)裝置繼承了老一代母線保護(hù)的先進(jìn)原理與技術(shù)，在總結(jié)多年運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出并采用了新的原理及技術(shù)。相比較老一代母線保護(hù)裝置，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）基于先進(jìn)的UAPC硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，大大減少了保護(hù)程序升級(jí)維護(hù)工作量，并提高了同其他類(lèi)型保護(hù)裝置的兼容性，滿足新一代智能變電站站域保護(hù)的需求；（2）采用新型的面向間隔對(duì)象的母線保護(hù)設(shè)計(jì)方法，保護(hù)裝置的適應(yīng)能力變強(qiáng)，僅需要修改裝置配置文件即可適應(yīng)特殊主接線；（3）分布式母線保護(hù)裝置使現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)安裝更加靈活；（4）母線保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)幫助運(yùn)行人員實(shí)時(shí)了解保護(hù)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，按需安排保護(hù)檢修。隨著智能變電站的廣泛推廣和應(yīng)用，新一代母線保護(hù)裝置將不斷改進(jìn)完善以更好地服務(wù)于電力系統(tǒng)。

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