基于站域保護的簡易母線研究

魏承志，王　凱，文　安，李　陽，趙曼勇，黃維芳，牟　敏(.中國南方電網電力調度控制中心，廣東廣州5063；.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京0)

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基于站域保護的簡易母線研究

魏承志1，王凱2，文安1，李陽2，趙曼勇1，黃維芳1，牟敏1
(1.中國南方電網電力調度控制中心，廣東廣州510623；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

摘要：根據變電站低壓母線保護需要，利用基于全站數據信息的站域保護，實現簡易母線保護功能。通過現有低壓母線保護實施的難點分析，結合智能化變電站技術應用，設計站域保護簡易母線實施方案，給出原理及動作過程分析。該實施方案在新一代智能變電站中得到實際應用，驗證了可靠性及技術優勢。

關鍵詞：智能化變電站；簡易母線保護；站域保護；三網合一

隨著電網的日益復雜和運行方式的靈活多變，給當前的繼電保護及控制技術帶來了嚴峻的考驗。傳統的保護控制由于無法獲取系統的全局信息，因此不能對保護措施做出全局優化，比如最初基于單端電氣量信息的保護（如過流保護、距離保護等），以及后來基于雙端電氣量信息的保護（如縱聯方向、光纖差動）。目前隨著智能化技術的應用推廣，光纖回路數字化信息的共享傳輸，使得獲得電網區域多點電氣量信息成為可能，基于多點、多端電氣信息的保護控制方案設計將比傳統的具備更大的原理優勢。但是從實際應用上來看，當前智能化變電站的保護控制配置并沒有真正有效地利用到智能化的技術優勢，仍然存在傳統保護控制的缺陷[1，2]。繼電保護基本還是停留在面向電力元件的設計方案，利用元件“本地”信息判斷故障，利用設備冗余和上下級保護的時間配合提高保護的可靠性，繼電保護與系統控制配合不協調問題凸顯[3]。保護控制系統存在信息獲取有限，缺乏整體性考慮，接口復雜，硬件配置重復，設備投資高，運行維護困難的問題[4]。為改善繼電保護控制對電力系統的適應性，站域保護成為近年來研究的熱點。

本文通過面向變電站的保護控制系統研究，提出一種低壓系統中簡易母線保護方案，詳細闡述新方案的整體思路、實現原理，充分利用變電站系統多端信息，提升保護控制性能，降低設備投資。

1　低壓系統母線保護方案

10～35kV等級的低壓母線，由于出線間隔多，進出線的支路電流互感器變比差異大等原因，一般不裝設專用母線保護，由變壓器的后備保護實現對母線的保護[5，6]。但是后備保護按逐級配合設計，動作時間長達1～2 s，面臨著保護選擇性和速動性的不一致性[6-8]。為解決低壓母線保護需求與保護配置的矛盾，逐步形成了簡易母線保護概念。

1.1簡易母線保護原理

目前低壓母線保護主要采用電流閉鎖原理，通過判斷電源支路電流，結合其余間隔的閉鎖信號，完成母線保護。接線方式如圖1所示。以變壓器為單元，接入主變低壓側電流互感器1TA和分段電流互感器3TA，以流入母線作為正方向接成差流元件，正常情況下母線保護的差流為該母線上的負荷電流[9]，通過過流保護躲過正常的負荷差流來完成母線保護功能。出線側故障時，出線保護提供輔助節點瞬時動作閉鎖簡易母線保護，由出線保護動作切除故障；當母線發生故障時，出線保護裝置不動作，不發閉鎖信號，由簡易母線保護動作切除故障。

圖1　簡易母線保護主接線示意

相比與變壓器后備保護的單一電源過流判斷，簡易母線保護更易于母線故障的判斷。同時簡易母線引入了出線保護動作閉鎖的邏輯判據，有效地與饋線保護過流進行了配合，減少了母線保護動作時間。

1.2傳統變電站簡易母線保護實施困難

傳統變電站二次保護回路配合主要通過硬接線。在實施簡易母線保護時，需要在多個裝置之間傳遞啟動閉鎖信號，二次回路接線復雜，施工量大；閉鎖回路無法有效監視，運行維護困難，可靠性低。同時由于傳統變電站自身的局限性，信息共享困難，為了避免二次回路的復雜化，簡易母線保護，以母線為單元進行配置，母線間相對獨立，缺少配合關系，低壓母線小電源處理困難，無法有效兼顧全局。

1.3智能化變電站下的簡易母線保護

智能化變電站通過三層兩網結構解決了二次信息共享的困難，通過過程層傳輸GOOSE信息，簡化了二次回路，組網結構如圖2所示。

圖2　智能化變電站簡易母線保護組網結構

為降低設備投資，將簡易母線保護功能分散到主變及分段間隔中，避免跨間隔的SV采樣值傳輸，降低過程層數據傳輸量。整套簡易母線保護由嵌入在變壓器后備保護及母聯（分段）設備中的動作元件，嵌入在母聯（分段）及出線（包括線路、站用變、接地變、電容器、電抗器）保護裝置中的閉鎖元件共同組成[8]。

保護設備發送和接受處理GOOSE報文可滿足小于4 ms要求，經過模擬網絡風暴測試網絡延時小于2 ms，GOOSE傳輸閉鎖信號總延時小于10 ms，完全滿足保護速動性要求[6]。同時IEC 61850中GOOSE報文的校驗和重發機制有效地避免閉鎖信號傳輸的丟失與錯誤，提升了保護的可靠性。智能化變電站的數字化技術，有效地解決了傳統變電站中二次回路復雜，信息共享困難等問題，但也帶來了新的問題。

（1）分散在主變和母聯保護中的簡易母線過流啟動元件增加了主變后備及母聯保護本身的復雜性，后續對保護的維護帶來困難。

（2）依托IEC 61850標準體系的三層兩網結構，增加了過程層交換機的投資，低壓部分的過程層交換機僅有傳輸簡易母線保護閉鎖信號的需求，其利用率不高。

（3）主變、母聯等電源間隔獨立設置啟動元件雖然避免了跨間隔的采樣數據傳輸，也解決了傳統二次接線復雜的問題，但是跨間隔的信息傳輸配合仍不可簡化，設備間邏輯配合依然復雜性。

2　基于站域保護的簡易母線保護

針對現階段簡易母線的不足，采用基于全站對象信息決策的站域保護，可以更好地實現簡易母線保護。

2.1站域保護實施方案

2.1.1設備功能整合方案

目前不論是傳統變電站還是智能化變電站，二次設備主要還是按面向間隔的原則進行配置，各裝置功能相互獨立，雖然可靠性高，但硬件配置重復，信息共享不充分，缺乏全站系統層的協調和功能優化，整體投資成本較大。站域保護可以在實現簡易母線保護的同時，完成冗余保護、優化后備保護、安全自動控制（全站備投、主變過載聯切、低周低壓減載等）。同時作為層次化保護控制系統的一部分，向下優化就地主保護功能，向上為廣域保護功能提供全站信息支撐。站域保護功能整合示意如圖3所示。站域保護是多功能集成設備，同時充分考慮了各個功能的實現過程中的軟硬件的相對獨立性，既減少了設備投資，也確保了功能的可靠。

圖3　站域保護功能整合示意

站域保護，避免了過流啟動元件分散在不同的設備中帶來的功能復雜，通過專用設備完成簡易母線保護功能，減低運行維護的困難。站域保護各間隔信息配合如圖4所示。對于像圖4所示的復雜主接線，優勢更為明顯。

圖4　站域保護各間隔信息配合

2.1.2信息傳遞方案

站域保護采集全站變低電流、分段電流；小電源閉鎖信號、普通饋出閉鎖信號、分段閉鎖信號；輸出跳小電源、跳分段開關、跳變低開關命令。站域保護信息傳遞示意如圖5所示。所有的信息統一匯總至站域保護設備，邏輯配合在站域保護內部完成，對外的信息清晰，只有采樣、閉鎖、跳閘信號。

圖5　站域保護信息傳遞示意

2.1.3網絡方案優化

目前智能化變電站通用網絡方案為“三層兩網”，站控層、間隔層、過程層3層結構[10]。對于低壓系統，可以配合站域保護設備功能整合的特點進行優化。從信息流量分析，突發的信息主要為GOOSE信息，MMS/SV報文信息相對固定，站域保護中的簡易母線只采集了主變進線及分段的電流數據，并沒有像高壓變電站采集每個支路電流，SV報文流量需求并不大。這種情況下，整個網絡構建可采用三網合一方案，站域保護采用網采網跳，MMS，SV，GOOSE報文共網共口傳輸，網絡結構方案如圖6所示。

圖6　站域保護三網合一方案

（1）源頭治理：發送方流量抑制，對頻繁變位造成的GOOSE流量進行抑制，并置相應品質；

（2）中間疏導：在數據交換鏈路中對不同報文做特定流量控制，減少不同信號之間的相互影響；

（3）接收把關：接收方對不同報文區分對待，抑制風暴，提高裝置處理能力。

交換機按MAC地址（GOOSE，SV）、協議類型（MMS）進行流量控制；根據不同應用設置相應MAC的流量控制上限，超過上限交換機內部直接進行部分數據丟棄處理；實現了對故障報文的有效防御，確保了同一接收端口的其他報文的傳輸可靠性。

2.2站域保護簡易母線保護原理

簡易母線保護通過嵌入在站域保護中的過流動作元件及饋出（包括線路、站用變、接地變、電容器、電抗器等）保護裝置中的閉鎖元件完成低壓母線保護。母線區外故障時，相關饋出保護能夠發出閉鎖信號閉鎖簡易母線保護。母線區內故障時，綜合判斷閉鎖信號的來源，區分是否為小電源線路，通過簡易母線保護快速動作切除變壓器低壓側開關、母線分段開關或是小電源線路。站域保護以變電站為單元進行配置，一套站域保護實現整站的簡易母線保護及低頻低壓、備自投等相關功能。其中母線保護又根據站內間隔的特點分為，變壓器單元母線保護、分段單元母線保護。如圖7所示，變電站站域保護的簡易母線功能可細分為3臺主變單元，2個分段單元。

圖7　站域保護中的簡易母線保護配置

針對不同類型間隔的特點，主變單元、分段單元的原理邏輯有所不同，如圖8、圖9所示。

信息化的發展和運用逐漸趨向成熟，各種信息化市場也逐漸趨向飽和。所以電信運營商信息化業務的競爭十分激烈。不斷升級電信運營商內部的中心系統，采用先進硬盤零件，引進高科技技術。數據管理和監控要求企業采取統一化的管理方法，因為模式升級和系統升級是依賴于這兩個因素的。信息化企業客戶數量龐大，流失起來也很快。信息化企業可以利用這個特點進行客戶的快速挑選，確認優質客戶并且把客戶流穩定下來，發掘更多的潛在客戶渠道。信息化的企業還應該注意企業本身的業務水平，有意識提高自己的業務能力，增強自己企業的市場競爭力。

圖8　站域保護變低單元邏輯圖

圖9　站域保護分段單元邏輯圖

對于變低間隔，判斷本段母線上連接的分段及主變進線差流，結合小電源及普通饋出閉鎖信號，實現簡易母線保護。由于在母線故障時小電源線路可能會發閉鎖信號，而普通饋出不會發閉鎖信號。所以在收到小電源閉鎖信號，而普通饋出未發閉鎖信號的情況下，經t1延時，先跳開本段母線上的小電源。判斷為母線故障時，正常情況經t2跳開分段，縮小故障范圍，經t3跳開主變變低進線，切除母線故障。如啟動了聯切小電源邏輯，則加速只經100 ms啟動II段動作。

對于分段間隔綜合考慮與該分段相關的母線上所有間隔，經t1跳聯切發出閉鎖信號的小電源，經t2或是加速100 ms啟動II段動作，跳開分段間隔。為確保站域保護可以適用于任何廠家的設備，統一閉鎖信號的發出原則。

（1）每段母線上的饋出間隔發送閉鎖信號給該母線的分段和變低，閉鎖信號分2種：即小電源閉鎖和普通饋出閉鎖。

（2）分段發閉鎖信號給相連母線上的變低。

（3）分段過流的情況下，若相連母線的變低過流則該分段不給相鄰分段發閉鎖信號，否則給相鄰分段發閉鎖信號。

（4）分段收到相連母線上普通出線的閉鎖信號，則轉發給相鄰分段。

（5）故障切除后瞬時收回閉鎖信號，或是在饋出線路或分段拒跳時收回閉鎖信號（判斷條件為跳閘發出后500 ms依然有流）。

3　站域保護中簡易母線動作分析

以1號變帶3段母線運行方式為例，接線方式如圖10所示。

圖10　1號變帶三段母線

3.1K13區外故障

（1）小電源1L1、普通出現1Ln過流，向分段FD1、變低1DL發閉鎖信號，因小電源線路和普通線路同時發閉鎖信號，所以不會先跳小電源1L1。

（2）小電源2L1過流，向分段FD1、分段FD2發閉鎖信號；小電源3L1過流，向分段FD2發閉鎖信號；此時因小電源線路和普通線路不同時發閉鎖信號，可能會引起分段FD2母線保護單元動作先跳小電源2L1，3L1。

（3）分段FD1收到1Ln普通線路閉鎖信號后向分段FD2轉發閉鎖信號；有效地閉鎖了分段FD2母線保護動作，確保不會誤跳小電源2L1，3L1。

（4）分段FD1過流，向變低1DL發閉鎖信號；分段FD2過流向分段FD1發閉鎖信號。

（5）若出線1Ln自身保護動作跳開則故障切除。

（6）若出線1Ln拒跳則500 ms后收回閉鎖信號，分段FD1不再給分段FD2轉發閉鎖；分段FD2過流，繼續閉鎖分段FD1；分段FD1過流，閉鎖變低1DL。由于分段FD1不再閉鎖分段FD2母線保護，則分段FD2母線過流動作跳小電源2L1，3L1。隨著小電源2L1，3L1的切除，分段FD2，FD1將不再過流，不再閉鎖變低1DL母線保護，變低1DL母線保護過流動作將先跳小電源1L1，再跳分段FD1，最后跳開變低1DL，切除整段母線。

3.2K1區內故障

（1）小電源1L1過流，向分段FD1，1DL發閉鎖信號；小電源2L1過流，向分段FD1，FD2發閉鎖信號；小電源3L1向分段FD2發閉鎖信號。

（2）普通線路1Ln不過流，不發閉鎖信號，所以分段FD1不向FD2轉發閉鎖。

（3）分段FD1過流，向變低1DL發閉鎖。

（4）分段FD2過流，向分段FD1發閉鎖。同時分段FD2母線保護動作跳小電源2L1，3L1。

（5）小電源2L1，3L1小電源切除后，分段FD1不再過流，不再閉鎖變低1DL，則變低1DL母線保護動作先跳先1L1，再通過100 ms加速跳分段FD1及變低1DL。切除母線故障。

其余的故障類型動作分析與上述相似，不再累述。

4　工程應用

基于站域保護的簡易母線在國網2013年新一代智能化變電站試點項目武漢110 kV未來城變電站中進行了安裝、調試、運行。

未來城變電站有110 kV/10 kV 2個電壓等級，110 kV為單母分段接線，本期2臺主變（兩圈變，低壓側雙分支)，2條進線，1個分段；遠期4條進線，3臺主變；本期10 kV共4段母線（環形首尾分段相連），2個分段，24條出線，4組電容和2臺站用變，遠期10 kV共6段母線（環形首尾分段相連），3個分段，36條出線，6組電容和2臺站用變，具體接線如圖11所示。

未來城的主接線相當復雜，饋出、電源間隔數量多，設備間配合復雜邏輯復雜，特別是項目本身分兩期建設，需考慮遠景擴容問題。傳統的接點配合方式簡易母線保護，或是智能站中分散功能的簡易母線保護實施起來難度很大。

武漢未來城項目采用了站域保護實現簡易母線功能，采用三網合一、網采網跳組網方案，簡化網絡結構，降低設備投入；采用VLAN和靜態組播相結合的方式，優化網絡流量，降低了網絡風暴對設備功能的影響；站域保護通過SV/GOOSE/MMS合一的網絡，直接采集電源間隔電流及相關間隔閉鎖信號，各間隔間的邏輯配合全部在站域保護中實現，站域保護與外部間隔之間配合邏輯簡單清晰，大大減少了現場調試維護工作量，也有利于遠景系統擴建。

圖11　武漢110 kV未來城項目主接線

武漢未來城的站域保護基于全站信息的綜合判斷，在實現10 kV低壓系統簡易母線功能的同時，也具備110 kV線路冗余保護（含重合閘、不含光差保護）、110 kV分段保護、主變低壓側后備保護優化功能（加速主變低壓側過流保護，縮短后備保護切除故障時間），站域備自投、主變過載聯切、低周減載緊急控制等功能，充分地發揮了智能化變電站信息共享的特點。與此同時預留了廣域保護的接口，為今后的功能擴展打下了基礎。

5　結束語

針對變電站低壓母線保護實現難點，充分發揮智能化變電站信息共享的優勢,提出一種基于站內聯鎖信息的站域保護，通過全站信息的判斷決策實現簡易母線保護功能。應用GOOSE通信機制，三網合一技術，解決簡易母線保護回路復雜，設備投資大等問題。通過實施方案、原理，動作過程分析，驗證了通過站域保護實現簡易母線的優勢及可行性，并展現出站域保護多功能集成的應用前景。

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魏承志（1984），男，福建三明人，工程師，從事直流輸電技術、電能質量分析與控制等方面的研究工作；

王凱（1979），男，江蘇南京人，高級工程師，從事電力系統繼電保護及智能化變電站設計研究工作；

文安（1965），男，四川南充人，中國海外高層次千人引進計劃的高級技術專家，從事電網控制保護和柔性直流輸電等方面的研究工作；

李陽（1984），男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統繼電保護及智能化變電站設計研究工作；

趙曼勇（1957），女，教授級高級工程師，從事繼電保護生產運行管理及研究工作；

黃維芳（1986），男，江西宜春人，工程師，從事電網控制保護方面的工作；

牟敏（1987），女，陜西寶雞人，工程師，從事柔性直流輸電技術、電能質量分析與控制等方面的工作。

Study on Substation-area Protection Based Simple Bus Protection

WEI Chengzhi1, WANG Kai2, WEN An1, LI Yang2, ZHAO Manyong1, HUANG Weifang1, MOU Min1
(1. Southern Power Grid Power Dispatch Control Center, Guangzhou 510623, China；2. Nanjing Nari-Relays Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China)

Abstract：According to the demand of low voltage busbar protection in substation, the function of the simple bus protection is realized by using the substation-area protection based on the information of the station. Through the analysis of the difficulties of the existing low voltage busbar protection, with the application of the smart substation technology, the design of the simple bus implementation scheme, the principle and the action process analysis are given. The implementation scheme has been applied in the new generation of smart substation, which proves the reliability and technical superiority.

Key words：smart substation；simplified；substation-area protection；tri-networks integration

作者簡介：

收稿日期：2015-10-13；修回日期：2015-11-30

中圖分類號：TM773

文獻標志碼：B

文章編號：1009-0665（2016）02-0072-05