就地化分布式母線保護性能分析

陳琦，陳福鋒，張堯，王永旭，唐治國

(1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210003；2.南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153)

就地化分布式母線保護性能分析

陳琦1,2，陳福鋒1,2，張堯1,2，王永旭1,2，唐治國1,2

(1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210003；2.南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153)

介紹了目前已有的分布式母線保護方案，并將環網無主機式結構的就地化分布式母線保護與傳統的集中式母線保護裝置，從繼電保護的四性(可靠性、速動性、選擇性、靈敏性)等方面進行了對比分析。通過分析和試驗發現，就地化分布式母線保護在可靠性與速動性方面比傳統母線保護存在優勢，選擇性和靈敏性上兩者性能相同。同時，就地化分布式母線保護在安裝和運行維護方面也有一定的優勢。通過各項性能的對比，認為就地化分布式母線保護有潛力取代傳統集中式母線保護，是未來新一代智能變電站母線保護的發展方向。

智能變電站；繼電保護；就地化；分布式母線保護；環網；無主機式

0 引言

隨著智能電網的發展，新一代智能變電站正慢慢興起，繼電保護被劃分為廣域級、站域級和就地級，母線保護屬于就地級[1]，傳統的集中式母線保護已經不能適應就地下放的要求，而就地化分布式母線保護因其面向間隔、可就地安裝等特點，開始顯現出在新要求下的優勢和應用前景。

目前，集中式母線保護主要分為電纜采樣、電纜跳閘的常規保護裝置和數字采樣、面向通用對象的變電站事件(GOOSE)跳閘的數字保護裝置2種。常規裝置與電流互感器(CT)、斷路器通過電纜連接，存在從CT二次繞組到保護小室距離長， CT二次阻抗較大，不利于防止CT飽和的問題。變電站內電磁干擾大，過長的電纜也使得模擬信號容易受到干擾。數字裝置通過合并單元采樣，智能終端跳閘，中間多了2個環節，降低了保護的可靠性和速動性，尤其是目前合并單元性能不穩定，容易出現飛點、丟幀等異常現象導致保護誤動作。除此之外，隨著電力系統的發展，變電站規模越來越大、出線越來越多，使得母線保護所處理的數據量越來越大，對保護的處理器提出了更高的要求，勢必使保護裝置硬件結構更加復雜，這也降低了裝置的可靠性[2]。

就地化分布式母線保護面向間隔就地安放在開關場，分布式數據采集，保護裝置內部采用光纖通信，大大縮短了與CT和斷路器的距離，提高了抗干擾能力。就地化分布式母線保護還可以實現分布式計算，減少處理器的負擔，簡化硬件回路，增加裝置可靠性。由于其面向間隔，使得后期擴建時只需在擴建間隔增加分布式子機，大大提高了保護的可擴展性，并且進一步利用其面向間隔的分布式結構，可以將母線保護功能擴展，便于與線路保護和主變壓器(以下簡稱主變)保護進行縱向集成。

關于就地化分布式母線保護已經有很多研究[3-17]，目前國內外的繼電保護廠家也已經研制出分布式母線保護產品，不過這些產品尚不能達到無防護就地化安放的要求。

1 就地化分布式母線保護

目前提出的就地化分布式母線保護分為有主機式和無主機式，有主機式由一個主單元和面向各個間隔安放的子單元構成，子單元負責采樣和執行主單元的指令，主單元獲取子單元的采樣值進行保護邏輯計算；無主機式沒有主單元，每個面向間隔安放的子機對等，各個子機各自采樣，共享數據，獨立運算。保護各個裝置的通信架構又可以分為星形網和環網，綜上所述共有如下3種類型的保護裝置。

(1)星形中心主機式如圖1所示，主機負責運算和與后臺通信，子機負責采樣和執行，該方案與目前智能變電站中母線保護加合并單元和智能終端的架構類似。

(2)環網有主機式如圖2所示，面向每個間隔安放一個子機，子機負責采樣、刀閘位置獲取和執行主機命令，再安放一個專門負責計算和與后臺通信的主機，各個裝置間通過光纖環網傳輸數據。

(3)環網無主機式如圖3所示，面向每個間隔安放一個子機，子機與外部通過電纜進行采樣和開關量收發，子機間通過雙向光纖環網數據，各個子機獨立進行保護邏輯運行判斷，在子機中選擇2個子機與后臺通信，互為備用。為了提高可靠性，子機間采用兩路獨立的雙向光纖通信。

圖1 星形中心主站式母線保護

圖2 環網有主站式母線保護

圖3 環網無主站式母線保護

可以看到，星形中心主機式與現有數字變電站母線保護的結構類似，優勢不明顯，就地化分布式母線保護中不應再考慮這種方案。環網方式因其結構簡單清晰，單裝置接口數量少，相比于傳統母線保護更適合保護就地化的要求。環網有主站式實現簡單，子機不需要進行保護計算，硬件結構簡單，但若因檢修或故障導致主機退出運行則整個母線保護會失去中心而退出運行。相比而言，環網無主站式實現復雜，每個子機都需要進行保護計算，子機硬件復雜度也會提高，但該模式下任一子機檢修或故障時，可以用光旁路開關將該子機在環網中隔離，不影響其他間隔的繼續運行，并因每個子機都具備保護功能，其后期的功能可發展性更強，所有從長遠來看，環網無主機式母線保護是未來的發展方向。

基于上文分析，下面選擇采用雙光纖環網的無主機式結構的就地化分布式母線保護與傳統的集中式母線保護裝置，從繼電保護的四性(可靠性、速動性、選擇性、靈敏性)等方面進行對比分析。

2 分布式與集中式母線保護性能對比

2.1可靠性

可靠性包括安全性和信賴性，是對繼電保護性能的最根本要求，取決于保護裝置本身的研發、制造質量以及保護回路的連接和運行維護水平。母線保護誤動會嚴重影響電力系統運行的安全性,需要保證裝置不誤動。影響繼電保護可靠性的主要有如下因素[18-21]：(1)裝置硬件——與裝置的硬件數量、質量和設計等有關；(2)裝置軟件——分布式與集中式保護算法原理相同，且分布式單個裝置計算量小，冗余度大，可靠性會更高一點；(3)互感器等一次相關設備；(4)二次回路——分布式母線保護面向間隔就地安放，電纜長度短，相比于集中式裝置發生故障概率小，且子機之間采用雙環網光纖通信，有冗余，且有自我監視及報警功能，安全可靠；(5)繼電保護定值設置。

分析上述因素可知，對比二者的可靠性，重點在于裝置硬件的可靠性。首先對比二者的故障率，故障率與裝置的元件數量和質量有關，假設二者為實現相同功能使用的元件相同，硬件設計相似，并且分布式裝置是將集中式裝置的功能元件拆分安放。

最大支持n個間隔的集中式元件數量

Asum=A0+An，

(1)

式中：Asum為元件總數量；A0為裝置上與間隔數量無關的元件數量，包括電源，處理器等；An為與間隔數量相關的元件數量，包括互感器，開入開出等。

分布式裝置子機可以近似認為，分布式保護單個子機由與集中式裝置相同的、與間隔數量無關的元件A0和與間隔數量相關的An的1/n構成。子機間由光纖連接，但因其使用雙環網冗余結構，且具備自檢功能，能及時發出異常告警，任一光纖回路中斷不會使保護退出運行，且2個環網同時中斷的概率可以不考慮，所以可以忽略環網光纖的故障率，因此分布式單個子機元件數量

A1=A0+An/n，

(2)

則整個分布式母線保護元件數量

Asum1=nA1=nA0+An，

(3)

假設每個元件的故障率分別為λ1，λ2，…，λk，則集中式裝置的故障率

λ=1-(1-λ1)(1-λ2)…(1-λk)。

(4)

通過近似簡化，并結合式(1)，故障率可近似表示為

(5)

集中式裝置任一元件故障則整個保護退出運行，而分布式裝置由于單個子機故障只影響本身間隔的運行，通過光旁路開關將故障間隔隔離，其他間隔繼續運行，因此，對于母線而言其故障率應該是裝置故障率的1/n，即

(6)

可以看到，分布式母線保護裝置的故障率要低于集中式裝置，而且隨著間隔數量的增長，故障率差別增大。

裝置故障后的退出運行時間也是可靠性的重要指標，在故障后，就地化分布式母線保護裝置因其采用預制電纜，即插即用，且面向間隔，子機結構簡單，因此修復和檢修的時間都會短于集中式保護裝置。

同時，可靠性也應該以裝置故障后造成的損失作為評判標準，對于集中式裝置而言，其因故障導致的誤動會使整個母線跳閘，而分布式裝置由于采用與集中式裝置相同的算法和原理，兩者的誤動概率一致，但由于間隔子機動作只跳對應間隔，對系統造成的沖擊和造成的損失要小得多。

綜上可知，就地化分布式母線保護裝置的可靠性要高于傳統集中式母線保護。

2.2速動性

速動性是指盡可能快地切除故障，以減少設備及用戶在大短路電流、低電壓下運行的時間，降低設備的損壞程度，提高電力系統并列運行的穩定性。下面對集中式常規裝置、集中式數字裝置和分布式裝置進行速動性比較。

集中式常規保護裝置通過電纜進行采樣和保護動作出口，架構如圖4所示，電信號在電纜中的傳播速度接近于光速，延時可以忽略，系統的采樣和跳閘邏輯集成在保護裝置中，中間環節造成的延時基本為0。整個系統的動作時間t為A/D轉換時間(可忽略)、保護邏輯判斷時間和出口繼電器動作時間之和

t=tL+tR，

(7)

式中：tL為保護邏輯判斷時間；tR為繼電器動作時間。tL與保護算法有關，目前母線區內故障(1.5倍差動定值)tL在10 ms左右，tR在5 ms左右。

圖4 集中式常規保護架構

集中式數字保護裝置通過合并單元采樣，智能終端跳閘出口，架構如圖5所示，相比于圖4所示的架構，增加了合并單元和智能終端兩個中間環節，忽略光纖上數據傳輸時間，相比于集中式常規保護，保護動作時間增加了合并單元延時、智能終端延時以及主機到子機到智能終端的GOOSE轉發的時間。其中，合并單元延時主要包括：合并單元從模擬量輸入到轉換生成采樣值(SV)報文并輸出，保護裝置接收到SV報文進行解析，并進行插值重采樣然后發送給保護邏輯單元。智能終端延時為,從保護發送GOOSE報文到智能終端收到報文，解析報文后繼電器出口時間[22]。所以，整組動作時間

t=tM+tL+tI+tT，

(8)

式中：tM為合并單元延時；tI為智能終端延時；tT為GOOSE傳輸延時。一般而言，tM平均時間為2 ms左右，tI平均時間為6～8 ms，tT平均時間為2～3 ms。

圖5 集中式數字母線保護

分布式保護裝置各子機負責本間隔的跳閘，對外通過電纜進行采樣和保護動作出口，裝置內部采用雙向光纖傳輸數據，架構如圖6所示，其與圖4架構相比，增加了保護內部子機間的通信時間，所以整組動作時間

t=tL+tP+tR，

(9)

式中：tP為子機間的采樣值傳輸時間，此時間與環網中子機的數量有關，目前已有產品采用千兆光纖的高速環網，能保證在接入不大于36間隔子機時最大延時不超過1 ms。

圖6 分布式保護架構

因三者算法相同，所有保護邏輯時間tL沒有差別，差別主要源于其他中間環節。通過上面分析比較可以看到，傳統集中式常規保護裝置因沒有中間延時，動作時間最短；而目前在智能變電站中大量使用的集中式數字保護裝置，因增加了2個中間環節導致其動作時間比常規保護長7 ms左右；就地化分布式母線保護裝置，因子機間數據傳輸導致動作時間相比于集中式常規保護延遲約1 ms，但相對于集中式數字保護裝置，仍有6 ms左右的優勢。

在實驗室搭建環境組裝上述3種裝置(含合并單元、智能終端)分別進行動作時間測量試驗，三者加同樣的故障量(1.5倍差動電流定值)，測量整組動作時間，測量10次取平均值，結果見表1。

表1 3種保護動作時間 ms

綜上所述，就地化分布式母線保護裝置速動性相對于集中式常規保護有少許延時，但相對于目前智能變電站大量使用的集中式數字保護裝置有明顯的優勢，可以有效提高新一代智能變電站母線保護的速動性。

2.3選擇性

選擇性是指保護裝置動作時應在最小的區間內將故障從電力系統中斷開，選擇性與保護算法的原理和電流電壓互感器的安放位置有關。

集中式母線保護和就地化分布式母線保護的差動保護算法原理相同，計算母線“大差”和“小差”的方法以及制動系數均一致。母線“大差”是指除母聯開關和分段開關外所有支路電流所構成的差動回路，用于判別母線區內和區外故障。 某段母線的“小差”是指該段母線上所連接的所有支路(包括母聯和分段開關)電流構成的差動回路，作為故障母線選擇元件。保護判據如下：

Id≥I1，

(10)

Id≥K1Ir，

(11)

實際工程中，該算法再結合母線電壓閉鎖、CT飽和判斷和CT二次斷線判斷閉鎖功能，能準確判斷區內和區外故障。

就地化分布式母線保護與傳統的集中式母線保護的CT安裝位置相同，即在相同的位置采樣，而且兩者獲取的刀閘位置和保護算法均相同，所以二者選擇性相同。

2.4靈敏性

靈敏性是指對于其保護范圍內發生故障或不正常運行狀態的反應能力。與上文選擇性中的分析相似，集中式與分布式母線保護所采用的差動比例制動，以及輔助的電壓閉鎖，CT飽和判斷和CT二次斷線判斷閉鎖等算法都是相同的，而且CT與PT安放的位置也相同，在保護定值整定相同的情況下，二者的靈敏性也沒有差別。

2.5其他方面

在上述4個方面之外，由于就地化分布式母線保護裝置采用預置電纜實現了即插即用，大大提高了安裝效率和正確率，減少了安裝、運行和維護時誤接線、誤碰線導致的保護誤動作，同時也可以改進運維模式，采用工廠化調試和更換式檢修，大幅減少二次設備安裝、調試和檢修時間。

隨著繼電保護的發展，一、二次設備融合也是未來的發展方向，集中式母線保護不面向間隔，無法實現融合，而就地化分布式母線保護面向間隔的架構使其未來可以實現間隔縱向集成裝置，促進一、二次設備融合進一步發展。

3 結論

通過以上多個方面的對比，就地化分布式母線保護在可靠性和速動性上與傳統集中式母線保護相比有明顯優勢，選擇性和靈敏性上與傳統集中式母線保護性能相同，經濟性上目前還存在劣勢，但隨著智能變電站的發展和就地化的推動，分布式母線保護經濟性上的優勢顯現，并且就地化分布式母線保護還有安裝、運行維護和其他方面的優勢。因此，就地化分布式母線保護是未來母線保護的發展方向。

[1]宋璇坤,劉開俊,沈江.新一代智能變電站研究與設計[M].北京:中國電力出版社,2014: 146-147.

[2]沈健,宋斌,張道農,等.智能變電站測控與同步相量測量集成裝置研制[J].電力科學與技術學報,2016,31(3):3-7.

[3]許漢平,吳俊鵬,葉婧,等.數字化變電站繼電保護動作全過程仿真系統研究與開發[J].電力科學與技術學報,2015,30(4):12-17.

[4]王慧陽.基于IEC 61850標準的分布式母差保護的研究[D].西安：西安科技大學,2009.

[5]李斌,馬超,賀家李,等.基于IEC 61850的分布式母線保護方案[J].電力系統自動化,2010,34(20):66-70.

[6]鄒貴彬,王曉剛,高厚磊,等. 新型數字化變電站分布式母線保護[J].電力自動化設備,2010, 30(11):94-97.

[7]操豐梅,宋小舟,秦應力.基于數字化變電站過程層的分布式母線保護的研制[J].電力系統自動化,2008, 32(4):69-72.

[8]段建東,張保會,張勝祥.利用線路暫態行波功率方向的分布式母線保護[J].中國電機工程學報,2004, 24(6):11-16.

[9]王攀峰,張克元,文明浩,等.應用于數字化變電站的分布式母線保護的研究[J].電力系統保護與控制,2009, 37(13):68-71.

[10]劉偉,倪傳坤,楊恢宏,等.智能變電站分布式母線保護實現方案[J].電力系統保護與控制, 2011, 39(16):139-141，146.

[11]董杏麗,徐瑞東,薄志謙,等.分布式母線保護技術及實現[J].繼電器,2005, 33(14):19-22.

[12]王風光,焦彥軍,張新國,等.一種分布式母線保護的新型通信方案[J].電網技術, 2005, 29(21):76-78，84.

[13]孫偉兵.面向智能變電站的分布式母線保護研究[D].濟南：山東大學,2012.

[14]周小波,汪思滿,吳正學,等.環網分布式母線保護裝置就地化實現探討[J].電力系統保護與控制,2015, 43(6):104-108.

[15]朱林,蘇盛,段獻忠,等.基于IEC 61850過程總線的分布式母線保護研究[J].繼電器,2007, 33(s1):40-44.

[16]李營.分布式微機母線保護的研究[D].保定:華北電力大學,2000.

[17]唐治國,汪思滿,康豐,等.多級級聯分布式母線保護方案[J].電力自動化設備,2012,32(11):136-141.

[18]馬超.基于IEC61850的分布式母線保護研究[D].天津:天津大學,2009.

[19]李偉.分布式微機母線保護的研究[D].成都:西南交通大學,2008.

[20]周玉蘭,王玉玲,趙曼勇.2004年全國電網繼電保護與安全自動裝置運行情況[J].電網技術，2005，29(16)：42-48.

[21]周玉蘭，詹榮榮，舒治淮，等.2003年全國電網繼電保護與安全自動裝置運行情況與分析[J].電網技術，2004，28(20)：48-53.

[22]戴志輝.繼電保護可靠性及其風險評估研究[D].北京:華北電力大學，2012.

[23]王同文,謝民,孫月琴,等. 智能變電站繼電保護系統可靠性分析[J].電力系統保護與控制,2015,43(6):58-66.

[24]龐福濱,楊毅,袁宇波,等.智能變電站保護動作時間延時特性研究[J].電力系統保護與控制,2016,44(15):86-92.

(本文責編：白銀雷)

2017-03-15；

：2017-04-22

TM 772

：A

：1674-1951(2017)06-0006-04

陳琦(1985—)，男，江蘇鹽城人，工程師，從事繼電保護與控制技術領域的研發工作(E-mail:carl-qi.chen@sac-china.com)。

陳福鋒(1979—)，男，江蘇宜興人，高級工程師，從事繼電保護與控制技術領域的研發工作。

張堯(1984—)，男，陜西商洛人，工程師，從事繼電保護與控制技術領域的研發工作。