基于高可靠性冗余環網通信的中壓母線差動保護研究

侯 煒 董凱達 宋志偉 陳 俊

基于高可靠性冗余環網通信的中壓母線差動保護研究

侯 煒 董凱達 宋志偉 陳 俊

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

本文介紹了一種基于高可靠性冗余環網通信的中壓母線差動（簡稱“母差”）保護技術，采用單間隔綜合保護裝置完成各自信息采集，將母差保護所需的信息通過環網發送至母差保護裝置，母差保護動作后跳閘指令也通過環網到達各單間隔綜合保護裝置，在不增加電流互感器和接線的情況下實現母差保護功能。母差保護裝置體積小、質量輕，可在斷路器柜直接安裝，測試表明，可以實現一個環網內30個間隔的母差保護功能。

高可靠性冗余環網；中壓；母線差動保護；差動電流同步

0 引言

我國6～35kV中壓系統基本采用斷路器柜安裝方式，所有饋出回路均為線路、低壓變壓器或電動機。考慮到與下級保護配合，所有進線的保護均無法配置電流速斷保護等快速保護，尤其是工業企業6kV/10kV進線，保護定值整定需要躲過本分支母線所需參與自起動的電動機自起動電流之和、躲過本分支母線上最大容量電動機起動電流、與下一級速斷或限時速斷的最大動作電流配合及與熔斷器-接觸器（fuse-contactor, FC）回路最大額定電流的高壓熔斷器瞬時熔斷電流配合整定。由于工藝需求，一般情況下，一段母線上電動機數量較多，且有部分大型電動機，因此進線過電流保護整定值較高。當發生母線故障時，現有保護不能快速、靈敏地切除故障，必將對電網和各類型廠礦企業生產帶來很大的影響[1-4]。

針對上述情況，本文提出一種基于環網分散式采樣的母線差動（簡稱“母差”）保護方法，利用斷路器柜上的單間隔保護裝置采集的信息，通過高可靠性冗余（high-availability seamless redundancy, HSR）環網與母差保護裝置通信，以解決中壓母線無快速保護的問題。

1 中壓母線常規保護方案

6～35kV斷路器柜內只有一組保護電流互感器（current transformer, CT），且廠礦企業6kV/10kV系統每段母線間隔數較多，難以配置傳統母差保護；此外，斷路器柜為封閉母線的方式，母線故障相對較少，因此，現有絕大部分情況下，母線故障只有靠進線的延時過電流保護動作將故障切除。雖然封閉母線故障較少，但由于絕緣老化、誤操作等原因，母線故障案例還是時有發生[1-2]，柜體燃弧起火，帶來了嚴重的經濟損失。

隨著各類型用戶對中壓母線保護的重視，采用電弧光保護或簡易母線保護方案作為中壓母線快速保護的案例得到了部分應用[5-7]。

1.1 電弧光保護

電弧光保護通過安裝在斷路器柜中的母線室和斷路器室的電弧光傳感器實時監測故障電弧光，在發生電弧光故障時，快速切除母線進線或者分段斷路器，從而切除母線故障。

KYN—28型斷路器柜結構示意圖如圖1所示，斷路器柜電纜出線故障由本間隔保護切除，且只能反應電纜室CT下方的故障，而現有電弧光保護方案中每面斷路器柜一般只在母線室或母線室及斷路器室安裝電弧光傳感器，在這種情況下，當圖1中F1點發生故障時，電弧光保護無法動作，此時饋線電氣量保護也無法動作。

圖1 KYN—28型斷路器柜結構示意圖

建議在電纜室也安裝電弧光傳感器（3號傳感器），3號傳感器感受電弧光信號并且在母線電流有突變后，跳本間隔斷路器。此時，需要電弧光保護具備多路出口分別跳饋線開關，或者將3號傳感器接入各間隔綜合保護裝置，通過電弧光保護與綜合保護裝置信息交互完成故障間隔的切除，一般情況下需要采用同一廠商的產品，應用案例極少。

1.2 簡易母線保護

簡易母線保護由各饋出線保護的閉鎖信號與進線保護的過電流保護配合完成。其基本原理是：使用進線的過電流保護功能，并通過各饋線的保護啟動信號對其進行閉鎖；當母線區外故障時，相關保護能夠發出閉鎖信號閉鎖簡易母線保護，且在判斷相關斷路器失靈的情況下收回閉鎖信號；區內故障時，相關保護不發出閉鎖信號，簡易母線保護可以快速動作切除進線斷路器[7-8]。

1.3 電弧光保護和簡易母線保護的不足

從1.1節描述可看出，要想電弧光保護實現完全無死區的母線保護，需要每個斷路器柜配置3個電弧光傳感器，針對已投運電站，增加電弧光傳感器和相應的采集、跳閘通道，工作量較大；而且，在開關柜各小室密封不嚴的情況下，不同區域的電弧光探頭可能都會監測到故障電弧光，引起保護誤動。

1.2節的簡易母線保護可將母線故障的切除時間由500ms以上變為50ms以下，但是工業企業中部分母線上可能會有余熱或余壓發電機，在母線故障時，會向故障點提供短路電流；此外，母線上的大型電動機也會有反饋電流，在實際應用簡易母線保護時，需要專業人員對簡易母線保護閉鎖邏輯進行現場組態，且發電機保護的閉鎖信號須增加方向判別、電動機保護閉鎖信號須躲過電動機的自起動電流，一旦整定不合適，可能會誤閉鎖或越級跳閘。

2 基于高可靠性冗余環網通信的母差保護

電弧光保護和簡易母線保護在實際使用中存在一些不足，母差保護可以更好地保護母線。如果采用集中式母差保護裝置，需通過電纜連接所有間隔的CT二次側、斷路器位置輔助觸頭及斷路器跳閘線圈，這會耗費大量電纜，使二次接線變得十分復雜；同時還需要CT具備兩組二次線圈，如果與單間隔綜合保護測控裝置共用一組CT，則會大大增加接線復雜度。因此，本文研究通過單間隔綜合保護測控裝置采集本間隔電流后采用HSR環網將母差保護所需的各間隔信息傳送給母差保護裝置，則新的分散采樣的母差保護裝置無需配置獨立的交流采樣插件、開關量采樣插件及跳間隔的出口插件，裝置體積及質量大大減小，可在斷路器柜直接安裝。

2.1 分布式采樣的母差保護方案

分布式采樣的母差保護由母差保護裝置和每個間隔的綜合保護測控裝置組成，每個綜合保護測控裝置通過電纜采集各自間隔的電流、開關位置及控制分合閘，母差保護裝置和綜合保護測控裝置之間通過通信技術實現數據共享，從而實現母差保護功能。在110kV及以上電壓等級的母差保護方案中出現過采用HSR的分布式母差方案，該方案由一個公共單元CU和多個間隔單元BU組成，但該方案在一個環網中的節點數較少，一般不超過8個[9-13]，一個BU需要通過電纜采集8個間隔的電流，這種方式仍存在BU和傳統單間隔保護共用CT、接線復雜的問題，而且這種分布式母差保護結構對于中壓母線來說，既不便于安裝，成本也太高，BU和單間隔綜合保護測控裝置需要共用CT，接線復雜，可實施性不大；如果單間隔綜合保護裝置與母差保護之間采用點對點星形網絡連接，則需要母差保護有較多的光纖接口，但廠礦企業一段中壓母線一般間隔數都較多，二三十間隔的情況比較普遍，因此此方案不可行，需要研究更合適的環網保護方案。

本文的目標是將一段或兩段母線組成一個環網，母差保護由母差保護裝置和多個單間隔綜合保護裝置配合完成，每個單間隔綜合保護裝置通過電纜采集本斷路器柜內的CT二次側電流線圈、斷路器位置輔助觸頭及斷路器跳閘線圈的信息，采用雙向光纖傳輸環形網絡結構，母差保護裝置與多個單間隔綜合保護測控裝置之間通過100Mbit/s以太網順序首尾相連形成雙向冗余環，完成母差保護計算。環內各節點為對等關系，負責環內報文的轉發、過濾及本節點信息的廣播發送。分布式母差保護安裝示意圖如圖2所示。

圖2 分布式母差保護安裝示意圖

2.2 多節點母差保護信息傳輸方案

HSR采用節點冗余技術，每個節點有兩個環形鏈接端口，形成環形拓撲，全雙向鏈路連接，即實現報文在鏈路層上的“雙發雙收”，網絡故障時實現零切換時間[14-15]。

環網內保護間傳遞的報文若采用標準的面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）和采樣值（sample value, SV）協議，環網中的流量將非常大，無法滿足廠礦企業間隔多的需求，而且中壓保護裝置一般只有100Mbit/s以太網口，網絡流量大，將進一步降低環網節點數量。因此，需要優化報文結構及信息傳輸方式。

單間隔保護將母差需要的本間隔信息通過單播方式傳輸，單間隔保護將包含自身環網標記的單播報文，通過兩個并行操作的端口，分別以“A幀”、“B幀”的方式發出。不轉發環網中由自身發出的報文；環網中其他單間隔保護接收到該單播報文后，直接轉發，自身不進行處理；母差保護收到環網中源設備的單播報文后，將先到報文中的環網標記刪除后傳輸至本機應用層使用，丟棄后到的報文，不對環網中的單播報文進行轉發。

母差保護動作后跳各間隔綜合保護裝置的報文采用多波報文，減少報文信息量，環網中單間隔綜合保護裝置將先后接收到的兩個報文幀進行比較，源地址相同且不與本設備地址相同，報文序號、應用標識相同且路徑標識不同的，此兩幀中的前一幀報文的應用數據傳輸至本節點應用層，環網內設備收到報文幀的源地址與本設備地址相同時，直接丟棄，既不上送，也不轉發；兩幀中的后一幀，由本節點直接向下一節點轉發。

為了提高報文數據傳輸效率，將不同類型的數據放在一幀報文內統一傳輸，應用數據格式為：模擬量為32bits數據加16bits品質，每個開關量為2bits數據加2bits品質；為了便于同步采樣數據，通道延時數據也要傳輸。以傳輸11個模擬量數據、32個開關量數據為例，則應用協議數據單元（application protocol data unit, APDU）數據長度共86字節，優化后的應用報文長度為115字節。應用報文幀格式和APDU格式定義分別見表1和表2。

源地址包含發送該報文的裝置的設備編號、母線編號及設備類型，母線編號表示該單間隔保護裝置所保護的斷路器連接的母線編號，設備類型分為支路間隔保護裝置和分段間隔保護裝置。源地址由4個字節組成，其中低位的2個字節表示設備編號，最高位的1個字節表示設備類型，中間的1個字節表示母線編號。

表1 應用報文幀格式

表2 APDU格式定義

對于單間隔綜合保護裝置，通道1為采樣延時數據，為裝置將電氣量信號轉化為數字量信號所用的時間，通道2～通道5分別為A相電壓、B相電壓、C相電壓和線路電壓的數據，通道6～通道8分別為A相電流、B相電流和C相電流，通道9～通道12為備用通道，通道13、14為32路開關量。為了使盡可能多的設備組成一個環網，滿足中壓母線差動的需求，適當降低數據傳輸速率，由于保護裝置采樣中短周期一般為1.2kHz左右，因此本方案將SV傳輸速率設置為2.4kHz，傳輸量包括用于母差保護的a、b、c相電流、母線電壓，剩余通道方便擴展其他功能。

優化后的一幀報文的長度為115字節，裝置按照2.4kHz的頻率發送報文，每個裝置產生的報文流量為2 208kbit/s，不考慮報文間隔時間及現場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）處理能力，理論上最多可以接入45臺具有100Mbit/s通信接口的裝置，可以滿足現場需求。

母差保護和單間隔綜合保護的APDU格式相同，但內容有所不同。母差保護不需要采集電氣量數據，無模擬量下發，其開關量通道為發送至各間隔的跳閘指令，報文通過多播方式下發。

2.3 差動電流同步

由于母差保護接收到的各間隔電流是通過HSR環網傳輸的，傳輸延時都不相同，若采樣數據不同步，將對差動保護產生影響[16]。一般10kV電壓等級斷路器柜安裝的綜合保護裝置都不配置可精確到1ms的對時網絡，因此只能通過自同步來同步數據。

本文引入傳輸延時修正域，延時時間由報文本身攜帶，大大提高母差保護同步處理能力。每經過一個節點修正一次，直到所有節點傳輸結束，再利用該延時進行修正處理，其計算式為

式中，為采樣延時（見表2通道1）。由于環網柜中所有的單間隔綜合保護裝置均采用同樣的采樣處理方式，因此式（2）可進一步簡化為

通過上述方法完成采樣時刻處理后，裝置對采樣數據的處理方式等同于點對點的直采模式，不需要依賴外部時鐘來保證采樣數據的同步性。一般情況下，保護裝置采用1.2kHz采樣頻率即可滿足保護所需的采樣精度要求，因此母差保護收到所有單間隔保護的2.4kHz環網數據后將其插值同步成1.2kHz數據用于母差保護計算。

2.4 完全母差保護

完全母差保護裝置采集各斷路器間隔的電流數據，通過比率差動元件來判斷故障，其動作判據為

由于中壓母線間隔數較多，而且存在部分間隔為小功率電動機的情況，此時進線CT和饋線CT電流比差別可能較大，母差保護要防止出線間隔區外故障導致饋線CT嚴重飽和情況下誤動的情況。針對上述情況，采用兩種防CT飽和的判據：①異步法CT飽和判據，由于CT飽和并不是立即出現的，區外故障時，制動電流先于差動電流出現，而區內故障時，制動電流、差動電流基本同時出現；②采用諧波制動原理判別，利用CT飽和時差流波形畸變和每周波存在線性傳變區的特點識別區外故障。

3 實時數字仿真驗證

按照常規單母分段典型接線，搭建了實時數字仿真（real time digital simulation, RTDS）模型，如圖4所示。無窮大電源通過110kV/10kV變壓器連接10kV的兩段母線，每段母線有3條支路。支路采用RTDS中的p模型，支路中既有架空線路，也有電纜線路，架空線路按照LGJ—185/30取其參數，電纜按照YJV22—120取其參數。

圖4 RTDS模型

為驗證HSR環網的接入能力，共使用了30臺單間隔綜合保護裝置及1臺母差保護裝置，整個環網節點數為31，所有裝置之間通過100Mbit/s光纖冗余以太環網進行連接，如圖2所示。裝置全部上電，HSR環網數據收發正常，未出現斷鏈、失步等現象。

由于RTDS系統節點容量的限制，并未在所有的保護裝置上加量，僅對兩段母線的2個進線開關、6個出線開關及一個分段開關做了加量仿真試驗。RTDS試驗對并列、分列運行方式下的母線區內、區外的相間故障、接地故障、轉換性故障、CT飽和、CT斷線、PT斷線、死區故障、振蕩、系統側變頻及環網一點斷開情況下的故障等各類故障進行了共計181次模擬試驗，動作結果均正確，且動作時間與傳統集中式母差保護基本一致。

圖5為模擬在母線分列運行狀態下的Ⅰ母區內AB相間故障的波形，圖6為模擬在母線并列運行狀態下5DL區外C相接地故障轉區內AB相間故障的波形。圖中S1UA、S1UB、S1UC為Ⅰ母的三相電壓，S2UA、S2UB、S2UC為Ⅱ母的三相電壓，IS1A、IS1B、IS1C為S1開關的三相電流，IS2A、IS2B、IS2C為S2開關的三相電流，IS3A、IS3B、IS3C為S3開關的三相電流，IL1A～IL6C為1DL～6DL開關的三相電流，S1PT1～L6PT1為各個開關的跳閘信號。

圖5 母線分列運行狀態下Ⅰ母區內AB相間故障波形

從圖5可以看出，故障發生在0ms，而跳閘信號的上升沿在27ms左右，除去RTDS的信號確認時間20ms和保護裝置的出口繼電器閉合時間2～3ms，工頻變化量母差保護的動作時間在4～5ms左右，與傳統集中式母差保護動作時間相當。

圖6區外故障發生在0ms，5DL C相故障，差動保護不動作，大約30ms處轉為區內AB相間故障，在57.6ms出口跳閘，從發生區內故障到保護動作的時間為27.6ms，除去RTDS的信號確認時間20ms和保護裝置的出口繼電器閉合時間2～3ms，工頻變化量母差保護的動作時間在4.6～5.6ms左右。

運行中，斷掉31個節點其中任一段光纖，裝置會報出通道異常，但差流為0，不會引起保護啟動或誤動作。

基于本方案的母差保護已在深圳某110kV變電站的10kV母線投入運行超過一年半，運行一切正常，尚未有母線故障導致保護動作，也未出現誤報警或誤動作情況。

圖6 母線并列運行狀態下轉換性故障波形

4 結論

本文提出了基于高可靠性冗余環網的中壓母差保護方案，解決了斷路器柜方式的中壓母線難以實現快速保護的難題；母差保護采用分布式信息采集及出口方式，單環可接入30個間隔以上。以試驗中的30間隔為例，傳統母差需要2臺裝置才可完成，南瑞繼保PCS—915母差裝置一臺的質量為36.6kg，兩臺質量為73.2kg，采用本方案后，由于母差保護無需配置CT采樣插件，質量降至7kg內；傳統方案中，2臺母差高度為8U（1U=44.45mm），寬度為482.6mm，采用本方案后，高度降為6U，寬度減小為144mm；采用本方案后，裝置質量減少90%以上，高度減少25%，寬度減少70%，可在斷路器柜內安裝，具有廣闊的應用前景。

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Research on medium-voltage busbar differential protection technology based on high-availability seamless redundancy communication

HOU Wei DONG Kaida SONG Zhiwei CHEN Jun

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

This paper introduces a medium-voltage busbar differential protection technology based on high availability seamless redundancy (HSR) network communication, which adopts single bay combination protection device to complete their own information collection and sends the information required by bus differential protection to busbar differential protection device through the HSR network. After busbar differential protection acting, tripping instructions are also sent to each single bay combination protection device through the HSR network without adding CT or wiring. The busbar differential protection device is small in size and light in weight, which can be directly installed in the switchgear. The test shows that it can realize the busbar differential protection function of 30 bays in a ring network.

high-availability seamless redundancy (HSR) ring network; medium-voltage; busbar differential protection; differential current synchronization

2021-01-06

2021-01-21

侯 煒（1979—），男，山西省陽泉市人，碩士，高級工程師，主要從事電力系統繼電保護及控制技術研究工作。