母線是電力系統(tǒng)中的樞紐元件，母線故障的不及時切除將會對系統(tǒng)的供電可靠性造成嚴重影響，根據GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》規(guī)定，110kV及以上電壓等級的母線及35～66kV的重要母線，需要配置母線保護裝置。

微機型母線保護裝置是目前在電力系統(tǒng)內應用最為廣泛的母線保護裝置類型，分為集中式母線保護裝置和分布式母線保護裝置兩種類型。

集中式母線保護裝置由一臺裝置完成對目標母線的保護，需要接入被保護母線上所有間隔的模擬量及開關量；分布式母線保護裝置由一臺主機加多臺子機完成對目標母線的保護，子機數目與母線上的間隔數目相等，單臺子機只需要接入單個間隔的模擬量及開關量，主機通過光纖與子機進行點對點通信，獲得母線上所有間隔的模擬量及開關量，主機負責完成保護功能，子機負責模擬量及開關量的采集和出口跳閘。

集中式母線保護裝置硬件架構簡單，工作穩(wěn)定可靠，在國內電網企業(yè)中有非常廣泛的應用，但是與分布式母線保護裝置相比，集中式母線保護裝置也存在一定的劣勢：

1）端子排布置密集，屏內接線復雜，長距離敷設的電纜間易產生干擾；2）間隔檢修過程中，在母線保護屏內進行二次安措的風險較高；3）變電站改擴建過程中，如果涉及母線主接線形式的變化，改造工作量及調試工作量較大，改造耗時較長；4）裝置硬件資源有限，可接入間隔數目有限，可擴展性不高。

對于規(guī)模較大的變電站，間隔距離較遠的抽蓄電站，以及鋼鐵、石化等主接線不標準的應用場合，上述問題更加突出，可以考慮使用分布式母線保護裝置。傳統(tǒng)分布式母線保護裝置的主機與子機間采用光纖點對點通信方式，主機需要配置與子機數量相等的光纖通信接口，一般在24個左右，光纖通信接口數量較多，存在以下四個問題：①主機功耗較高；②裝置在長期運行后穩(wěn)定性變差；③任一根光纖出現問題都會導致母線保護功能被閉鎖；④無法配置冗余的光纖通道以提高主機子機通信可靠性。由于存在上述問題，導致其工作穩(wěn)定性及可靠性比集中式母線保護裝置低。

為解決傳統(tǒng)分布式母線保護裝置存在的問題，本文開發(fā)新一代分布式母線保護裝置，采用組網通信方案、改進的采樣同步方案及先進的自適應主接線方案，以提高裝置工作穩(wěn)定性、可靠性及靈活性，此外，本文還對應用新一代分布式母線保護裝置的變電站改擴建方案進行介紹。

1 通信方式

1.1 新一代分布式母線保護裝置通信方式

為減少分布式母線保護裝置的主機光口數量，降低主機裝置功耗，提高主機與子機間的冗余通信能力，新一代分布式母線保護裝置采用光纖組網通信方式。

新一代分布式母線保護裝置通信方式如圖1所示，由主機及多臺子機構成，主機與子機的通信插件均具備兩組光纖收發(fā)接口（TX1/RX1及TX2/RX2），兩組光纖收發(fā)接口相對獨立，可靈活選擇雙網通信或單網通信。當選擇雙網通信時，主機與各子機的第一組光纖收發(fā)接口接于交換機1，第二組光纖收發(fā)接口接于交換機2；當選擇單網通信時，可只使用第一組光纖收發(fā)接口或第二組光纖收發(fā)接口。

1.2 與數字化母線保護裝置通信方式的差異

數字化變電站中母線保護裝置與合智裝置之間也可以通過組網通信方式進行通信，與本文的分布式母線保護裝置類似，但是二者在通信方式及同步方式等方面存在明顯差異，具體如下：

圖1新一代分布式母線保護裝置通信方式

1）通信協(xié)議不同。數字化母線保護裝置與合智裝置間采用標準的IEC 61850通信協(xié)議，基于過程層網絡并以面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）及采樣值（sampled value, SV）方式分別傳輸開關量及模擬量。新一代分布式母線保護裝置主機與子機間采用私有通信協(xié)議傳輸開關量及模擬量，不受IEC 61850通信協(xié)議的限制。

2）網絡負載不同。過程層網絡中SV流量占比較大，以典型的單間隔32采樣通道來計算，網絡負載約為10Mbit/s。新一代分布式母線保護裝置主機與子機間僅需要傳輸母線保護所需要的模擬量及開關量，網絡負載約為0.6Mbit/s，前者網絡負載約為后者網絡負載的17倍。

3）通信配置方式不同。數字化母線保護裝置與合智裝置需要進行過程層通信配置，以建立二者間的GOOSE/SV收發(fā)訂閱關系，改擴建間隔或更換二次設備均需對過程層通信配置進行修改，并重新進行GOOSE/SV通信驗證，工作量較大。新一代分布式母線保護裝置的主機、子機無需進行復雜的通信配置，僅需為每個子機設定一個通信地址即可，即插即用。

4）同步方式不同。數字化母線保護裝置與合智裝置間采用組網通信方式，需考慮采樣同步問題，目前主流解決方案是采用延時可測交換機，以等效為點對點通信方式，避免對外部時鐘的依賴。新一代分布式母線保護裝置主機與子機間采用高可靠性的乒乓對時方案，采樣同步精度高，既實現了組網通信方式，又避免了對外部時鐘的依賴。

1.3 小結

新一代分布式母線保護裝置的主機、子機間采用組網通信方式，解決了傳統(tǒng)分布式母線保護裝置主機光口數量多、無冗余通信的問題，提高了分布式母線保護裝置的可靠性。與數字化母線保護裝置相比，主機、子機間通信不受IEC 61850通信規(guī)約的限制，網絡通信負載輕，無需進行復雜的通信配置，子機即插即用，無需接入外部時鐘，采樣同步精度高。

2 采樣同步方案

母線差動保護計算所需要的各個間隔的電流采樣數據必須是同一時刻的值，否則差動電流與制動電流不能準確反映故障特征，影響差動保護動作行為。集中式母線保護裝置由一臺裝置完成差動保護功能，各間隔電流采樣在裝置統(tǒng)一的內部時鐘體系下完成，不存在采樣不同步的問題，而分布式母線保護裝置的各個子機相互獨立，彼此間不存在電氣上的聯(lián)系，因此，解決各個子機的采樣同步問題，是分布式母線保護裝置要解決的一個關鍵性技術問題。

2.1 與傳統(tǒng)分布式母線保護裝置同步方案的差異

傳統(tǒng)分布式母線保護裝置的主機、子機間為點對點通信方式，光纖傳輸延時較短。按照主機、子機間的光纖長度為1km、數據在光纖內的傳輸速度為2×105km/s進行推算，數據傳輸延時約5μs，對應的采樣電角度誤差僅0.09°，對差動保護動作特性的影響較小，所以基本可以忽略光纖傳輸延時對采樣同步性的影響，各子機只需要保證與主機的采樣時刻同步即可。

新一代分布式母線保護裝置的主機、子機間采用組網通信方式，通信環(huán)節(jié)中增加了交換機，通信環(huán)節(jié)累加延時已對差動保護動作特性產生了影響，故需要在設計采樣同步方案時考慮光纖傳輸延時的影響。

2.2 乒乓對時方案

所有子機的訂閱報文均來自同一臺主機，不存在報文排隊的問題，所以主機發(fā)送給子機的報文延時是固定的，約為5μs，通過設定各子機的報文發(fā)送優(yōu)先級可將各子機的報文發(fā)送延時抖動限制在5μs的范圍內，以滿足差動保護動作可靠性的要求，進而通過乒乓對時方案實現子機采樣同步。

分布式母線保護裝置主機、子機間的采樣同步偏差包含兩個部分，分別為主機、子機的內部時鐘偏差（offset）及光纖傳輸延時（delay），只要計算出這兩部分時間偏差值，就可以實現各子機的采樣同步。

乒乓對時方案如圖2所示，主機發(fā)送給子機的報文中包含以下三個時間信息：1）主機發(fā)送本機報文的發(fā)送時刻t1；2）子機發(fā)送報文的發(fā)送時刻t3；3）主機接收到子機報文的接收時刻t4。

圖2 乒乓對時方案

子機在接收到主機報文后，會同時記錄報文接收時刻t2，根據圖2，可得

式（1）（2）

2.3 小結

新一代分布式母線保護裝置的通信環(huán)節(jié)中增加了交換機，需要考慮報文傳輸延時對采樣同步性的影響。考慮到主、子機通信網絡中的報文類型比較簡單，主機發(fā)送給子機的報文延時固定，所以只需要解決子機的報文發(fā)送延時即可以實現采樣同步。通過內部設定各子機的報文發(fā)送優(yōu)先級，可將各子機的報文發(fā)送延時抖動限制在5◆s的范圍內，再通過采用乒乓對時方案，實現了各子機的采樣同步，滿足差動保護動作可靠性的要求。

除采用上述采樣同步方案之外，也可以使用延時可測交換機，由交換機計算通信累加延時，可以更簡單地實現子機采樣同步。

3 自適應主接線功能

不同的母線主接線形式，其對母線保護的需求是不同的，所以傳統(tǒng)母線保護裝置需要根據不同主接線形式開發(fā)與之相對應的母線保護程序。新一代分布式母線保護裝置具備自適應主接線的功能，實現了一個母線保護程序版本可自適應各種母線主接線形式的需求，大大減少了母線保護程序版本的數量，降低了版本管理的工作量。

雖然母線主接線形式千變萬化，但是母線上的連接元件只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，母線保護只要能獲取到各間隔與母線的拓撲連接關系，便可以完成母線主接線的自動構造?；谏鲜隼碚摚嫦蜷g隔對象的母線保護設計方法（國家發(fā)明專利CN200910181793.0）提出先確定母線上的各連接元件，再由保護程序自動構建母線主接線的方法，使母線保護裝置自適應母線主接線的方案成為可能。

3.1 功能介紹

面向間隔對象的母線保護設計方法定義了一個間隔通用模型如圖3所示，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入開出，新一代分布式母線保護程序在此通用模型基礎上進行設計，以保證母線保護程序的通用性，實現了自適應母線主接線的功能。

圖3 面向間隔對象的通用模型定義

新一代分布式母線保護裝置的子機按母線設置了切換把手，根據各間隔的母線拓撲連接關系將對應子機的切換把手置于相應位置。以圖4所示的雙母單分段主接線為例，間隔1-2可連接在母線1或母線2上，則應將間隔1-2對應子機上的1、2母切換把手置于1的位置，3母切換把手置于0的位置，間隔3-4可連接在母線2或母線3上，則應將間隔3-4對應子機上的2、3母切換把手置于1的位置，1母切換把手置于0的位置，母聯(lián)分段間隔對應子機的切換把手同樣按照上述方法進行設置。

各子機根據各母線的切換把手狀態(tài)形成本子機所關聯(lián)間隔的母線拓撲連接關系，并上送至主機，主機在接收到所有間隔的母線拓撲連接關系后，由程序自動完成母線主接線的構建。

圖4 雙母單分段主接線

當變電站改擴建，導致母線主接線形式發(fā)生變化，或者間隔數目發(fā)生變化時，只需要重新設定各子機的母線切換把手，以及新增子機的母線切換把手，主機即可重新自動構建母線主接線，滿足改擴建后母線保護各項功能的需求。

3.2 防誤措施

各間隔的母線拓撲連接關系直接影響差動保護動作行為，為防止因切換把手誤操作導致母線拓撲連接關系設定錯誤，有必要對其正確性進行校驗。

主機在接收到各子機的母線拓撲連接關系后，會先和記憶的各子機的母線拓撲連接關系進行對比，如果發(fā)現某子機的母線拓撲連接關系發(fā)生變化，會以報警的形式提醒運檢人員進行核實。在運檢人員核實無誤后，需要進行人工確認，主機只有得到外部的人工確認命令后，才會進行母線主接線的自動構建。在完成母線主接線的自動構建后，主機還會基于各母線小差的差流去校驗各子機的母線拓撲連接關系是否正確。

3.3 小結

新一代分布式母線保護裝置采用了面向間隔對象的母線保護設計方法，實現了一個母線保護程序滿足現場各類母線主接線形式的需求，減少了母線保護程序版本數量，降低了版本管理的工作量。為避免因母線拓撲連接關系設定錯誤而影響母線差動保護動作行為，增加了完備的校驗措施，既提高了母線保護裝置的適用性，也保證了可靠性。

4 改擴建方案

電力系統(tǒng)中母線的主接線方式隨系統(tǒng)容量增加而發(fā)生改變的情況非常常見，如一期工程采用雙母單分段主接線，二期工程2母開斷，改造為雙母雙分段主接線，此時需要新增加一套母線保護裝置，并將部分間隔的二次回路改接入新增加的母線保護裝置，由兩套母線保護裝置共同完成雙母雙分段主接線的保護。主接線改變情況下的母線保護改造如圖5所示。

圖5 主接線改變情況下的母線保護改造

4.1 集中式母線保護改造

對于集中式母線保護裝置來說，圖5展示了改造前后的母線保護配置（圖5中僅以電流回路改造示意，下同），改造前母線上所有間隔均接入同一套母線保護裝置，改造后需要新增加一套母線保護裝置，并將在3、4母間倒閘的間隔接入新增加的母線保護裝置，涉及母線電壓、間隔電流等模擬量，間隔開關位置開入、刀開關位置開入、跳閘開出等開關量，二次回路的改造工作量很大，改造完成后的二次回路驗證工作量也很大，改造風險較高。

4.2 新一代分布式母線保護改造

對于上述改造工程，如果采用新一代分布式母線保護裝置，那么在改造過程中不需要對各間隔的二次電纜進行改動，只需要調整在3、4母間倒閘的子機光纖位置，從而大大減少改造工作量。圖6為改造前的分布式母線保護裝置主、子機配置，其中實線表示電纜，虛線表示光纜，各子機分散布置，就近接入對應間隔的模擬量及開關量，通過光纜接入交換機與主機進行信息交互。

圖6 改造前母線保護裝置主子機配置

圖7和圖8為改造后的分布式母線保護裝置主、子機配置，其中圖7使用兩套分布式母線保護裝置完成對雙母雙分段接線的保護，圖8使用一套分布式母線保護裝置完成對雙母雙分段接線的保護。

圖7 改造后母線保護裝置主子機配置1

圖7與圖6相比，新增加1臺主機、1臺交換機及3臺子機，新增加的子機接入與本間隔相關的模擬量及開關量，主機1及與1、2母相關聯(lián)的子機的光纖位置不需做任何改動，仍接入交換機1，與3、4母相關聯(lián)的子機的光纖位置由交換機1調整到交換機2，新增加的主機2接入交換機2。完成光纖位置調整后，重新設定各子機的母線拓撲連接關系，主機接收到各子機的新的拓撲連接關系，并接收到外部確認命令后，自動完成母線主接線的構建。

圖8與圖6相比，新增加1臺子機，該子機接入與本間隔相關的模擬量及開關量，并通過光纖接入交換機，其他子機的電纜及光纖位置不需做任何改動。重新設定各子機的母線拓撲連接關系，主機完成母線主接線的構建后，即可以完成母線保護改造。

圖8 改造后母線保護裝置主子機配置2

4.3 小結

與集中式母線保護裝置相比，新一代分布式母線保護裝置的電纜改動僅涉及新增加的子機裝置，改造工作量大大減少，同時也大大降低了改造風險。新一代分布式母線保護裝置的模擬量及開關量接入能力更強大，單臺裝置即可完成對雙母雙分段四條母線的保護，且由于采用了組網通信方式，主機不需要配置過多的光口，提高了裝置運行穩(wěn)定性。

5 結論

集中式母線保護裝置在國內電網企業(yè)有非常廣泛的應用，但是不應忽視其存在的屏內接線復雜、間隔檢修風險高、改擴建工作量大及可擴展性不高等固有問題。在某些特殊應用場合，集中式母線保護裝置不一定是母線保護的最佳選擇。

新一代分布式母線保護裝置通過改進通信方式及采樣同步方案提高了裝置工作的穩(wěn)定性及可靠性，通過采用自適應主接線功能提高了裝置的靈活性。在規(guī)模較大的低電壓等級變電站，間隔距離較遠的抽蓄電站，以及鋼鐵、石化等主接線不標準的應用場合，可考慮采用新一代分布式母線保護裝置作為集中式母線保護裝置的替代裝置。國外電網企業(yè)對分布式母線保護裝置較為認可，新一代分布式母線保護裝置已廣泛應用于英國、印度、巴西等電網企業(yè)。

本文編自2022年第8期《電氣技術》，論文標題為“新一代分布式母線保護裝置”，作者為王風光、李力 等，本課題得到國家重點研發(fā)計劃項目的支持。