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(yán)重影響，根據(jù)GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)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(hù)裝置。

微機(jī)型母線保護(hù)裝置是目前在電力系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的母線保護(hù)裝置類型，分為集中式母線保護(hù)裝置和分布式母線保護(hù)裝置兩種類型。

集中式母線保護(hù)裝置由一臺裝置完成對目標(biāo)母線的保護(hù)，需要接入被保護(hù)母線上所有間隔的模擬量及開關(guān)量；分布式母線保護(hù)裝置由一臺主機(jī)加多臺子機(jī)完成對目標(biāo)母線的保護(hù)，子機(jī)數(shù)目與母線上的間隔數(shù)目相等，單臺子機(jī)只需要接入單個間隔的模擬量及開關(guān)量，主機(jī)通過光纖與子機(jī)進(jìn)行點對點通信，獲得母線上所有間隔的模擬量及開關(guān)量，主機(jī)負(fù)責(zé)完成保護(hù)功能，子機(jī)負(fù)責(zé)模擬量及開關(guān)量的采集和出口跳閘。

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

1）端子排布置密集，屏內(nèi)接線復(fù)雜，長距離敷設(shè)的電纜間易產(chǎn)生干擾；2）間隔檢修過程中，在母線保護(hù)屏內(nèi)進(jìn)行二次安措的風(fēng)險較高；3）變電站改擴(kuò)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(diào)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(shù)目有限，可擴(kuò)展性不高。

對于規(guī)模較大的變電站，間隔距離較遠(yuǎn)的抽蓄電站，以及鋼鐵、石化等主接線不標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用場合，上述問題更加突出，可以考慮使用分布式母線保護(hù)裝置。傳統(tǒng)分布式母線保護(hù)裝置的主機(jī)與子機(jī)間采用光纖點對點通信方式，主機(jī)需要配置與子機(jī)數(shù)量相等的光纖通信接口，一般在24個左右，光纖通信接口數(shù)量較多，存在以下四個問題：①主機(jī)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(xiàn)問題都會導(dǎo)致母線保護(hù)功能被閉鎖；④無法配置冗余的光纖通道以提高主機(jī)子機(jī)通信可靠性。由于存在上述問題，導(dǎo)致其工作穩(wěn)定性及可靠性比集中式母線保護(hù)裝置低。

為解決傳統(tǒng)分布式母線保護(hù)裝置存在的問題，本文開發(fā)新一代分布式母線保護(hù)裝置，采用組網(wǎng)通信方案、改進(jìn)的采樣同步方案及先進(jìn)的自適應(yīng)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(yīng)用新一代分布式母線保護(hù)裝置的變電站改擴(kuò)建方案進(jìn)行介紹。

1 通信方式

1.1 新一代分布式母線保護(hù)裝置通信方式

為減少分布式母線保護(hù)裝置的主機(jī)光口數(shù)量，降低主機(jī)裝置功耗，提高主機(jī)與子機(jī)間的冗余通信能力，新一代分布式母線保護(hù)裝置采用光纖組網(wǎng)通信方式。

新一代分布式母線保護(hù)裝置通信方式如圖1所示，由主機(jī)及多臺子機(jī)構(gòu)成，主機(jī)與子機(jī)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(wǎng)通信或單網(wǎng)通信。當(dāng)選擇雙網(wǎng)通信時，主機(jī)與各子機(jī)的第一組光纖收發(fā)接口接于交換機(jī)1，第二組光纖收發(fā)接口接于交換機(jī)2；當(dāng)選擇單網(wǎng)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(shù)字化母線保護(hù)裝置通信方式的差異

數(shù)字化變電站中母線保護(hù)裝置與合智裝置之間也可以通過組網(wǎng)通信方式進(jìn)行通信，與本文的分布式母線保護(hù)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(hù)裝置通信方式

1）通信協(xié)議不同。數(shù)字化母線保護(hù)裝置與合智裝置間采用標(biāo)準(zhǔn)的IEC 61850通信協(xié)議，基于過程層網(wǎng)絡(luò)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(guān)量及模擬量。新一代分布式母線保護(hù)裝置主機(jī)與子機(jī)間采用私有通信協(xié)議傳輸開關(guān)量及模擬量，不受IEC 61850通信協(xié)議的限制。

2）網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不同。過程層網(wǎng)絡(luò)中SV流量占比較大，以典型的單間隔32采樣通道來計算，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載約為10Mbit/s。新一代分布式母線保護(hù)裝置主機(jī)與子機(jī)間僅需要傳輸母線保護(hù)所需要的模擬量及開關(guān)量，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載約為0.6Mbit/s，前者網(wǎng)絡(luò)負(fù)載約為后者網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的17倍。

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

4）同步方式不同。數(shù)字化母線保護(hù)裝置與合智裝置間采用組網(wǎng)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(jī)，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(hù)裝置主機(jī)與子機(jī)間采用高可靠性的乒乓對時方案，采樣同步精度高，既實現(xiàn)了組網(wǎng)通信方式，又避免了對外部時鐘的依賴。

1.3 小結(jié)

新一代分布式母線保護(hù)裝置的主機(jī)、子機(jī)間采用組網(wǎng)通信方式，解決了傳統(tǒng)分布式母線保護(hù)裝置主機(jī)光口數(shù)量多、無冗余通信的問題，提高了分布式母線保護(hù)裝置的可靠性。與數(shù)字化母線保護(hù)裝置相比，主機(jī)、子機(jī)間通信不受IEC 61850通信規(guī)約的限制，網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載輕，無需進(jìn)行復(fù)雜的通信配置，子機(jī)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(hù)計算所需要的各個間隔的電流采樣數(shù)據(jù)必須是同一時刻的值，否則差動電流與制動電流不能準(zhǔn)確反映故障特征，影響差動保護(hù)動作行為。集中式母線保護(hù)裝置由一臺裝置完成差動保護(hù)功能，各間隔電流采樣在裝置統(tǒng)一的內(nèi)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(hù)裝置的各個子機(jī)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(jī)的采樣同步問題，是分布式母線保護(hù)裝置要解決的一個關(guān)鍵性技術(shù)問題。

2.1 與傳統(tǒng)分布式母線保護(hù)裝置同步方案的差異

傳統(tǒng)分布式母線保護(hù)裝置的主機(jī)、子機(jī)間為點對點通信方式，光纖傳輸延時較短。按照主機(jī)、子機(jī)間的光纖長度為1km、數(shù)據(jù)在光纖內(nèi)的傳輸速度為2×105km/s進(jìn)行推算，數(shù)據(jù)傳輸延時約5μs，對應(yīng)的采樣電角度誤差僅0.09°，對差動保護(hù)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(jī)只需要保證與主機(jī)的采樣時刻同步即可。

新一代分布式母線保護(hù)裝置的主機(jī)、子機(jī)間采用組網(wǎng)通信方式，通信環(huán)節(jié)中增加了交換機(jī)，通信環(huán)節(jié)累加延時已對差動保護(hù)動作特性產(chǎn)生了影響，故需要在設(shè)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(jī)的訂閱報文均來自同一臺主機(jī)，不存在報文排隊的問題，所以主機(jī)發(fā)送給子機(jī)的報文延時是固定的，約為5μs，通過設(shè)定各子機(jī)的報文發(fā)送優(yōu)先級可將各子機(jī)的報文發(fā)送延時抖動限制在5μs的范圍內(nèi)，以滿足差動保護(hù)動作可靠性的要求，進(jìn)而通過乒乓對時方案實現(xiàn)子機(jī)采樣同步。

分布式母線保護(hù)裝置主機(jī)、子機(jī)間的采樣同步偏差包含兩個部分，分別為主機(jī)、子機(jī)的內(nèi)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(xiàn)各子機(jī)的采樣同步。

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

圖2 乒乓對時方案

子機(jī)在接收到主機(jī)報文后，會同時記錄報文接收時刻t2，根據(jù)圖2，可得

式（1）（2）

2.3 小結(jié)

新一代分布式母線保護(hù)裝置的通信環(huán)節(jié)中增加了交換機(jī)，需要考慮報文傳輸延時對采樣同步性的影響?？紤]到主、子機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中的報文類型比較簡單，主機(jī)發(fā)送給子機(jī)的報文延時固定，所以只需要解決子機(jī)的報文發(fā)送延時即可以實現(xiàn)采樣同步。通過內(nèi)部設(shè)定各子機(jī)的報文發(fā)送優(yōu)先級，可將各子機(jī)的報文發(fā)送延時抖動限制在5◆s的范圍內(nèi)，再通過采用乒乓對時方案，實現(xiàn)了各子機(jī)的采樣同步，滿足差動保護(hù)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(jī)，由交換機(jī)計算通信累加延時，可以更簡單地實現(xiàn)子機(jī)采樣同步。

3 自適應(yīng)主接線功能

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

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(hù)只要能獲取到各間隔與母線的拓?fù)溥B接關(guān)系，便可以完成母線主接線的自動構(gòu)造。基于上述理論，面向間隔對象的母線保護(hù)設(shè)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(hù)程序自動構(gòu)建母線主接線的方法，使母線保護(hù)裝置自適應(yīng)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(hù)設(shè)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(hù)程序在此通用模型基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，以保證母線保護(hù)程序的通用性，實現(xiàn)了自適應(yīng)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(hù)裝置的子機(jī)按母線設(shè)置了切換把手，根據(jù)各間隔的母線拓?fù)溥B接關(guān)系將對應(yīng)子機(jī)的切換把手置于相應(yīng)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(yīng)將間隔1-2對應(yīng)子機(jī)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(yīng)將間隔3-4對應(yīng)子機(jī)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(yīng)子機(jī)的切換把手同樣按照上述方法進(jìn)行設(shè)置。

各子機(jī)根據(jù)各母線的切換把手狀態(tài)形成本子機(jī)所關(guān)聯(lián)間隔的母線拓?fù)溥B接關(guān)系，并上送至主機(jī)，主機(jī)在接收到所有間隔的母線拓?fù)溥B接關(guān)系后，由程序自動完成母線主接線的構(gòu)建。

圖4 雙母單分段主接線

當(dāng)變電站改擴(kuò)建，導(dǎo)致母線主接線形式發(fā)生變化，或者間隔數(shù)目發(fā)生變化時，只需要重新設(shè)定各子機(jī)的母線切換把手，以及新增子機(jī)的母線切換把手，主機(jī)即可重新自動構(gòu)建母線主接線，滿足改擴(kuò)建后母線保護(hù)各項功能的需求。

3.2 防誤措施

各間隔的母線拓?fù)溥B接關(guān)系直接影響差動保護(hù)動作行為，為防止因切換把手誤操作導(dǎo)致母線拓?fù)溥B接關(guān)系設(shè)定錯誤，有必要對其正確性進(jìn)行校驗。

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

3.3 小結(jié)

新一代分布式母線保護(hù)裝置采用了面向間隔對象的母線保護(hù)設(shè)計方法，實現(xiàn)了一個母線保護(hù)程序滿足現(xiàn)場各類母線主接線形式的需求，減少了母線保護(hù)程序版本數(shù)量，降低了版本管理的工作量。為避免因母線拓?fù)溥B接關(guān)系設(shè)定錯誤而影響母線差動保護(hù)動作行為，增加了完備的校驗措施，既提高了母線保護(hù)裝置的適用性，也保證了可靠性。

4 改擴(kuò)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(hù)裝置，并將部分間隔的二次回路改接入新增加的母線保護(hù)裝置，由兩套母線保護(hù)裝置共同完成雙母雙分段主接線的保護(hù)。主接線改變情況下的母線保護(hù)改造如圖5所示。

圖5 主接線改變情況下的母線保護(hù)改造

4.1 集中式母線保護(hù)改造

對于集中式母線保護(hù)裝置來說，圖5展示了改造前后的母線保護(hù)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(hù)裝置，改造后需要新增加一套母線保護(hù)裝置，并將在3、4母間倒閘的間隔接入新增加的母線保護(hù)裝置，涉及母線電壓、間隔電流等模擬量，間隔開關(guān)位置開入、刀開關(guān)位置開入、跳閘開出等開關(guān)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(fēng)險較高。

4.2 新一代分布式母線保護(hù)改造

對于上述改造工程，如果采用新一代分布式母線保護(hù)裝置，那么在改造過程中不需要對各間隔的二次電纜進(jìn)行改動，只需要調(diào)整在3、4母間倒閘的子機(jī)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(hù)裝置主、子機(jī)配置，其中實線表示電纜，虛線表示光纜，各子機(jī)分散布置，就近接入對應(yīng)間隔的模擬量及開關(guān)量，通過光纜接入交換機(jī)與主機(jī)進(jìn)行信息交互。

圖6 改造前母線保護(hù)裝置主子機(jī)配置

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

圖7 改造后母線保護(hù)裝置主子機(jī)配置1

圖7與圖6相比，新增加1臺主機(jī)、1臺交換機(jī)及3臺子機(jī)，新增加的子機(jī)接入與本間隔相關(guān)的模擬量及開關(guān)量，主機(jī)1及與1、2母相關(guān)聯(lián)的子機(jī)的光纖位置不需做任何改動，仍接入交換機(jī)1，與3、4母相關(guān)聯(lián)的子機(jī)的光纖位置由交換機(jī)1調(diào)整到交換機(jī)2，新增加的主機(jī)2接入交換機(jī)2。完成光纖位置調(diào)整后，重新設(shè)定各子機(jī)的母線拓?fù)溥B接關(guān)系，主機(jī)接收到各子機(jī)的新的拓?fù)溥B接關(guān)系，并接收到外部確認(rèn)命令后，自動完成母線主接線的構(gòu)建。

圖8與圖6相比，新增加1臺子機(jī)，該子機(jī)接入與本間隔相關(guān)的模擬量及開關(guān)量，并通過光纖接入交換機(jī)，其他子機(jī)的電纜及光纖位置不需做任何改動。重新設(shè)定各子機(jī)的母線拓?fù)溥B接關(guān)系，主機(jī)完成母線主接線的構(gòu)建后，即可以完成母線保護(hù)改造。

圖8 改造后母線保護(hù)裝置主子機(jī)配置2

4.3 小結(jié)

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

5 結(jié)論

集中式母線保護(hù)裝置在國內(nèi)電網(wǎng)企業(yè)有非常廣泛的應(yīng)用，但是不應(yīng)忽視其存在的屏內(nèi)接線復(fù)雜、間隔檢修風(fēng)險高、改擴(kuò)建工作量大及可擴(kuò)展性不高等固有問題。在某些特殊應(yīng)用場合，集中式母線保護(hù)裝置不一定是母線保護(hù)的最佳選擇。

新一代分布式母線保護(hù)裝置通過改進(jìn)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(yīng)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(yuǎn)的抽蓄電站，以及鋼鐵、石化等主接線不標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用場合，可考慮采用新一代分布式母線保護(hù)裝置作為集中式母線保護(hù)裝置的替代裝置。國外電網(wǎng)企業(yè)對分布式母線保護(hù)裝置較為認(rèn)可，新一代分布式母線保護(hù)裝置已廣泛應(yīng)用于英國、印度、巴西等電網(wǎng)企業(yè)。

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