鮑凱鵬，呂 航 ，張紹純 ，施志暉 ，李 鵬

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100；2.鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114000）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)［1］在實(shí)際工程中的應(yīng)用也不斷深入。智能變電站內(nèi)的信息全部數(shù)字化，信息傳遞實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，通信模型達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，使各種設(shè)備和功能共享統(tǒng)一的信息平臺(tái)。由于采用了過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)傳輸采樣值，因此出現(xiàn)了采樣同步的問(wèn)題?，F(xiàn)有智能變電站通常采用全站GPS時(shí)鐘源同步方案或插值（重采樣）同步方案［2］，2種方案應(yīng)用的環(huán)境和硬件實(shí)現(xiàn)是完全不同的。

對(duì)變電站集中式保護(hù)的研究在國(guó)內(nèi)開(kāi)展不多［3］。文獻(xiàn)［4］提出了一種基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的集中式智能設(shè)備方案，在1臺(tái)集中式智能設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多臺(tái)智能設(shè)備所完成的功能。文獻(xiàn)［5］提出了集中式保護(hù)原理、集中式保護(hù)的硬件系統(tǒng)構(gòu)成、對(duì)象建模以及保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。從工程應(yīng)用的角度看，目前采用基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的集中式保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)的例子不多。

營(yíng)口供電公司220 kV大石橋變電站是營(yíng)口地區(qū)重要的樞紐變電站，所進(jìn)行的全站數(shù)字化改造首次將不同保護(hù)測(cè)控功能集成在數(shù)臺(tái)物理裝置中，大幅減少了屏柜個(gè)數(shù)、小室和主控室的占地面積、二次電纜及光纜數(shù)量，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。本文將著重論述母線保護(hù)在集中式保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方案。

1 集中式保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)總體方案

大石橋變電站數(shù)字化改造采用基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的集中式保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)。整個(gè)保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)完全雙重化配置，保證了在一套系統(tǒng)故障或停用的情況下被保護(hù)設(shè)備不失去保護(hù)，發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)能夠可靠動(dòng)作。系統(tǒng)構(gòu)架為標(biāo)準(zhǔn)的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［6］，即過(guò)程層、間隔層和站控層，聯(lián)系這3層的是過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)。過(guò)程層采用純光學(xué)互感器，并采用基于IEC61850-9-2［7］的模擬量網(wǎng)絡(luò)傳輸方式和基于GOOSE的開(kāi)關(guān)量網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。過(guò)程層GOOSE/SV合并組網(wǎng)。不同電壓等級(jí)獨(dú)立組網(wǎng)，采用獨(dú)立雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)。間隔層一體化設(shè)計(jì)，采用南京南瑞繼保電氣有限公司研制的集中式保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)，每套系統(tǒng)為：2臺(tái)PCS-931線路保護(hù)測(cè)控裝置及1臺(tái)PCS-978元件保護(hù)測(cè)控裝置共同完成220 kV全部保護(hù)測(cè)控功能；4臺(tái)PCS-951線路保護(hù)測(cè)控裝置共同完成66 kV全部保護(hù)測(cè)控功能。站控層制造報(bào)文規(guī)范（MMS）獨(dú)立組網(wǎng)。二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。

以220 kV系統(tǒng)為例，母線保護(hù)與主變保護(hù)集中設(shè)置于PCS-978元件保護(hù)測(cè)控裝置中，母線保護(hù)和主變保護(hù)通過(guò)裝置內(nèi)部高速總線共享數(shù)據(jù)接口插件從采樣值（SV）網(wǎng)絡(luò)接收到的主變間隔數(shù)據(jù)（雖然母線保護(hù)和主變保護(hù)置于同一臺(tái)物理裝置中，但分別由獨(dú)立的DSP處理插件實(shí)現(xiàn)，只共享機(jī)箱內(nèi)的數(shù)據(jù)總線和接口插件，最大限度地避免了相互影響）。線路間隔的數(shù)據(jù)由線路保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)接口插件通過(guò)采樣網(wǎng)絡(luò)接收并處理后，再通過(guò)專(zhuān)用光纖發(fā)送到PCS-978元件保護(hù)測(cè)控裝置的數(shù)據(jù)接口插件用于母線保護(hù)。母線差動(dòng)保護(hù)涉及多個(gè)間隔的采樣，采用該方法達(dá)到了信息共享的目的，減少了網(wǎng)絡(luò)流量和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備投資，充分發(fā)揮了過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通信方式的優(yōu)越性。同時(shí)由于全站采用了雙重化配置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，雖然保護(hù)集成度高，但能保證系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)基于數(shù)字化采樣和網(wǎng)絡(luò)傳輸，多個(gè)間隔采樣數(shù)據(jù)的同步是母線保護(hù)需要解決的核心問(wèn)題，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。一方面，IEC61850-9-2網(wǎng)絡(luò)傳輸方式要求各合并單元（MU）與保護(hù)裝置同步［8］，需通過(guò)外接GPS同步時(shí)鐘源實(shí)現(xiàn)；另一方面，由于合并單元發(fā)送4 kHz采樣率的數(shù)據(jù)，而保護(hù)計(jì)算的傳統(tǒng)采樣率為1.2 kHz，因此需要進(jìn)行重采樣；母線保護(hù)裝置只進(jìn)行主變間隔數(shù)據(jù)的重采樣，線路保護(hù)裝置進(jìn)行線路間隔數(shù)據(jù)的重采樣并發(fā)送給母線保護(hù)，這就要求母線保護(hù)、線路保護(hù)裝置的重采樣時(shí)刻同步，該同步需通過(guò)母線保護(hù)發(fā)送主同步中斷信號(hào)給各線路保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)。

2 母線保護(hù)同步方案

2.1 MU與保護(hù)裝置采樣同步

大石橋變電站過(guò)程層采樣采用IEC61850-9-2組網(wǎng)方式。從MU采樣發(fā)生至裝置接收到該采樣報(bào)文并打上時(shí)標(biāo)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生1個(gè)時(shí)間延遲，如下：

其中，TMU，delay為從MU發(fā)生采樣到將該報(bào)文發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)歷的延遲，該延遲與合并器的實(shí)現(xiàn)原理、報(bào)文處理方式（如使用中斷、操作系統(tǒng)發(fā)送）等有關(guān)，具有很大的不確定性；TNet，delay為報(bào)文在交換機(jī)中轉(zhuǎn)發(fā)的延時(shí)，包含固定延遲（即發(fā)送需要的時(shí)間，很小，可忽略不計(jì)）和不固定延遲（由于網(wǎng)上有報(bào)文發(fā)送，需要等待發(fā)送的時(shí)間）；TTag，delay為打時(shí)標(biāo)的時(shí)間延遲。因?yàn)檠b置使用了查詢的方式，只能將進(jìn)入查詢功能時(shí)的時(shí)刻假定為報(bào)文的到達(dá)時(shí)刻TTag，該時(shí)刻始終晚于裝置實(shí)際收到報(bào)文的時(shí)刻 TRx，則 TTag，delay=TTag-TRx。

由此可見(jiàn)，采樣數(shù)據(jù)從合并單元到保護(hù)裝置的延時(shí)是不確定的［9］，解決方案是給合并單元和保護(hù)裝置接入GPS同步時(shí)鐘［10］。采樣數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)方模塊發(fā)送到合并單元后，合并單元根據(jù)接入的GPS同步信號(hào)，刷新IEC61850-9-2采樣數(shù)據(jù)幀中的采樣計(jì)數(shù)器（相當(dāng)于給每一幀采樣數(shù)據(jù)分配一個(gè)時(shí)間序號(hào)，4 kHz采樣率下序號(hào)范圍從0至3 999）。保護(hù)裝置經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得各個(gè)間隔的采樣數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的采樣計(jì)數(shù)和采樣時(shí)間間隔（接入GPS同步后采樣時(shí)間間隔是固定的）來(lái)計(jì)算每一幀數(shù)據(jù)的采樣時(shí)刻，采樣時(shí)刻等于初始時(shí)刻加上采樣計(jì)數(shù)與采樣間隔的乘積。GPS同步保證了不同裝置的初始時(shí)刻和采樣間隔都是相同的，因此所有數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻的計(jì)算是在同一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)下進(jìn)行的。每一次保護(hù)進(jìn)行重采樣都使用采樣時(shí)刻相同的數(shù)據(jù)幀，保證了保護(hù)接收MU采樣數(shù)據(jù)的同步性。數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對(duì)保護(hù)的動(dòng)作行為影響不大，但如果太大可能導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作的速度較慢，一般要求控制在2個(gè)采樣時(shí)間間隔之內(nèi)。

對(duì)時(shí)系統(tǒng)采用冗余雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，2套對(duì)時(shí)裝置間互相發(fā)送對(duì)時(shí)信號(hào)，如圖2所示。當(dāng)其中1套對(duì)時(shí)裝置失去衛(wèi)星信號(hào)后，通過(guò)交互信息，可以迅速把另一套裝置的衛(wèi)星信號(hào)切換過(guò)來(lái)，保證在只有1套衛(wèi)星信號(hào)時(shí)2套對(duì)時(shí)系統(tǒng)仍能正常工作。

圖2 GPS對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Network of time synchronization by GPS

值得指出的是，雖然GPS對(duì)時(shí)的時(shí)鐘源來(lái)自衛(wèi)星信號(hào)，但是由于對(duì)時(shí)裝置本身具有守時(shí)功能［11］，因此，即使對(duì)時(shí)裝置失去所有衛(wèi)星信號(hào)，仍然能夠保證為全站提供對(duì)時(shí)脈沖，對(duì)母線保護(hù)沒(méi)有影響。

2.2 母線保護(hù)與線路保護(hù)裝置間同步

由于MU送到保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)采樣率為4 kHz，而保護(hù)計(jì)算使用的采樣率為1.2 kHz，因此保護(hù)在從SV網(wǎng)絡(luò)上獲得經(jīng)過(guò)GPS同步的數(shù)據(jù)后，將通過(guò)重采樣把4 kHz的數(shù)據(jù)插值成1.2 kHz的數(shù)據(jù)［12］。對(duì)母線保護(hù)而言，主變間隔的重采樣在本裝置中完成，其余間隔的重采樣在線路保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)接口插件中完成，因此必須保證母線保護(hù)和所有線路保護(hù)裝置的重采樣時(shí)刻是同步的。

利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在光纖鏈路層鎖定數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)［13］，即自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)刻。母線保護(hù)正是利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多裝置間的高精度同步。母線保護(hù)插件在每個(gè)中斷發(fā)出同步數(shù)據(jù)信號(hào)，其他線路保護(hù)裝置根據(jù)母線保護(hù)下發(fā)數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)刻以及通道延時(shí)推算出母線保護(hù)的中斷時(shí)刻，以此調(diào)整各自的重采樣中斷時(shí)刻進(jìn)行跟蹤。母線保護(hù)同時(shí)向各線路保護(hù)裝置下發(fā)同步數(shù)據(jù)幀，最終各線路保護(hù)裝置就能夠和母線保護(hù)在同一時(shí)刻重采樣。同步方案如圖3所示。

圖3 母線保護(hù)同步方案Fig.3 Synchronization scheme of busbar protection

母線保護(hù)發(fā)出同步信號(hào)，通過(guò)光纖接至同電壓等級(jí)的其他線路保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)接口插件，相應(yīng)裝置按母線保護(hù)發(fā)出的同步信號(hào)進(jìn)行中斷同步，同時(shí)從該插件通過(guò)光纖發(fā)出本裝置重采樣后的數(shù)據(jù)，供母線保護(hù)使用。

另外，為了防止母線裝置異?；蛑貑⒂绊懫渌€路保護(hù)裝置正常運(yùn)行，線路保護(hù)裝置中的同步插件始終監(jiān)視母線同步信號(hào)的正確性，一旦同步信號(hào)異常立即報(bào)警，并向母線保護(hù)裝置發(fā)出同步異常信號(hào)以及時(shí)閉鎖差動(dòng)保護(hù)，此時(shí)不會(huì)根據(jù)異常的同步信號(hào)調(diào)整采樣時(shí)刻；而在母線保護(hù)裝置重啟過(guò)程中，各線路保護(hù)裝置中的同步插件根據(jù)母線保護(hù)的同步信號(hào)逐步調(diào)整采樣中斷時(shí)刻，一方面保證線路保護(hù)的采樣中斷始終等間隔，另一方面在1～2 s內(nèi)各裝置就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入同步，保證母線保護(hù)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

3 動(dòng)模試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該方案，在南京南瑞繼保電氣有限公司進(jìn)行了動(dòng)模試驗(yàn)。

系統(tǒng)主接線如圖4所示。

圖4 動(dòng)模系統(tǒng)主接線圖Fig.4 Main connection diagram of dynamic simulation system

保護(hù)配置為：1臺(tái)PCS-978集中式保護(hù)完成主變保護(hù)及母線保護(hù)功能，1臺(tái)PCS-931集中式保護(hù)完成2條線路保護(hù)及母聯(lián)保護(hù)功能。采樣數(shù)據(jù)通過(guò)MU送到保護(hù)裝置；對(duì)側(cè)按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況配置2臺(tái)PCS-931線路縱差保護(hù)。

圖5為Ⅰ母區(qū)內(nèi)A相故障時(shí)的錄波，最上面6個(gè)波形為保護(hù)的動(dòng)作情況，由上至下分別為總起動(dòng)、差動(dòng)跳母聯(lián)、變化量差動(dòng)跳Ⅰ母、穩(wěn)態(tài)量差動(dòng)跳Ⅰ母、變化量差動(dòng)跳Ⅱ母、穩(wěn)態(tài)量差動(dòng)跳Ⅱ母。錄波顯示母差保護(hù)4 ms動(dòng)作。

圖6為母線區(qū)外故障時(shí)的錄波，最上面6個(gè)波形與圖5中最上面6個(gè)波形的含義相同?？梢钥闯觯藭r(shí)母線基本無(wú)差流，錄波顯示母線保護(hù)在區(qū)外故障時(shí)未發(fā)生誤動(dòng)作。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提同步方案的精度非常高，通過(guò)示波器實(shí)測(cè)的重采樣同步跟蹤誤差小于5μs，與理論分析一致。因此誤差所帶來(lái)的影響對(duì)保護(hù)而言是很小的。

圖5 母線區(qū)內(nèi)故障錄波Fig.5 Recorded waveforms of busbar fault within protection zone

圖6 母線區(qū)外故障錄波Fig.6 Recorded waveforms of busbar fault outside protection zone

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)集中式保護(hù)的特點(diǎn)，提出了一種母線保護(hù)同步方案。該方案在保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的前提下提高了數(shù)據(jù)共享度，節(jié)約了設(shè)備和占地投資，在智能化變電站的建設(shè)過(guò)程中不失為一種有益的嘗試。需要指出的是，該集中式保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)存在保護(hù)裝置依賴于外部GPS同步的缺點(diǎn)，還有待解決。