王風光，高兆麗，潘東明，宣喜文

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.山東濟南供電公司，山東濟南250022)

在中國經(jīng)濟高速發(fā)展的背景下，電網(wǎng)建設步入飛速發(fā)展的時代。母線是電力傳輸?shù)闹匾M成部分，母線保護的穩(wěn)定、安全、可靠直接關系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供電的可靠性[1]。微機母線保護現(xiàn)場應用超過10年時間，積累了豐富的實際應用經(jīng)驗，南瑞繼保電器有限公司結合最新的計算機技術和用戶日益復雜的應用需求，研發(fā)出了全新一代的母線保護裝置，它在繼承老一代母線保護優(yōu)點的基礎上，有以下改進：（1）保護開發(fā)平臺化、模塊化，基于該公司新一代統(tǒng)一、先進的控制保護（UAPC）平臺實現(xiàn)，支持使用可視化工具編程，便于升級維護；（2）模塊設計對象化，采用面向間隔對象的母線保護設計方法，母線保護的差動構成靈活可靠；（3）設備安裝靈活化，可滿足不同變電站分布式或集中式安裝的需求；（4）狀態(tài)信息多樣化，滿足新一代智能變電站繼電保護裝置狀態(tài)監(jiān)測的需求。文中將基于以上4點介紹新一代母線保護裝置關鍵技術的研究和應用。

1 UAPC平臺

傳統(tǒng)繼電保護裝置基于單片機開發(fā)，一般無操作系統(tǒng)，因此上送信息單一，程序維護復雜。新一代的母線保護裝置基于UAPC平臺開發(fā)，具有以下特點。

（1）結構簡單、連接方便：裝置硬件結構復雜度低，從而功耗與溫度低；插件與背板采用插針，連接簡單可靠。高電磁兼容性，抗干擾能力強；

（2）可擴充性好：采用當今先進的中央處理器（CPU）、數(shù)字信號處理器（DSP）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，運算處理能力強,平臺對上層應用提供統(tǒng)一編程接口，維護方便；

（3）結構清晰，重用性好：模塊以功能來劃分，模塊內數(shù)據(jù)安全可靠，模塊之間數(shù)據(jù)耦合性低，功能結構劃分清晰；

（4）裝置不同板卡之間依托高速數(shù)據(jù)總線進行通信，接口統(tǒng)一，數(shù)據(jù)總線高效、安全可靠；

（5）適用范圍廣：除母線保護裝置外，線路保護裝置、變壓器保護裝置及穩(wěn)控裝置等一系列保護裝置均基于UAPC硬件平臺開發(fā)。

保護裝置的平臺化開發(fā)為不同類型保護裝置間的集成提供了便利。新一代智能變電站提出層次化保護的概念，站域保護作為層次化保護的一部分得到推廣。站域保護裝置集全站的備自投、線路、主變和母差等保護功能于一體，不同類型保護裝置之間需要共享電流、電壓模擬量，并實時交換開關量信息，以集中分析或分布協(xié)同方式判定故障，自動調整動作決策。UAPC平臺數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一，數(shù)據(jù)總線高效、可靠，在集成站域保護裝置中發(fā)揮了極大的優(yōu)勢。

2 面向間隔對象的母線保護設計方法

2.1 傳統(tǒng)母線保護設計方法介紹

母線保護差動回路包括母線大差回路和各段母線小差回路。母線大差是指除母聯(lián)開關和分段開關外所有支路電流所構成的差動回路。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(lián)和分段開關）電流所構成的差動回路。母線大差比率差動用于判別母線區(qū)內和區(qū)外故障，小差比率差動用于故障母線的選擇[2]。

傳統(tǒng)母線保護以母線為對象，在母線主接線確定的基礎上，再定義該母線上連接有哪些元件，從而形成母線的大差及各母線的小差[3]。以主接線形式相對復雜的雙母單分段主接線為例，如圖1所示，母線數(shù)量及母線主接線方式固定：母聯(lián)1連接1、2母，母聯(lián)2連接2、3母，分段連接1、3母，間隔1和間隔2在母線1和母線2之間切換，間隔3和間隔4在母線2和母線3之間切換。間隔1到間隔4根據(jù)各自的刀閘位置決定本間隔電流計入哪條母線差動。大差（DI）及各母線小差（DIx）的差動構成邏輯如下：

圖1 雙母單分段主接線示意圖

其中：Kxx為對應支路刀閘位置，當?shù)堕l位置閉合，Kxx為1，否則為0。當主接線變成如圖2所示，應用于圖1主接線的母線保護程序就無法適用了。

圖2 雙母單分段特殊主接線

與圖1相比，圖2雖然只包含一個母聯(lián)開關，但是本母聯(lián)開關可根據(jù)刀閘位置來決定本母聯(lián)電流計入哪條母線差動，各母線的差動構成邏輯變化如下：

由于差動構成邏輯發(fā)生變化，母線保護程序必然需要做出相應改動以適應該特殊主接線，且修改后的程序也無法滿足圖1主接線的需求。

綜上所述，以母線為對象的傳統(tǒng)母線保護受母線主接線形式的局限性很大，母線主接線形式稍微發(fā)生變化，保護程序就需要進行相應的改動，從而無法保證母線保護程序的穩(wěn)定性。

2.2 面向間隔對象的母線保護設計方法介紹

面向間隔對象的母線保護設計方法 （國家發(fā)明專利CN200910181793.0）是先確定母線上的各連接元件，再由保護程序自動構造母線主接線。雖然母線主接線形式千變萬化，但是母線上的連接元件只有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，通過配置文本的形式確定好各連接元件的屬性，再由母線保護程序對元件屬性進行解析，母線主接線即可實現(xiàn)自動構造，再以母線為對象依照傳統(tǒng)的方法完成小差的構成邏輯，從而實現(xiàn)了母線保護程序不再受制于母線主接線形式的變化。

在上述理論基礎上，設計方法定義了一個通用模型，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，PCS-915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。此通用模型如圖3所示。

圖3 面向間隔對象的通用模型定義

仍然以圖1和圖2主接線為例，在此通用模型基礎上，圖1與圖2主接線的區(qū)別只是母線聯(lián)絡開關的數(shù)量不同，支路及各母聯(lián)刀閘位置定義如表1所示（1，0表示該支路刀閘可在母線間進行切換）。

表1 支路及各母聯(lián)刀閘位置定義

大差及各母線小差的差動構成邏輯如下：

其中：K1x間隔TA側x母刀閘位置；K2x間隔開關側x母刀閘位置。

圖1主接線無母聯(lián)開關，所以IBC固定為0，圖2主接線無母聯(lián)1、母聯(lián)2和分段開關，所以IBC1，IBC2，IFD固定為0。通過配置文本修改母聯(lián)的屬性而不需要修改保護程序，即實現(xiàn)了對圖1主接線及圖2主接線的兼容。從而節(jié)省了大量的因主接線變化而修改保護程序的時間，保證了程序的穩(wěn)定和質量。

3 分布式母線保護

變電站規(guī)模的逐漸擴大使母線上的出線數(shù)目日益增多，出線間的距離變長。采用集中式母線保護裝置將造成二次電纜數(shù)量的增多，提高工程造價，且接入間隔數(shù)目的增多對母線保護裝置的CPU處理能力提出了更高的要求。研究面向間隔、分散式安裝的分布式母線保護裝置成為迫切需要[4]。

分布式母線保護需要保證主站、子站之間的同步性和實時性，應充分利用各間隔單元的數(shù)據(jù)處理能力，降低對通訊網(wǎng)絡的要求，在簡化設備硬件結構、提高母線保護可靠性的同時，為增加母線保護冗余度創(chuàng)造條件[5]。

分布式母線保護系統(tǒng)采用主從結構，如圖4所示，圖中包含1個主站間隔和4個子站間隔。主站間隔負責對整個裝置的管理如人機界面、通信、錄波、打印以及保護邏輯運算功能；子站間隔負責本間隔的采樣、跳閘。子站間隔可就地布置，并通過光纖與主站進行點對點通信，實時性高，采用FPGA實現(xiàn)硬件通信編碼和循環(huán)冗余校驗（CRC），可靠性高，且不占用保護CPU的資源。

圖4 分布式母線保護系統(tǒng)結構

分布式母線保護裝置采用了用于分布式保護系統(tǒng)的時標跟蹤的同步采樣方法 （國家發(fā)明專利申請?zhí)?01110081966.9），采用此同步技術實現(xiàn)了分散采集分散執(zhí)行功能，同步算法占用主機和從機計算資源少，無需外接同步源，同步方案穩(wěn)定可靠且同步精度很高。

此外，分布式母線保護通信鏈路層完全支持標準協(xié)議的電子式互感器標準，只需更換軟件便可實現(xiàn)與電子式互感器的對接，滿足智能變電站對母線保護裝置的需求。

4 母線保護裝置狀態(tài)監(jiān)測

傳統(tǒng)母線保護的檢修以人工定檢為主，這種檢修方法不可避免會產(chǎn)生“過剩維修”，造成設備有效利用時間的損失，如果因檢修失誤引發(fā)母線誤動，將導致變電站損失負荷，并影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，并且2次檢修之間裝置發(fā)生故障不能及時發(fā)現(xiàn)。研究保護裝置的狀態(tài)監(jiān)測技術，實時掌握裝置的運行狀態(tài)并根據(jù)裝置狀態(tài)合理安排定檢，可減輕檢修人員的工作負擔并提高供電可靠性和售電量[6]。

新一代母線保護裝置依托于更為強大的微電子、計算機技術和通信網(wǎng)絡技術，突破了傳統(tǒng)變電站繼電保護裝置只能發(fā)出“正?！被颉爱惓！钡臓顟B(tài)信息的情況，不僅可以處理和傳統(tǒng)變電站繼電保護裝置相同或類似的基本信息內容，還可以在現(xiàn)有信息傳輸方式不發(fā)生變化的前提下輸出一份完整的監(jiān)視參數(shù)狀態(tài)值報表，該報表包括以下內容：

（1）當前時間信息；

（2）保護設備所有的自身監(jiān)視開關量狀態(tài)；

（3）保護設備的電源工作情況，包括CPU系統(tǒng)、AD系統(tǒng)和繼電器驅動系統(tǒng)的電源電壓值；

（4）保護裝置內部溫度值；

（5）保護裝置的接收光纖的光強值 （智能變電站母線保護提供）；

（6）過程層網(wǎng)絡的統(tǒng)計監(jiān)視信息 （智能變電站母線保護提供）；

（7）差電流信息。

這份報表可以通過打印的方式進行輸出，也可以通過遠方系統(tǒng)通過文件服務直接進行讀取。

保護裝置為以上監(jiān)視信息設置檢修門檻和故障門檻，當達到了檢修門檻時，裝置發(fā)出橙色預警信息，并輸出狀態(tài)參數(shù)監(jiān)視報表，提醒檢修人員注意，并提前安排檢修計劃；當達到了故障門檻時，裝置發(fā)出紅色警告信息，閉鎖保護裝置[7]。

智能站的推廣使用打破了傳統(tǒng)變電站依靠電纜傳輸模擬量及開關量的方式，取而代之的為SV和GOOSE網(wǎng)絡。應用于智能變電站的母線保護裝置接入光纖數(shù)量多，任何一根光纖異常都有可能影響母線保護裝置的正常運行。

母線保護裝置的狀態(tài)監(jiān)測功能可以幫助運行人員及時發(fā)現(xiàn)母線保護裝置異常工況并迅速消除隱患，大大縮短了母線保護的退出運行時間。

5 結束語

新一代母線保護裝置繼承了老一代母線保護的先進原理與技術，在總結多年運行維護經(jīng)驗的基礎上提出并采用了新的原理及技術。相比較老一代母線保護裝置，它具有以下優(yōu)點：（1）基于先進的UAPC硬件平臺開發(fā)，大大減少了保護程序升級維護工作量，并提高了同其他類型保護裝置的兼容性，滿足新一代智能變電站站域保護的需求；（2）采用新型的面向間隔對象的母線保護設計方法，保護裝置的適應能力變強，僅需要修改裝置配置文件即可適應特殊主接線；（3）分布式母線保護裝置使現(xiàn)場保護安裝更加靈活；（4）母線保護狀態(tài)監(jiān)測技術幫助運行人員實時了解保護裝置的運行狀態(tài)，按需安排保護檢修。隨著智能變電站的廣泛推廣和應用，新一代母線保護裝置將不斷改進完善以更好地服務于電力系統(tǒng)。

[1]呂 航，王風光，鮑凱鵬.PCS-915母線保護裝置[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36(16)：118-122.

[2]曾鐵軍，宋 艷，侯玉強.雙母接線系統(tǒng)中線路保護、母線保護、線路斷路器失靈裝置一體化方案的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(13)：77-80.

[3]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(wǎng)技術，2005，29(21)：72-74，80.

[4]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，2007，35(S1)：40-44.

[5]鄒貴彬，王曉剛，高厚磊，等.新型數(shù)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.

[6]金 逸，劉 偉，查顯光，等.智能變電站狀態(tài)監(jiān)測技術及應用[J].江蘇電機工程，2012，31(2)：12-15.

[7]管宜斌，嚴國平，陳久林，等.繼電保護裝置運行失效特性分析與狀態(tài)檢修策略[J].江蘇電機工程，2013，32(2)：1-3.