侯 煒 董凱達(dá) 宋志偉 陳 俊

基于高可靠性冗余環(huán)網(wǎng)通信的中壓母線差動(dòng)保護(hù)研究

侯 煒 董凱達(dá) 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(huán)網(wǎng)通信的中壓母線差動(dòng)（簡(jiǎn)稱“母差”）保護(hù)技術(shù)，采用單間隔綜合保護(hù)裝置完成各自信息采集，將母差保護(hù)所需的信息通過(guò)環(huán)網(wǎng)發(fā)送至母差保護(hù)裝置，母差保護(hù)動(dòng)作后跳閘指令也通過(guò)環(huán)網(wǎng)到達(dá)各單間隔綜合保護(hù)裝置，在不增加電流互感器和接線的情況下實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)功能。母差保護(hù)裝置體積小、質(zhì)量輕，可在斷路器柜直接安裝，測(cè)試表明，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)環(huán)網(wǎng)內(nèi)30個(gè)間隔的母差保護(hù)功能。

高可靠性冗余環(huán)網(wǎng)；中壓；母線差動(dòng)保護(hù)；差動(dòng)電流同步

0 引言

我國(guó)6～35kV中壓系統(tǒng)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(dòng)機(jī)?？紤]到與下級(jí)保護(hù)配合，所有進(jìn)線的保護(hù)均無(wú)法配置電流速斷保護(hù)等快速保護(hù)，尤其是工業(yè)企業(yè)6kV/10kV進(jìn)線，保護(hù)定值整定需要躲過(guò)本分支母線所需參與自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)電流之和、躲過(guò)本分支母線上最大容量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流、與下一級(jí)速斷或限時(shí)速斷的最大動(dòng)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(shí)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(dòng)機(jī)數(shù)量較多，且有部分大型電動(dòng)機(jī)，因此進(jìn)線過(guò)電流保護(hù)整定值較高。當(dāng)發(fā)生母線故障時(shí)，現(xiàn)有保護(hù)不能快速、靈敏地切除故障，必將對(duì)電網(wǎng)和各類型廠礦企業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)很大的影響[1-4]。

針對(duì)上述情況，本文提出一種基于環(huán)網(wǎng)分散式采樣的母線差動(dòng)（簡(jiǎn)稱“母差”）保護(hù)方法，利用斷路器柜上的單間隔保護(hù)裝置采集的信息，通過(guò)高可靠性冗余（high-availability seamless redundancy, HSR）環(huán)網(wǎng)與母差保護(hù)裝置通信，以解決中壓母線無(wú)快速保護(hù)的問題。

1 中壓母線常規(guī)保護(hù)方案

6～35kV斷路器柜內(nèi)只有一組保護(hù)電流互感器（current transformer, CT），且廠礦企業(yè)6kV/10kV系統(tǒng)每段母線間隔數(shù)較多，難以配置傳統(tǒng)母差保護(hù)；此外，斷路器柜為封閉母線的方式，母線故障相對(duì)較少，因此，現(xiàn)有絕大部分情況下，母線故障只有靠進(jìn)線的延時(shí)過(guò)電流保護(hù)動(dòng)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(shí)有發(fā)生[1-2]，柜體燃弧起火，帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

隨著各類型用戶對(duì)中壓母線保護(hù)的重視，采用電弧光保護(hù)或簡(jiǎn)易母線保護(hù)方案作為中壓母線快速保護(hù)的案例得到了部分應(yīng)用[5-7]。

1.1 電弧光保護(hù)

電弧光保護(hù)通過(guò)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)故障電弧光，在發(fā)生電弧光故障時(shí)，快速切除母線進(jìn)線或者分段斷路器，從而切除母線故障。

KYN—28型斷路器柜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，斷路器柜電纜出線故障由本間隔保護(hù)切除，且只能反應(yīng)電纜室CT下方的故障，而現(xiàn)有電弧光保護(hù)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(dāng)圖1中F1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，電弧光保護(hù)無(wú)法動(dòng)作，此時(shí)饋線電氣量保護(hù)也無(wú)法動(dòng)作。

圖1 KYN—28型斷路器柜結(jié)構(gòu)示意圖

建議在電纜室也安裝電弧光傳感器（3號(hào)傳感器），3號(hào)傳感器感受電弧光信號(hào)并且在母線電流有突變后，跳本間隔斷路器。此時(shí)，需要電弧光保護(hù)具備多路出口分別跳饋線開關(guān)，或者將3號(hào)傳感器接入各間隔綜合保護(hù)裝置，通過(guò)電弧光保護(hù)與綜合保護(hù)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(chǎn)品，應(yīng)用案例極少。

1.2 簡(jiǎn)易母線保護(hù)

簡(jiǎn)易母線保護(hù)由各饋出線保護(hù)的閉鎖信號(hào)與進(jìn)線保護(hù)的過(guò)電流保護(hù)配合完成。其基本原理是：使用進(jìn)線的過(guò)電流保護(hù)功能，并通過(guò)各饋線的保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)對(duì)其進(jìn)行閉鎖；當(dāng)母線區(qū)外故障時(shí)，相關(guān)保護(hù)能夠發(fā)出閉鎖信號(hào)閉鎖簡(jiǎn)易母線保護(hù)，且在判斷相關(guān)斷路器失靈的情況下收回閉鎖信號(hào)；區(qū)內(nèi)故障時(shí)，相關(guān)保護(hù)不發(fā)出閉鎖信號(hào)，簡(jiǎn)易母線保護(hù)可以快速動(dòng)作切除進(jìn)線斷路器[7-8]。

1.3 電弧光保護(hù)和簡(jiǎn)易母線保護(hù)的不足

從1.1節(jié)描述可看出，要想電弧光保護(hù)實(shí)現(xiàn)完全無(wú)死區(qū)的母線保護(hù)，需要每個(gè)斷路器柜配置3個(gè)電弧光傳感器，針對(duì)已投運(yùn)電站，增加電弧光傳感器和相應(yīng)的采集、跳閘通道，工作量較大；而且，在開關(guān)柜各小室密封不嚴(yán)的情況下，不同區(qū)域的電弧光探頭可能都會(huì)監(jiān)測(cè)到故障電弧光，引起保護(hù)誤動(dòng)。

1.2節(jié)的簡(jiǎn)易母線保護(hù)可將母線故障的切除時(shí)間由500ms以上變?yōu)?0ms以下，但是工業(yè)企業(yè)中部分母線上可能會(huì)有余熱或余壓發(fā)電機(jī)，在母線故障時(shí)，會(huì)向故障點(diǎn)提供短路電流；此外，母線上的大型電動(dòng)機(jī)也會(huì)有反饋電流，在實(shí)際應(yīng)用簡(jiǎn)易母線保護(hù)時(shí)，需要專業(yè)人員對(duì)簡(jiǎn)易母線保護(hù)閉鎖邏輯進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)，且發(fā)電機(jī)保護(hù)的閉鎖信號(hào)須增加方向判別、電動(dòng)機(jī)保護(hù)閉鎖信號(hào)須躲過(guò)電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)電流，一旦整定不合適，可能會(huì)誤閉鎖或越級(jí)跳閘。

2 基于高可靠性冗余環(huán)網(wǎng)通信的母差保護(hù)

電弧光保護(hù)和簡(jiǎn)易母線保護(hù)在實(shí)際使用中存在一些不足，母差保護(hù)可以更好地保護(hù)母線。如果采用集中式母差保護(hù)裝置，需通過(guò)電纜連接所有間隔的CT二次側(cè)、斷路器位置輔助觸頭及斷路器跳閘線圈，這會(huì)耗費(fèi)大量電纜，使二次接線變得十分復(fù)雜；同時(shí)還需要CT具備兩組二次線圈，如果與單間隔綜合保護(hù)測(cè)控裝置共用一組CT，則會(huì)大大增加接線復(fù)雜度。因此，本文研究通過(guò)單間隔綜合保護(hù)測(cè)控裝置采集本間隔電流后采用HSR環(huán)網(wǎng)將母差保護(hù)所需的各間隔信息傳送給母差保護(hù)裝置，則新的分散采樣的母差保護(hù)裝置無(wú)需配置獨(dú)立的交流采樣插件、開關(guān)量采樣插件及跳間隔的出口插件，裝置體積及質(zhì)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(hù)方案

分布式采樣的母差保護(hù)由母差保護(hù)裝置和每個(gè)間隔的綜合保護(hù)測(cè)控裝置組成，每個(gè)綜合保護(hù)測(cè)控裝置通過(guò)電纜采集各自間隔的電流、開關(guān)位置及控制分合閘，母差保護(hù)裝置和綜合保護(hù)測(cè)控裝置之間通過(guò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)功能。在110kV及以上電壓等級(jí)的母差保護(hù)方案中出現(xiàn)過(guò)采用HSR的分布式母差方案，該方案由一個(gè)公共單元CU和多個(gè)間隔單元BU組成，但該方案在一個(gè)環(huán)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，一般不超過(guò)8個(gè)[9-13]，一個(gè)BU需要通過(guò)電纜采集8個(gè)間隔的電流，這種方式仍存在BU和傳統(tǒng)單間隔保護(hù)共用CT、接線復(fù)雜的問題，而且這種分布式母差保護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于中壓母線來(lái)說(shuō)，既不便于安裝，成本也太高，BU和單間隔綜合保護(hù)測(cè)控裝置需要共用CT，接線復(fù)雜，可實(shí)施性不大；如果單間隔綜合保護(hù)裝置與母差保護(hù)之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)星形網(wǎng)絡(luò)連接，則需要母差保護(hù)有較多的光纖接口，但廠礦企業(yè)一段中壓母線一般間隔數(shù)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(huán)網(wǎng)保護(hù)方案。

本文的目標(biāo)是將一段或兩段母線組成一個(gè)環(huán)網(wǎng)，母差保護(hù)由母差保護(hù)裝置和多個(gè)單間隔綜合保護(hù)裝置配合完成，每個(gè)單間隔綜合保護(hù)裝置通過(guò)電纜采集本斷路器柜內(nèi)的CT二次側(cè)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(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，母差保護(hù)裝置與多個(gè)單間隔綜合保護(hù)測(cè)控裝置之間通過(guò)100Mbit/s以太網(wǎng)順序首尾相連形成雙向冗余環(huán)，完成母差保護(hù)計(jì)算。環(huán)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)為對(duì)等關(guān)系，負(fù)責(zé)環(huán)內(nèi)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)、過(guò)濾及本節(jié)點(diǎn)信息的廣播發(fā)送。分布式母差保護(hù)安裝示意圖如圖2所示。

圖2 分布式母差保護(hù)安裝示意圖

2.2 多節(jié)點(diǎn)母差保護(hù)信息傳輸方案

HSR采用節(jié)點(diǎn)冗余技術(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)環(huán)形鏈接端口，形成環(huán)形拓?fù)?，全雙向鏈路連接，即實(shí)現(xiàn)報(bào)文在鏈路層上的“雙發(fā)雙收”，網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)零切換時(shí)間[14-15]。

環(huán)網(wǎng)內(nèi)保護(hù)間傳遞的報(bào)文若采用標(biāo)準(zhǔn)的面向通用對(duì)象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）和采樣值（sample value, SV）協(xié)議，環(huán)網(wǎng)中的流量將非常大，無(wú)法滿足廠礦企業(yè)間隔多的需求，而且中壓保護(hù)裝置一般只有100Mbit/s以太網(wǎng)口，網(wǎng)絡(luò)流量大，將進(jìn)一步降低環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量。因此，需要優(yōu)化報(bào)文結(jié)構(gòu)及信息傳輸方式。

單間隔保護(hù)將母差需要的本間隔信息通過(guò)單播方式傳輸，單間隔保護(hù)將包含自身環(huán)網(wǎng)標(biāo)記的單播報(bào)文，通過(guò)兩個(gè)并行操作的端口，分別以“A幀”、“B幀”的方式發(fā)出。不轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)網(wǎng)中由自身發(fā)出的報(bào)文；環(huán)網(wǎng)中其他單間隔保護(hù)接收到該單播報(bào)文后，直接轉(zhuǎn)發(fā)，自身不進(jìn)行處理；母差保護(hù)收到環(huán)網(wǎng)中源設(shè)備的單播報(bào)文后，將先到報(bào)文中的環(huán)網(wǎng)標(biāo)記刪除后傳輸至本機(jī)應(yīng)用層使用，丟棄后到的報(bào)文，不對(duì)環(huán)網(wǎng)中的單播報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

母差保護(hù)動(dòng)作后跳各間隔綜合保護(hù)裝置的報(bào)文采用多波報(bào)文，減少報(bào)文信息量，環(huán)網(wǎng)中單間隔綜合保護(hù)裝置將先后接收到的兩個(gè)報(bào)文幀進(jìn)行比較，源地址相同且不與本設(shè)備地址相同，報(bào)文序號(hào)、應(yīng)用標(biāo)識(shí)相同且路徑標(biāo)識(shí)不同的，此兩幀中的前一幀報(bào)文的應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸至本節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層，環(huán)網(wǎng)內(nèi)設(shè)備收到報(bào)文幀的源地址與本設(shè)備地址相同時(shí)，直接丟棄，既不上送，也不轉(zhuǎn)發(fā)；兩幀中的后一幀，由本節(jié)點(diǎn)直接向下一節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。

為了提高報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸效率，將不同類型的數(shù)據(jù)放在一幀報(bào)文內(nèi)統(tǒng)一傳輸，應(yīng)用數(shù)據(jù)格式為：模擬量為32bits數(shù)據(jù)加16bits品質(zhì)，每個(gè)開關(guān)量為2bits數(shù)據(jù)加2bits品質(zhì)；為了便于同步采樣數(shù)據(jù)，通道延時(shí)數(shù)據(jù)也要傳輸。以傳輸11個(gè)模擬量數(shù)據(jù)、32個(gè)開關(guān)量數(shù)據(jù)為例，則應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（application protocol data unit, APDU）數(shù)據(jù)長(zhǎng)度共86字節(jié)，優(yōu)化后的應(yīng)用報(bào)文長(zhǎng)度為115字節(jié)。應(yīng)用報(bào)文幀格式和APDU格式定義分別見表1和表2。

源地址包含發(fā)送該報(bào)文的裝置的設(shè)備編號(hào)、母線編號(hào)及設(shè)備類型，母線編號(hào)表示該單間隔保護(hù)裝置所保護(hù)的斷路器連接的母線編號(hào)，設(shè)備類型分為支路間隔保護(hù)裝置和分段間隔保護(hù)裝置。源地址由4個(gè)字節(jié)組成，其中低位的2個(gè)字節(jié)表示設(shè)備編號(hào)，最高位的1個(gè)字節(jié)表示設(shè)備類型，中間的1個(gè)字節(jié)表示母線編號(hào)。

表1 應(yīng)用報(bào)文幀格式

表2 APDU格式定義

對(duì)于單間隔綜合保護(hù)裝置，通道1為采樣延時(shí)數(shù)據(jù)，為裝置將電氣量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)所用的時(shí)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(shù)據(jù)，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(guān)量。為了使盡可能多的設(shè)備組成一個(gè)環(huán)網(wǎng)，滿足中壓母線差動(dòng)的需求，適當(dāng)降低數(shù)據(jù)傳輸速率，由于保護(hù)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(shè)置為2.4kHz，傳輸量包括用于母差保護(hù)的a、b、c相電流、母線電壓，剩余通道方便擴(kuò)展其他功能。

優(yōu)化后的一幀報(bào)文的長(zhǎng)度為115字節(jié)，裝置按照2.4kHz的頻率發(fā)送報(bào)文，每個(gè)裝置產(chǎn)生的報(bào)文流量為2 208kbit/s，不考慮報(bào)文間隔時(shí)間及現(xiàn)場(chǎng)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(tái)具有100Mbit/s通信接口的裝置，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

母差保護(hù)和單間隔綜合保護(hù)的APDU格式相同，但內(nèi)容有所不同。母差保護(hù)不需要采集電氣量數(shù)據(jù)，無(wú)模擬量下發(fā)，其開關(guān)量通道為發(fā)送至各間隔的跳閘指令，報(bào)文通過(guò)多播方式下發(fā)。

2.3 差動(dòng)電流同步

由于母差保護(hù)接收到的各間隔電流是通過(guò)HSR環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)模瑐鬏斞訒r(shí)都不相同，若采樣數(shù)據(jù)不同步，將對(duì)差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生影響[16]。一般10kV電壓等級(jí)斷路器柜安裝的綜合保護(hù)裝置都不配置可精確到1ms的對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，因此只能通過(guò)自同步來(lái)同步數(shù)據(jù)。

本文引入傳輸延時(shí)修正域，延時(shí)時(shí)間由報(bào)文本身攜帶，大大提高母差保護(hù)同步處理能力。每經(jīng)過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)修正一次，直到所有節(jié)點(diǎn)傳輸結(jié)束，再利用該延時(shí)進(jìn)行修正處理，其計(jì)算式為

式中，為采樣延時(shí)（見表2通道1）。由于環(huán)網(wǎng)柜中所有的單間隔綜合保護(hù)裝置均采用同樣的采樣處理方式，因此式（2）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

通過(guò)上述方法完成采樣時(shí)刻處理后，裝置對(duì)采樣數(shù)據(jù)的處理方式等同于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直采模式，不需要依賴外部時(shí)鐘來(lái)保證采樣數(shù)據(jù)的同步性。一般情況下，保護(hù)裝置采用1.2kHz采樣頻率即可滿足保護(hù)所需的采樣精度要求，因此母差保護(hù)收到所有單間隔保護(hù)的2.4kHz環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)后將其插值同步成1.2kHz數(shù)據(jù)用于母差保護(hù)計(jì)算。

2.4 完全母差保護(hù)

完全母差保護(hù)裝置采集各斷路器間隔的電流數(shù)據(jù)，通過(guò)比率差動(dòng)元件來(lái)判斷故障，其動(dòng)作判據(jù)為

由于中壓母線間隔數(shù)較多，而且存在部分間隔為小功率電動(dòng)機(jī)的情況，此時(shí)進(jìn)線CT和饋線CT電流比差別可能較大，母差保護(hù)要防止出線間隔區(qū)外故障導(dǎo)致饋線CT嚴(yán)重飽和情況下誤動(dòng)的情況。針對(duì)上述情況，采用兩種防CT飽和的判據(jù)：①異步法CT飽和判據(jù)，由于CT飽和并不是立即出現(xiàn)的，區(qū)外故障時(shí)，制動(dòng)電流先于差動(dòng)電流出現(xiàn)，而區(qū)內(nèi)故障時(shí)，制動(dòng)電流、差動(dòng)電流基本同時(shí)出現(xiàn)；②采用諧波制動(dòng)原理判別，利用CT飽和時(shí)差流波形畸變和每周波存在線性傳變區(qū)的特點(diǎn)識(shí)別區(qū)外故障。

3 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真驗(yàn)證

按照常規(guī)單母分段典型接線，搭建了實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）模型，如圖4所示。無(wú)窮大電源通過(guò)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(shù)，電纜按照YJV22—120取其參數(shù)。

圖4 RTDS模型

為驗(yàn)證HSR環(huán)網(wǎng)的接入能力，共使用了30臺(tái)單間隔綜合保護(hù)裝置及1臺(tái)母差保護(hù)裝置，整個(gè)環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為31，所有裝置之間通過(guò)100Mbit/s光纖冗余以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行連接，如圖2所示。裝置全部上電，HSR環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)正常，未出現(xiàn)斷鏈、失步等現(xiàn)象。

由于RTDS系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)容量的限制，并未在所有的保護(hù)裝置上加量，僅對(duì)兩段母線的2個(gè)進(jìn)線開關(guān)、6個(gè)出線開關(guān)及一個(gè)分段開關(guān)做了加量仿真試驗(yàn)。RTDS試驗(yàn)對(duì)并列、分列運(yùn)行方式下的母線區(qū)內(nèi)、區(qū)外的相間故障、接地故障、轉(zhuǎn)換性故障、CT飽和、CT斷線、PT斷線、死區(qū)故障、振蕩、系統(tǒng)側(cè)變頻及環(huán)網(wǎng)一點(diǎn)斷開情況下的故障等各類故障進(jìn)行了共計(jì)181次模擬試驗(yàn)，動(dòng)作結(jié)果均正確，且動(dòng)作時(shí)間與傳統(tǒng)集中式母差保護(hù)基本一致。

圖5為模擬在母線分列運(yùn)行狀態(tài)下的Ⅰ母區(qū)內(nèi)AB相間故障的波形，圖6為模擬在母線并列運(yùn)行狀態(tài)下5DL區(qū)外C相接地故障轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)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(guān)的三相電流，IS2A、IS2B、IS2C為S2開關(guān)的三相電流，IS3A、IS3B、IS3C為S3開關(guān)的三相電流，IL1A～I(xiàn)L6C為1DL～6DL開關(guān)的三相電流，S1PT1～L6PT1為各個(gè)開關(guān)的跳閘信號(hào)。

圖5 母線分列運(yùn)行狀態(tài)下Ⅰ母區(qū)內(nèi)AB相間故障波形

從圖5可以看出，故障發(fā)生在0ms，而跳閘信號(hào)的上升沿在27ms左右，除去RTDS的信號(hào)確認(rèn)時(shí)間20ms和保護(hù)裝置的出口繼電器閉合時(shí)間2～3ms，工頻變化量母差保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間在4～5ms左右，與傳統(tǒng)集中式母差保護(hù)動(dòng)作時(shí)間相當(dāng)。

圖6區(qū)外故障發(fā)生在0ms，5DL C相故障，差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作，大約30ms處轉(zhuǎn)為區(qū)內(nèi)AB相間故障，在57.6ms出口跳閘，從發(fā)生區(qū)內(nèi)故障到保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間為27.6ms，除去RTDS的信號(hào)確認(rèn)時(shí)間20ms和保護(hù)裝置的出口繼電器閉合時(shí)間2～3ms，工頻變化量母差保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間在4.6～5.6ms左右。

運(yùn)行中，斷掉31個(gè)節(jié)點(diǎn)其中任一段光纖，裝置會(huì)報(bào)出通道異常，但差流為0，不會(huì)引起保護(hù)啟動(dòng)或誤動(dòng)作。

基于本方案的母差保護(hù)已在深圳某110kV變電站的10kV母線投入運(yùn)行超過(guò)一年半，運(yùn)行一切正常，尚未有母線故障導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作，也未出現(xiàn)誤報(bào)警或誤動(dòng)作情況。

圖6 母線并列運(yùn)行狀態(tài)下轉(zhuǎn)換性故障波形

4 結(jié)論

本文提出了基于高可靠性冗余環(huán)網(wǎng)的中壓母差保護(hù)方案，解決了斷路器柜方式的中壓母線難以實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)的難題；母差保護(hù)采用分布式信息采集及出口方式，單環(huán)可接入30個(gè)間隔以上。以試驗(yàn)中的30間隔為例，傳統(tǒng)母差需要2臺(tái)裝置才可完成，南瑞繼保PCS—915母差裝置一臺(tái)的質(zhì)量為36.6kg，兩臺(tái)質(zhì)量為73.2kg，采用本方案后，由于母差保護(hù)無(wú)需配置CT采樣插件，質(zhì)量降至7kg內(nèi)；傳統(tǒng)方案中，2臺(tái)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(zhì)量減少90%以上，高度減少25%，寬度減少70%，可在斷路器柜內(nèi)安裝，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 馮毅, 王少杰, 田文平, 等. 一起變壓器低壓側(cè)故障跳開中壓側(cè)母聯(lián)斷路器原因的分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(9): 113-115.

[2] 丁北平, 陳東海, 嚴(yán)浩軍, 等. 變電所中置柜短路故障分析及解決方案研究[J]. 電氣技術(shù), 2013, 14(10): 57-60.

[3] 郭躍東, 郭小嫻, 郭麗華. 一起10kV母線故障導(dǎo)致主變跳閘的分析和處理[J]. 發(fā)輸變電, 2019, 60(8): 34-36.

[4] 馬國(guó)斌, 張勇, 王小輝. 某廠10kV系統(tǒng)弧光短路事故的分析[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(5): 137-139.

[5] 牛洪海, 嚴(yán)偉, 王杰. 中低壓母線電弧光保護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 江蘇電機(jī)工程, 2014, 33(1): 56-59.

[6] 張喜玲, 楊慧霞, 蔣冠前. 弧光保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(14): 130-135.

[7] 丁杰, 楊前生, 呂航, 等. 智能變電站簡(jiǎn)易母線保護(hù)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2017, 41(14): 197-201.

[8] 張春合, 陸征軍, 李九虎, 等. 數(shù)字化變電站的保護(hù)配置方案和應(yīng)用[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2011, 31(6): 122-125.

[9] 鄭林勝. 中壓電纜網(wǎng)雙鏈環(huán)供電模式的研究與應(yīng)用[J]. 電氣時(shí)代, 2017(7): 93-95.

[10] 周華良, 鄭玉平, 楊志宏, 等. 面向智能變電站三網(wǎng)合一網(wǎng)絡(luò)的PRP/HSR實(shí)現(xiàn)方案[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2018, 38(10): 216-223.

[11] 王風(fēng)光, 杜興偉, 呂航, 等. 就地化母線保護(hù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2019, 47(7): 155-161.

[12] 唐治國(guó), 汪思滿, 康豐, 等. 多級(jí)級(jí)聯(lián)分布式母線保護(hù)方案[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2012, 32(11): 136-141.

[13] 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(hù)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2010, 30(11): 94-97.

[14] 王德林, 鄭玉平, 周華良, 等. 基于多HSR環(huán)網(wǎng)的分布式母差平臺(tái)及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2017, 41(16): 27-34.

[15] 周小波, 汪思滿, 吳正學(xué), 等. 環(huán)網(wǎng)分布式母線保護(hù)裝置就地化實(shí)現(xiàn)探討[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(6): 104-108.

[16] 陳雷, 高厚磊, 樊占峰. 分布式母線差動(dòng)保護(hù)耐同步誤差能力分析[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2018, 38(9): 205-211.

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(yáng)泉市人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及控制技術(shù)研究工作。