#头条创作挑战赛#
南京南瑞继保电气有限公司的研究人员王风光、李力、吕航、杨贵、代家强，在2022年第8期《电气技术》上撰文表示，新一代分布式母线保护装置采用组网通信方式，减少了主机光口数量，降低了装置功耗，具备冗余通信能力，提高了装置稳定性及可靠性。
他们指出，通过设置子机发送报文优先级，并采用乒乓对时方案实现子机采样同步，基于面向间隔对象的母线保护设计方法，子机将本间隔的母线拓扑连接关系上送给主机，主机自动完成母线主接线构建，实现了自适应主接线功能。文末最后介绍了采用新一代分布式母线保护装置的变电站改扩建方案，减少了改扩建工作量，降低了工作风险，提高了工作效率。
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母线是电力系统中的枢纽元件，母线故障的不及时切除将会对系统的供电可靠性造成严重影响，根据GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》规定，110kV及以上电压等级的母线及35～66kV的重要母线，需要配置母线保护装置。
微机型母线保护装置是目前在电力系统内应用最为广泛的母线保护装置类型，分为集中式母线保护装置和分布式母线保护装置两种类型。
集中式母线保护装置由一台装置完成对目标母线的保护，需要接入被保护母线上所有间隔的模拟量及开关量；分布式母线保护装置由一台主机加多台子机完成对目标母线的保护，子机数目与母线上的间隔数目相等，单台子机只需要接入单个间隔的模拟量及开关量，主机通过光纤与子机进行点对点通信，获得母线上所有间隔的模拟量及开关量，主机负责完成保护功能，子机负责模拟量及开关量的采集和出口跳闸。
集中式母线保护装置硬件架构简单，工作稳定可靠，在国内电网企业中有非常广泛的应用，但是与分布式母线保护装置相比，集中式母线保护装置也存在一定的劣势：
1）端子排布置密集，屏内接线复杂，长距离敷设的电缆间易产生干扰；2）间隔检修过程中，在母线保护屏内进行二次安措的风险较高；3）变电站改扩建过程中，如果涉及母线主接线形式的变化，改造工作量及调试工作量较大，改造耗时较长；4）装置硬件资源有限，可接入间隔数目有限，可扩展性不高。
对于规模较大的变电站，间隔距离较远的抽蓄电站，以及钢铁、石化等主接线不标准的应用场合，上述问题更加突出，可以考虑使用分布式母线保护装置。传统分布式母线保护装置的主机与子机间采用光纤点对点通信方式，主机需要配置与子机数量相等的光纤通信接口，一般在24个左右，光纤通信接口数量较多，存在以下四个问题：①主机功耗较高；②装置在长期运行后稳定性变差；③任一根光纤出现问题都会导致母线保护功能被闭锁；④无法配置冗余的光纤通道以提高主机子机通信可靠性。由于存在上述问题，导致其工作稳定性及可靠性比集中式母线保护装置低。
为解决传统分布式母线保护装置存在的问题，本文开发新一代分布式母线保护装置，采用组网通信方案、改进的采样同步方案及先进的自适应主接线方案，以提高装置工作稳定性、可靠性及灵活性，此外，本文还对应用新一代分布式母线保护装置的变电站改扩建方案进行介绍。
1.1 新一代分布式母线保护装置通信方式
为减少分布式母线保护装置的主机光口数量，降低主机装置功耗，提高主机与子机间的冗余通信能力，新一代分布式母线保护装置采用光纤组网通信方式。
新一代分布式母线保护装置通信方式如图1所示，由主机及多台子机构成，主机与子机的通信插件均具备两组光纤收发接口（TX1/RX1及TX2/RX2），两组光纤收发接口相对独立，可灵活选择双网通信或单网通信。当选择双网通信时，主机与各子机的第一组光纤收发接口接于交换机1，第二组光纤收发接口接于交换机2；当选择单网通信时，可只使用第一组光纤收发接口或第二组光纤收发接口。
1.2 与数字化母线保护装置通信方式的差异
数字化变电站中母线保护装置与合智装置之间也可以通过组网通信方式进行通信，与本文的分布式母线保护装置类似，但是二者在通信方式及同步方式等方面存在明显差异，具体如下：
图1新一代分布式母线保护装置通信方式
1）通信协议不同。数字化母线保护装置与合智装置间采用标准的IEC 61850通信协议，基于过程层网络并以面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）及采样值（sampled value, SV）方式分别传输开关量及模拟量。新一代分布式母线保护装置主机与子机间采用私有通信协议传输开关量及模拟量，不受IEC 61850通信协议的限制。
2）网络负载不同。过程层网络中SV流量占比较大，以典型的单间隔32采样通道来计算，网络负载约为10Mbit/s。新一代分布式母线保护装置主机与子机间仅需要传输母线保护所需要的模拟量及开关量，网络负载约为0.6Mbit/s，前者网络负载约为后者网络负载的17倍。
3）通信配置方式不同。数字化母线保护装置与合智装置需要进行过程层通信配置，以建立二者间的GOOSE/SV收发订阅关系，改扩建间隔或更换二次设备均需对过程层通信配置进行修改，并重新进行GOOSE/SV通信验证，工作量较大。新一代分布式母线保护装置的主机、子机无需进行复杂的通信配置，仅需为每个子机设定一个通信地址即可，即插即用。
4）同步方式不同。数字化母线保护装置与合智装置间采用组网通信方式，需考虑采样同步问题，目前主流解决方案是采用延时可测交换机，以等效为点对点通信方式，避免对外部时钟的依赖。新一代分布式母线保护装置主机与子机间采用高可靠性的乒乓对时方案，采样同步精度高，既实现了组网通信方式，又避免了对外部时钟的依赖。
1.3 小结
新一代分布式母线保护装置的主机、子机间采用组网通信方式，解决了传统分布式母线保护装置主机光口数量多、无冗余通信的问题，提高了分布式母线保护装置的可靠性。与数字化母线保护装置相比，主机、子机间通信不受IEC 61850通信规约的限制，网络通信负载轻，无需进行复杂的通信配置，子机即插即用，无需接入外部时钟，采样同步精度高。
母线差动保护计算所需要的各个间隔的电流采样数据必须是同一时刻的值，否则差动电流与制动电流不能准确反映故障特征，影响差动保护动作行为。集中式母线保护装置由一台装置完成差动保护功能，各间隔电流采样在装置统一的内部时钟体系下完成，不存在采样不同步的问题，而分布式母线保护装置的各个子机相互独立，彼此间不存在电气上的联系，因此，解决各个子机的采样同步问题，是分布式母线保护装置要解决的一个关键性技术问题。
2.1 与传统分布式母线保护装置同步方案的差异
传统分布式母线保护装置的主机、子机间为点对点通信方式，光纤传输延时较短。按照主机、子机间的光纤长度为1km、数据在光纤内的传输速度为2×105km/s进行推算，数据传输延时约5μs，对应的采样电角度误差仅0.09°，对差动保护动作特性的影响较小，所以基本可以忽略光纤传输延时对采样同步性的影响，各子机只需要保证与主机的采样时刻同步即可。
新一代分布式母线保护装置的主机、子机间采用组网通信方式，通信环节中增加了交换机，通信环节累加延时已对差动保护动作特性产生了影响，故需要在设计采样同步方案时考虑光纤传输延时的影响。
2.2 乒乓对时方案
所有子机的订阅报文均来自同一台主机，不存在报文排队的问题，所以主机发送给子机的报文延时是固定的，约为5μs，通过设定各子机的报文发送优先级可将各子机的报文发送延时抖动限制在5μs的范围内，以满足差动保护动作可靠性的要求，进而通过乒乓对时方案实现子机采样同步。
分布式母线保护装置主机、子机间的采样同步偏差包含两个部分，分别为主机、子机的内部时钟偏差（offset）及光纤传输延时（delay），只要计算出这两部分时间偏差值，就可以实现各子机的采样同步。
乒乓对时方案如图2所示，主机发送给子机的报文中包含以下三个时间信息：1）主机发送本机报文的发送时刻t1；2）子机发送报文的发送时刻t3；3）主机接收到子机报文的接收时刻t4。
图2 乒乓对时方案
子机在接收到主机报文后，会同时记录报文接收时刻t2，根据图2，可得
式（1）（2）
2.3 小结
新一代分布式母线保护装置的通信环节中增加了交换机，需要考虑报文传输延时对采样同步性的影响。考虑到主、子机通信网络中的报文类型比较简单，主机发送给子机的报文延时固定，所以只需要解决子机的报文发送延时即可以实现采样同步。通过内部设定各子机的报文发送优先级，可将各子机的报文发送延时抖动限制在5s的范围内，再通过采用乒乓对时方案，实现了各子机的采样同步，满足差动保护动作可靠性的要求。
除采用上述采样同步方案之外，也可以使用延时可测交换机，由交换机计算通信累加延时，可以更简单地实现子机采样同步。
不同的母线主接线形式，其对母线保护的需求是不同的，所以传统母线保护装置需要根据不同主接线形式开发与之相对应的母线保护程序。新一代分布式母线保护装置具备自适应主接线的功能，实现了一个母线保护程序版本可自适应各种母线主接线形式的需求，大大减少了母线保护程序版本的数量，降低了版本管理的工作量。
虽然母线主接线形式千变万化，但是母线上的连接元件只可能是母线电压互感器、母联或分段间隔、线路或主变间隔，母线保护只要能获取到各间隔与母线的拓扑连接关系，便可以完成母线主接线的自动构造。基于上述理论，面向间隔对象的母线保护设计方法（国家发明专利CN200910181793.0）提出先确定母线上的各连接元件，再由保护程序自动构建母线主接线的方法，使母线保护装置自适应母线主接线的方案成为可能。
3.1 功能介绍
面向间隔对象的母线保护设计方法定义了一个间隔通用模型如图3所示，此通用模型涵盖了电压互感器、母联或分段间隔、线路或主变间隔的所有属性及开入开出，新一代分布式母线保护程序在此通用模型基础上进行设计，以保证母线保护程序的通用性，实现了自适应母线主接线的功能。
图3 面向间隔对象的通用模型定义
新一代分布式母线保护装置的子机按母线设置了切换把手，根据各间隔的母线拓扑连接关系将对应子机的切换把手置于相应位置。以图4所示的双母单分段主接线为例，间隔1-2可连接在母线1或母线2上，则应将间隔1-2对应子机上的1、2母切换把手置于1的位置，3母切换把手置于0的位置，间隔3-4可连接在母线2或母线3上，则应将间隔3-4对应子机上的2、3母切换把手置于1的位置，1母切换把手置于0的位置，母联分段间隔对应子机的切换把手同样按照上述方法进行设置。
各子机根据各母线的切换把手状态形成本子机所关联间隔的母线拓扑连接关系，并上送至主机，主机在接收到所有间隔的母线拓扑连接关系后，由程序自动完成母线主接线的构建。
图4 双母单分段主接线
当变电站改扩建，导致母线主接线形式发生变化，或者间隔数目发生变化时，只需要重新设定各子机的母线切换把手，以及新增子机的母线切换把手，主机即可重新自动构建母线主接线，满足改扩建后母线保护各项功能的需求。
3.2 防误措施
各间隔的母线拓扑连接关系直接影响差动保护动作行为，为防止因切换把手误操作导致母线拓扑连接关系设定错误，有必要对其正确性进行校验。
主机在接收到各子机的母线拓扑连接关系后，会先和记忆的各子机的母线拓扑连接关系进行对比，如果发现某子机的母线拓扑连接关系发生变化，会以报警的形式提醒运检人员进行核实。在运检人员核实无误后，需要进行人工确认，主机只有得到外部的人工确认命令后，才会进行母线主接线的自动构建。在完成母线主接线的自动构建后，主机还会基于各母线小差的差流去校验各子机的母线拓扑连接关系是否正确。
3.3 小结
新一代分布式母线保护装置采用了面向间隔对象的母线保护设计方法，实现了一个母线保护程序满足现场各类母线主接线形式的需求，减少了母线保护程序版本数量，降低了版本管理的工作量。为避免因母线拓扑连接关系设定错误而影响母线差动保护动作行为，增加了完备的校验措施，既提高了母线保护装置的适用性，也保证了可靠性。
电力系统中母线的主接线方式随系统容量增加而发生改变的情况非常常见，如一期工程采用双母单分段主接线，二期工程2母开断，改造为双母双分段主接线，此时需要新增加一套母线保护装置，并将部分间隔的二次回路改接入新增加的母线保护装置，由两套母线保护装置共同完成双母双分段主接线的保护。主接线改变情况下的母线保护改造如图5所示。
图5 主接线改变情况下的母线保护改造
4.1 集中式母线保护改造
对于集中式母线保护装置来说，图5展示了改造前后的母线保护配置（图5中仅以电流回路改造示意，下同），改造前母线上所有间隔均接入同一套母线保护装置，改造后需要新增加一套母线保护装置，并将在3、4母间倒闸的间隔接入新增加的母线保护装置，涉及母线电压、间隔电流等模拟量，间隔开关位置开入、刀开关位置开入、跳闸开出等开关量，二次回路的改造工作量很大，改造完成后的二次回路验证工作量也很大，改造风险较高。
4.2 新一代分布式母线保护改造
对于上述改造工程，如果采用新一代分布式母线保护装置，那么在改造过程中不需要对各间隔的二次电缆进行改动，只需要调整在3、4母间倒闸的子机光纤位置，从而大大减少改造工作量。图6为改造前的分布式母线保护装置主、子机配置，其中实线表示电缆，虚线表示光缆，各子机分散布置，就近接入对应间隔的模拟量及开关量，通过光缆接入交换机与主机进行信息交互。
图6 改造前母线保护装置主子机配置
图7和图8为改造后的分布式母线保护装置主、子机配置，其中图7使用两套分布式母线保护装置完成对双母双分段接线的保护，图8使用一套分布式母线保护装置完成对双母双分段接线的保护。
图7 改造后母线保护装置主子机配置1
图7与图6相比，新增加1台主机、1台交换机及3台子机，新增加的子机接入与本间隔相关的模拟量及开关量，主机1及与1、2母相关联的子机的光纤位置不需做任何改动，仍接入交换机1，与3、4母相关联的子机的光纤位置由交换机1调整到交换机2，新增加的主机2接入交换机2。完成光纤位置调整后，重新设定各子机的母线拓扑连接关系，主机接收到各子机的新的拓扑连接关系，并接收到外部确认命令后，自动完成母线主接线的构建。
图8与图6相比，新增加1台子机，该子机接入与本间隔相关的模拟量及开关量，并通过光纤接入交换机，其他子机的电缆及光纤位置不需做任何改动。重新设定各子机的母线拓扑连接关系，主机完成母线主接线的构建后，即可以完成母线保护改造。
图8 改造后母线保护装置主子机配置2
4.3 小结
与集中式母线保护装置相比，新一代分布式母线保护装置的电缆改动仅涉及新增加的子机装置，改造工作量大大减少，同时也大大降低了改造风险。新一代分布式母线保护装置的模拟量及开关量接入能力更强大，单台装置即可完成对双母双分段四条母线的保护，且由于采用了组网通信方式，主机不需要配置过多的光口，提高了装置运行稳定性。
集中式母线保护装置在国内电网企业有非常广泛的应用，但是不应忽视其存在的屏内接线复杂、间隔检修风险高、改扩建工作量大及可扩展性不高等固有问题。在某些特殊应用场合，集中式母线保护装置不一定是母线保护的最佳选择。
新一代分布式母线保护装置通过改进通信方式及采样同步方案提高了装置工作的稳定性及可靠性，通过采用自适应主接线功能提高了装置的灵活性。在规模较大的低电压等级变电站，间隔距离较远的抽蓄电站，以及钢铁、石化等主接线不标准的应用场合，可考虑采用新一代分布式母线保护装置作为集中式母线保护装置的替代装置。国外电网企业对分布式母线保护装置较为认可，新一代分布式母线保护装置已广泛应用于英国、印度、巴西等电网企业。
本文编自2022年第8期《电气技术》，论文标题为“新一代分布式母线保护装置”，作者为王风光、李力 等，本课题得到国家重点研发计划项目的支持。
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