基于站域保护的简易母线研究

魏承志，王　凯，文　安，李　阳，赵曼勇，黄维芳，牟　敏(.中国南方电网电力调度控制中心，广东广州5063；.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京0)



基于站域保护的简易母线研究

魏承志1，王凯2，文安1，李阳2，赵曼勇1，黄维芳1，牟敏1
(1.中国南方电网电力调度控制中心，广东广州510623；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102)

摘要：根据变电站低压母线保护需要，利用基于全站数据信息的站域保护，实现简易母线保护功能。通过现有低压母线保护实施的难点分析，结合智能化变电站技术应用，设计站域保护简易母线实施方案，给出原理及动作过程分析。该实施方案在新一代智能变电站中得到实际应用，验证了可靠性及技术优势。

关键词：智能化变电站；简易母线保护；站域保护；三网合一

随着电网的日益复杂和运行方式的灵活多变，给当前的继电保护及控制技术带来了严峻的考验。传统的保护控制由于无法获取系统的全局信息，因此不能对保护措施做出全局优化，比如最初基于单端电气量信息的保护（如过流保护、距离保护等），以及后来基于双端电气量信息的保护（如纵联方向、光纤差动）。目前随着智能化技术的应用推广，光纤回路数字化信息的共享传输，使得获得电网区域多点电气量信息成为可能，基于多点、多端电气信息的保护控制方案设计将比传统的具备更大的原理优势。但是从实际应用上来看，当前智能化变电站的保护控制配置并没有真正有效地利用到智能化的技术优势，仍然存在传统保护控制的缺陷[1，2]。继电保护基本还是停留在面向电力元件的设计方案，利用元件“本地”信息判断故障，利用设备冗余和上下级保护的时间配合提高保护的可靠性，继电保护与系统控制配合不协调问题凸显[3]。保护控制系统存在信息获取有限，缺乏整体性考虑，接口复杂，硬件配置重复，设备投资高，运行维护困难的问题[4]。为改善继电保护控制对电力系统的适应性，站域保护成为近年来研究的热点。

本文通过面向变电站的保护控制系统研究，提出一种低压系统中简易母线保护方案，详细阐述新方案的整体思路、实现原理，充分利用变电站系统多端信息，提升保护控制性能，降低设备投资。

1　低压系统母线保护方案

10～35kV等级的低压母线，由于出线间隔多，进出线的支路电流互感器变比差异大等原因，一般不装设专用母线保护，由变压器的后备保护实现对母线的保护[5，6]。但是后备保护按逐级配合设计，动作时间长达1～2 s，面临着保护选择性和速动性的不一致性[6-8]。为解决低压母线保护需求与保护配置的矛盾，逐步形成了简易母线保护概念。

1.1简易母线保护原理

目前低压母线保护主要采用电流闭锁原理，通过判断电源支路电流，结合其余间隔的闭锁信号，完成母线保护。接线方式如图1所示。以变压器为单元，接入主变低压侧电流互感器1TA和分段电流互感器3TA，以流入母线作为正方向接成差流元件，正常情况下母线保护的差流为该母线上的负荷电流[9]，通过过流保护躲过正常的负荷差流来完成母线保护功能。出线侧故障时，出线保护提供辅助节点瞬时动作闭锁简易母线保护，由出线保护动作切除故障；当母线发生故障时，出线保护装置不动作，不发闭锁信号，由简易母线保护动作切除故障。

图1　简易母线保护主接线示意

相比与变压器后备保护的单一电源过流判断，简易母线保护更易于母线故障的判断。同时简易母线引入了出线保护动作闭锁的逻辑判据，有效地与馈线保护过流进行了配合，减少了母线保护动作时间。

1.2传统变电站简易母线保护实施困难

传统变电站二次保护回路配合主要通过硬接线。在实施简易母线保护时，需要在多个装置之间传递启动闭锁信号，二次回路接线复杂，施工量大；闭锁回路无法有效监视，运行维护困难，可靠性低。同时由于传统变电站自身的局限性，信息共享困难，为了避免二次回路的复杂化，简易母线保护，以母线为单元进行配置，母线间相对独立，缺少配合关系，低压母线小电源处理困难，无法有效兼顾全局。

1.3智能化变电站下的简易母线保护

智能化变电站通过三层两网结构解决了二次信息共享的困难，通过过程层传输GOOSE信息，简化了二次回路，组网结构如图2所示。

图2　智能化变电站简易母线保护组网结构

为降低设备投资，将简易母线保护功能分散到主变及分段间隔中，避免跨间隔的SV采样值传输，降低过程层数据传输量。整套简易母线保护由嵌入在变压器后备保护及母联（分段）设备中的动作元件，嵌入在母联（分段）及出线（包括线路、站用变、接地变、电容器、电抗器）保护装置中的闭锁元件共同组成[8]。

保护设备发送和接受处理GOOSE报文可满足小于4 ms要求，经过模拟网络风暴测试网络延时小于2 ms，GOOSE传输闭锁信号总延时小于10 ms，完全满足保护速动性要求[6]。同时IEC 61850中GOOSE报文的校验和重发机制有效地避免闭锁信号传输的丢失与错误，提升了保护的可靠性。智能化变电站的数字化技术，有效地解决了传统变电站中二次回路复杂，信息共享困难等问题，但也带来了新的问题。

（1）分散在主变和母联保护中的简易母线过流启动元件增加了主变后备及母联保护本身的复杂性，后续对保护的维护带来困难。

（2）依托IEC 61850标准体系的三层两网结构，增加了过程层交换机的投资，低压部分的过程层交换机仅有传输简易母线保护闭锁信号的需求，其利用率不高。

（3）主变、母联等电源间隔独立设置启动元件虽然避免了跨间隔的采样数据传输，也解决了传统二次接线复杂的问题，但是跨间隔的信息传输配合仍不可简化，设备间逻辑配合依然复杂性。

2　基于站域保护的简易母线保护

针对现阶段简易母线的不足，采用基于全站对象信息决策的站域保护，可以更好地实现简易母线保护。

2.1站域保护实施方案

2.1.1设备功能整合方案

目前不论是传统变电站还是智能化变电站，二次设备主要还是按面向间隔的原则进行配置，各装置功能相互独立，虽然可靠性高，但硬件配置重复，信息共享不充分，缺乏全站系统层的协调和功能优化，整体投资成本较大。站域保护可以在实现简易母线保护的同时，完成冗余保护、优化后备保护、安全自动控制（全站备投、主变过载联切、低周低压减载等）。同时作为层次化保护控制系统的一部分，向下优化就地主保护功能，向上为广域保护功能提供全站信息支撑。站域保护功能整合示意如图3所示。站域保护是多功能集成设备，同时充分考虑了各个功能的实现过程中的软硬件的相对独立性，既减少了设备投资，也确保了功能的可靠。

图3　站域保护功能整合示意

站域保护，避免了过流启动元件分散在不同的设备中带来的功能复杂，通过专用设备完成简易母线保护功能，减低运行维护的困难。站域保护各间隔信息配合如图4所示。对于像图4所示的复杂主接线，优势更为明显。

图4　站域保护各间隔信息配合

2.1.2信息传递方案

站域保护采集全站变低电流、分段电流；小电源闭锁信号、普通馈出闭锁信号、分段闭锁信号；输出跳小电源、跳分段开关、跳变低开关命令。站域保护信息传递示意如图5所示。所有的信息统一汇总至站域保护设备，逻辑配合在站域保护内部完成，对外的信息清晰，只有采样、闭锁、跳闸信号。

图5　站域保护信息传递示意

2.1.3网络方案优化

目前智能化变电站通用网络方案为“三层两网”，站控层、间隔层、过程层3层结构[10]。对于低压系统，可以配合站域保护设备功能整合的特点进行优化。从信息流量分析，突发的信息主要为GOOSE信息，MMS/SV报文信息相对固定，站域保护中的简易母线只采集了主变进线及分段的电流数据，并没有像高压变电站采集每个支路电流，SV报文流量需求并不大。这种情况下，整个网络构建可采用三网合一方案，站域保护采用网采网跳，MMS，SV，GOOSE报文共网共口传输，网络结构方案如图6所示。

图6　站域保护三网合一方案

（1）源头治理：发送方流量抑制，对频繁变位造成的GOOSE流量进行抑制，并置相应品质；

（2）中间疏导：在数据交换链路中对不同报文做特定流量控制，减少不同信号之间的相互影响；

（3）接收把关：接收方对不同报文区分对待，抑制风暴，提高装置处理能力。

交换机按MAC地址（GOOSE，SV）、协议类型（MMS）进行流量控制；根据不同应用设置相应MAC的流量控制上限，超过上限交换机内部直接进行部分数据丢弃处理；实现了对故障报文的有效防御，确保了同一接收端口的其他报文的传输可靠性。

2.2站域保护简易母线保护原理

简易母线保护通过嵌入在站域保护中的过流动作元件及馈出（包括线路、站用变、接地变、电容器、电抗器等）保护装置中的闭锁元件完成低压母线保护。母线区外故障时，相关馈出保护能够发出闭锁信号闭锁简易母线保护。母线区内故障时，综合判断闭锁信号的来源，区分是否为小电源线路，通过简易母线保护快速动作切除变压器低压侧开关、母线分段开关或是小电源线路。站域保护以变电站为单元进行配置，一套站域保护实现整站的简易母线保护及低频低压、备自投等相关功能。其中母线保护又根据站内间隔的特点分为，变压器单元母线保护、分段单元母线保护。如图7所示，变电站站域保护的简易母线功能可细分为3台主变单元，2个分段单元。

图7　站域保护中的简易母线保护配置

针对不同类型间隔的特点，主变单元、分段单元的原理逻辑有所不同，如图8、图9所示。

信息化的发展和运用逐渐趋向成熟，各种信息化市场也逐渐趋向饱和。所以电信运营商信息化业务的竞争十分激烈。不断升级电信运营商内部的中心系统，采用先进硬盘零件，引进高科技技术。数据管理和监控要求企业采取统一化的管理方法，因为模式升级和系统升级是依赖于这两个因素的。信息化企业客户数量庞大，流失起来也很快。信息化企业可以利用这个特点进行客户的快速挑选，确认优质客户并且把客户流稳定下来，发掘更多的潜在客户渠道。信息化的企业还应该注意企业本身的业务水平，有意识提高自己的业务能力，增强自己企业的市场竞争力。

图8　站域保护变低单元逻辑图

图9　站域保护分段单元逻辑图

对于变低间隔，判断本段母线上连接的分段及主变进线差流，结合小电源及普通馈出闭锁信号，实现简易母线保护。由于在母线故障时小电源线路可能会发闭锁信号，而普通馈出不会发闭锁信号。所以在收到小电源闭锁信号，而普通馈出未发闭锁信号的情况下，经t1延时，先跳开本段母线上的小电源。判断为母线故障时，正常情况经t2跳开分段，缩小故障范围，经t3跳开主变变低进线，切除母线故障。如启动了联切小电源逻辑，则加速只经100 ms启动II段动作。

对于分段间隔综合考虑与该分段相关的母线上所有间隔，经t1跳联切发出闭锁信号的小电源，经t2或是加速100 ms启动II段动作，跳开分段间隔。为确保站域保护可以适用于任何厂家的设备，统一闭锁信号的发出原则。

（1）每段母线上的馈出间隔发送闭锁信号给该母线的分段和变低，闭锁信号分2种：即小电源闭锁和普通馈出闭锁。

（2）分段发闭锁信号给相连母线上的变低。

（3）分段过流的情况下，若相连母线的变低过流则该分段不给相邻分段发闭锁信号，否则给相邻分段发闭锁信号。

（4）分段收到相连母线上普通出线的闭锁信号，则转发给相邻分段。

（5）故障切除后瞬时收回闭锁信号，或是在馈出线路或分段拒跳时收回闭锁信号（判断条件为跳闸发出后500 ms依然有流）。

3　站域保护中简易母线动作分析

以1号变带3段母线运行方式为例，接线方式如图10所示。

图10　1号变带三段母线

3.1K13区外故障

（1）小电源1L1、普通出现1Ln过流，向分段FD1、变低1DL发闭锁信号，因小电源线路和普通线路同时发闭锁信号，所以不会先跳小电源1L1。

（2）小电源2L1过流，向分段FD1、分段FD2发闭锁信号；小电源3L1过流，向分段FD2发闭锁信号；此时因小电源线路和普通线路不同时发闭锁信号，可能会引起分段FD2母线保护单元动作先跳小电源2L1，3L1。

（3）分段FD1收到1Ln普通线路闭锁信号后向分段FD2转发闭锁信号；有效地闭锁了分段FD2母线保护动作，确保不会误跳小电源2L1，3L1。

（4）分段FD1过流，向变低1DL发闭锁信号；分段FD2过流向分段FD1发闭锁信号。

（5）若出线1Ln自身保护动作跳开则故障切除。

（6）若出线1Ln拒跳则500 ms后收回闭锁信号，分段FD1不再给分段FD2转发闭锁；分段FD2过流，继续闭锁分段FD1；分段FD1过流，闭锁变低1DL。由于分段FD1不再闭锁分段FD2母线保护，则分段FD2母线过流动作跳小电源2L1，3L1。随着小电源2L1，3L1的切除，分段FD2，FD1将不再过流，不再闭锁变低1DL母线保护，变低1DL母线保护过流动作将先跳小电源1L1，再跳分段FD1，最后跳开变低1DL，切除整段母线。

3.2K1区内故障

（1）小电源1L1过流，向分段FD1，1DL发闭锁信号；小电源2L1过流，向分段FD1，FD2发闭锁信号；小电源3L1向分段FD2发闭锁信号。

（2）普通线路1Ln不过流，不发闭锁信号，所以分段FD1不向FD2转发闭锁。

（3）分段FD1过流，向变低1DL发闭锁。

（4）分段FD2过流，向分段FD1发闭锁。同时分段FD2母线保护动作跳小电源2L1，3L1。

（5）小电源2L1，3L1小电源切除后，分段FD1不再过流，不再闭锁变低1DL，则变低1DL母线保护动作先跳先1L1，再通过100 ms加速跳分段FD1及变低1DL。切除母线故障。

其余的故障类型动作分析与上述相似，不再累述。

4　工程应用

基于站域保护的简易母线在国网2013年新一代智能化变电站试点项目武汉110 kV未来城变电站中进行了安装、调试、运行。

未来城变电站有110 kV/10 kV 2个电压等级，110 kV为单母分段接线，本期2台主变（两圈变，低压侧双分支)，2条进线，1个分段；远期4条进线，3台主变；本期10 kV共4段母线（环形首尾分段相连），2个分段，24条出线，4组电容和2台站用变，远期10 kV共6段母线（环形首尾分段相连），3个分段，36条出线，6组电容和2台站用变，具体接线如图11所示。

未来城的主接线相当复杂，馈出、电源间隔数量多，设备间配合复杂逻辑复杂，特别是项目本身分两期建设，需考虑远景扩容问题。传统的接点配合方式简易母线保护，或是智能站中分散功能的简易母线保护实施起来难度很大。

武汉未来城项目采用了站域保护实现简易母线功能，采用三网合一、网采网跳组网方案，简化网络结构，降低设备投入；采用VLAN和静态组播相结合的方式，优化网络流量，降低了网络风暴对设备功能的影响；站域保护通过SV/GOOSE/MMS合一的网络，直接采集电源间隔电流及相关间隔闭锁信号，各间隔间的逻辑配合全部在站域保护中实现，站域保护与外部间隔之间配合逻辑简单清晰，大大减少了现场调试维护工作量，也有利于远景系统扩建。

图11　武汉110 kV未来城项目主接线

武汉未来城的站域保护基于全站信息的综合判断，在实现10 kV低压系统简易母线功能的同时，也具备110 kV线路冗余保护（含重合闸、不含光差保护）、110 kV分段保护、主变低压侧后备保护优化功能（加速主变低压侧过流保护，缩短后备保护切除故障时间），站域备自投、主变过载联切、低周减载紧急控制等功能，充分地发挥了智能化变电站信息共享的特点。与此同时预留了广域保护的接口，为今后的功能扩展打下了基础。

5　结束语

针对变电站低压母线保护实现难点，充分发挥智能化变电站信息共享的优势,提出一种基于站内联锁信息的站域保护，通过全站信息的判断决策实现简易母线保护功能。应用GOOSE通信机制，三网合一技术，解决简易母线保护回路复杂，设备投资大等问题。通过实施方案、原理，动作过程分析，验证了通过站域保护实现简易母线的优势及可行性，并展现出站域保护多功能集成的应用前景。

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魏承志（1984），男，福建三明人，工程师，从事直流输电技术、电能质量分析与控制等方面的研究工作；

王凯（1979），男，江苏南京人，高级工程师，从事电力系统继电保护及智能化变电站设计研究工作；

文安（1965），男，四川南充人，中国海外高层次千人引进计划的高级技术专家，从事电网控制保护和柔性直流输电等方面的研究工作；

李阳（1984），男，江苏南京人，工程师，从事电力系统继电保护及智能化变电站设计研究工作；

赵曼勇（1957），女，教授级高级工程师，从事继电保护生产运行管理及研究工作；

黄维芳（1986），男，江西宜春人，工程师，从事电网控制保护方面的工作；

牟敏（1987），女，陕西宝鸡人，工程师，从事柔性直流输电技术、电能质量分析与控制等方面的工作。

Study on Substation-area Protection Based Simple Bus Protection

WEI Chengzhi1, WANG Kai2, WEN An1, LI Yang2, ZHAO Manyong1, HUANG Weifang1, MOU Min1
(1. Southern Power Grid Power Dispatch Control Center, Guangzhou 510623, China；2. Nanjing Nari-Relays Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China)

Abstract：According to the demand of low voltage busbar protection in substation, the function of the simple bus protection is realized by using the substation-area protection based on the information of the station. Through the analysis of the difficulties of the existing low voltage busbar protection, with the application of the smart substation technology, the design of the simple bus implementation scheme, the principle and the action process analysis are given. The implementation scheme has been applied in the new generation of smart substation, which proves the reliability and technical superiority.

Key words：smart substation；simplified；substation-area protection；tri-networks integration

作者简介：

收稿日期：2015-10-13；修回日期：2015-11-30

中图分类号：TM773

文献标志码：B

文章编号：1009-0665（2016）02-0072-05