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基于数字化变电站过程层的分布式母线保护的研制


第 32 卷   4 期 第 2008 年 2 月 25 日

Vol. 32   . 4 No Feb. 25 , 2008

基于数字化变电站过程层的分布式母线保护的研制
操丰梅 , 宋小舟 , 秦应力
( 北京四方继保自动化股份有限公司研发中心 , 北京市 100085)

摘要 : 结合 IE

C 61850 协议特征 、 数字化变电站过程层的通信特点及母线保护的特殊要求等提出 了基于数字化变电站过程层的分布式母线保护实现方案 ,并分析了分布式母线保护所涉及的关键 问题之一同步采样控制方法 ,评述了分布式母线保护的通信模式 。 关键词 : 数字化变电站 ; 过程层 ; IEC 61850 ; 面向通用对象的变电站事件 ; 分布式母线保护 中图分类号 : TM77 ; TM764

0  引言
随着新型互感器技术 、 智能开关技术和网络通 信技术的发展 ,以一次设备智能化 、 二次设备网络化 为主要特征的数字化变电站技术成为目前研究的技 术热点 。随着数字化变电站进程的大力推进 , 电力 系统运营商要求实现基于 IEC 61850 的 2 层 ( 变电 站层和间隔层) 结构发展到 3 层 ( 变电站层 、 间隔层 ) 结构 , 变电站完全数字化的需求日趋强 和过程层 烈 。为此 ,对应用于数字化变电站的分布式母线保 护的需求也日益迫切 。分布式母线保护具有间隔 多、 数据实时性要求高 、 数据通信量大等特点 ,因此 , 其研制难度较其他数字保护大得多 。本文将结合 IEC 61850 协议的特征 [ 1 ] 、 数字化变电站过程层的 [2] 特点 和分布式母线保护的特殊需求展开分析 。

能实时传送 ; 通过过程层交换机交换的数据量大 ,要 求中央处理单元中的数据接口模块具有较大的数据 缓存空间和很强的数据处理能力 ; 母线故障时要求 过程层交换机能实时传送跳闸命令 。

1  间隔保护的实现方案
图 1 是基于单个间隔单元信息的间隔保护实现 方案 。从图中可以看出 , 过程层包括面向模拟量的 合并单元和面向开入 、 开出量的控制单元 2 个部分 , 它们通过过程层以太网交换机与间隔层保护智能电 子设备 ( IED) 进行通信 , 为间隔层保护 IED 提供所 需的模拟量和开入量等信息 。间隔层保护 IED 将 判断结果下传到过程层 IED , 通过过程层控制单元 执行跳闸和闭锁命令 。
图1  间隔保护的实现方案 Fig. 1   Scheme for realizing the bay protection

2  分布式母线保护的实现方案
母线保护与间隔保护的区别在于它的信息不是 来源于单个间隔单元 , 而是一组间隔单元 。其要求 是 : 各间隔单元上传的模拟量完全基于同一采样时 刻的采样值 ,对采样同步的要求较高 ; 要求采样数据
收稿日期 : 2007208210 ; 修回日期 : 2007211227 。

因并发的保护跳闸单元较多 , 若采取原有的点 名式跳闸方式将急剧加大过程层交换机的信息流 量 , 导 致 不 同 间 隔 跳 闸 不 一 致 。为 此 , 采 取 IEC 61850 中的发布者/ 订阅者 ( P/ S) 模式 , 通过面向通 用对象的变电站事件 ( GOOSE) 向过程层控制单元 发布母线保护的动作行为 ( 如 Ⅰ母动作或 Ⅱ母动 作) ,过程层控制单元根据采取的开入状态决定是否 跳闸 。 分布式母线保护基本实现方案见图 2 。分布式 母线保护包括中央处理单元 、 间隔处理单元和中央 处理单元与各间隔单元的数据交换网络 3 部分 。为 保证分布式母线保护数据交换的实时性 , 要求以太 网交换机具有实时传送采样值和跳闸命令的能力 , — 69 —

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可设置优先级 ,支持虚拟局域网 ( VL AN ) ,满足 IEC 618502922 采样值 [ 3 ] 实时上传的要求和 IEC 618502 821 GOOSE[ 4 ] 的要求 ,并将跳闸信息从中央处理单 元下传到多个间隔单元 ,传输延时小于 4 ms 。
图2  分布式母线保护实现方案 Fig. 2   Scheme for realizing the distributed busbar protection

的实现方案 ,此时间隔处理单元由合并单元和控制 单元组成 。另外 ,针对不同的过程层情况 ,间隔处理 单元的实现方式有所不同 ,具体实现方案如下 。 2. 2. 1   模拟量 、 开关量均未数字化 图 4 为模拟量和开关量均未数字化时的间隔处 理单元构成图 。如果在间隔处理单元中设置人机接 口 ( MM I) 和管理插件 ,并且其 CPU 功能强大时 ,则 间隔处理单元还可以兼做本间隔的后备保护 , 如过 流保护等 。

图4  间隔处理单元的构成方案 1 Fig. 4  First scheme of bay unit

2. 1   中央处理单元

2. 2. 2   模拟量数字化 ,开关量非数字化 针对此种情况有 2 种实现方案 。一种方案是模 拟量保持数字接口 ,而开关量保持模拟接口 ,即开入

为保证母线保护的可靠性 , 中央处理单元中的 保护 CPU 插件采取双冗余配置 , 即设置 CPU1 插 件和 CPU2 插件 , 每个 CPU 插件上由前置处理数 据 CPU 和保护 CPU 组成 ,二者之间通过中间介质 交换数据 。为了均衡各 CPU 的负担 , 在中央处理 单元中设置另一块 CPU 插件 CPU3 。CPU3 完成 从各间隔交换机中收集状态量信息 , 处理后通过内 部总线传送给保护 CPU1 和 CPU2 插件 , 同时接受 CPU1 和 CPU2 插件跳闸出口信息 , 通过二取二控 制方式 ,将跳闸命令转换成 GOOSE 报文 ,通过数据 交换网络下发到各间隔单元进行跳闸 。除此功能 外 ,CPU3 还兼做内部同步时钟源 ,定时下发对时命 令 ,对间隔处理单元中的合并单元同步采样进行控 制 。CPU1 和 CPU2 中的数据接口模块仅执行模拟 量收集工作 ,有益于减轻数据处理工作量 ,减少数据 缓存的空间 。中央处理单元实现方案见图 3 。

和开出通过控制电缆与中央处理单元中的开入模块 和开出模块相连 。这相对于集中式母线保护来说只 是模拟量采样数据来源不同 , 其他没有任何区别 。 另一种方案是为了减少前一种方案中的二次控制电 缆 ,对开入 、 开出实行就地数字化 。开入数字化后通 过过程层交换机上传至中央处理单元中的 CPU3 ; CPU3 收集到开入量后 , 通过中央处理单元的内部 总线传 送 到 保 护 CPU1 和 CPU2 , 保 护 CPU1 和 CPU2 对保护行为进行判断 , 并将判断结果通过内 部总线通知 CPU3 ,CPU3 再将判断结果以 GOOSE 方式下传到各间隔处理单元去执行跳闸操作 。具体 实现方案如图 5 所示 。

图3  中央处理单元的构成 Fig. 3   Structure of central unit

2. 2   间隔处理单元 图 2 是模拟量和开关量均数字化时分布式母线

图5  基于模拟量数字化的分布式母线保护方案 Fig. 5   Scheme of distributed busbar protection based on MU

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? 研制与开发 ?  操丰梅 ,等   基于数字化变电站过程层的分布式母线保护的研制

2. 3   同步采样

母线是一种跨多间隔的系统 , 母线保护所需的 量来自母线所连接的所有进出线 。因此 , 各间隔同 步采样是实现母线保护的关键 , 是分布式母线保护 的一个重大难题 。对集中式母线保护来说 , 母线保 护所需的电流量和电压量都是通过电缆连接的 , 以 电磁波的传输速度传送到保护装置 , 此时认为各通 道的采样是完全同步的 。但对分布式母线保护来 说 ,各间隔处理单元初始工作状态不同步 ,其所需数 据就地采样 ,然后通过光纤介质以有限的速率上传 , 因此 ,必须通过某种方式来控制所有关联的间隔同 时采样 ,这是保证分布式母线保护可靠性的首要条 件 。一个完善的分布式母线保护 , 其同步手段不能 单一 ,以免因唯一的同步源丢失而导致母线保护退 出运行 ,因此 ,应该考虑 2 种以上的同步源 , 当一种 同步源丢失时能自动切换到另外的同步源 。 2. 3. 1   外部时钟同步 外部时钟同步是通过外设的同步时钟发生装置 实现的 。在同步时钟发生装置中用硬件方式实现多 路同步对时高速串口 , 通过点对点的方式与间隔层 合并单元的对时口之一相连 , 满足分布式母线保护 对时精度的要求 ( 小于等于 5 μs) ,如图 6 所示 。

2. 4   分布式母线保护涉及的几个重要问题 2. 4. 1   电压闭锁

图6  分布式母线保护外同步方案 Fig. 6  External timer scheme of distributed busbar protection

2. 3. 2   内部时钟同步

内部时钟同步是通过中央处理单元中的 CPU3 实现的 ,其对时网络采用高速通信串口 ,以星形网络 方式与各间隔层合并单元的另一对时口相连 , 如图 7 所示 。它采取了与外部时钟同步相同的脉冲编码 方式 ,便于实现内外时钟的切换 。

图7  分布式母线保护内同步方案 Fig. 7  Internal timer scheme of distributed busbar protection

目前国内母线保护的出口方式由电流元件和电 压闭锁元件串联后实现 , 母线保护中电压闭锁元件 只是用来作为开放或闭锁电流差动保护或断路器失 灵保护的一个条件 , 不参与电流差动保护和断路器 失灵保护判断 ,所以对电压和电流的同步性要求可 以不做制约性要求 ,它的处理等同于电流 ,只是属性 为电压而已 。在完全数字化的变电站中 , 合并单元 只是模拟量的简单收集 ,不具有任何保护功能 ,此时 电压判别只能在中央处理单元中进行 , 可将数字化 后的电压量作为过程层交换机中的一个数据点传送 到中央处理单元的 CPU1 和 CPU2 中 。 2. 4. 2   断路器失灵保护 断路器失灵保护需要间隔层其他保护如线路保 护或变压器保护的跳闸信息或断路器控制单元的失 灵启动信号 [ 5 ] 。对于完全数字化的变电站 , 这些信 息需要通过间隔层网络进行交换 。线路保护或变压 器保护或断路器控制单元通过间隔层网络将母线保 护所需的信息以 GOOSE 报文发送 , 母线保护从间 隔层网络上接收相关的 GOOSE 报文 , 通过解析获 取与断路器失灵保护相关联的信息 , 然后进行断路 器失灵保护判别 。如果仅从保护信息传输的角度考 虑 ,其实现方式有 2 种 : 通过管理插件中转 ; 通过 CPU3 插件本身的网络接口直接处理 。前一种方式 的可靠性决定于管理插件 ,从保护的可靠性上考虑 , 不推荐该方式 ,应优先选用后一种方式 。 2. 4. 3   分布式母线保护开关量传送方式 [ 629 ] IEC 61850 支持 2 种通信模式 : 客 户/ 服务 器 ( C/ S) 模式 ; P/ S 模式 。母线保护关联着多个间隔 , 一方面 ,它需获取各个间隔的开入量 , 另一方面 , 当 保护动作时需同时跳开多个间隔的断路器 。从上行 开入量来看 ,因为某一间隔的开入量既要被本间隔 的保护装置和测控装置所利用 , 又要被跨间隔的母 线保护所利用 , 如果选用 C/ S 模式 , 显然信息共享 不可能 。从下行开出量来看 , 如果按 C/ S 模式去跳 闸 ,母线保护花费的时间较长 ,甚至可能导致不同间 隔跳闸时刻差异较大 。鉴于以上原因 ,选择 P/ S 模 式最合适 ,当母线保护动作跳闸时 ,母线保护只需在 网络上发布母线保护动作信息 , 间隔处理单元中的 控制单元根据自身的开关量信息确定是否去跳闸 。 间隔层中央处理单元和过程层控制单元之间的配合 是通过模型配置文件实现的 , 在整个通信过程中二 者均有可能作为发布者和订阅者 。在工程实施过程 中 ,系统集成商使用系统配置器对间隔层设备及控 制单元的接口控制文件 ( ICD ) 进行处理 。首先读入 — 71 —

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并显示发布者的 ICD , 从中获取其作为 GOOSE 发 布者用于发送的 GoCB ( GOOSE co nt rol block ) 和 Data set ,根据 Data set 各成员的含义 , 在订阅者的 ICD 中使用 Inp ut 语句添加与其类型相同的镜像逻 辑节点 ,这些逻辑节点可以看做发布者在订阅者一 侧的镜像 ,与发布者 Data set 中的顺序和类型一致 。 当作为订阅者的 IED 接收到发布者发送的 GOOSE 后 ,将 Data set 中各成员信息写入对应的镜像逻辑 节点 ,经过配置 , 作为订阅者的 IED 配置后的功能 描述文件 ( CID —— nfigured IED descriptio n ) 就 — co 包含了与发布者的 IED GOOSE 接收信息相关的镜 像逻辑节点 。经过 上述 配置 , 在间 隔层 设备 CID 中 ,添加了间隔层设备作为 GOOSE 订阅者所收到 的所有 GOOSE 信息的镜像逻辑节点 , 这些信息可 能来自本间隔控制单元 , 也可能来自多个间隔控制 单元 。在控制单元的 CID 中 , 添加了控制单元作为 GOOSE 订阅者所收到的所有 GOOSE 信息的镜像 逻辑节点 ,这些信息可能来自本间隔的 IED 如线路 保护 ,也可能来自基于多个间隔的 IED 如母线保 护。

参考文献
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Key words : digital substation ; p rocess level ; IEC 61850 ; GOOSE ; dist ributed busbar p rotectio n

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