基于高可靠性冗余环网通信的中压母线差动保护研究

侯 炜 董凯达 宋志伟 陈 俊

基于高可靠性冗余环网通信的中压母线差动保护研究

侯 炜 董凯达 宋志伟 陈 俊

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

本文介绍了一种基于高可靠性冗余环网通信的中压母线差动（简称“母差”）保护技术，采用单间隔综合保护装置完成各自信息采集，将母差保护所需的信息通过环网发送至母差保护装置，母差保护动作后跳闸指令也通过环网到达各单间隔综合保护装置，在不增加电流互感器和接线的情况下实现母差保护功能。母差保护装置体积小、质量轻，可在断路器柜直接安装，测试表明，可以实现一个环网内30个间隔的母差保护功能。

高可靠性冗余环网；中压；母线差动保护；差动电流同步

0 引言

我国6～35kV中压系统基本采用断路器柜安装方式，所有馈出回路均为线路、低压变压器或电动机。考虑到与下级保护配合，所有进线的保护均无法配置电流速断保护等快速保护，尤其是工业企业6kV/10kV进线，保护定值整定需要躲过本分支母线所需参与自起动的电动机自起动电流之和、躲过本分支母线上最大容量电动机起动电流、与下一级速断或限时速断的最大动作电流配合及与熔断器-接触器（fuse-contactor, FC）回路最大额定电流的高压熔断器瞬时熔断电流配合整定。由于工艺需求，一般情况下，一段母线上电动机数量较多，且有部分大型电动机，因此进线过电流保护整定值较高。当发生母线故障时，现有保护不能快速、灵敏地切除故障，必将对电网和各类型厂矿企业生产带来很大的影响[1-4]。

针对上述情况，本文提出一种基于环网分散式采样的母线差动（简称“母差”）保护方法，利用断路器柜上的单间隔保护装置采集的信息，通过高可靠性冗余（high-availability seamless redundancy, HSR）环网与母差保护装置通信，以解决中压母线无快速保护的问题。

1 中压母线常规保护方案

6～35kV断路器柜内只有一组保护电流互感器（current transformer, CT），且厂矿企业6kV/10kV系统每段母线间隔数较多，难以配置传统母差保护；此外，断路器柜为封闭母线的方式，母线故障相对较少，因此，现有绝大部分情况下，母线故障只有靠进线的延时过电流保护动作将故障切除。虽然封闭母线故障较少，但由于绝缘老化、误操作等原因，母线故障案例还是时有发生[1-2]，柜体燃弧起火，带来了严重的经济损失。

随着各类型用户对中压母线保护的重视，采用电弧光保护或简易母线保护方案作为中压母线快速保护的案例得到了部分应用[5-7]。

1.1 电弧光保护

电弧光保护通过安装在断路器柜中的母线室和断路器室的电弧光传感器实时监测故障电弧光，在发生电弧光故障时，快速切除母线进线或者分段断路器，从而切除母线故障。

KYN—28型断路器柜结构示意图如图1所示，断路器柜电缆出线故障由本间隔保护切除，且只能反应电缆室CT下方的故障，而现有电弧光保护方案中每面断路器柜一般只在母线室或母线室及断路器室安装电弧光传感器，在这种情况下，当图1中F1点发生故障时，电弧光保护无法动作，此时馈线电气量保护也无法动作。

图1 KYN—28型断路器柜结构示意图

建议在电缆室也安装电弧光传感器（3号传感器），3号传感器感受电弧光信号并且在母线电流有突变后，跳本间隔断路器。此时，需要电弧光保护具备多路出口分别跳馈线开关，或者将3号传感器接入各间隔综合保护装置，通过电弧光保护与综合保护装置信息交互完成故障间隔的切除，一般情况下需要采用同一厂商的产品，应用案例极少。

1.2 简易母线保护

简易母线保护由各馈出线保护的闭锁信号与进线保护的过电流保护配合完成。其基本原理是：使用进线的过电流保护功能，并通过各馈线的保护启动信号对其进行闭锁；当母线区外故障时，相关保护能够发出闭锁信号闭锁简易母线保护，且在判断相关断路器失灵的情况下收回闭锁信号；区内故障时，相关保护不发出闭锁信号，简易母线保护可以快速动作切除进线断路器[7-8]。

1.3 电弧光保护和简易母线保护的不足

从1.1节描述可看出，要想电弧光保护实现完全无死区的母线保护，需要每个断路器柜配置3个电弧光传感器，针对已投运电站，增加电弧光传感器和相应的采集、跳闸通道，工作量较大；而且，在开关柜各小室密封不严的情况下，不同区域的电弧光探头可能都会监测到故障电弧光，引起保护误动。

1.2节的简易母线保护可将母线故障的切除时间由500ms以上变为50ms以下，但是工业企业中部分母线上可能会有余热或余压发电机，在母线故障时，会向故障点提供短路电流；此外，母线上的大型电动机也会有反馈电流，在实际应用简易母线保护时，需要专业人员对简易母线保护闭锁逻辑进行现场组态，且发电机保护的闭锁信号须增加方向判别、电动机保护闭锁信号须躲过电动机的自起动电流，一旦整定不合适，可能会误闭锁或越级跳闸。

2 基于高可靠性冗余环网通信的母差保护

电弧光保护和简易母线保护在实际使用中存在一些不足，母差保护可以更好地保护母线。如果采用集中式母差保护装置，需通过电缆连接所有间隔的CT二次侧、断路器位置辅助触头及断路器跳闸线圈，这会耗费大量电缆，使二次接线变得十分复杂；同时还需要CT具备两组二次线圈，如果与单间隔综合保护测控装置共用一组CT，则会大大增加接线复杂度。因此，本文研究通过单间隔综合保护测控装置采集本间隔电流后采用HSR环网将母差保护所需的各间隔信息传送给母差保护装置，则新的分散采样的母差保护装置无需配置独立的交流采样插件、开关量采样插件及跳间隔的出口插件，装置体积及质量大大减小，可在断路器柜直接安装。

2.1 分布式采样的母差保护方案

分布式采样的母差保护由母差保护装置和每个间隔的综合保护测控装置组成，每个综合保护测控装置通过电缆采集各自间隔的电流、开关位置及控制分合闸，母差保护装置和综合保护测控装置之间通过通信技术实现数据共享，从而实现母差保护功能。在110kV及以上电压等级的母差保护方案中出现过采用HSR的分布式母差方案，该方案由一个公共单元CU和多个间隔单元BU组成，但该方案在一个环网中的节点数较少，一般不超过8个[9-13]，一个BU需要通过电缆采集8个间隔的电流，这种方式仍存在BU和传统单间隔保护共用CT、接线复杂的问题，而且这种分布式母差保护结构对于中压母线来说，既不便于安装，成本也太高，BU和单间隔综合保护测控装置需要共用CT，接线复杂，可实施性不大；如果单间隔综合保护装置与母差保护之间采用点对点星形网络连接，则需要母差保护有较多的光纤接口，但厂矿企业一段中压母线一般间隔数都较多，二三十间隔的情况比较普遍，因此此方案不可行，需要研究更合适的环网保护方案。

本文的目标是将一段或两段母线组成一个环网，母差保护由母差保护装置和多个单间隔综合保护装置配合完成，每个单间隔综合保护装置通过电缆采集本断路器柜内的CT二次侧电流线圈、断路器位置辅助触头及断路器跳闸线圈的信息，采用双向光纤传输环形网络结构，母差保护装置与多个单间隔综合保护测控装置之间通过100Mbit/s以太网顺序首尾相连形成双向冗余环，完成母差保护计算。环内各节点为对等关系，负责环内报文的转发、过滤及本节点信息的广播发送。分布式母差保护安装示意图如图2所示。

图2 分布式母差保护安装示意图

2.2 多节点母差保护信息传输方案

HSR采用节点冗余技术，每个节点有两个环形链接端口，形成环形拓扑，全双向链路连接，即实现报文在链路层上的“双发双收”，网络故障时实现零切换时间[14-15]。

环网内保护间传递的报文若采用标准的面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）和采样值（sample value, SV）协议，环网中的流量将非常大，无法满足厂矿企业间隔多的需求，而且中压保护装置一般只有100Mbit/s以太网口，网络流量大，将进一步降低环网节点数量。因此，需要优化报文结构及信息传输方式。

单间隔保护将母差需要的本间隔信息通过单播方式传输，单间隔保护将包含自身环网标记的单播报文，通过两个并行操作的端口，分别以“A帧”、“B帧”的方式发出。不转发环网中由自身发出的报文；环网中其他单间隔保护接收到该单播报文后，直接转发，自身不进行处理；母差保护收到环网中源设备的单播报文后，将先到报文中的环网标记删除后传输至本机应用层使用，丢弃后到的报文，不对环网中的单播报文进行转发。

母差保护动作后跳各间隔综合保护装置的报文采用多波报文，减少报文信息量，环网中单间隔综合保护装置将先后接收到的两个报文帧进行比较，源地址相同且不与本设备地址相同，报文序号、应用标识相同且路径标识不同的，此两帧中的前一帧报文的应用数据传输至本节点应用层，环网内设备收到报文帧的源地址与本设备地址相同时，直接丢弃，既不上送，也不转发；两帧中的后一帧，由本节点直接向下一节点转发。

为了提高报文数据传输效率，将不同类型的数据放在一帧报文内统一传输，应用数据格式为：模拟量为32bits数据加16bits品质，每个开关量为2bits数据加2bits品质；为了便于同步采样数据，通道延时数据也要传输。以传输11个模拟量数据、32个开关量数据为例，则应用协议数据单元（application protocol data unit, APDU）数据长度共86字节，优化后的应用报文长度为115字节。应用报文帧格式和APDU格式定义分别见表1和表2。

源地址包含发送该报文的装置的设备编号、母线编号及设备类型，母线编号表示该单间隔保护装置所保护的断路器连接的母线编号，设备类型分为支路间隔保护装置和分段间隔保护装置。源地址由4个字节组成，其中低位的2个字节表示设备编号，最高位的1个字节表示设备类型，中间的1个字节表示母线编号。

表1 应用报文帧格式

表2 APDU格式定义

对于单间隔综合保护装置，通道1为采样延时数据，为装置将电气量信号转化为数字量信号所用的时间，通道2～通道5分别为A相电压、B相电压、C相电压和线路电压的数据，通道6～通道8分别为A相电流、B相电流和C相电流，通道9～通道12为备用通道，通道13、14为32路开关量。为了使尽可能多的设备组成一个环网，满足中压母线差动的需求，适当降低数据传输速率，由于保护装置采样中短周期一般为1.2kHz左右，因此本方案将SV传输速率设置为2.4kHz，传输量包括用于母差保护的a、b、c相电流、母线电压，剩余通道方便扩展其他功能。

优化后的一帧报文的长度为115字节，装置按照2.4kHz的频率发送报文，每个装置产生的报文流量为2 208kbit/s，不考虑报文间隔时间及现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）处理能力，理论上最多可以接入45台具有100Mbit/s通信接口的装置，可以满足现场需求。

母差保护和单间隔综合保护的APDU格式相同，但内容有所不同。母差保护不需要采集电气量数据，无模拟量下发，其开关量通道为发送至各间隔的跳闸指令，报文通过多播方式下发。

2.3 差动电流同步

由于母差保护接收到的各间隔电流是通过HSR环网传输的，传输延时都不相同，若采样数据不同步，将对差动保护产生影响[16]。一般10kV电压等级断路器柜安装的综合保护装置都不配置可精确到1ms的对时网络，因此只能通过自同步来同步数据。

本文引入传输延时修正域，延时时间由报文本身携带，大大提高母差保护同步处理能力。每经过一个节点修正一次，直到所有节点传输结束，再利用该延时进行修正处理，其计算式为

式中，为采样延时（见表2通道1）。由于环网柜中所有的单间隔综合保护装置均采用同样的采样处理方式，因此式（2）可进一步简化为

通过上述方法完成采样时刻处理后，装置对采样数据的处理方式等同于点对点的直采模式，不需要依赖外部时钟来保证采样数据的同步性。一般情况下，保护装置采用1.2kHz采样频率即可满足保护所需的采样精度要求，因此母差保护收到所有单间隔保护的2.4kHz环网数据后将其插值同步成1.2kHz数据用于母差保护计算。

2.4 完全母差保护

完全母差保护装置采集各断路器间隔的电流数据，通过比率差动元件来判断故障，其动作判据为

由于中压母线间隔数较多，而且存在部分间隔为小功率电动机的情况，此时进线CT和馈线CT电流比差别可能较大，母差保护要防止出线间隔区外故障导致馈线CT严重饱和情况下误动的情况。针对上述情况，采用两种防CT饱和的判据：①异步法CT饱和判据，由于CT饱和并不是立即出现的，区外故障时，制动电流先于差动电流出现，而区内故障时，制动电流、差动电流基本同时出现；②采用谐波制动原理判别，利用CT饱和时差流波形畸变和每周波存在线性传变区的特点识别区外故障。

3 实时数字仿真验证

按照常规单母分段典型接线，搭建了实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）模型，如图4所示。无穷大电源通过110kV/10kV变压器连接10kV的两段母线，每段母线有3条支路。支路采用RTDS中的p模型，支路中既有架空线路，也有电缆线路，架空线路按照LGJ—185/30取其参数，电缆按照YJV22—120取其参数。

图4 RTDS模型

为验证HSR环网的接入能力，共使用了30台单间隔综合保护装置及1台母差保护装置，整个环网节点数为31，所有装置之间通过100Mbit/s光纤冗余以太环网进行连接，如图2所示。装置全部上电，HSR环网数据收发正常，未出现断链、失步等现象。

由于RTDS系统节点容量的限制，并未在所有的保护装置上加量，仅对两段母线的2个进线开关、6个出线开关及一个分段开关做了加量仿真试验。RTDS试验对并列、分列运行方式下的母线区内、区外的相间故障、接地故障、转换性故障、CT饱和、CT断线、PT断线、死区故障、振荡、系统侧变频及环网一点断开情况下的故障等各类故障进行了共计181次模拟试验，动作结果均正确，且动作时间与传统集中式母差保护基本一致。

图5为模拟在母线分列运行状态下的Ⅰ母区内AB相间故障的波形，图6为模拟在母线并列运行状态下5DL区外C相接地故障转区内AB相间故障的波形。图中S1UA、S1UB、S1UC为Ⅰ母的三相电压，S2UA、S2UB、S2UC为Ⅱ母的三相电压，IS1A、IS1B、IS1C为S1开关的三相电流，IS2A、IS2B、IS2C为S2开关的三相电流，IS3A、IS3B、IS3C为S3开关的三相电流，IL1A～IL6C为1DL～6DL开关的三相电流，S1PT1～L6PT1为各个开关的跳闸信号。

图5 母线分列运行状态下Ⅰ母区内AB相间故障波形

从图5可以看出，故障发生在0ms，而跳闸信号的上升沿在27ms左右，除去RTDS的信号确认时间20ms和保护装置的出口继电器闭合时间2～3ms，工频变化量母差保护的动作时间在4～5ms左右，与传统集中式母差保护动作时间相当。

图6区外故障发生在0ms，5DL C相故障，差动保护不动作，大约30ms处转为区内AB相间故障，在57.6ms出口跳闸，从发生区内故障到保护动作的时间为27.6ms，除去RTDS的信号确认时间20ms和保护装置的出口继电器闭合时间2～3ms，工频变化量母差保护的动作时间在4.6～5.6ms左右。

运行中，断掉31个节点其中任一段光纤，装置会报出通道异常，但差流为0，不会引起保护启动或误动作。

基于本方案的母差保护已在深圳某110kV变电站的10kV母线投入运行超过一年半，运行一切正常，尚未有母线故障导致保护动作，也未出现误报警或误动作情况。

图6 母线并列运行状态下转换性故障波形

4 结论

本文提出了基于高可靠性冗余环网的中压母差保护方案，解决了断路器柜方式的中压母线难以实现快速保护的难题；母差保护采用分布式信息采集及出口方式，单环可接入30个间隔以上。以试验中的30间隔为例，传统母差需要2台装置才可完成，南瑞继保PCS—915母差装置一台的质量为36.6kg，两台质量为73.2kg，采用本方案后，由于母差保护无需配置CT采样插件，质量降至7kg内；传统方案中，2台母差高度为8U（1U=44.45mm），宽度为482.6mm，采用本方案后，高度降为6U，宽度减小为144mm；采用本方案后，装置质量减少90%以上，高度减少25%，宽度减少70%，可在断路器柜内安装，具有广阔的应用前景。

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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 炜（1979—），男，山西省阳泉市人，硕士，高级工程师，主要从事电力系统继电保护及控制技术研究工作。