集中式保护测控系统中母线保护同步方案

2013-10-23鲍凯鹏张绍纯施志晖

电力自动化设备 2013年1期

鲍凯鹏，吕航，张绍纯，施志晖，李鹏

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211100；2.鞍山供电公司，辽宁鞍山 114000）

0 引言

随着智能电网建设的不断推进，IEC61850标准［1］在实际工程中的应用也不断深入。智能变电站内的信息全部数字化，信息传递实现网络化，通信模型达到标准化，使各种设备和功能共享统一的信息平台。由于采用了过程层网络传输采样值，因此出现了采样同步的问题。现有智能变电站通常采用全站GPS时钟源同步方案或插值（重采样）同步方案［2］，2种方案应用的环境和硬件实现是完全不同的。

对变电站集中式保护的研究在国内开展不多［3］。文献［4］提出了一种基于IEC61850标准的集中式智能设备方案，在1台集中式智能设备上实现多台智能设备所完成的功能。文献［5］提出了集中式保护原理、集中式保护的硬件系统构成、对象建模以及保护功能的实现。从工程应用的角度看，目前采用基于IEC61850标准的集中式保护测控系统的例子不多。

营口供电公司220 kV大石桥变电站是营口地区重要的枢纽变电站，所进行的全站数字化改造首次将不同保护测控功能集成在数台物理装置中，大幅减少了屏柜个数、小室和主控室的占地面积、二次电缆及光缆数量，具有很好的经济效益。本文将着重论述母线保护在集中式保护测控系统中的实现方案。

1 集中式保护测控系统总体方案

大石桥变电站数字化改造采用基于IEC61850标准的集中式保护测控系统。整个保护测控系统完全双重化配置，保证了在一套系统故障或停用的情况下被保护设备不失去保护，发生故障时系统能够可靠动作。系统构架为标准的3层网络结构［6］，即过程层、间隔层和站控层，联系这3层的是过程层网络和站控层网络。过程层采用纯光学互感器，并采用基于IEC61850-9-2［7］的模拟量网络传输方式和基于GOOSE的开关量网络传输方式。过程层GOOSE/SV合并组网。不同电压等级独立组网，采用独立双网结构。间隔层一体化设计，采用南京南瑞继保电气有限公司研制的集中式保护测控系统，每套系统为：2台PCS-931线路保护测控装置及1台PCS-978元件保护测控装置共同完成220 kV全部保护测控功能；4台PCS-951线路保护测控装置共同完成66 kV全部保护测控功能。站控层制造报文规范（MMS）独立组网。二次系统网络图如图1所示。

以220 kV系统为例，母线保护与主变保护集中设置于PCS-978元件保护测控装置中，母线保护和主变保护通过装置内部高速总线共享数据接口插件从采样值（SV）网络接收到的主变间隔数据（虽然母线保护和主变保护置于同一台物理装置中，但分别由独立的DSP处理插件实现，只共享机箱内的数据总线和接口插件，最大限度地避免了相互影响）。线路间隔的数据由线路保护装置的数据接口插件通过采样网络接收并处理后，再通过专用光纤发送到PCS-978元件保护测控装置的数据接口插件用于母线保护。母线差动保护涉及多个间隔的采样，采用该方法达到了信息共享的目的，减少了网络流量和网络设备投资，充分发挥了过程层网络通信方式的优越性。同时由于全站采用了双重化配置的系统结构，虽然保护集成度高，但能保证系统的可靠性。

系统基于数字化采样和网络传输，多个间隔采样数据的同步是母线保护需要解决的核心问题，主要体现在2个方面。一方面，IEC61850-9-2网络传输方式要求各合并单元（MU）与保护装置同步［8］，需通过外接GPS同步时钟源实现；另一方面，由于合并单元发送4 kHz采样率的数据，而保护计算的传统采样率为1.2 kHz，因此需要进行重采样；母线保护装置只进行主变间隔数据的重采样，线路保护装置进行线路间隔数据的重采样并发送给母线保护，这就要求母线保护、线路保护装置的重采样时刻同步，该同步需通过母线保护发送主同步中断信号给各线路保护装置实现。

2 母线保护同步方案

2.1 MU与保护装置采样同步

大石桥变电站过程层采样采用IEC61850-9-2组网方式。从MU采样发生至装置接收到该采样报文并打上时标的过程中，会产生1个时间延迟，如下：

其中，TMU，delay为从MU发生采样到将该报文发送到网络上经历的延迟，该延迟与合并器的实现原理、报文处理方式（如使用中断、操作系统发送）等有关，具有很大的不确定性；TNet，delay为报文在交换机中转发的延时，包含固定延迟（即发送需要的时间，很小，可忽略不计）和不固定延迟（由于网上有报文发送，需要等待发送的时间）；TTag，delay为打时标的时间延迟。因为装置使用了查询的方式，只能将进入查询功能时的时刻假定为报文的到达时刻TTag，该时刻始终晚于装置实际收到报文的时刻 TRx，则 TTag，delay=TTag-TRx。

由此可见，采样数据从合并单元到保护装置的延时是不确定的［9］，解决方案是给合并单元和保护装置接入GPS同步时钟［10］。采样数据通过远方模块发送到合并单元后，合并单元根据接入的GPS同步信号，刷新IEC61850-9-2采样数据帧中的采样计数器（相当于给每一帧采样数据分配一个时间序号，4 kHz采样率下序号范围从0至3 999）。保护装置经网络获得各个间隔的采样数据后，根据数据帧中的采样计数和采样时间间隔（接入GPS同步后采样时间间隔是固定的）来计算每一帧数据的采样时刻，采样时刻等于初始时刻加上采样计数与采样间隔的乘积。GPS同步保证了不同装置的初始时刻和采样间隔都是相同的，因此所有数据采样时刻的计算是在同一个时间坐标下进行的。每一次保护进行重采样都使用采样时刻相同的数据帧，保证了保护接收MU采样数据的同步性。数据的网络延时对保护的动作行为影响不大，但如果太大可能导致保护动作的速度较慢，一般要求控制在2个采样时间间隔之内。

对时系统采用冗余双网结构，2套对时装置间互相发送对时信号，如图2所示。当其中1套对时装置失去卫星信号后，通过交互信息，可以迅速把另一套装置的卫星信号切换过来，保证在只有1套卫星信号时2套对时系统仍能正常工作。

图2 GPS对时网络Fig.2 Network of time synchronization by GPS

值得指出的是，虽然GPS对时的时钟源来自卫星信号，但是由于对时装置本身具有守时功能［11］，因此，即使对时装置失去所有卫星信号，仍然能够保证为全站提供对时脉冲，对母线保护没有影响。

2.2 母线保护与线路保护装置间同步

由于MU送到保护装置的数据采样率为4 kHz，而保护计算使用的采样率为1.2 kHz，因此保护在从SV网络上获得经过GPS同步的数据后，将通过重采样把4 kHz的数据插值成1.2 kHz的数据［12］。对母线保护而言，主变间隔的重采样在本装置中完成，其余间隔的重采样在线路保护装置的数据接口插件中完成，因此必须保证母线保护和所有线路保护装置的重采样时刻是同步的。

利用现场可编程门阵列（FPGA）技术可以实现在光纤链路层锁定数据时标［13］，即自动记录数据的到达时刻。母线保护正是利用该技术实现了多装置间的高精度同步。母线保护插件在每个中断发出同步数据信号，其他线路保护装置根据母线保护下发数据的到达时刻以及通道延时推算出母线保护的中断时刻，以此调整各自的重采样中断时刻进行跟踪。母线保护同时向各线路保护装置下发同步数据帧，最终各线路保护装置就能够和母线保护在同一时刻重采样。同步方案如图3所示。

图3 母线保护同步方案Fig.3 Synchronization scheme of busbar protection

母线保护发出同步信号，通过光纤接至同电压等级的其他线路保护装置的数据接口插件，相应装置按母线保护发出的同步信号进行中断同步，同时从该插件通过光纤发出本装置重采样后的数据，供母线保护使用。

另外，为了防止母线装置异常或重启影响其他线路保护装置正常运行，线路保护装置中的同步插件始终监视母线同步信号的正确性，一旦同步信号异常立即报警，并向母线保护装置发出同步异常信号以及时闭锁差动保护，此时不会根据异常的同步信号调整采样时刻；而在母线保护装置重启过程中，各线路保护装置中的同步插件根据母线保护的同步信号逐步调整采样中断时刻，一方面保证线路保护的采样中断始终等间隔，另一方面在1～2 s内各装置就会自动进入同步，保证母线保护进入正常运行状态。