基于环网的就地化分布式母线保护研究

董 贝，林朝阳，张 尧，丁 毅

（1.国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210003；2.南京国电南自电网自动化有限公司，江苏 南京 211153）

0 引 言

就地化保护[1-4]装置贴近一次开关场无防护安装，二次回路简单，可以有效提升保护快速性、可靠性和减少干扰，同时通过即插即用的检修模式[5-6]缩短保护装置的更换时间，提高检修效率。跨间隔母线保护装置[7-8]需要采集多间隔的电压和电流数据，如果采用传统集中式保护，则需要将所有间隔的采样回路和开入开出回路连接在一台保护装置上，导致二次回路接线复杂，单台保护装置的外部接口众多，软硬件资源压力大、功耗大，极难实现就地无防护安装。为实现母线保护的就地化，必须采用新架构和新模式[9-11]。

本文提出一种基于环网的有主分布式跨间隔母线保护方案。每个间隔配置一台独立的保护子机，所有子机配置完全相同，选取其中的一台子机为主机负责和后台通信。每台子机与其左右相邻的两台子机采用两对千兆光纤连接，最终连接成两组独立的光纤环网。两者互为冗余，各子机采集本间隔的交流数据和开关量并上送环网，同时从环网上实时获取其他子机的数据。基于这些数据，各个子机独立进行保护逻辑运算，判断本间隔的保护行为，输出开关量。每台子机配备光旁路开关，在本间隔检修退出时将本间隔从环网中旁路去掉，不影响其他间隔子机的运行。经过现场运行验证，有主分布式母线保护在可靠性和速动性方面比传统母线保护相比具有优势，同时提高了现场运维效率。

1 研究内容

在采用多子机的有主式环网母差中，子机间的同步将变得尤为重要，其中包括采样值、开关量的同步，也包括子机间的内部数据同步。例如，不同子机间的定值同步、整定同步、切区同步和压板同步。对于采样值和开关量的同步，在环网中利用扩展原有采样值SV，便可以实现不同子机间的数据同步。因此，本文的重点是后台如何通过主机进行所有环网子机的定值修改、定值切区以及软压板投退等操作。

在有主式环网母差装置中，所有子机配置相同，同时只有一台子机和后台连接。对于后台来说，子机透明，当后台发送定值整定、压板整定等命令到主机时，需要由主机完成所有子机的同步，子机的执行状态决定着主机给后台的响应。因此，主机需要根据子机的执行结果判定整个操作过程的成功与否。同时，对于后台，所有的操作都有时间限制要求。例如，软压板投退执行响应时间不大于3 s，修改定值部分，所有子机均修改成功再由主机上送，从所有保护主子机执行旧定值切换到执行新定值，保护闭锁时间不大于 500 ms，修改定值操作响应时间（从保护主机收到确认修改定值命令到修改成功的时间）不大于5 s，保护主机动作报文上送时间不大于1 s，因此如何保证在有效的时间内完成相应的操作是重中之重。

如果在环网中通过主机将定值文件在环网中传递完成定值的整定，这样不仅对环网带宽造成了影响，而且造成了整定和同步时间过长。装置在整个整定过程中闭锁保护，二次系统过长时间失去保护功能。如果定值文件在传输或者存取过程中的异常会导致整个环网子机定值的异常，将造成意想不到的后果。因此，本文设计了一种基于通信报文的协议，完成环网子机定值的整定。不仅能够快速完成多子机环网装置的定值整定，还能够保证各个子机定值整定的正确性。

保护主机对子机进行定值修改、压板投退以及定值区切换等操作时有相同的流程，主要有：

（1）主机对子机进行操作，有子机操作失败时，日志记录操作失败的子机；

（2）通过在网络对比主机和子机的定值CRC来确定是否一致，若子机投退压板退出，则该子机不参与CRC对比；但压板退出的子机若能收到主机的操作命令，子机仍按正常流程执行，只是主机不再对比该子机的CRC，该子机操作失败，主机也不会告警及提示异常。

（3）主机通过环网报文操作子机时，主机在专门的任务中执行和等待，每个子机独自执行自身操作，不用等待其他的子机。

2 修改定值操作

修改定值操作包括以下步骤。

步骤一：后台通过站控层61850协议对保护主机HMI发送选择编辑定值区命令。

步骤二：保护主机收到后台发送的选择编辑定值区命令后，进行定值编辑区选择，选择成功后，回复后台选择成功。

步骤三：后台收到保护主机报发送的选择成功回复后，向保护主机发送61850写定值服务命令。

步骤四：保护主机收到后台发送的写定值命令，执行相应写值命令并回复后台写定值执行完成。

步骤五：后台收到保护主机发送的写定值命令回复后，通过站控层网络对保护主机发送写确认命令。

步骤六：主机HMI给CPU发送定值整定报文。CPU收到该报文后生成定值区临时文件，临时文件名称为HMI传输的文件名称+.bak。主机CPU收到该报文后，先判断压板投入的子机环网通信是否正常，若有子机压板投入，但环网A口和B口都中断，则返回固化失败报文。若压板投入的子机至少有一个环网口正常，再执行后续操作。将定值区临时文件（名称+.bak）重命名为正式的名称，更新内存中的定值。若内存更新失败，返回固化失败报文；若内存更新成功，则计算修改定值区的CRC，再将定值通过环网报文发送给子机并等待子机回应，待通过对比修改定值区CRC确定所有子机都修改成功后，CPU才返回成功报文给HMI。若主机和子机的修改定值区CRC一直不一致，则在超时后，返回定值修改失败报文。

步骤七：保护主机收到所有保护子机的欲修改定值的CRC后，分别将其对比自身欲修改定值的CRC，如果全部一致，保护主机将新的保护装置定值生效，并通过环网向子机发送秒脉冲同步信号。若不一致则新定值不生效，整个定值修改结束，保护主机给后台返回修改定值失败消息。

步骤八：子机收到主机发送的秒脉冲同步信号后，使新的保护定值生效，并通过环网发送更新后的所有定值的CRC。

步骤九：保护主机收到保护子机所有定值的CRC后，与自身所有定值的CRC进行比较。如果一致，保护主机给后台反馈定值修改成功。

具体流程见图1。

3 切换定值区操作

切换定值区操作包括以下步骤。

步骤一：后台通过站控层61850协议对保护主机发送选择编辑定值区命令。

步骤二：保护主机收到后台发送的选择编辑定值区命令后进行定值编辑区选择，选择成功后回复后台选择成功。

步骤三：后台收到保护主机报发送的选择成功回复后，向保护主机发送61850写定值服务命令。

步骤四：主机HMI发送切换定值区切换命令的预发报文。

步骤五：主机CPU收到切区的预发报文，检查目标定值区的有效状态，返回成功或失败报文。

步骤六：主机HMI收到预发成功报文，发送切换定值区遥控命令的执行报文。

步骤七：主机CPU收到切区的执行报文，先检查是否有压板投入的子机环网A/B口都中断，再检查目标定值区的有效性，然后将目标定值区更新到功能状态文件中，再打开目标定值区，更新内存中的定值。更新内存失败，则返回失败报文；更新内存成功，则计算功能状态文件及当前运行定值区的CRC，并将定值区切换命令通过环网发送给子机、待通过对比主机和所有子机的运行定值区CRC都一致确认切区成功后，CPU才返回执行成功报文给HMI；若CRC一直不一致，在超时后返回执行失败报文给HMI。

步骤八：主机CPU对比主机与所有子机的当前运行定值区CRC是否一致判断切区成功，给HMI返回执行成功报文。HMI在收到主从CPU的执行回复报文后，开始发送秒脉冲。主机CPU在设定时间内HMI的秒脉冲到来时通过环网发送同步信号，并更新定值给应用程序，使定值正式生效，此时计算总的定值CRC。然后，对比主机与所有子机的总CRC是否一致，若一致，则返回定值区切换成功报文给HMI；或在设定时间内一直不一致，则返回定值区切换失败报文给HMI；HMI根据收到的定值区切换回复报文上送给后台。若HMI的秒脉冲没在规定时间内到来，则返回定值区切换失败报文给HMI。

图1 定值修改流程

步骤九：子机CPU收到环网中的切换定值区报文后，在新建的任务中进行处理，按现有的机制切换定值区更新内存中的定值区及定值，计算功能状态文件和当前定值区的CRC发送到环网。子机CPU在收到环网报文中的同步信号时更新定值给应用程序，使定值生效，计算总的定值CRC；若未收到同步信号，则在超时后更新定值给应用程序，使定值生效，计算总的定值CRC。

具体流程见图2。

4 软压板投退操作

软压板投退操作包括如下步骤。

步骤一：后台通过站控层61850协议对保护主机HMI发送压板选择命令。

步骤二：保护主机HMI收到后台发送的压板选择命令后进行压板选择，选择成功后回复后台选择成功；

步骤三：后台收到保护主机报发送的选择成功回复后，向保护主机发送61850压板投退命令。

步骤四：主机HMI发送软压板投退遥控命令的报文。

步骤五：主机CPU收到压板投退的执行报文，先检查是否有压板投入的子机环网A/B口都中断，再检查压板序号和操作代码的正确性，然后更新压板文件，更新内存中的压板值。更新内存失败，则返回失败报文；更新内存成功，则压板文件的CRC，并将压板投退命令通过环网发送给子机。

步骤六：主机CPU对比主机与所有子机的压板文件CRC是否一致。

（1）若一致，则给HMI返回执行成功报文。HMI在收到主从CPU的执行回复报文后，开始发送秒脉冲。主机CPU在设定时间内HMI的秒脉冲到来时通过环网发送同步信号，并更新压板值给应用程序，使压板值正式生效，此时计算总的定值CRC。对比主机与所有子机的总CRC是否一致，若一致，则返回压板投退成功报文给HMI；或在设定时间内一直不一致，则返回压板投退失败报文给HMI；HMI根据收到的压板投退回复报文上送给后台。若HMI的秒脉冲没在规定时间内到来，则返回压板投退报文给HMI。

（2）若不一致，在超时后返回执行失败报文给HMI。

具体的流程见图3。

5 结 论

本文提出了一种基于IEC61850的就地化分布式母差保护装置，按照间隔配置一台独立的保护子机，所有子机配置完全相同，选取其中的一台子机为主机，负责和后台通信。每台子机与其左右相邻的两台子机采用两对千兆光纤连接，后台通过和主机61850通信完成所有子机的操作，主机和子机通过介绍的方法完成定值整定等操作。经过现场运行验证，有主分布式母线保护在可靠性和速动性方面比传统母线保护具有优势，同时提高了现场运维效率。

图2 切换定值流程

图3 软压板操作流程