（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61850的分布式母线保护研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fd i g i t a ls u b s t a t i o 玛d i s t r i b u t e d a r r a n g e m e n to fr e l a yp r o t e c t i o nh a sb e c o m ead e v e l o p m e n tt r e n d c o m p a r e dw i t ht h e s t r u c t u r eo fc e n t r a l i z e db u sp r o t e c t i o n ，d i s t r i b u t e db u sp r o t e c t i o nh a st h ea d v a n t a g eo f d i s t r i b u t e da r r a n g e m e n t , s a v i n gs e c o n d a r yc a b l e ，s i m p l ec o n n e c t i o n , s t r o n ga b i l i t yi n e l e c t r o n m a g n e t i ci m m u n i t y i t i sb e t t e ra d a p t e dt ot e c h n o l o g y d e v e l o p m e n to f s u b s t a t i o n , a n dw i l lb ew i d e l yu s e di nt h ef u t u r e s ot h er e s e a r c ho nd i s t r i b u t e db u s p r o t e c t i o nb a s e do ni e c 6 18 5 0w i l lp l a ya l li m p o r t a n tp a r ti np r o m o t i n gs u b s t a t i o n c o m p r e h e n s i v ed i g i t i z a t i o n t h et h e o r yo fb u sp r o t e c t i o nc a nb ed i v i d e di n t om o m a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n , c o m p l e xp e r c e n t a g e d i f f e r e n t i a lc r i t e r i o n , p o w e rf r e q u e n c yv a r i a t i o nd i f f e r e n t i a l c r i t e r i o n , d i r e c t i o n a lb u sp r o t e c t i o n b e c a u s eo fc o m p l e xp e r c e n t a g ed i f f e r e n t i a l c r i t e r i o nh a st h ea d v a n t a g eo fd i s t i n g u i s hb e t w e e ni n t e r n a lb u sf a u l ta n de x t e m a lb u s f a u l t ，i ti sw i d e l yu s e d t h i sp a p e ri m p r o v ec r i t e r i o n , w h i c hb a s e do nc o m p l e x p e r c e n t a g ed i f f e r e n t i a lc r i t e r i o n a n dt h en e wc r i t e r i o ni sb e t t e rt h a nn o m a lc o m p l e x p e r c e n t a g ed i f f e r e n t i a lc r i t e r i o n c o m p a r e dw i t hp r e v i o u ss t a n d a r d ，i e c 6 18 5 0h a st h ec h a r a c t e r i s t i co f h i e r a r c h i c a l s t r u c t u r es u b s t a t i o n , o b j e c to r i e n t e di n f o r m a t i o nm o d e l ，a b s t r a c tc o m m u n i c a t i o n s e r v i c ei n t e r f a c e ，s p e c i f i cc o m m u n i c a t i o ns e r v i c em a p p i n g ，s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o n d e s c r i p t i o nl a n g u a g e t h i sp a p e rs t u d i e st h ei e c 6 18 5 0s t a n d a r d b a s e do ni e c 6 18 5 0 m o d e l ，t h i sp a p e rr e s e a r c h sl o g i cn o d e ，l o g i cd e v i c ea n do t h e rc o n c e p t i o n s a n a l y z e d p r o t e c t i o nd e v i c em o d e l i n go r d i n a r ys t e p ，a n dt h e nm o d e l i n gd i s t r i b u t e db u s p r o t e c t i o n i n t r o d u c ea b s t r a c tc o m m u n i c a t i o ns e r v i c ei n t e r f a c eo ft h ei e c 6 18 5 0a n d s t u d yt w os e r v em o d e lo fd i s t r i b u t e db u sp r o t e c t i o n , w h i c hi st r a n s m i s s i o no fs a m p l e s v a l u e sm o d e la n dg e n e r i cs u b s t a t i o ne v e n tm o d e b r i n gf o r w a r dat r a n s f e rs c h e m eo f t r a n s m i s s i o no fs a m p l e sv a l u e sa n dg o o s ew h i c hc o m b i n ew i t hd i s t r i b u t e db u s p r o t e c t i o n , a n dt h e na n a l y z e d k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e db u sp r o t e c t i o n ；i e c6 1 8 5 0 ；a c s is e r v e rm o d e l ；g e n e r i c s u b s t a t i o ne v e n t sm o d e l ；t r a n s m i s s i o no fs a m p l e sv a l u e sm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：玛起 签字日期： 2o p 7 年6 月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的觌定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：马起 签字日期：2 。明年6 月2 日 导师签名： 表式 签字日期：妒7 年6 月 孑日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 变电站综合自动化是将变电站的所有二次设备( 包括保护、控制、信号、测 量与自动装置等) 经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电 子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的自动控制、监视、测量、 事故记录和协调，进而提高变电站运行效率和管理水平。在实现变电站综合自动 化系统中最大的障碍是：不同厂家的智能电子装置( i e d ) 难以实现无缝连接和互 操作。国际电工委员会( i e c ) 在充分考虑上述变电站综合自动化系统的功能和要 求，特别是互操作性要求的基础上，制定了变电站内通信网络与系统的通信标准 体系i e c 6 1 8 5 0 标准。它采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，使得 数据对象的自描述成为可能，为不同的i e d 实现互操作和系统无缝连接提供了 途径。 作为变电站综合自动化体系的重要组成部分一微机保护对电网稳定、一次 电气设备安全运行等发挥着关键性的作用。母线是变电站重要组成部分，在母线 上连接着变电站中的变压器、输电线路( 或配电线路) 和调压设备等。母线工作的 可靠性将直接影响电力系统的可靠性。此外，变电站的高压母线也是电力系统的 枢纽部分，如果母线的短路故障不能迅速的切除，将会引起事故扩大，破坏电力 系统的稳定运行，造成电力系统的瓦解事故。随着电网向超特高压、跨区域、 大容量方向的迅速发展，对母线保护的快速性、灵敏性、可靠性和选择性的要求 也越来越高。 目前的微机母线保护均采用集中式方案，即将母线上各个连接元件的电流互 感器二次电流引入保护装置，根据一定的算法进行计算、判断及处理，如图卜1 所示。 当母线上连接元件较多时，集中式母线保护二次回路接线将十分复杂，很容 易误动作，给现场运行、维护带来很多困难。因此，在现有变电站自动化水平及 要求下，集中式母线保护也有以下缺陷： 1 集中式母线保护必然存在大量的从开关场连接到控制室的二次电缆，这 不仅会提高整个工程的造价，而且造成整个变电站设计与建造的复杂 性，导致维护与管理上的困难。 2 随着电厂容量和电网规模的目益增大，变电站母线所连接的回路增多， 第一章绪论 其保护装置要处理的信息量随之增大，这使得集中式母线保护硬件结构 复杂化，可靠性降低，无法适应就地布置的要求，同时也限制了母线保 护自身的灵活性及可扩展性。 3 从电流互感器( c t ) - - 次侧到控制室的二次电缆较长，使得模拟电流信号 容易受到变电站强电磁干扰的影响。同时也使得电流互感器二次负载阻 抗较大，容易引起c t 饱和。 4 因干扰、保护回路故障、人员误碰或其他原因使母线保护误动，从而造 成整个母线被切除的可能性大，不利于系统安全稳定运行。 1、c【2 、 t 3j l 一 朋 t。 c t5一， 一 ， - 3 ， _ j 二1 l 二二 l ， 、 l ， 二i 二j ， tttt 图1 - 1 集中式母线保护示意图 至 微 机 母 线 保 护 随着新型光互感器技术、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基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化变电站技术成为 目前研究热点之一【l 】。基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化变电站要求不再依靠大量电缆来 传输过程层参数，而是通过基于交换式以太网的过程层通信网络来传输采样值、 一次设备的状态信息和一次设备的控制信息【2 巧】，这就为实现分布式母线保护提 供了必要的技术支撑。因此，对数字化变电站中分布式母线保护的需求也日益迫 切。分布式母线保护面向间隔，具有分散处理能力，可以克服传统集中式母线保 护的缺点，因而成为母线保护今后发展的主要方向睁引。但同时分布式母线保护 也具有间隔多、数据实时性要求高、数据通信量大等技术难题【9 。 1 2 本课题的研究目的和意义 数字化变电站的基本概念包括变电站的信息采集、传输、处理、输出过程全 部数字化，基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行 2 第一章绪论 管理自动化等。数字化变电站建设的关键是实现能满足上述特征的通信网络和系 统，作为变电站自动化体系中的分布式母线保护更是如此。i e c 6 1 8 5 0 标准包括 变电站通信网络和系统的总体要求、功能建模、数据建模、通信协议、项目管理 和一致性检测等一系列标准。按照i e c 6 1 8 5 0 标准建设通信网络和自动化系统， 可实现分布式母线保护。因此，在数字化变电站体系中，研究基于i e c 6 1 8 5 0 的 分布式母线保护系统具有重要的理论与实践意义： 1 分布式母线保护与基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化变电站综合自动化分层分布式 的结构相适应，便于扩展，具有较好的灵活性，也符合继电保护“下放 的发展趋势。 2 分布式母线保护采用面向间隔的分布式结构，使得分布式母线的每个保 护单元可与对应回路( 如线路或变压器) 的保护合并或单独设置，增加 保护的冗余度。 3 分布式母线各保护单元根据母线上各回路保护单元传送来的电流值进行 保护的运算，判为母线内部故障时，只跳开本回路，并将判断结果通知 其他保护单元。这样在因干扰或其他原因造成某个保护单元误动时，不 至于使整个母线停电。在由于某种原因使母线保护拒动时，只会使一回 路拒跳，不会影响其他回路跳闸。 4 分布式母线保护任务由各间隔单元分布处理，因此各间隔单元的负担相 对较轻，可以采取结构较为简单、可靠性和冗余度较高的保护硬件，从 而提高整个保护系统的可靠性。 5 分布式母线保护可以就地布置，不要求将各回路的电流互感器并联形成 差回路，简化了电流互感器二次回路的接线。这样就可节省大量的二次 电缆，减小土建规模，从而降低工程造价。 6 变电站内存在较为复杂的电磁环境，而分布式母线保护利用光纤作为通 信链路的介质，可较好的防御变电站的电磁干扰。 7 可使得由于人员误操作、误碰等原因造成母线上所有断路器跳闸等恶性 事故的机会大大减小。 实现母线保护的分散布置是数字化变电站实现分布式综合自动化的关键环 节。研制经济技术合理的基于i e c 6 1 8 5 0 体系的分布式母线保护符合未来变电站 自动化技术的发展，对国民经济发展有着重要意义。 1 3 ie c 6 18 5 0 及母线保护的研究现状与发展趋势 第一章绪论 1 3 1ie 0 6 18 5 0 简介 i e c 6 1 8 5 0 是国际电工委员会第5 7 技术委员会0 e ct c 5 7 ) 制定的关于变电站 自动化系统结构和数据通信的一个国际标准【l 羽，与传统的通信协议相比，在技术 上i e c 6 18 5 0 有如下特点： 1 、使用面向对象建模技术； 2 、使用分布、分层体系； 3 、使用抽象通信服务接口，特殊通信服务映射技术； 4 、使用制造报文规范技术； 5 、具有互操作性； 6 、具有面向未来的、开放的体系结构； 采用i e c 6 1 8 5 0 标准，可以使变电站内来自不同厂家的智能电子设备实现互操 作和信息共享，取消多余的协议转换步骤，使设备调试更加便捷，大大提高变电 站自动化系统水平，提高变电站自动化系统安全稳定运行水平，节约开发验收维 护的人力财力，实现“一个世界、一种技术、一个标准”的目的【l3 1 。国外许多大 公司如a b b 、s i e m e n s 、a r e v a 纷纷推出支持i e c 6 1 8 5 0 的新一代变电站自动化 系统。中国电力标准化组织开展了对i e c 6 1 8 5 0 标准的翻译和出版工作，制定了 d l t8 6 0 系列标准，等同于i e c 6 1 8 5 0 标准，对国内厂家的技术开发起到了积极的 推动作用。国家电力调度通信中心也积极组织国内外从事变电站自动化的科研单 位、生产厂家、检测机构开展i e c 6 1 8 5 0 互操作试验工作，从2 0 0 5 年至今，已经成 功进行了6 次互操作试验，取得了重大进展，推动了i e c 6 1 8 5 0 在中国的推广【1 4 1 。 1 3 2 母线保护的研究现状 继电保护技术经过几十年的发展，已从电磁型、整流型、晶体管型、集成电 路型，进入到微机型时代。目前应用的较多的微机型母线保护是集中式微机母线 保护。微机型母线保护可以解决各支路电流互感器变比不一致引起的差流问题， 还可以实现更加复杂，但更可靠的判据；同时也可以实现各种检测电流互感器饱 和的新方法，从而减小了电流互感器饱和对母线保护的影响。但由于受到集中式 结构的制约，母线保护仍然存在接线复杂和可靠性低的问题。由于集中式微机母 线保护需将各个回路的电流互感器的二次电流、开关的状态量通过二次电缆引至 主控制室的母线保护屏上，因此，需要敷设大量的二次电缆。不仅使二次回路非 常复杂、增；b n - r 程造价，而且还可能使电流互感器二次回路电缆的模拟信号容易 受到变电站强电磁干扰，还存在不易于扩展和难以自适应母线运行方式变化等缺 点。因此，集中式微机母线保护的灵活性和可扩展性不适应日益发展的电网要求。 4 。 第一章绪论 随着变电站综合自动化体系的建立，继电保护分散布置、就地化已经成为发 展趋势。综合自动化的变电站般都采用分层结构布置，一次设备之间，一次设 备与变电站后台监控通过现场总线或网络进行，传输介质采用光缆或者少量电 缆。因此如果将母线保护采集所需要的电流模拟量以及各种开关状态量在就地转 换为数字量，进行就地处理或者通过网络传送到变电站主控制室，可节省大量的 二次电缆，还可以避免变电站复杂电磁环境下的电磁干扰。分布式微机母差保护 克服了传统集中式微机母线保护的缺点，借助交换式以太网，来实现大量实时数 据的传输和高精度的同步采样，以满足分散布置的要求。 分布式微机母线保护大体可分为无主站分布式微机母线保护和有主站分布 式微机母线保护。 无主站分布式微机母线保护是将被保护母线所连接的每个间隔上都设置一 个母线保护单元，各个母线保护单元之间通过数据通信网络相连接。每个母线保 护单元能对本回路的电流量、开关量进行采集，并经过网络传送给其他保护单元， 同时也相应的接收来自其他保护单元的数据信息。因此，每个保护单元都拥有整 条母线上的各个回路的电流信息和状态信息，并根据这些数据信息独立的计算出 母线差动保护的动作电流和制动电流，并判断是否应该动作。各个母线保护单元 的保护功能相互独立，如果某个单元判断为母线内部故障时，只将该回路从母线 上断开，不影响其他的母线保护单元。假如某个单元收到电磁干扰或自身故障而 导致误动，也只会切除本回路，与集中式母线保护相比，不会导致整条母线的停 电事故。另外，这种情况还可以通过与其他单元的判断结果相互校验，如果判为 误动，立即用自动重合闸纠正。 主站分布式微机母线保护是由主站中央处理单元和间隔保护单元组成的，被 保护母线所连接的每个间隔都设置一个间隔保护单元，此外另设一个中央处理单 元。每个间隔保护单元之间不能互相通信，只能通过网络与中央处理单元通信。 每个间隔保护单元对本回路的电流量、开关量进行采集，并经过网络同步传送给 中央处理单元，中央处理单元收到所有的间隔保护单元的数据后，计算出母线差 动保护的动作电流和制动电流，判断是否动作，并将跳闸信息和其他控制信号， 通过网络传送给所有的间隔保护单元，如果某个间隔保护单元判断为母线内部故 障时，只将该间隔保护单元从母线上断开，不影响其他保护的运行。为了防止中 央处理单元的误判断，一般在间隔保护单元上设置过电流元件，经过间隔保护单 元的确认后，才能跳闸。 尽管两种方案稍有不同，但它们都有分布式母线保护的优点，从实现的难易 角度来看，有主站式的分布式母线保护实现方法较为简单，从发展趋势上看，无 主站式的分布式母线保护更符合未来的发展方向。 第一章绪论 1 4 本文研究的主要内容 第一章简要介绍了母线保护的现状与发展方向，概述分布式母线保护的特 点，并介绍了i e c 6 1 8 5 0 的技术特点与研究现状。 第二章详细介绍了母线保护的不同原理，并对传统复式比率差动原理的改 进做出了分析，最后提出了分布式母线保护的实现方案。 第三章概述i e c 6 1 8 5 0 标准的核心内容，介绍了几种建模中重要的概念，以 及在i e c 6 18 5 0 下实际设备的一般建模步骤，最后按照一般建模步骤对分布式保护 母线建模。 第四章根据上一章的分布式母线保护模型，详细介绍了两种分布式母线保 护通信服务，采样值传输服务和通用变电站事件服务，并对两种服务模型提出了 具体的构建，并分析了通信映射的实现方法，。 第五章总结全文的工作，对后续工作做出进一步展望。 6 第二章分布式母线保护的原理 第二章分布式母线保护的原理 2 1 母线保护的分类 母线保护按其原理可分为以下几类n 司： 1 用相邻回路保护实现的母线保护 对于3 5 k v 及以下电压等级的母线，般来说，不采用专门的母线保护广而利 用供电元件的保护装置将母线故障以较小的延时切除。 2 基于电流差动原理的母线保护 依据基尔霍夫电流定律。将母线上各条支路的电流相加，得到流入母线的电 流和。当系统正常运行或者发生外部故障时，流入母线的电流和为零，母线保护 不动作。反之，当母线发生故障时，等于流入故障点处的总电流，母线保护动作。 3 基于母联电流相位比较的母线保护 对于双母线，分别比较两组母线的总故障电流与母联电流互感器中电流的相 位，相位接近一致的母线为故障母线，相位接近1 8 0 。的母线为非故障母线。这 种原理只比较电流的相位，与其幅值无关，因此基本上不受电流互感器饱和的影 响。该原理仅适用于长期并列运行的双母线。单母线运行时，母联开关断开，该 原理的母线保护退出。 4 基于电流相位比较的母线保护 在母线正常运行时或发生外部故障时，故障回路电流和其他各回路的电流之 和的相位相反，而在内部故障时各回路电流相位接近相同。利用该特征可实现电 流相位比较式母线保护。 2 2 微机型母线保护的原理分析 2 2 1 电流比率差动原理阍 比率差动原理是采用被保护设备的穿越电流作为制动电流，从而使得母线保 护动作电流随制动电流的增加而增加，保证区外故障时母线保护有足够的制动能 力。 第二章分布式母线保护的原理 2 2 2 复式比率差动原理吣1 传统的比率差动原理采用穿越性电流作为制动量，在区外故障时，若电流互 感器饱和，会有较大的不平衡电流，仍难免要失去选择性。而在区内故障时，若 有电流从故障母线上流出时，会降低保护动作的灵敏度。 复式比率差动原理是在制动量的计算中引入差动电流，使得在区内故障时无 制动，而在区外故障时则有极强的制动特性，制动系数的选择范围没有限制，能 够更好地区分区内区外故障。 2 2 3 工频变化量比率差动原理n 鄹 根据叠加定理，可将故障后的电流分为负荷电流和故障分量电流两个部分。 只用故障分量电流的工频部分做比率差动，构成了工频变化量比率差动。工频变 化量比率差动元件受系统运行方式影响小，且抗过渡电阻能力好。但由于故障分 量仅在故障初期存在，因此该原理可作为母线故障的快速主保护。 2 2 4 母线方向保护原理1 帕 方向式母线保护利用对线路全线有灵敏度的i i 段保护瞬动接点作为启动元 件，用以反应母线的区外故障。在线路保护中增设与i i 段保护原理相同的反方向 元件，即指向母线的元件，用以反应母线故障，这个元件在保证母线故障有灵敏 度的情况下，与各出线保护的l l 段保护相配合，将上述各条线路保护中反应线路 侧故障和母线侧故障的元件组合在一起即可构成母线保护。当一个及以上指向母 线的方向元件动作，同时没有任何一个指向线路的方向元件动作，则方向式母线 保护动作。 2 3 改进型复式比率差动 在上述原理中，复式比率差动原理和方向式母线保护原理适合应用于分布式 母线保护。但是方向式母线保护也存在一些不容易解决的问题：方向式母线保护 原理以线路保护为基础，不受电流互感器饱和的影响，实现方法简单，但是容易 受到电压互感器断线的影响；方向式母线保护基于微机线路保护，容易受到电网 振荡的影响；采用一个半断路器接线方式时，不能与线路保护相结合；对于母线 故障时发生有电流向外流出的情况，方向式母线保护的整定较为困难。 与母线方向保护原理相比，复式比率差动原理不存在这些问题，因此，分布 式母线保护可以采用复式比率差动原理。传统的复式比例差动原理判据只含有一 第二章分布式母线保护的原理 个复式比率制动系数，如果采用更一般的判据形式，含有两个复式比率制动系数， 可望进一步优化复式比率差动保护在母线内部故障时的可靠性。 因此，可以采用如下带制动特性的动作方程： 式中是母线上第f 个连接元件的电流，l i i 是母线上所有连接元件上的电 i ，譬li 流和的绝对值，川是母线上所有连接元件上的电流绝对值之和，厶是最小动 ， 作电流，和电流互感器的误差有关。 为了便于讨论，上式可以化为 i ? 州+ j 鲫i k 。 j 刑i - 4 - l i o u r l k ：i j 聃+ j 帅伊 ，。 ( 2 2 ) 式中，州表示和母线相连支路上流入母线的电流矢量和，k 表示和母线相 连支路上流出母线的电流矢量和，设母线流出龟流与流入电流比为g ，即 q - - - i 。u t i ，k 。，k ：是制动系数。令五= i j 州i + i j 。u t l k ：i + j 。u t l ，以) + 表 示当五的值为负或零时输出为零，适当选择k ，k ：可使外部故障时制动很大， 内部故障时制动很小。 假设在外部故障时，0 与，。u t 相差1 8 0 ；直j 烈= j m z 0 。，式( 2 2 ) 可表示为 + j 咖l 厶 ( 2 3 ) 简化后有 ，蹦一l o u t 1 0 内部故障时，旯 0 ，出现制动，动作特性可以表示为 ，r n l o u t k ，【，矾+ i o l r r k 2 ( ，i n l o l r r ) 】 厶 1rin一糍1 kkk盯去1kk l + k l ，1 0 u t7 一 l + k 1 ， ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 下图画出了这两种情况下的动作特性。 直线a b 即式( 2 4 ) ，直线b c 即式( 2 6 ) ，图中o d 是电流流出比例线。 在母线发生内部故障，短路电流较小时，保护有固定的门槛值厶，即图中a 点。直线o d 是电流流出比例线，其斜率值为g 。为了使保护在电流流出比为g 时 能够可靠动作，必须使b c 直线位于o d 之上并与之平行，如果b c 直线小于o d 直 线的斜率，则与o d 相交，在内部故障短路电流很大时，发生拒动。在外部故障 情况下，应该有i 州= ，考虑到电流互感器的误差，可能也会存在一定的电 9 l - 2 ，l ，+ 1j ， 。瑚 k f 1 。， 。l 厶 k ，t ， 。渊。瑚 ，lii_li-_，、ii_li-_l 第二章分布式母线保护的原理 流流出比g ，出现误差1 一9 7 ，为了保证动作特性在外部故障电流增大时允许较 大的不误动误差，在内部故障电流很大时不拒动，就必须使b c 平行于直线o d 。 图2 - 1 复式比率差动保护的动作特性 根据b c ；和o d 两条直线斜率相等可得 糍1 k kk 邓1 一墨蝎。 +1+1， 一1 1 2 。 可觚2 互1 i 一 - 告。 1 一g 。 当鼋2 o 2 时，有k 2 i 考i 。 改进后的复式比率差动判据可靠性分析如下： 与j o u t 相差1 8 0 。的情况下，有 i 鼢= 一q i 附 将式( 2 - 8 ) 代入到常规复式比率差动方程有 + j 哪l k r ( j j 。nj + i kj - j j + j 。1 ) 将式( 2 9 ) 化简后可得 1 一q k ，2 q 且p q k l ( 1 + 9 ) 一k l k 2 ( 1 - q ) 理想情况下，发生母线外部故障时，g = l ，? i n = 厶l r r ， 可知，差动量为零，保护不会误动。 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 由式( 2 一1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 理想情况下，母线区内故障时，曰= o ，由式( 2 ，1 0 ) 和式( 2 1 1 ) u - - j 知，差动量 1 0 第二章分布式母线保护的原理 为，i n 。 考虑到实际情况，外部故障时g l ，内部故障时g 0 。 分析式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) ，两者的差动量相同，如果令两边的制动量相同，可 保证在c t 相同误差的情况下，两种判据具有同样的判断结果，即一致安全性。 由此可得， k ，2 q = k l ( 1 + g ) 一k l k 2 ( 1 一g ) ( 2 1 2 ) 由式( 2 1 0 ) 可知当外部故障时不误动，必须有g g 。 当g = g o 时，有 k ，：k , ( 1 + q o ) - k i k 2 ( 1 - q o )( 2 1 3 ) 2 q o 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 0 ) l - q 2 q k ( 1 + q o ) - ：k i k 2 ( 1 - 一q o ) ：m l ( 2 - 1 4 ) z ：q o 根据式( 2 1 1 ) 有 l 一日 k l ( 1 + g ) 一k 1 k 2 ( 1 9 ) = m 2 ( 2 - 1 5 ) 令m ；m 。一m ：，如果m 0 ，则表明常规复式制动量大，灵敏度低，如果 m l ，且g o ，则表明发生内部故障情况下，常规复式制 动量大，灵敏度低，改进后的复式判据制动量小，灵敏度高。发生外部故障时， 由于g l ，i s lq g o 时，m q o 两种判据都会 拒动；发生外部故障时，如果c t 存在误差，只要传变比大于g 。，就能保证可靠 制动，而且此时改进后的复式比率差动保护制动量大于常规的复式比率制动保 护，使得改进后的复式比率差动保护制动能力优于常规复式比率差动。 ( 3 ) 当k 2 1 ，且g g o 则m 0 ，发生内部故障时，改进后的复式比率差动 保护制动量大，灵敏度低。性能弱于常规的复式比率差动保护。发生外部故障时， 由于q g 。，两种判据都会误动。 由此可以得出改进后的复式比率差动保护判据的相关结论： ( 1 ) 发生内部故障时，q q 。，改进型复式比率差动保护判据的可靠性高于常 规复式比率差动；换句话说，在两种判据灵敏度相同的情况下，改进型的复式比 率差动保护判据允许的q 值更小，也就是发生外部故障时允许更多母线上流入电 流。 ( 2 ) 由2 = 0 可得k ：的取值最大为# 旦，内部故障时g q o ，为了让g 。的取值尽可能最小，足2 的取值应为l 。 因此有1 k ， 旦里。 1 一q 由此可见，k ，的取值不能小于1 ，适当增大k ，值能够确保该分布式母线判 据能明确区分区内外故障。内部故障短路电流小时，灵敏度高，外部故障短路电 流大时，由于制动电流的闭锁，保护不会误动，可靠性高。改进后的复式比率差 动保护判据性能优于常规复式比率差动保护。 2 4 分布式母线保护的实现方案 现有的分布式母线保护方案主要是有主站式的分布式母线保护，即有一个中 央处理单元和若个个母线保护单元组成的，通过通信网络将这些单元相互连接起 来，各个保护单元仅仅与主站相连接，实时向主站传输本保护单元采集到的本地 采样值，然后由主站计算出保护所需要的动作电流和制动电流，并将判断结果下 发到各个保护单元，保护功能由主站和各个保护单元共同完成，因此存在可能因 主站误判断造成母线全部失电的可能性。 因此，本文提出了种基于i e c 6 1 8 5 0 的无主站式的分布式母线保护，如图 2 2 所示。从图中可以看出，每个间隔合并单元只负责采集母线上本间隔过程层 一次设备的数据，并通过合并单元将模拟量采样值转换成数字量，经过交换机传 输到本间隔的母线保护单元上，并且再通过其他间隔的交换机传输到其他的母线 保护单元上。变电站间隔控制单元包括开关及断路器控制，就地数字化后也通过 本间隔对应的交换机传送到本间隔的母线保护单元上。 因为母线涉及到多个间隔，母线保护所需的数据量来自母线所连接的所有进 出线。因此，必须保证每个间隔的合并单元都要同步采样。这需要一个监控单元， 产生一个定时同步的标准时钟。标准时钟可以采用全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m , g p s ) 接收卫星信号，从中提取出时钟信号并向各个间隔的合并 单元提供o p s 秒脉冲，同步各个合并单元的采样时间，以保证各个合并单元同 1 2 第二章分布式母线保护的原理 步采集数据。 另外，监控单元还可监视各个间隔保护单元的完好性和通信网络的完好性， 某个保护单元故障时也可由监控单元恢复其正常工作或报警。 如图2 2 ，分布式母线保护通信网络结构采用环型，因此每个母线间隔保护 单元都能接收到其他间隔交换机传递过来的数据，并向其他间隔交换机传递本间 隔采集的数据。由此可见，所有间隔的母线保护单元都能通过以太网共享母线上 所有间隔的数据信息。各个母线间隔保护单元相互独立，经过计算后，如果判断 出母线内部故障，只将本回路从母线上断开，不影响其他回路。因此，如果发生 某个母线保护单元的误动时，只会影响该条回路，不会造成整个母线的停电。 采用环型网络通信的好处是具有较高的冗余度，当通信网络中的一个节点发 生故障时，可以通过其他网络节点反方向传输。 为了防止变电站的强电磁干扰的影响，分布式母线保护通信网络的传输介质 可以采用光纤，同时光纤还有传输频带宽，延迟低，通信误码率低的优点。在变 电站母线保护分散布置的情况下，通信介质采用光纤能保证通信质量不受影响， 母线间隔保护单元安全运行： 2 5 本章小结 图2 2 分布式母线保护的结构 本章主要介绍了母线保护的几种不同原理，包括电流比率差动原理，复式比 率差动原理，工频变化量比率差动原理和方向式母线保护原理。并分析了采用两 个复式比率系数的判据，这种判据较传统复式比率差动保护判据在区内发生故障 的情况下灵敏度更高。最后，提出了一种分布式母线保护的实现方法。 第三章基于i e c 6 1 8 5 0 标准的分布式母线保护建模 第三章基于ie 0 6 18 5 0 标准的分布式母线保护建模 3 1 i e c 6 1 8 5 0 概述 国际电工委员会t c 5 7 制定了变电站通信网络和系统系列标准，该标准成 为基于通用网络通信平台的变电站自动化系统国际标准。该系列标准具有一系列 特点和优点：分层的智能电子设备和变电站自动化系统：根据电力系统生产过程 的特点，制定了满足实时信息和其他信息传输要求的服务模型：采用抽象通信服 务接口、特定通信服务映射以适应网络技术迅猛发展的要求；采用对象建模技术， 面向设备建模和自我描述以适应应用功能的需要和发展，满足应用开放互操性要 求；快速传输变化值；采用配置语言，配备配置工具，在信息源定义数据和数据 属性；定义和传输元数据，扩充数据和设备管理功能；传输采样测量值等。并制 定了变电站通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等标准。迅 速将此国际标准转化为电力行业标准，并贯彻执行，将提高我国变电站自动化水 平，促进自动化技术的发展，实现互操作性。 i e c 6 18 5 0 各个部分的主要内容如下 第1 部分：i e c6 1 8 5 0 1 介绍和概述。介绍并概述了本标准各个部分的要求。 第2 部分：i e c6 18 5 0 2 术语。解释了本标准使用的术语 第3 部分：i e c6 1 8 5 0 3 总体要求。介绍变电站自动化系统的质量要求，环境 条件。 第4 部分：i e c6 1 8 5 0 4 系统和工程管理。介绍了变电站自动化系统的工程要 求，系统寿命周期，质量保证。 第5 部分：i e c6 1 8 5 0 5 功能和设备模型的通信要求。介绍了变电站通信要求， 装置模型功能，逻辑节点。 第6 部分：i e c6 1 8 5 0 6 变电站自动化系统结构语言。介绍了包括系统工程概 述，与通信相关的i e d 配置参数、基于x m l 的系统和配置参数交换文件格式的定 义，一次系统结构，i e d 的能力以及和一次系统的关系。 第7 1 部分：i e c6 1 8 5 0 7 1 变电站和线路( 馈线) 设备基本通信结构一原理和模 型。介绍了变电站自动化系统的通信原理和模型。 第7 2 部分：i e c6 1 8 5 0 7 2 变电站和线路( 馈线) 设备的基本通信结构一抽象通 信服务接u i ( a c s i ) 。介绍了a c s i 的概念，抽象通信服务的规范和设备数据库结 构的模型。 1 4 第三章基于i e c 6 1 8 5 0 标准的分布式母线保护建模 第7 3 部分：i e c6 18 5 0 7 3 变电站和线路( 馈线) 设备基本通信结构一公共数据 类。介绍了各种公共数据类及其属性。 第7 4 部分：i e c6 18 5 0 7 4 变电站和线路( 馈线) 设备的基本通信结构兼容的 逻辑节点类和数据类。介绍逻辑节点类，数据类的定义。 第8 部分：i e c6 1 8 5 0 8 1 特定通信服务映射( s c s m ) 映射到m m s 。介绍变电站 内通信服务的映射。 第9 1 部分：i e c6 1 8 5 0 9 1 特定通信服务映射( s c s m ) 一通过单向多路点对点 串行通信链路的采样值。和9 2 一起，分别介绍了两种不同方法下的采样模拟值 传输服务的映射。 第9 2 部分：i e c6 1 8 5 0 9 2 特定通信服务映射( s c s m 卜一通过i s o i e c 8 8 0 2 - 3 的 采样值。 第l o 部分：i e c6 1 8 5 0 1 0 一致性测试。介绍了一致性测试的规则，质量保证 和有关设备的一致性测试，测试手段、测试设备的要求。 从i e c 6 1 8 5 0 标准的组成可以看出，这一体系对变电站自动化系统的网络和系 统做出了全面、详细的描述和规范。 3 2 ie c 6 1 8 5 0 核心内容 3 2 。1 变电站分层结构 变电站自动化系统的功能是控制和监视，以及一次设备和电网的继电保护和 监视。按照功能的不同，可以将变电站分为三层：变电站层、间隔层、过程层。 如图3 1 所示。图中的数字代表接口的序号，各接口的意义如下： 接口l ：在间隔层和变电站之间交换保护数据； 接口2 ：在间隔层和远方保护之间交换保护数据( 超出本标准系列范围) ； 接e 1 3 ：在间隔层内交换数据； 接口4 ：在过程层和间隔层之间瞬时数据交换( 例如采样值) ； 接h 5 在过程层和间隔层之间交换控制数据 接1 = 1 6 ：在间隔层和变电站层之间交换控制数据； 接口7 ：在变电站层和远方工程师工作站之间交换数据； 接口8 ：在间隔层之间交换数据； 接口9 ：在变电站之间交换数据； 接口1 0 ：在变电站层和控制中心之间交换控制数据( 超出本标准范围) 。 第三章基于i e c 6 1 8 5 0 标准的分布式母线保护建模 变电姑层 间隔i 单元层 过程层 _ 卜一 高压设备 _ 卜一 图3 1 变电站自动化系统分层结构 过程层典型设备为远方f o ，智能传感器和执行器。主要完成与过程接口的所 有功能，即二进制状态和模拟输入输出功能，如数据采集和发布控制命令。这些 功能通过逻辑接e 1 4 和5 与间隔层通信。间隔层的设备由每个间隔的控制、保护或 监视单元组成，主要完成保护的控制和计量、记录等功能。这些功能通过逻辑接 口3 实现间隔层内通信，通过逻辑接v 1 4 和5 与过程层通信，即与各种远方f o ，智 能传感器和控制器通信。变电站层设备由带数据库的计算机、操作员工作站、远 方通信接口等组成。主要功能有两类，一类是过程有关变电站层功能，即使用多 个间隔或者全站的数据，并且对多个间隔或全站的一次设备进行监视和控制。这 些功能主要通过接1 3 8 通信；另一类是与接口有关变电站层功能，包括变电站自 动化系统与本站运行人员的接口，与远方控制中心的接口，与监视和维护远方工 程管理接口的接口。这些功能通过逻辑接口l 和6 与间隔层通信，通过逻辑接1 3 7 和远方控制接口与外部通信。 3 2 2 面向对象的信息模型 i e c 6 1 8 5 0 采用了面向对象的建模方法，数据对象的分层结构如图3 2 所示。 构成信息模型的概念模型为： 1 s e r v e r ( 服务器) 1 6 第三章基于i e c 6 1 8 5 0 标准的分布式母线保护建模 服务器用来表示外部直观可视化的设备。所有其他模型包含在服务器模型 内，为服务器模型的一部分。 2