（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61850标准的分布式母差保护的研究.pdf

s u b j e c t ：r e s e a r c ho nd i s t r i b u t e db u s b a rp r o t e c t i o na c c o r d i n gt o i e c 6 1 8 5 0 s p e c i a l t y ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n n a m e ：w a n gh u i y a n g i n s t r u c t o r , ：y u nb a o j i f uz h o u x i n g a b s t ra t a ( s i g n a t u 代) 姆崎 ( s i g n a t u 阳蝉谊峄 ( s i g n a t u r e ) i nb u s b a rp r o t e c t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o t e c t i o ni nt h ee l e c t r i c a lp o w e r s y s t e m ，i t ss a f e t yr u n n i n gr e l a t e sw e a t h e rt h ew h o l es u b s t a t i o nc a r lr u ns t e a d i l y c o m p a r i s o n w i t ht h et r a d i t i o n a lc e n t r a l i z e db u s b a rp r o t e c t i o n ，d i s t r i b u t e db u s b a rp r o t e c t i o nc a nb el o c a l l y i n s t a l l e da n ds h o r t e nc ts e c o n d a r yc a b l e ，w h i c ha c c o r d 、析t l ll a y e r e da n dd i s t r i b u t e ds t r u c t u r e o fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n f o r e m o s t ，w i mc o m p u t ea n dc o m m a n dt h eb r e a k e ra r ei n d e p e n d e n t l y c a r r yo u tb ye a c hp r o t e c t o r , e x p e n s eb ym i s t a k ec a l lb em a r k e d l yd e c r e a s e d e s i g no f d i s t r i b u t e db u s b a rp r o t e c t i o na r ec o n s i s to f p r o t e c t o ra n dc o m m u n i c a t i o nm o d e i e c 618 5 0i sa ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df o rt h ef u t u r es u b s t a t i o na u t o m a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a v er e f l e c t e dt h ed i r e c t i o na n dt r e n do fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n c o m m u n i c a t i o nd e v e l o p i n g d e v e l o p e dr e l a yp r o t e c t i o ni n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e s ( i e d ) a p p l i c a b l et oi e c 618 5 0h a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n tp a r tt or e a l i z ed i g i t a ls u b s t a t i o n f i r s t ，d o u b l eb u s b a rf a u l ta r es i m u l a t eo nt h eu s eo fr t d sa n dm a t l a b ，d e t e r m i n i n gt h e r a t i od o u b l e - d i f f e r e n t i a lc r i t e r i o n 嬲t h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nc r i t e r i o n so fd i s t r i b u t e db u s b a r p r o t e c t o r t h e n ，t h em o d e lo ff u n c t i o na c c o r d i n gt oi e c 6 18 5 0h a v eb et a k e nb a s e do nt h ep a r t s o fb u s b a rp r o t e c t i o ns u c ha sd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，c i r c u i tb r e a k e rf a i l u r ep r o t e c t i o n t h e s e f u n c t i o nh a v eb em a p p e do nl o g i cn o d ea n dt h ed a t ao b j e c ta n di t sa t t r i b u t ea r ee s t a b l i s h e d t h el o g i c a ld e v i c e ( l d ) m o d e la r ec o n s i s to ft h r e ep a r t s ：i n p u to fa n a l o gs i g n a l s ，i n p u ta n d o u t p u to fd i g i t a ls i g n a l sa n dp r o t e c ta c c o u t t h ed y n a m i cp r o c e s sh a sb ed e s c r i b eb ys e q u e n c e d r a w i n gi nu m l t h es o f t w a r ea l g o r i t h mo fp r o t e c t i o nh a v eb e e nc o m p i l e ，a n db ev a l i d a t e d o np c t h e n ，f i n a l l y , b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fs va n dg o o s e m e s s a g et r a n s f e ra c c o r d i n g t oi e c 618 5 0 ，as c h e m ef o rr e a l i z i n gd i s t r i b u t e db u s b a rp r o t e c t i o na tt h ep r o c e s sl e v e lb e p r o p o s e s a n dv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f10 0 me t h e r n e tu s i n gi np r o c e s sl i n es u b s t a t i o nb y o p n e ts i m u l a t i o ns o f t w a r e k e y w o r d s ：i e c 6 18 5 0b u s b a rp r o t e c t i o nd i s t r i b u t e do p n e t t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：臻册日期：巫哆s 萝 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，i l p 研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 j 学位论文作者签名：鳓指导教师签名：i 矗虱突幺手九j 如烽多月g 日 1 绪论 1 1 选题的背景和意义 1 绪论 电力系统中母线保护是主要保护之一。母线的安全可靠运行直接影响发电厂和变电 所工作的可靠性。特别随着我国电力系统的迅猛发展，系统容量迅速增加，7 5 0 k v 及其 以上电压等级的特高压母线也逐渐发展和投入运行。当母线上发生短路时，如果故障不 能迅速被切除，将会引起事故扩大，破坏电力系统的稳定运行，严重时将造成电力系统 的瓦解事故。因此，在重要的3 5 k v 及其以上的发电厂或变电所的母线上，都需要装设 专用的母线保护装置。 目前国内的母线保护多为集中式微机母线保护，在硬件结构上，因袭了传统保护的 作法，即将各条出线的c t 二次侧用电缆引至控制室的保护屏上。微机母线保护一般没 有公共的差电流回路，并且利用软件补偿来解决电流互感器( c t ) 变比不一致的问题，对 数字量运算还便于采用更为复杂、可靠的判据。但是集中式微机母差保护也存在以下缺 占【5 】 j 、 ( 1 ) 随着电力系统自动化水平的提高以及微机保护在电力系统中的广泛应用、变电 站综合自动化在全国的逐步推广，保护分散布置、就地化已成为发展的趋势，微机型母 线保护也将成为整个变电站保护和控制的一部分。综合自动化变电站往往采取分层分布 式布置，前置单元布置于开关场内，变电站后台监控及远动与前置单元之间的通讯通过 网络或现场总线进行，其介质仅为少量的通讯电缆或者光缆。而作为综合自动化变电站 一部分的母线保护，如采取集中布置，就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不协调，导致 维护与管理上的困难。 ( 2 ) 从c t 二次侧到控制室的二次电缆使得c t 二次阻抗较大，不利于防止c t 饱和。 ( 3 ) 从c t 二次侧到控制室的二次电缆较长，也使得模拟电流信号容易受到变电站 强电磁干扰的影响。 ( 4 ) 随着电网规模的日益扩大，变电站母线上的出线数日益增加，母线保护所要处 理的信息量也随之增大，这对于集中式数字保护中c p u 的处理能力提出了更高的要求， 从而导致了保护硬件结构的复杂化，可靠性降低，无法适应就地布置的要求。从另一个 方面来说，集中式微机母线保护的结构及其处理能力也限制了它的灵活性和扩展性。 为了解决集中式母线保护的不足，分布式母线保护方式被提出，其思想可以分为三 个部分来理解：第一是分布式保护计算，即各保护单元在全部占有其他单元信息的基础 上，每一个单元都能够独立的计算或分担一部分计算任务，独立的或综合各子站的结果 西安科技大学硕士学位论丈 得出母线故障与否的结论，并将此结论与其他单元交流和比较或者由主站通知各子站； 第二是分布式数据共享，每一个单元采样到的数据均作为整个数据网中共享数据的一部 分，除自己使用外，还供给其他单元使用，迅速准确的得到其他单元的原始数据是本单 元实现准确计算的前提；第三是分布式数据采集，这也是相对集中式母线保护优越之处。 采样单元的现场下放，使每个单元均实现了数据的本地化采集，从采集点到保护装置之 间不再是模拟量的传输，代之以数字信号通过光纤来传输，信号受干扰的程度大大减少 了。采样及保护计算的本地化也意味着母线保护的现场下放，可以实现和同时下放的线 路保护组屏安装，或者独立安装在开关场小室中。 综上所述，面向间隔的分布式母线保护适应综合自动化的要求，符合继电保护技术 发展的趋势；分布式母线保护可就地布置，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，电压水平越高的厂站，占地面积越大，消耗电缆越多，继电保 护下放的经济效益就越明显；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；面向间隔的分布式结构，使得母线保护单元可与对应的线路保护或变 压器保护互为备用。母线保护功能甚至可以集成在相应的线路保护或变压器保护单元 中，便于实现双重化；与综合自动化站分层分布式的结构相适应，便于扩展，具有较好 的灵活性。另外，母线保护的就地布置缩短了c t 二次电缆的长度，减小了c t 的二次 阻抗，这对于防止c t 饱和十分有利，而且c t 二次电缆的缩短以及利用用光纤作为通 信链路的介质，可以较好地抵御变电站电磁干扰。 母线差动保护原理是基于电流差动保护原理，即正常状态下流入母线和流出母线的 电流相等，而内部故障时流入母线的电流大于流出母线的电流。母线作为多端元件，在 进行差流计算时，需要采集连接在母线上的所有设备的电流量。与电力系统其它设备的 保护只需要采集一到两个间隔的采样值相比，母线保护对通讯的实时性和同步性要求明 显提高。传统的母线保护主要应用4 8 5 总线、c a n 总线等进行通讯，受总线传输速率 的限制，不能满足每个采样点数据实时传输。 随着计算机技术和通信技术的发展，工业以太网技术正被引入变电站自动化系统过 程层的采集、测量单元和间隔层的保护、控制单元中，构成基于网络控制的分布式变电 站自动化系统。顺应工业以太网的发展趋势，国际电工委员会制定了i e c 6 1 8 5 0 变电站 自动化通信网络和系统标准( c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa n ds y s t e m si ns u b s t a t i o n ) ，提出在 变电站综合自动化系统中采用以工业以太网为基础的开放的、全分布、可互操作的数字 通信网络。以太网技术的发展及其在变电站自动化系统中的应用，使得各种特定功能构 建的独立的专用网络将被完全开放的以太网所取代，为实时信息和非实时信息通过以太 网传输提供了可能。但变电站自动化系统在通信方面对实时性和确定性有很高的要求， 以太网技术在这两方面恰恰存在不足，特别是共享式以太网采用载波侦听多路访问及冲 2 1 绪论 突检测的网络介质访问机制，其本质是非实时的。要实现以太网在工业控制网络中的“e 网到底，使以太网技术向设备层延伸，首先要解决的就是实时性和确定性的问题。选择 合适的组网方式，使分布式母线差动保护所需要的采样值实时、同步的传输到各个间隔 的子保护装置，才能保证分布式母线保护的可靠性。 计算机计算速度极大地提高和通信网络仿真分析软件的出现，使人们也越来越多的 利用仿真软件对构建的网络模型进行计算机仿真实验和研究，提高网络建设中决策的科 学性，降低网络建设的投资风险，减少不必要的投资浪费。为网络的规划设计提供客观、 可靠的定量依据。这种方法的优点在于直观性及其对于复杂网络的有效性，从而建模分 析人员有可能把主要精力用于深入了解所研究问题或过程本身，建立出与实际系统相吻 合的仿真模型，得出令人满意的结果。对于变电站内的通信网络系统，可以通过延长仿 真时间来得出统计结果，根据概率论中的大数定理，如果抽样次数足够多，那么抽样均 值就会非常接近于期望的平均值，所以通过延长仿真时间得出的统计结果与现场实际应 该是相符的。 综上所述，研究分布式母线差动保护的原理，并根据i e c 6 1 8 5 0 标准建立分布式母 线保护装置的信息模型，检验基于工业以太网的过程总线通讯的实时性和确定性，都具 有重要的理论价值和实用意义。 1 2 国内外发展现状 现在运用得比较多的是微机型母线差动保护，各种类型的母线保护就其对母线接线 方式、电网运行方式、故障类型以及故障点过渡电阻方面的适应性来说，仍然按电流差 动原理构成的母线保护为最佳。 分布式母线保护系统更能适应综合自动化的要求，是将来发展的必然趋势，目前国 外已有分布式微机母差保护的成功运行经验，如a b b 公司的r e b 5 0 0 型微机母线保护等， 国内也在相继引进和应用中，如a r e v a 公司m i c o mp 7 4 0 分布式数字母线保护、e l i n e 公司的d r s b b 分布式数字母线保护和日本东芝公司的g r b l 0 0 微机母线保护等。目 前，e l i n e 公司的d r s b b 分布式数字母线保护已经在浙江桐柏抽水蓄能电厂投入使用， 运行两年多来情况良好。 i e c 6 1 8 5 0 标准从开始制订就受到国际上的广泛关注。北美和欧洲的各大厂家开始 放弃自己原来的规约，转而支持和致力于i e c 6 1 8 5 0 的开发，并相继推出了一系列基于 i e c 6 1 8 5 0 标准的系统和保护装置并有产品投放市场。相对于国外情况，国内的中国电 力科学研究院、南瑞、四方、南自等大公司从2 0 0 0 年以后才逐步开始设立专门的部门 全面跟踪和研究i e c 6 1 8 5 0 的最新发展动向。从2 0 0 4 年底开始，国家电网公司为了提高 国内的生产商对i e c 6 1 8 5 0 标准的研究水平，加快国有产品的开发速度，由国调中心牵 头组织了6 次i e c 6 1 8 5 0 标准的互操作试验。 3 西安科技大学硕士学位论文 2 0 0 6 年3 月，国电南自满足i e c 6 1 8 5 0 标准的p s 6 0 0 0 变电站自动化系统在西安 1 1 0 k v 少陵变顺利投运。该系统包括保护、测控、监控、远动等技术领域中共1 0 多种 型号的产品，是国产第一套符合i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统，说明我国自主研 发的满足i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统已初步具备推广应用条件。 2 0 0 6 年1 0 月，国电南瑞科技股份有限公司研制的“北京顺义5 0 0 千伏变电所应用 i e c 6 1 8 5 0 标准的n s 2 0 0 0 自动化系统通过出厂验收，标志我国自主研发能够满足i e c 6 1 8 5 0 标准的高等级电压变电站自动化系统获得基本成功。 2 0 0 7 年，南瑞继保公司的高压测控装置率先通过了国际权威的k e m a ( 荷兰) 认证 实验室的i e c 6 1 8 5 0 通讯规约全面测试，这在同行业中尚属首次。6 月2 5 日已收到k e m a 颁发的i e c 6 1 8 5 0l e v e la 认证证书，这标志着南瑞继保已能够提供完全符合i e c 6 1 8 5 0 通讯规约的继电保护和控制产品，能与国际上同类产品进行按照i e c 6 1 8 5 0 规约格式的 数据交换和对接。 i e c 6 1 8 5 0 是面向对象的，变电站的过程层、间隔层和变电站层采用统一的通信协 议、数据对象统一建立标签名字库，以方便建模。基于i e c 6 1 8 5 0 的保护模式如图1 1 所示。 图1 1 基于i e c 6 1 8 5 0 的保护模式 从结构上来说，保护单元的分布式布置通过通讯网络交换信息，符合数字化变电站 的基本技术特征，是未来继电保护的一个发展方向，随着通信技术的不断发展，保护与通 信的紧密结合，分布式母线保护的应用也会越来越广泛。 1 3 本文的主要研究工作 本课题的主要任务是基于i e c 6 1 8 5 0 标准，设计出分布式母线差动保护的初步方案。 包括母差保护差动判据的选择和分布式母线保护的结构方案，并根据i e c 6 1 8 5 0 标准， 4 1 绪论 对保护装置i e d 进行分层次的详细数据建模和动态过程描述，编写保护软件并在p c 机 上模拟验证其正确性，通过网络仿真软件确定合适的组网方式，以满足分布式母线保护 对通讯的实时性的要求。具体所做的工作如下： ( 1 ) 分析了现有母线保护的基本原理和算法，运用r t d s 仿真系统和m a t l a b 软件 对双母线故障进行仿真和判据验证，确定复式比率差动判据作为分布式母线保护的差动 判据，介绍了分布式母线保护的概念，提出本文的分布式母差保护结构的设计方案； ( 2 ) 分析了i e c 6 1 8 5 0 标准的核心内容，包括其通信体系结构、功能分解为逻辑节点、 面向对象的建模、抽象通信服务接口、特定通信服务映射等，按照标准的要求，对分布 式母线保护装置的各个功能( 差动保护功能、断路器失灵保护功能、母联保护功能等) 进 行建模，具体包括：逻辑节点数据建模、逻辑设备建模、服务器建模。并用u m l 中的 顺序图描述了各个逻辑节点协同完成母线保护功能的动态过程； ( 3 ) 根据母差保护装置自适应判据绘制保护主程序的软件流程图，编写保护算法部 分的软件，并在p c 机上进行模拟实验，验证了保护算法的正确性； ( 4 ) 针对分布式母差保护中通讯问题，分析了i e c 6 1 8 5 0 标准对采样值报文和跳闸命 令g o o s e 报文传输的性能指标要求，对分布式母线保护中的间隔层和过程层间的数据 流量进行计算，提出适合的通讯方案； ( 5 ) 利用o p n e t 网络仿真软件，对( 4 ) 中所提出的通讯方案进行仿真试验，验证其 是否满足分布式母线保护对过程总线通讯的实时性要求。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 分布式母线差动保护原理的研究 2 1 母线差动保护基本原理 2 1 1 电流差动保护原理 电流差动保护比较被保护设备各引出线上的电流，规定电流的正方向为流入被保护 设备。当各引出线之问在电路上相连时，被保护设备可看作一个节点。在正常运行及外 部故障时按照基尔霍夫电流定律有1 】： j d = t ( 2 1 ) = l 式中，d 差动电流 j ，引出线j 上流入被保护设备的相电流 卜引出线个数 上式对被保护设备的每一相都成立。一般地，我们把各引出线流入被保护设备的总 电流称为差动电流j d ；在被保护设备内部故障时，当总短路电流可以在故障点流入地或 其他支路( 如流入其他相) 时有： i a = i f ( 2 2 ) 式中，j ，故障点的总短路电流 以上分析可以得出差动保护的基本判据： l j d l i a 。，其中，i a 。为差动保护的启动 电流。 差动保护的基本原理说明，不考虑t a 误差，在正常及外部故障时j d = 0 ，差动保 护可靠地不动作；在内部故障时j d 0 ，保护可靠地动作；差动保护有绝对地选择性， 保护动作不需要延时。一般内部故障最小短路电流也大于差动电流的启动值，差动保护 有很高的灵敏度。所以，差动保护具有选择性好、灵敏度高、快速性的优点【7 】【引。 2 1 2 母线差动保护原理 母线作为多端元件，其差动保护原理也是基于上述的电流差动保护原理，即正常状 态下流入母线和流出母线的电流相等，而内部故障时流入母线的电流大于流出母线的电 流 2 1 。另外考虑到一般母线都是双母运行，因此母线差动保护又有其特点，基本原理如 图2 1 所示： 6 2 分布式母线差动保护原理的研究 图2 1 母线差动保护原理 母线差动保护由大差动元件和小差动元件构成，大差动元件指除了母联开关或者分 段开关以外所有连接到母线的进出线元件t a 电流构成差动回路，即大差差流 厶= l ，其中l 为母线上各元件的电流，但不包括母联或分段开关电流。小差动元 件指所有连接到某条或段母线的进出线元件t a 电流( 包括母联或者分段开关) 构成差动 回路，即i 母小差差流厶。= t ，其中厶为i 母线上各元件的电流，包括母联或分段 开关电流。i i 母小差差流厶：= 厶：，其中厶：为i i 母线上各元件的电流，包括母联或 分段开关电流。 母差保护要靠大、小差元件同时动作来完成保护功能，大差元件动作用来判别是母 线区内还是母线区外故障；小差元件的动作用来选择故障母线，保证选择性。 2 1 3 差动保护元件基本判据 差动保护元件基本判据的功能是用来判定母线是否故障，并且判定是区内还是区外 故障。 ( 1 ) 常规比率制动差动判据 驴i d 红i 姗 ( 2 3 ) 其中：l 为差流即母线上所连接的所有元件的电流的向量值之和，厶为和流即所有 连接元件的电流的绝对值之和，k 为比率制动系数定值，k 为差动电流起动定值。 其动作特性曲线如图2 2 所示： 7 西安科技大学硕士学位论文 i d s e j r 图2 2 比率差动元件动作特性曲线 判据分析：由于负荷电流总是穿越性的，因此，母线内部发生短路故障时负荷电流 总起制动作用；该判据在母线外部发生故障时制动量既包含负荷电流又包含故障电流， 制动性比较强，但当发生内部故障时制动量里还同样包含了较大的故障量而使保护的灵 敏度降低；因此该判据的问题在于七值的选取，七值取得大，有利于躲避外部故障时出 现的传变误差；但尼值取得过大，在内部故障有电流流出时，影响保护动作的灵敏度。 总的来说，该保护判据的灵敏度比较低。 ( 2 ) 复式比率制动差动判据 j d 州拗( 2 4 ) i i ，d k ，xi ，一j d 、7 其中：厶为差流即母线上所连接的所有元件的电流的向量值之和，厶为和流即所有 连接元件的电流的绝对值之和，k ，为复式比率制动系数定值，k 为差动电流起动定值。 其动作特性曲线如图2 3 所示： i r - i d 图2 3 复式比率差动元件动作特性曲线 判据分析：复式比率差动原理的保护之所以能够提高内部故障时的灵敏度是因为在 制动量中引入了差动电流l ，除去了故障量。一方面在外部故障时，随着短路电流的 8 2 分布式母线差动保护原理的研究 增大而增大， 厶，能有效地防止差动保护误动；另一方面在内部故障时由于l ， i 厶一，i 0 保护无制动量，即让复合制动电流在理论上为零，使差动保护能不带制动量 灵敏动作【1 4 1 。这样既有区外故障时保护的高可靠性又有区内故障时保护的灵敏性。 ( 3 ) 故障分量复式比率制动差动判据 挣列出醴( 2 5 ) z 一1i 【鸱 屯i 馘一弛i 、7 其中：a i ，= l - i ( - ，哪l 为和电流故障分量，a # 爿i ，- i ( 产di 为差动电流故障分 j 暑lj 墨l 量，屯为差动电流，群为复式比率制动系数定值，k 为差动电流起动定值。 判据分析：利用故障分量电流构成差动保护，消除了负荷电流和过渡电阻的影响， 对相间故障有较高的灵敏度；但是由于故障分量仅在故障发生后的短时间内存在，所以 保护判据的有效时间短，不能全程投入。 2 1 4 母线保护差动判据的仿真验证 本节运用r t d s ( r e a lt i m ed i g i t a l s i m u l a t o r ，实时数字仿真仪) 对双母线接线i 母a 相单相接地故障进行仿真，并运用m a t l a b 软件对仿真数据进行运算，对母线 差动动作量和制动量进行分析，以验证母线的复式比率差动判据的可靠性。 ( 1 ) 仿真工具简介 r t d s ( r e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ，实时数字仿真仪) 是由加拿大m a n i t o b a 直流 研究中心( h v d c ) 开发的专门用于实时研究电力系统的数字动模系统，是一种专门设计 用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置。其基本系统构架如图2 4 所示，由r t d s 实时仿真系统、p c 或u n i x 计算机以及相应的电流电压功率放大器构成。 r t d s 仿真机 图2 4r t d s 系统结构 9 局域网 西安科技大学硕士学位论丈 p c 机上需要安装w i n d o w s2 0 0 0 或w i n d o w sx p 专业版的操作系统和r s c a d 实 时仿真系统软件( 包括建模软件d r a f t 和仿真软件r u n t i m e ) ，软件推荐使用1 1 6 4 以上 版本。r t d s 的基本组成部分为组( r a c k ) ，多个r a c k 之间通过总线相联，r a c k 的数 量决定了可仿真系统的规模。仿真装置包括一个广泛的电力系统控制系统元件模块 库。通过连接现有的元件模块而组建起电力系统的回路和相关的控制回路，然后将 r t d s 实时模拟电量和开关量输入被测试保护装置，再将装置的输出信号引入仿真系统 的开关量板，即可实现保护装置的闭环实时仿真试验。 相比于传统的动模试验，全数字r t d s 动模系统具有更好的实时性，能连续地产 生真实地代表在实际网络中的情形输出。因此它能被直接地连接到电力系统控制 和保护装置上。而且从一个问题切换到另一个问题只需要最短的时间，研究序列 能被设定并自动运行，可以自动完成转换性故障和发展性故障的模拟。 在国际上r t d s 已经得到广泛应用，逐步替代传统的物理模拟方式，如西门 子、a b b 等知名企业都有自己的r t d s 实验室，将r t d s 作为产品功能测试的重 要手段，在国内r t d s 也已经有2 0 余家r t d s 用户，其中有诸多电力供应商和主 要保护制造厂家如许继、南瑞、国电南自、北京四方等，r t d s 也在国内得到越来 越多的认可。 m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y 矩阵实验室) 软件是由美国m a t h w o r k s 公司推出的用 于数值计算和图形处理的科学计算系统环境。在m a t l a b 环境下，用户可以集成地进 行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 ( 2 ) 双母线的r t d s 建模及仿真 本文所设计的分布式母差保护是应用于1 1 0 k v 以上电压等级的变电站，典型接线为 双母线接线。因此本文仿真了电压等级为2 2 0 k v 的变电站的双母线模型。首先利用i h d s 提供的元件库构建模型，进行参数设置，然后模拟故障并运行实时仿真。 在r t d s 中，依据电力行业标准d l t 8 7 1 2 0 0 4 建立双母线试验模型。试验接线图 如图2 5 所示： 1 0 2 分布式母线差动保护原理的研究 图2 5 双母线r t d s 试验模型 模拟i 母k 1 处发生a 相单相接地故障，设置试验时间为3 0 0 m s ，在6 0 m s 时发生 故障，故障持续时间为l o o m s ，在1 6 0 m s 时故障结束。i 母t a 、i i 母t a 和母联t a 上 采样的a 、b 、c 三相电流如图2 6 所示：图中横坐标为时间，单位为s ( 秒) ，纵坐标为 电流值，单位为a ( 安培) 。可以看出，在故障开始时刻也就是6 0 m s 处，i 母、i i 母和母 联上的a 相电流明显增大，电流峰值达到1 3 3 2 2 5 2 a ，同时b 、c 两相的电流也有增大， 但增量较少，电流峰值为4 9 3 4 6 l a 与o 9 0 3 5 3 a 。 1 3 3 2 2 鸵 口1 8 2 5 肼3 1 0 0 舯3 5 3 - 3 9 3 1 3 7 3 7 5 7 1 l 引5 硝 、，、，、 | f ，、 一一， l 、，、3 ，、2、，、1 ，、 = c ) c ) 嵋= ，o 、，r 产b k 心，式 一并 、一点3 3 0 = ) - 匕= c = ，芒= ， v 、1。、一、f 、，一l v| ， 厂、 |l，、 一一， l 、，、，、 2、，、，、 一一 蔓趸骂2 ；釜嚣) a - ，r 7 b卜k 一n暇o e = 口 = ) 匕= h 匕= ，z = ，c ： v 、，1。、f 一、一 v 厂、， ， 厂 厂 a，吣 ，一 f 忒f ，( ) o ，保护返回。说明复式比率差动判据在单相金属性接地故障时有很高 的可靠性。 图2 9 、2 1 0 是匕述母线故障时动作量和制动量的电流波形比较： 图2 9 采样值复式比率差动判据动作量、制动量波形( o 3 0 0 m s ) 1 3 尹7 孵硼 鬟 缓 麓 5 群 ，驾 i鼍罐壤趣麓谭翥曩嚏恤当恁碜露罐嘲魄 西安科技大学硕士学位论文 譬 鍪 采样值复式比率差动判据动作董、制动量波形2 图2 1 0 采样值复式比率差动判据动作量、制动量波形( 5 0 - - 7 0 m s ) 其中图2 9 描述的是试验全过程( o 3 0 0 m s ) 的电流波形，图2 1 0 是故障发生时刻 ( 5 0 7 0 m s ) 的电流波形。可以看出，故障发生前和故障结束后，动作量小于制动量，且 动作量小于启动电流，保护不会误动。在故障发生时，动作量增大，而制动量减小到接 近零，保护可靠动作。 从本文进行的大量r t d s 仿真测试来看，复式比率差动判据由于在制动量的计算中 引入了差动电流，使其在母线区外故障时有极强的制动特性，在母线区内故障时无制动， 因此能更明确地区分区外故障和区内故障，适合作为分布式母线保护的差动判据。 2 2 分布式母线保护 2 2 1 分布式母线保护的原理 传统母线保护的保护功能是通过一定的模拟电路将被保护母线上各条出线的c t 二 次侧电流求和来实现的。集中式微机母线保护是先对各条出线的二次电流进行采样，并 将所得到的数字量存入相应的存储器中，然后再进行算法处理。面向间隔的分布式母线 保护则将集中式微机母线保护各项工作分布实现，即分布式数据采集、分布式数据存储 及算法和保护功能的分布式实现，同时也实现了分布式数据通信，使得系统中各单元可 以采取更为简单、可靠的硬件结构，便于就地布置，而且具备更好的灵活性、扩展性， 更易于附加其他的保护功能。 分布式母线保护原理是在被保护母线所连接的每一条回路上装设一个母线保护单 元，每个保护单元对本回路的电流进行采样和a d 转换，并接收通过通信网络送来的其 1 4 2 分布式母线差动保护原理的研究 他所有回路电流的采样值，通过计算比较即可独立检测和判断母线的故障。一旦某个保 护单元判断为母线故障，只将其本身回路从母线上断开，而不影响其它回路。因此，当 某个母线保护单元偶尔误判断和误跳闸时，只误跳一条回路，不会造成整个母线的停电。 这与传统的集中式母线保护相比，可基本消除造成母线全部停电的系统恶性事故，使系 统运行可靠性大大提高。 2 2 2 现有分布式母线保护的结构 根据通讯网络实现的形式，可以将分布式母线保护的结构分为两种类型：一种是有 主单元的主从式分布式母线保护，这种形式除了在原来集中式母线保护的基础上实现了 采样值上传的数字化外，还可以增加各单元就地判据及部分算法的本地化，使主单元的 负担减小，实现保护计算的分布。功能和可靠性均会有所提高；结构简单，各子站之间 不会实现直接数据通讯，主要的保护功能均依靠唯一的主站来承担。典型形式为星型拓 扑结构，由一个中央单元( c e n t r a lu n i t ) 和若干现地单元( f i e l du n i t ) 组成，通过数据通信 网络将这些单元联系起来。每个现地单元只采集本地开关的c t 电流信号，并将采集的电 流信号数字化之后，按照一定的通信规约，通过高速数据通信网络传送给中央单元。中 央单元接收到各个现地单元发送来的电流信号后，进行计算判断，一旦判别为故障，中 央单元则将动作信号通过通讯网络发送给各个现地单元，由现地单元完成对本地开关的 动作。其结构如图2 1 1 所示。 图2 1 1 有主站式的分布式母线保护结构 另一种是对等式，无主站式的分散布置的微机母线保护，如图2 1 2 所示，各单元均 有能力实现保护的所有功能，对于计算结果大家进行表决，以消除由于个别单元计算错 误或设备出错而给整组保护带来负面效果的可能。这种保护的母差保护不设主单元，只 由各间隔单元通过环行通信网络串接组成，且各间隔单元的软件，硬件构成相同。这种 保护对硬件要求低，冗余度大，对通信网络的依赖很大。 有主站的分布式母线保护，各间隔单元可通过通讯网络将故障判别结果及本单元所 在母线位置等信息传至主单元。主单元再将跳闸命令通过通讯网络发给间隔单元，各间 隔单元收到跳闸命令后经本单元电压闭锁元件执行跳闸。而无主站的分布式母线保护， 1 5 西安科技大学硕士学位论文 各间隔单元之间也可只相互传递判断区外故障的闭锁信号和所处母线位置的信息，是否 跳闸由各间隔单元自行作出，这更符合继电保护下放的要求，也使得由于人员误操作、 误碰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。 i 嚣甏 2 号母线3 号母线 保护单元保护单元 i 4 号母线 5 号母线n 号母线 保护单元 保护单元 保护单元 图2 1 2 无主站式的分布式母线保护结构 2 2 3 分布式母线保护的方案设计 数字化变电站采用i e c 6 1 8 5 0 的三层结构，即将变电站自动化系统分为过程层、间 隔层和变电站层。在间隔层全部使用符合i e c 6 1 8 5 0 标准的智能电子设备( i e d ) ，并在过 程层使用电子式互感器和智能开关设备。 应用于数字化变电站的分布式母线保护的设计方案如图2 1 3 所示： 站级总线 过程总线 圈豳圈 l 合志元i l 合并单元li 合并单元l e c t e p t ll 智能开关ie c t e p t li 智能开关li e c t e p t i i 智能开关i l 间隔l ii 闸熙2 一j i 一一间隔n 一 图2 1 3 分布式母线保护设计方案 假设在母线上有个间隔( 包括出线间隔、变压器间隔、母联间隔等) ，则分布式母 线保护由安装在这个间隔内的个保护单元组成。各个保护单元通过过程总线接收 所有间隔的电流、电压采样值和断路器、隔离开关的位置信息，各保护单元分别独立进 行保护判断，如保护单元1 判别出母线上发生区内故障，则将跳闸命令，通过过程总线 传送给智能开关l 进行操作，跳开间隔1 ，并通过站级总线将保护处理的结果传送到监 控后台。因此，在母线故障时，个保护单元分别跳闸，将故障母线断开。 运用该方案组成的母线保护，即使有某个保护单元发生误判，也只是跳开一个间隔， 1 6 2 分布式母线差动保护原理的研究 可以避免由于保护误动而造成的整条母线退出运行的事故，提高母线运行的可靠性。 该方案属于无主站的分布式微机母线保护，对不同间隔数据采样的同步性要求高； 由于过程总线需要传输大量的实时数据，因此对过程总线的数据传输实时性要求也很 高。 2 3 本章小结 本章首先介绍了母线差动保护的基本原理，提出了差动保护元件的带复式比率制动 的差动判据，并采用r t d s 和m a t l a b 对判据进行仿真验证，验证判据的可靠性。分布 式与集中式母线保护装置就单个装置而言所采用的保护原理和判据都是相同的，不同的 是分布式母线保护还要设计各个间隔装置之间的功能分配方式。最后，介绍了分布式母 线保护的原理和有主站与无主站两种结构，并分析比较选出无主站的分布式母线作为本 文的方案。 1 7 西安科技大学硕士学位论文 3 基于i e c 6 1 8 5 0 的分布式母差保护的装置建模 3 1i e c 6 1 8 5 0 标准分析 i e c 6 1 8 5 0 标准是国际电工委员会提出了建立变电站内i e d 设备间无缝通信的一个 全球范围标准。其目的建立数字化变电站自动化系统无缝通信网络、简化系统集成、降 低投资和促进技术进步以解决变电站自动化系统的通信网络远远落后于当今网络通信 技术的发展的现实问题，与以往变电站自动化系统通信协议不同，它除了定义了变电站 自动化系统的通信要求和数据交换外，还对整个系统的通信网络和体系结构、对象模型、 项目管理控制、测试方法等进行了全面详尽的描述和规范。该标准不仅适用于变电站内 部通信网络，也适用于变电站和控制中心之间的通信。 i e c 6 1 8 5 0 的优点在于：统一的对象模型和标准的通信协议使得不同厂商的i e d 之 间能够实现良好的互操作，从而降低系统的集成费用，提高系统的利用率，保护用户的 投资，提高整个电网的安全稳定运行水平；另一方面，i e c 6 1 8 5 0 标准本身能够灵活地 适应应用技术和通信技术的快速发展，而不必频繁的进行修改。i e c 6 1 8 5 0 标准必将在 系统结构、组织手段、运行管理模式上对电力系统自动化产生深刻影响。 3 1 1 变电站自动化系统的分层分布通信体系 i e c 6 1 8 5 0 是目前唯一的基于通用网络通信平台的变电站综合自动化通信标准。与 u c a 2 0 相比，u c a 2 0 主要关心变电站层和间隔层之间的通信，而i e c 6 1 8 5 0 把关键的 过程层也考虑在内，这是i e c