基于無源光網(wǎng)絡(luò)的站域保護研究

李輝，李源軍，曾兵元，劉智兵，金華鋒

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650011；2.國網(wǎng)杭州供電公司，浙江 杭州 310000；3.南京智匯電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100）

0 前言

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，不斷深化的數(shù)字化過程是變電站自動化技術(shù)發(fā)展的主要方向。IEC 61850標準[1]是由國際電工委員會第57技術(shù)委員會于2004年頒布的、應(yīng)用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國際標準。作為基于網(wǎng)絡(luò)通訊平臺的變電站唯一的國際標準，IEC61850標準不僅應(yīng)用在變電站內(nèi)，而且運用于變電站與調(diào)度中心之間以及各級調(diào)度中心之間。國內(nèi)外各大電力公司、研究機構(gòu)都在積極參與研發(fā)應(yīng)用采用IEC61850標準的繼電保護設(shè)備和調(diào)控系統(tǒng)，推動了繼電保護設(shè)備和調(diào)控系統(tǒng)的標準化、小型化和智能化[2-3]。

數(shù)字化變電站采用“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，特別是隨著IEC61850-9-2技術(shù)的推廣，基于采樣同步性和通信實時性的網(wǎng)采網(wǎng)跳技術(shù)得到的廣泛應(yīng)用。通常同一變電站各采集終端均以統(tǒng)一的GPS接收時鐘的秒脈沖作為同步基準，為了提升可靠性，大多數(shù)方案會采用兩個不同的GPS或北斗的秒脈沖相互備份，當主用時鐘丟失時裝置會自動取備用時鐘作為同步基準。但實際應(yīng)用中，各終端同步異?，F(xiàn)象還時有發(fā)生，導(dǎo)致數(shù)字化變電站保護系統(tǒng)運行異常，外部干擾情況下甚至發(fā)生誤動或拒動。另一方面，SMV、GOOSE和MMS“三網(wǎng)合一”組網(wǎng)方式下的通信實時性也面臨相關(guān)技術(shù)問題，若沒有按報文類型區(qū)分帶寬優(yōu)先級，電網(wǎng)發(fā)生擾動觸發(fā)各終端大量發(fā)送GOOSE報文和MMS報文時，或有其它類型的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時，會導(dǎo)致SMV和GOOSE報文超時甚至丟失。另外，交換機故障導(dǎo)致整個變電站二次系統(tǒng)失效的事故也時有發(fā)生。

無源光網(wǎng)絡(luò)[4]作為寬帶接入的主流技術(shù)之一，是光纖到戶最優(yōu)競爭力的解決方案。是一種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，避免了外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響，減少線路和外部設(shè)備的故障率，提高了系統(tǒng)可靠性，同時節(jié)省了維護成本。但由于寬帶接入用戶主要考慮通信帶寬和通信效率，無同步性和通信實時性的要求。本文擬解決無源光網(wǎng)絡(luò)的同步性和實時性問題，將其應(yīng)用于數(shù)字化變電站，以簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升通信可靠性。

實現(xiàn)全站母線和所有間隔電氣量和開關(guān)狀態(tài)同步采樣和快速可靠通信的基礎(chǔ)上，可以在一臺主機上實現(xiàn)全站所有跨間隔保護和備自投功能，包括母差保護、主變差動保護和各個電壓等級相互配合的備自投功能。

1 總體架構(gòu)

基于無源光網(wǎng)絡(luò)的站域保護總體架構(gòu)如圖1所示。35 kV變電站配置兩臺主變，35 kV和10 kV均為單母雙分段接線方式，高壓側(cè)兩段母線各有兩條進線，低壓側(cè)兩段母線各有四條出線。本方案按間隔配置間隔單元，包括35 kV四個進線間隔單元，10 kV八個出線間隔單元，兩臺主變各配置高低壓側(cè)主變間隔單元，高低壓側(cè)兩臺母聯(lián)間隔單元，10 kV側(cè)兩臺電容器組間隔單元。各間隔單元通過內(nèi)置的ONU經(jīng)無源分光器和站域保護主機內(nèi)置的OLT連接。站域保護主機連接GPS，僅用于接收標準時鐘，并通過通信網(wǎng)口和調(diào)度主站連接。

圖1 總體架構(gòu)圖

各間隔單元和站域保護主機對時實現(xiàn)同步采樣，采集間隔三相電流、對應(yīng)的母線電壓、開關(guān)位置，實現(xiàn)間隔就地保護（主要是過流保護），并通過無源光網(wǎng)絡(luò)以IEC61850協(xié)議上傳給主機。主機根據(jù)間隔單元上傳的信息，實現(xiàn)母差保護、主變差動保護、備自投等功能。

2 通信方案

2.1 EPON通信

EPON是一種基于光纖傳送網(wǎng)的長距離的以太網(wǎng)接入技術(shù)，采用點對多點架構(gòu)，一根光纖承載上下行數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過1：N分光器將光信號等分成N路，以光分支覆蓋多個接入點或接入用戶。EPON系統(tǒng)由一個OLT，若干個ONU經(jīng)若干個ODF經(jīng)光纖連接組成。采用波分復(fù)用技術(shù)，上下行數(shù)據(jù)采用不同頻段的光波在同一根纖芯里面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。下行數(shù)據(jù)由OLT向下廣播發(fā)送，不同的ONU分時復(fù)用上行發(fā)送給OLT，不同ONU之間無法實現(xiàn)點對點通信。

2.2 同步方案

模擬量輸入式合并單元檢測規(guī)范Q/GDW 1105-2-13規(guī)定：“當合并單元接收到時鐘信號從無到有，或因主鐘快速跟蹤衛(wèi)星信號等情況，導(dǎo)致合并單元接收到的時鐘信號發(fā)生跳變時，在收到2個等秒的脈沖信號后，在第3-4 個秒脈沖間隔內(nèi)將采樣點偏差補償，并在第4個秒脈沖沿將樣本計數(shù)器清零、將采樣數(shù)據(jù)置同步標志”。另一方面，差動保護要求參與差動計算的各側(cè)裝置實現(xiàn)同步采樣。

采用GPS或北斗等外界時鐘信號同步是當前數(shù)字化變電站常用的方案，若用作差動保護同步采樣，保護裝置需做嚴格的校驗以確保同步時鐘出錯時保護能可靠不誤動。

傳統(tǒng)的用于主網(wǎng)的線路縱差保護通常采用乒乓原理測量通道時延，由通道時延補償反推同步基準實現(xiàn)采樣同步，要求是通道雙向時延一致。EPON網(wǎng)絡(luò)雖然上下行采用同一纖芯，但由于下行廣播、上行采用時分復(fù)用方式，雙向時延不完全一致，因此采用乒乓原理測量通道時延會有一定的誤差，從而導(dǎo)致各終端同步誤差較大。采用上下行延時不對稱補償算法，修正了上述誤差，將無源光網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各終端同步誤差控制在了1微秒以內(nèi)。

2.3 適用于IEC 61850的BDA算法

采用SMV、GOOSE和MMS“三網(wǎng)合一”方案，需要劃分不同的報文優(yōu)先級來確保SMV和GOOSE采樣響應(yīng)時間[5]。

適用于IEC 61850的EPON DBA算法采用固定輪詢周期，將帶寬劃分為SMV、GOOSE、MMS三類及三個優(yōu)先級，優(yōu)先保證SMV、GOOSE報文實時傳輸，減少網(wǎng)絡(luò)時延抖動。該算法采用改進的REPORT上傳和GATE下發(fā)機制，避免產(chǎn)生空閑帶寬，提高帶寬利用率。

在輪詢周期TN=250 μS情況下，在同一個輪詢周期TN內(nèi)各個智能采集終端產(chǎn)生的SMV報文依次上傳，并在同一個輪詢周期T內(nèi)上傳的SMV報文smpCnt值相同；同一個智能采集終端產(chǎn)生的相鄰smpCnt值SMV報文達到網(wǎng)分裝置的時間差基本等間隔（250 μS），同一個終端的SMV報文網(wǎng)絡(luò)傳輸時延抖動＜3 μS；GOOSE、MMS通信正常，同一個終端GOOSE報文網(wǎng)絡(luò)傳輸時延抖動＜=500 μS；PC機與智能采集終端之間的網(wǎng)絡(luò)通信正常，即MMS正常。

3 保護元件

間隔內(nèi)過流保護隨間隔單元配置，跨間隔保護，如母差保護、主變差動保護和備自投，由站域保護主機實現(xiàn)。根據(jù)間隔單元配置的信息，上送到主機后，由主機自動生成對應(yīng)的保護元件。

配置信息包括開關(guān)對應(yīng)的支路編號、開關(guān)兩側(cè)所連接的節(jié)點編號、相應(yīng)的節(jié)點類型。節(jié)點類型分分線路、母線、變壓器等。變壓器類型須標明其對應(yīng)的接線方式。支路需設(shè)置對應(yīng)的CT變比。節(jié)點需設(shè)置接入對應(yīng)間隔單元的PT變比。

一段母線自動配置一個母差保護元件，接入同一母線的所有支路構(gòu)成母差保護的各支路；一臺主變自動生成一個主變差動保護元件，各支路根據(jù)主變接線方式，經(jīng)對應(yīng)的移相處理構(gòu)成主變差動元件；母聯(lián)開關(guān)和對應(yīng)的電源進線開關(guān)，自動根據(jù)不同的運行方式，生成不同的備自投邏輯。

主變差動和母線差動動作判據(jù)和邏輯參考常規(guī)保護裝置實現(xiàn)的邏輯。

主變差動主要包括差動速斷保護、比例差動保護。比例差動保護勵磁涌流判別和TA飽和判別。差動和制動電流計算時，要對變壓器各側(cè)電流作平衡處理。變壓器各側(cè)電流互感器采用星形接線，以母線指向變壓器為正方向指向。平衡系數(shù)的計算方法如下。

1）計算變壓器各側(cè)一次額定電流：

式中Sn為變壓器高壓額定容量，U1n為變壓器計算側(cè)額定電壓（應(yīng)以變壓器銘牌電壓為準）。

2）計算變壓器各側(cè)二次額定電流：

式中I1n為變壓器計算側(cè)一次額定電流，nLH為變壓器計算側(cè)TA變比。

3）計算變壓器各側(cè)平衡系數(shù)：

以高壓側(cè)為基準，計算變壓器中、低壓側(cè)平衡系數(shù)：

將高、中、低壓側(cè)各相電流與相應(yīng)的平衡系數(shù)相乘，即得幅值補償后的各相電流。

裝置采用Y-＞Δ變化調(diào)整差流平衡。

對于Y0/Δ-1 的接線，其Y側(cè)的校正方法如下：

對于Y0/Δ-11 和Y0/Y的接線，Y側(cè)的校正方法如下：

母差和線路縱差均采用比例差動元件，需防止區(qū)外故障TA飽和引起差動元件誤動。通常采用諧波閉鎖或啟動時差法閉鎖。對于母差保護，常采用電壓閉鎖元件閉鎖差動保護，以增加母差保護的可靠性。

4 備自投

變電站不同電壓等級母線通常配置獨立的備自投裝置，通過配置不同的延時實現(xiàn)配合，以提升供電可靠性。缺點是低壓側(cè)備投延時長，動作速度慢，也可能出現(xiàn)高壓側(cè)進線故障，但由于高低壓側(cè)啟動條件不一致，導(dǎo)致低壓側(cè)備投先動，從而出現(xiàn)兩臺主變并列運行的情況[6]。

采用基于無源光網(wǎng)絡(luò)的站域保護系統(tǒng)[7]，由站域保護主機接收各終端上傳的實時數(shù)據(jù)，可以避免高低壓側(cè)備投啟動條件不一致引起的高低壓側(cè)備投動作結(jié)果失調(diào)問題。

如圖1所示的系統(tǒng)，由系統(tǒng)接線方式自動生成高低壓側(cè)兩個備自投元件。

對于高壓側(cè)系統(tǒng)，進線開關(guān)1~4、母聯(lián)開關(guān)均可以作為備投開關(guān)。上述5個開關(guān)只要處在跳閘位置，并且開關(guān)兩側(cè)均有壓，并且相關(guān)功能壓板和控制字均投入，經(jīng)延時后完成備投充電。若某段母線失電，低壓啟動經(jīng)整定的延時后，需跳開對應(yīng)的主供線路（或母聯(lián)）開關(guān)，確保和故障點隔離，并根據(jù)優(yōu)先級合對應(yīng)的備投開關(guān)。高壓側(cè)母線分列運行時，進線故障引起的母線失電，同一母線的進線開關(guān)優(yōu)先于母聯(lián)開關(guān)。

對于低壓側(cè)系統(tǒng)，只有主變低壓側(cè)開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)作為備投開關(guān)。只有主變故障、低壓側(cè)母線故障，或高壓側(cè)備投失敗，才啟動低壓側(cè)備投。

如高低壓側(cè)母線均分列運行，高壓側(cè)進線1發(fā)生故障，高壓側(cè)備投啟動跳進線1開關(guān)，優(yōu)先合進線2開關(guān)，若進線2開關(guān)拒動，再和高壓側(cè)母聯(lián)開關(guān)，但高壓側(cè)母聯(lián)開關(guān)拒動。此時，才啟動低壓側(cè)備投，跳主變1低壓側(cè)開關(guān)，通過低壓側(cè)母聯(lián)備投恢復(fù)低壓側(cè)Ⅰ母供電。

5 結(jié)束語

采用無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過上下行時差補償實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有終端同步采樣，通過BDA算法解決不同SMV、GOOSE和MMS“三網(wǎng)合一”時的報文實時性問題[8-10]，按間隔配置間隔單元，全網(wǎng)配置一臺站域保護主機，可以實現(xiàn)一套不依賴于交換機、兩層一網(wǎng)的變電站站域保護系統(tǒng)，既簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、減少了二次設(shè)備，也提升了數(shù)字化變電站高低壓側(cè)備自投性能和全站保護的可靠性。連接不同電壓等級的采用無源光網(wǎng)絡(luò)的廣域保護或?qū)哟位Ｗo有待于進一步研究。