基于IEC61850-90-5的分布式區域縱聯保護

劉革明，李園園，戴光武，劉東超，楊貴，陳玉林，李建鴻

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

在區域保護范圍內實現不同保護之間的動作配合，改善繼電保護性能，可以借助廣域測量系統技術(WAMS)[1]，智能變電站數字化技術的快速發展為區域保護技術的實施創造了有利條件。但區域保護系統的測量點多，需要的信息量巨大，選擇合理的站間通信協議及通信帶寬是區域保護能否推廣的基礎。黑龍江延壽、尚志和亞布力區域保護系統，各測量點采用IEC61850-9-2協議將SV信息直接進行站間通信網絡傳輸，子站采用了100 Mbit/s網絡，主站采用了1 Gbit/s網絡[2]。一方面，高帶寬的需求給區域保護系統的容量以及擴展性都帶來了嚴峻的考驗。另一方面，變電站內的過程層網絡數據由于不支持可路由協議，不宜直接進行站間傳輸。所以區域繼電保護對通信技術、信息處理技術以及計算機技術提出了許多新的要求[3]。

為合理有效利用站間通信資源，并在IEC61850標準的指導思想下應用區域保護，本文提出了基于IEC61850-90-5的區域縱聯保護，并應用于分布式結構中，為變電站區域保護的工程實踐及推廣提供了技術參考。

1 IEC61850-90-5介紹

在IEC61850標準推廣前，電力系統同步相量測量裝置(PMU)主要采用的是IEEE C37.118標準。IEEE希望將C37.118變為IEC認可的雙徽標標準，而IEC認為IEC61850已具備傳輸同步相量的能力，拒絕了IEEE的申請。為此，IEEE將C37.118拆分為兩個標準：(1)IEEE C37.118.1-2011：關于PMU測量性能的標準。(2)IEEE C37.118.2-2011： IEEE 體系的PMU通信規約的標準。其中，IEEE C37.118.1-2011被IEC61850等同采用，而IEEE C37.118.2-2011被IEC61850-90-5放棄[4]。IEC16850-90-5對變電站內的SV協議和GOOSE協議進行改造，采用了UDP多播實現了可路由協議，并使用IP優先級標識來提升傳輸的實時性和可靠性。由于使用了IP網絡，報文可通過路由器自由傳輸，靈活性更強[5]。為了與變電站內的SV和GOOSE協議區別，IEC61850-90-5將可路由的SV協議定義為R-SV，將可路由的GOOSE協議定義為R-GOOSE。

將IEC61850-90-5標準應用于區域保護有以下優點：

1)實現了過程層信息可路由傳輸，滿足變電站之間的通信要求。IEC61850-90-5將變電站內通信的成熟技術拓展到站間，采用了UDP多播方式傳輸可路由的SV和GOOSE信息。采用IEC61850-90-5標準協議后，不同廠商的IED設備在站間進行互操作成為了可能。當站間通信發生異常時，采用IEC61850信息網絡調試工具對網絡報文進行捕獲，快速定位通信異常的原因。

2)同步相量測量技術解決了區域差動保護的同步問題。傳統基于就地信息的線路差動保護通常采用計算通道延時的方法完成各側電氣量同步，但此方法通常要求各測量點進行點對點的通信連接，應用于區域保護后會將區域通信網絡變得極其復雜，不利于工程的實施、維護。采用IEC61850-90-5標準后，各側以統一時鐘源(如北斗全球衛星導航系統)實現電氣量的同步測量，不僅簡化了區域通信網絡架構，而且滿足了區域差動保護的同步要求。

3)有效實現了站間信息的共享，節省了站間通信資源。傳統基于就地信息的保護裝置以及PMU等在站間傳輸的電氣量信息大多數含義相同，浪費了大量的通信資源。采用IEC61850-90-5標準后，IED設備計算的電氣量信息可以共享使用，有效節省了站間通信資源。

2 基于IEC61850-90-5的分布式區域縱聯保護實現方案

2.1 IEC61850-90-5關鍵點

1)按照IEC61850-90-5標準，同步相量數據直接映射到MMXU邏輯節點。同步相量數據既可以用極坐標方式表達，也可以用直角坐標方式表達。用極坐標方式表達R-SV虛端子配置示意如表1所示。

表1 R-SV虛端子

x(t)=Xmcos (ωt+φ)

(1)

(2)

φ與秒脈沖(PPS)的關系如圖1所示，當x(t)信號的正峰值與秒脈沖重合時，同步相量的角度應該計算為0度；當x(t)信號從負半軸穿越正半軸的過零點與秒脈沖重合時，同步相量的角度應該計算為-90度。

圖1 同步相量的規定

3)與IEC61850-9-2相比，IEC61850-90-5中R-SV的應用層協議增加了時標屬性RefrTm，這樣結合采樣率SmpRate和采樣序號SmpCnt，就可以計算出任一幀同步相量的時標(RefrTm+ SmpCnt/SmpRate)，從而完成同步信息提取。

2.2 時鐘同步方案

差動保護必須保證各測量點的同步采樣。傳統依靠“乒乓算法”計算通道延時的同步采樣方案需要將各測量點進行點對點的連接，但這樣會使站間通信網絡異常復雜，不利于站間通信網絡維護。由于IEC61850-90-5傳輸同步相量信息，因此只要在各測量點采用統一時鐘源，就很容易完成各測量點的信息同步。統一時鐘源的應用模式主要有兩種，模式一如圖2所示，GPS或者北斗等全球衛星導航系統授時給各測量點的對時裝置，各對時裝置通過B碼或秒脈沖等方式為各測量點的區域保護設備進行對時，從而完成各測量點的時鐘同步。模式二如圖3所示，任選一測量點安裝對時裝置作為統一時鐘源，通過站間通信網絡實現IEEE-1588對時，從而完成各測量點的時鐘同步。

當站間通信采用復用通道時，考慮到MSTP等以太網通信設備存在較大的傳輸抖動，同時收、發時延也可能存在不對稱的情況，這樣將會對IEEE-1588對時精度產生較大的影響，因此建議采用模式一的時鐘同步方案。當站間通信采用專用光纖通道時，通信的穩定性和收發時延的對稱性能夠得到保證，因此建議采用模式二的時鐘同步方案。

圖2 時鐘同步模式一

圖3 時鐘同步模式二

為了確保區域縱聯保護性能不受時鐘同步的影響，建議同時配置區域差動和區域高頻保護。當時鐘同步正常時，區域縱聯保護工作在區域差動方式；當時鐘同步異常時，從區域差動方式自動切換為區域高頻方式，以此實現線路主保護性能對時鐘同步的弱依賴。

2.3 站間通信網絡構建方案

對于區域保護控制系統，站間通信網絡需要有很高的可靠性?？煽啃酝ǔＰ枰哂噫溌穪肀ＷC，在IEC62439標準眾多冗余協議中，高可用無縫環網協議(HSR)的故障恢復時間為零，經濟性好，并且支持以太網接入，很適合基于IEC61850-90-5標準的站間通信。

圖4 專用光纖的HSR網絡

對于專用光纖通道，HSR網絡構建方案如圖4所示，網絡結構簡單可靠。

對于復用通道，電力系統主要的傳輸網絡仍以SDH設備為主，但SDH設備不支持TDM、ATM、以太網等業務接入，因此基于IEC61850-90-5網絡通信無法直接接入SDH。在不更換SDH設備的前提下，最佳解決方案就是采用MSTP技術。MSTP是指基于SDH 平臺同時實現TDM、ATM、以太網等業務的接入、處理和傳送，提供統一網管的多業務節點。如圖5所示，區域保護設備通過HSR交換機與MSTP設備的EoS板卡連接，MSTP開通各站點信息共享的通道，實現各站點信息共享，HSR則實現環網保護功能。

圖5 復用通道的HSR網絡

上述HSR交換機環網的通信架構，改變了現有的繼電保護設備站間通信均采用點對點的通信方式，實現了站間信息共享功能，減少了網管配置工作量，同時提供了網絡無縫冗余保護，保證了區域保護通信網的可靠性。

3 工程應用案例

浙江一區域電網主接線圖示意簡圖如圖6所示，其中4條110 kV線路(甲乙一線、甲乙二線、乙丙線、丙丁線)全部未配置主保護，需通過保護范圍與動作時間的逐級配合來確保故障切除的選擇性，選擇性和速動性很難兼顧。為提高故障切除的快速性和準確性，決定將基于IEC61850-90-5標準的區域縱聯保護應用于該區域電網作為示范工程。在甲、乙、丙、丁四個站分別配置分布式區域保護控制裝置，結合HSR技術傳輸R-GOOSE、R-SV區域電網信息，實現區域電網信息共享，完善和提升區域電網繼電保護性能、優化控制策略，提高電網整體的供電安全可靠性。

圖6 區域電網主接線示意簡圖

按照該區域電網參數搭建RTDS仿真測試系統，驗證基于IEC61850-90-5標準的區域縱聯保護的正確性。以乙丙線為例，在線路區內各個故障點(出口、中點、末端)模擬各種瞬時性故障及永久性故障，區域縱聯保護全部正確快速動作。區外(兩側母線)模擬各種瞬時性故障及永久性故障，區域縱聯保護全部沒有動作。其中，乙丙線線路中點A相接地故障時的保護錄波圖如圖7、圖8所示。

圖7 乙側保護錄波圖

圖8 丙側保護錄波圖

該區域電網保護示范工程的通信架構如圖5所示。四個變電站的站間通信采用復用通道，各站的區域保護接入HSR交換機，HSR交換機接入MSTP設備。 HSR交換機實現環網保護功能。整個示范工程的通信帶寬小于8 M，占用了很少的通信帶寬資源。

該示范工程的時鐘同步方案采用的模式如圖2所示，各變電站的對時裝置與GPS實現同步，然后輸出B碼給各區域保護裝置對時。當時鐘同步正常時，區域縱聯保護工作在區域差動方式，當對時異常時，區域差動保護能夠及時自動閉鎖，同時自動投入區域高頻保護，實現了線路主保護性能對時鐘同步的弱依賴，有效地保證了區域電網的可靠性。

該區域電網保護示范工程已于2015年12月順利實施投運，至今運行情況良好。

4 結束語

本文提出了基于IEC61850-90-5的分布式區域縱聯保護設計思想，實現了站間通信技術標準化，提高了信息共享能力，有效地節省了站間通信資源。根據專用光纖和復用通道分別設計了兩種不同模式的時鐘同步方案和通信網絡構建方案，結合HSR技術的優點，在不降低時鐘同步精度的前提下，既簡化了站間通信網絡架構，又保證站間通信的可靠性。弱依賴于時鐘同步的線路縱聯保護工作方式，能夠自適應地調整縱聯保護的策略，有效地保證了區域電網安全穩定運行的要求。

[1] 王陽光，尹項根，游大海，等．遵循IEC61850標準的廣域電流差動保護IED[J]．電力系統自動化，2008，32(2)：53-57．

[2] 馬欣彤，周迎秋，金華鋒，等．廣域智能控制系統平臺構建方案[J]．黑龍江電力，2012，34(4)：292-295．

[3] 丁偉, 何奔騰，王慧芳，等．廣域繼電保護系統研究綜述[J]. 電力系統保護與控制, 2012, 40(1): 145-155.

[4] INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION.Communication networks and systems for power utility automation-Part 90-5:Use of IEC 61850 to transmit synchrophasor information according to IEEE C37.118[S]. Geneva: IEC Publications, 2012.

[5] 任雁銘，操豐梅．IEC61850新動向和新應用[J]．電力系統自動化，2013，37(2)：1-6．

[6] IEEE STANDADASSOCIATION.IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for POWER Systems[S]. New York: IEEE 3 Park Avenue,2011.