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摘要：介绍了分布式微机母线保护的发展现状以及应用情况，研究了BP-2C-D型分布式母线保护的网络拓扑、通信方案、保护原理，以及时钟同步、电流互感器饱和判据、数据传输等关键技术。
关键词：分布式微机母线保护；IEC61850；同步采样；抗CT饱和
作者简介：姜王莹（1982-），女，江苏苏州人，江苏省电力公司生产技能培训中心，培训师；张宁（1982-），男，江苏苏州人，苏州供电公司，工程师。（江苏 苏州 215004）
中图分类号：TM773 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）09-0107-02
目前，在变电站母线保护应用中集中式微机母线保护仍处于主导地位。然而，当母线上连接元件较多时，集中式母线保护二次回路接线十分复杂，容易误动作，不利于现场的运行和维护。新型互感器技术、智能开关技术和网络通信技术的发展，为实现分布式微机母线保护提供了必要的技术支撑；另一方面，随着构建智能电网和实现数字化变电站思想的深入人心，作为其重要组成部分的分布式微机母线保护也成为母线保护今后发展的主要方向。但同时分布式微机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。
一、分布式微机母线保护装置概况
现阶段正式投入运行的分布式微机母线保护以国外生产厂家为主，它们都无一例外沿用了传统的母线保护原理，保护的延迟受到TA饱和的影响可能造成保护的误动。因此，研制具有不受TA饱和影响的超高速母线保护原理、真正面向间隔、基于现代通信的分布式母线保护系统是适应分层分布式变电站综合自动化系统的必然趋势。
本文介绍的BP-2C-D型分布式微机母线保护装置是深圳南瑞科技有限公司在继承BP系列集中式母线保护产品基础上研发的全新分布式母线保护装置。它采用全新的硬件平台，根据数字化变电站快速发展和应用趋势，按照IEC61850标准进行研发，以能够实现变电站内智能电气设备间信息共享、互操作和保护间隔下放为目的，从而具有更完善、更经济、更可靠的工程应用价值。基于IEC61850的BP-2C-D型分布式母线保护主要由合并单元、智能断路器、保护单元和同步装置组成，如图1所示。同步装置通过网络向各合并单元发送脉冲信号，以保证各合并单元可同步采集数据。保护单元根据各合并单元提供的模拟采样值对母线区内区外故障作出判断。
二、实现方案
分布式母线保护由主站CU（Central Unit）和间隔单元BU（Bay Unit）构成。从通信方式来讲，目前提出的方案有以下两种。
1.无主站分布式微机母线保护
无主站分布式微机母线保护原理是将被保护母线连接的每个间隔（Bay）上都设置一个母线保护单元（Bay Unit，BU），每个BU对本回路电流量、开关量进行采集，通过总线和网络接收其他BU采集值并进行计算比较，从而检测和判断母线故障。每个BU都具有独立的保护功能，如某个BU判断为母线内部故障时，只将本BU从母线上断开，不影响其他BU的运行。与集中式母线保护相比，不会造成母线的全停电事故。无主站分布式微机母线保护对硬件要求低，冗余度大，通过内部总线实现数据传输，数据采样的同步性要求高，还需要大量实时数据传输，对通信网络依赖性很强。产品有天津大学的分布式母线保护系统和华北电力大学的分布式母线保护系统。
2.有主站分布式母线保护
主站分布式微机母线保护的原理是被保护母线所连接的每个BU仅与主站（CU）通信，向主站传输信息并接收来自主站的信息和命令，保护功能由主站和BU共同完成。每个BU采集本间隔的三相电流，监视开关及隔离刀闸的状态等，同时将采集到的数据和信息、采样值带上时标，通过总线实时传送到CU。BU还对断路器及隔离刀闸的位置进行检测，若发现位置触点错误，将及时告警并采取相应措施。CU汇集所有BU的数据和信息后，负责算法处理、故障检测、母线运行方式识别、保护区域的自适应计算与判别，实时作出判断，将跳闸信息和其他控制信号通过总线同时传送到所有BU，如某个BU判断为母线内部故障时，只将该BU从母线上断开，而不影响其他BU的运行。为防止CU的误判断，一般在BU设置辅助判据（过电流元件，经确认后才能实施跳闸，将该故障BU从母线上断开。
这种形式除了在原集中式母线保护的基础上实现采样值上传的数字化外，还可增加各单元就地判据及部分算法的本地化，使主单元负担减小，实现保护计算的分布。根据集中式保护现场运行经验采取必要措施，可将主站误判断造成母线全部停电的可能性降为最低。从实现的角度来讲，有主站分布式母线保护简单容易。ABB、西门子公司及深圳南瑞的分布式母线保护系统均采用此方法。
三、保护原理
BP-2C-D型分布式母线保护采用基于基尔霍夫电流定律的电流差动原理。母线保护的启动元件由“和电流突变量”和“差电流越限”两个判据组成。“和电流”是指母线上所有连接支路电流的绝对值之和；“差电流”是指所有连接支路电流和的绝对值，为母线上第j个连接支路的电流。启动元件分相动作，分相返回。复式比率差动判据的动作方程如下：
式中：Idset为差动保护启动电流定值，Kr为复式比率系数（制动系数）定值。复式比率差动判据相对于传统的比率制动判据，由于在制动量的计算中引入了差电流，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。
为了加快差动保护出口，BP-2C-D型分布式微机母线保护采用瞬时值差动算法，装置采样计算的频率为每周波48点，根据复式比率差动判据，如果满足一定的动作点数，则发送母线跳闸命令。为了提高保护装置的可靠性，增加系统电压闭锁逻辑，母线故障时电压或下降，因此当且仅当电压下降时才发送母线跳闸命令。
四、关键技术
1.同步采样
微机电流差动母线保护通过数字量计算获取差动量和制动量，对不同间隔单元采样同步性要求极高，特别是对应用采样点差动原理等快速动作的情况，采样的同步性就更为重要。传统二次保护设备将需要的电量通过二次电量引到装置，由二次保护设备自身完成各电量的同步采样确保同步，而数字化变电站中各电量在电子式互感器输出已是数字量，数字量通过过程层网络送到各保护设备，这就要求各电子式互感器输出的数字量采样数据已经是同步的。
BP-2C-D型分布式母线保护支持IEEE1588校时协议。组网方式为点对点方式，通信可靠性高，同步精度也高。IEEE 1588精确时间同步技术是基于IP组播通信实现的，不只限于以太网，它可用在任何一个支持组播的总线系统中。根据同步过程中角色的不同，将其分为两类：主时钟和从时钟。提供同步时钟源的叫主时钟，而与之同步的时钟称为从时钟，因此主时钟和从时钟是相对的，任一网络时钟都可充当主时钟和从时钟。IEEE 1588中表示时间使用64位数，可精确表示绝对时间。IEEE1588定义了五种同步报文：Sync，Follow_Up，Delay_Request，Delay_Response和一组管理报文，本系统仅使用到前四种报文。IEEE1588同步报文模块设计如图2所示。
2.抗CT饱和
虽然光电互感器的传变特性很好，但分布式母线保护装置也可能用于传统式互感器，因此母线保护技术难点之一的抗TA饱和特性仍是重点。
为防止母线差动保护在母线近端发生区外故障时，由于CT严重饱和出现差电流的情况下误动作，BP-2C-D型分布式母线保护根据CT饱和发生的机理以及CT饱和后二次电流波形的特点设置了CT饱和检测元件，用来判别差电流的产生是否由区外故障CT饱和引起。该元件称之为基于暂态饱和全程测量的可变特性差动算法。在母线区内故障情况下和母线区外故障CT饱和情况下元件与元件的动作时序截然不同，并且CT饱和时虽然差电流波形畸变，但每周波都存在线性传变区，且暂态饱和波形中存在丰富的谐波分量，可以准确检测出CT饱和发生时刻，并实时调整差动相关算法，具有极强的抗CT饱和能力。
3.数据通信
（1）模拟量采集及通信模块。BP-2C-D型分布式母线保护的数据采集模块设计如图3所示。模拟量采集有两种方式。一种是子机直接接收光电互感器合并单元（MU）输出的数字化电流量。另一种方式是电流互感器/电压互感器仍为传统电磁式互感器，将模拟式电流量转换为数字式，再上送给主机。
MU报文模块如图4所示，需要完成配置信息自检、报文接收处理、报文发送处理和通讯中断异常自检等功能。A/D采集和传统方式相差不大，为了减少板件类型，将A/D采样芯片集成在通信板上，和MU报文处理在一个组件模块内。
IEC 61850-9-1部分遵循了IEC60044-7/8标准对合并单元的设定：输入通道为12路，采用专用数据集，帧格式固定，不允许改变，采用广播或组播的方法；只支持“SendMSVMessage”服务，不支持“GetMSVCBValues/SetMSVCBvalues”等控制服务，也不支持对数据对象的直接访问等服务。因此IEC 61850-9-1的映射方法相对固定、简单。报文接收、发送式根据帧格式处理即可，但需要注意MU通信口数量、接收通道的挑取、发送通道的挑取、MU频率等配置信息。
（2）状态量采集和通信模块。BP-2C-D型分布式母线保护利用LVDS总线读取开入状态量，给开出板发送跳闸命令，见图5。
GOOSE报文模块需要完成配置信息自检、报文接收处理、报文发送处理和接收数据异常告警记录等功能。为了简化LVDS总线的报文交互字节数量，提高通信的实时性，采用内部自定义报文帧格式，每帧报文的总长度不超过16个字节数。数据量大的报文不走LVDS总线，可通过管理总线或数据总线完成。报文收发模块设计如图6所示。GOOSE报文的实时性要求很高，在嵌入式系统资源限制的情况下，必须重点考虑软件执行效率。
五、结论
本文以BP-2C-D型分布式母线保护为例介绍了基于IEC61850的分布式母线保护实现原理以及关键技术。完善的保护功能使得有主站分布式母差保护能完全满足用户的各种需求。其不但使得保护简单、易用，更提高了母差保护的自适应性能。因此，这一分布式母差保护在系统中的应用前景非常广阔。
参考文献：
[1]董杏丽,徐瑞东,薄志谦,王红青.分布式母线保护技术及实现[J].继电器,2005,7(16).
[2]李营,杨奇逊.分布式微机母线保护的探讨[J].电力系统自动化,1999,(11).
[3]吴建坤.分布式微机母线保护的特性探讨[J].华东电力,2007,(1).
[4]朱林,苏盛,段献忠,刘怡.基于IEC 61850过程总线的分布式母线保护研究[J].继电器,2007,12(1).
[5]李亢,刘继平,刘志刚.BP型微机母线保护原理分析及实际应用[J].电力系统自动化,1998,22(5).
[6]孙一民,李延新,黎强.分阶段实现数字化变电站系统的工程方案[J].电力系统自动化,2007,31(5):90-93.
[7]叶滨,施祖铭.母线保护技术的现状与发展[J].上海电器技术,2007,(1):1-7.
[8]殷志良,等.基于IEC 61850标准的过程总线通信研究与实现[J].中国电机工程学报,2005,25(8):84-88.
[9]何卫,等.基于IEC 61850的IED数据结构设计[J].电力系统自动化,2007,31(1):57-60.
[10]操丰梅,宋小舟,秦应力.基于数字化变电站过程层的分布式母线保护的研制[J].电力系统自动化,2008,2(25).
[11]王风光,等.一种分布式母线保护的新型通信方案[J].电网技术,2005,29(11).
（责任编辑：刘辉）
关键词：分布式微机母线保护；IEC61850；同步采样；抗CT饱和
作者简介：姜王莹（1982-），女，江苏苏州人，江苏省电力公司生产技能培训中心，培训师；张宁（1982-），男，江苏苏州人，苏州供电公司，工程师。（江苏 苏州 215004）
中图分类号：TM773 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）09-0107-02
目前，在变电站母线保护应用中集中式微机母线保护仍处于主导地位。然而，当母线上连接元件较多时，集中式母线保护二次回路接线十分复杂，容易误动作，不利于现场的运行和维护。新型互感器技术、智能开关技术和网络通信技术的发展，为实现分布式微机母线保护提供了必要的技术支撑；另一方面，随着构建智能电网和实现数字化变电站思想的深入人心，作为其重要组成部分的分布式微机母线保护也成为母线保护今后发展的主要方向。但同时分布式微机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。
一、分布式微机母线保护装置概况
现阶段正式投入运行的分布式微机母线保护以国外生产厂家为主，它们都无一例外沿用了传统的母线保护原理，保护的延迟受到TA饱和的影响可能造成保护的误动。因此，研制具有不受TA饱和影响的超高速母线保护原理、真正面向间隔、基于现代通信的分布式母线保护系统是适应分层分布式变电站综合自动化系统的必然趋势。
本文介绍的BP-2C-D型分布式微机母线保护装置是深圳南瑞科技有限公司在继承BP系列集中式母线保护产品基础上研发的全新分布式母线保护装置。它采用全新的硬件平台，根据数字化变电站快速发展和应用趋势，按照IEC61850标准进行研发，以能够实现变电站内智能电气设备间信息共享、互操作和保护间隔下放为目的，从而具有更完善、更经济、更可靠的工程应用价值。基于IEC61850的BP-2C-D型分布式母线保护主要由合并单元、智能断路器、保护单元和同步装置组成，如图1所示。同步装置通过网络向各合并单元发送脉冲信号，以保证各合并单元可同步采集数据。保护单元根据各合并单元提供的模拟采样值对母线区内区外故障作出判断。
二、实现方案
分布式母线保护由主站CU（Central Unit）和间隔单元BU（Bay Unit）构成。从通信方式来讲，目前提出的方案有以下两种。
1.无主站分布式微机母线保护
无主站分布式微机母线保护原理是将被保护母线连接的每个间隔（Bay）上都设置一个母线保护单元（Bay Unit，BU），每个BU对本回路电流量、开关量进行采集，通过总线和网络接收其他BU采集值并进行计算比较，从而检测和判断母线故障。每个BU都具有独立的保护功能，如某个BU判断为母线内部故障时，只将本BU从母线上断开，不影响其他BU的运行。与集中式母线保护相比，不会造成母线的全停电事故。无主站分布式微机母线保护对硬件要求低，冗余度大，通过内部总线实现数据传输，数据采样的同步性要求高，还需要大量实时数据传输，对通信网络依赖性很强。产品有天津大学的分布式母线保护系统和华北电力大学的分布式母线保护系统。
2.有主站分布式母线保护
主站分布式微机母线保护的原理是被保护母线所连接的每个BU仅与主站（CU）通信，向主站传输信息并接收来自主站的信息和命令，保护功能由主站和BU共同完成。每个BU采集本间隔的三相电流，监视开关及隔离刀闸的状态等，同时将采集到的数据和信息、采样值带上时标，通过总线实时传送到CU。BU还对断路器及隔离刀闸的位置进行检测，若发现位置触点错误，将及时告警并采取相应措施。CU汇集所有BU的数据和信息后，负责算法处理、故障检测、母线运行方式识别、保护区域的自适应计算与判别，实时作出判断，将跳闸信息和其他控制信号通过总线同时传送到所有BU，如某个BU判断为母线内部故障时，只将该BU从母线上断开，而不影响其他BU的运行。为防止CU的误判断，一般在BU设置辅助判据（过电流元件，经确认后才能实施跳闸，将该故障BU从母线上断开。
这种形式除了在原集中式母线保护的基础上实现采样值上传的数字化外，还可增加各单元就地判据及部分算法的本地化，使主单元负担减小，实现保护计算的分布。根据集中式保护现场运行经验采取必要措施，可将主站误判断造成母线全部停电的可能性降为最低。从实现的角度来讲，有主站分布式母线保护简单容易。ABB、西门子公司及深圳南瑞的分布式母线保护系统均采用此方法。
三、保护原理
BP-2C-D型分布式母线保护采用基于基尔霍夫电流定律的电流差动原理。母线保护的启动元件由“和电流突变量”和“差电流越限”两个判据组成。“和电流”是指母线上所有连接支路电流的绝对值之和；“差电流”是指所有连接支路电流和的绝对值，为母线上第j个连接支路的电流。启动元件分相动作，分相返回。复式比率差动判据的动作方程如下：
式中：Idset为差动保护启动电流定值，Kr为复式比率系数（制动系数）定值。复式比率差动判据相对于传统的比率制动判据，由于在制动量的计算中引入了差电流，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。
为了加快差动保护出口，BP-2C-D型分布式微机母线保护采用瞬时值差动算法，装置采样计算的频率为每周波48点，根据复式比率差动判据，如果满足一定的动作点数，则发送母线跳闸命令。为了提高保护装置的可靠性，增加系统电压闭锁逻辑，母线故障时电压或下降，因此当且仅当电压下降时才发送母线跳闸命令。
四、关键技术
1.同步采样
微机电流差动母线保护通过数字量计算获取差动量和制动量，对不同间隔单元采样同步性要求极高，特别是对应用采样点差动原理等快速动作的情况，采样的同步性就更为重要。传统二次保护设备将需要的电量通过二次电量引到装置，由二次保护设备自身完成各电量的同步采样确保同步，而数字化变电站中各电量在电子式互感器输出已是数字量，数字量通过过程层网络送到各保护设备，这就要求各电子式互感器输出的数字量采样数据已经是同步的。
BP-2C-D型分布式母线保护支持IEEE1588校时协议。组网方式为点对点方式，通信可靠性高，同步精度也高。IEEE 1588精确时间同步技术是基于IP组播通信实现的，不只限于以太网，它可用在任何一个支持组播的总线系统中。根据同步过程中角色的不同，将其分为两类：主时钟和从时钟。提供同步时钟源的叫主时钟，而与之同步的时钟称为从时钟，因此主时钟和从时钟是相对的，任一网络时钟都可充当主时钟和从时钟。IEEE 1588中表示时间使用64位数，可精确表示绝对时间。IEEE1588定义了五种同步报文：Sync，Follow_Up，Delay_Request，Delay_Response和一组管理报文，本系统仅使用到前四种报文。IEEE1588同步报文模块设计如图2所示。
2.抗CT饱和
虽然光电互感器的传变特性很好，但分布式母线保护装置也可能用于传统式互感器，因此母线保护技术难点之一的抗TA饱和特性仍是重点。
为防止母线差动保护在母线近端发生区外故障时，由于CT严重饱和出现差电流的情况下误动作，BP-2C-D型分布式母线保护根据CT饱和发生的机理以及CT饱和后二次电流波形的特点设置了CT饱和检测元件，用来判别差电流的产生是否由区外故障CT饱和引起。该元件称之为基于暂态饱和全程测量的可变特性差动算法。在母线区内故障情况下和母线区外故障CT饱和情况下元件与元件的动作时序截然不同，并且CT饱和时虽然差电流波形畸变，但每周波都存在线性传变区，且暂态饱和波形中存在丰富的谐波分量，可以准确检测出CT饱和发生时刻，并实时调整差动相关算法，具有极强的抗CT饱和能力。
3.数据通信
（1）模拟量采集及通信模块。BP-2C-D型分布式母线保护的数据采集模块设计如图3所示。模拟量采集有两种方式。一种是子机直接接收光电互感器合并单元（MU）输出的数字化电流量。另一种方式是电流互感器/电压互感器仍为传统电磁式互感器，将模拟式电流量转换为数字式，再上送给主机。
MU报文模块如图4所示，需要完成配置信息自检、报文接收处理、报文发送处理和通讯中断异常自检等功能。A/D采集和传统方式相差不大，为了减少板件类型，将A/D采样芯片集成在通信板上，和MU报文处理在一个组件模块内。
IEC 61850-9-1部分遵循了IEC60044-7/8标准对合并单元的设定：输入通道为12路，采用专用数据集，帧格式固定，不允许改变，采用广播或组播的方法；只支持“SendMSVMessage”服务，不支持“GetMSVCBValues/SetMSVCBvalues”等控制服务，也不支持对数据对象的直接访问等服务。因此IEC 61850-9-1的映射方法相对固定、简单。报文接收、发送式根据帧格式处理即可，但需要注意MU通信口数量、接收通道的挑取、发送通道的挑取、MU频率等配置信息。
（2）状态量采集和通信模块。BP-2C-D型分布式母线保护利用LVDS总线读取开入状态量，给开出板发送跳闸命令，见图5。
GOOSE报文模块需要完成配置信息自检、报文接收处理、报文发送处理和接收数据异常告警记录等功能。为了简化LVDS总线的报文交互字节数量，提高通信的实时性，采用内部自定义报文帧格式，每帧报文的总长度不超过16个字节数。数据量大的报文不走LVDS总线，可通过管理总线或数据总线完成。报文收发模块设计如图6所示。GOOSE报文的实时性要求很高，在嵌入式系统资源限制的情况下，必须重点考虑软件执行效率。
五、结论
本文以BP-2C-D型分布式母线保护为例介绍了基于IEC61850的分布式母线保护实现原理以及关键技术。完善的保护功能使得有主站分布式母差保护能完全满足用户的各种需求。其不但使得保护简单、易用，更提高了母差保护的自适应性能。因此，这一分布式母差保护在系统中的应用前景非常广阔。
参考文献：
[1]董杏丽,徐瑞东,薄志谦,王红青.分布式母线保护技术及实现[J].继电器,2005,7(16).
[2]李营,杨奇逊.分布式微机母线保护的探讨[J].电力系统自动化,1999,(11).
[3]吴建坤.分布式微机母线保护的特性探讨[J].华东电力,2007,(1).
[4]朱林,苏盛,段献忠,刘怡.基于IEC 61850过程总线的分布式母线保护研究[J].继电器,2007,12(1).
[5]李亢,刘继平,刘志刚.BP型微机母线保护原理分析及实际应用[J].电力系统自动化,1998,22(5).
[6]孙一民,李延新,黎强.分阶段实现数字化变电站系统的工程方案[J].电力系统自动化,2007,31(5):90-93.
[7]叶滨,施祖铭.母线保护技术的现状与发展[J].上海电器技术,2007,(1):1-7.
[8]殷志良,等.基于IEC 61850标准的过程总线通信研究与实现[J].中国电机工程学报,2005,25(8):84-88.
[9]何卫,等.基于IEC 61850的IED数据结构设计[J].电力系统自动化,2007,31(1):57-60.
[10]操丰梅,宋小舟,秦应力.基于数字化变电站过程层的分布式母线保护的研制[J].电力系统自动化,2008,2(25).
[11]王风光,等.一种分布式母线保护的新型通信方案[J].电网技术,2005,29(11).
（责任编辑：刘辉）