超高压多回路母线保护中的应用

摘要　提出一种用计算机网络实现分布式母线保护的新原理。文中介绍了这种母线保护的原理，并对计算机网络通信及通信通道的差错控制的研究成果做了较详尽的论述。
　　关键词　电力系统　继电保护　实时数据通信
　　中图分类号　TM773
1　概述
　　当前，变电站的保护和控制系统由于发电厂、变电站容量和规模的迅速增长而日趋复杂和庞大，这对传统的功能单一的独立运行的母线保护提出了新要求。独立运行模式的母线保护，其输入是独立的，这就造成许多电缆的重复设置；另外，这些系统中的母线无一例外地是使用集中式判断故障的原理，即将被保护母线段上所有回路的电流互感器二次侧的电流集中起来施加于一个差动元件上，集中进行计算和比较，集中控制母线段上所有回路的开关。如果计算比较有误或受到各种形式的干扰而造成保护误动作时，将会误跳所有回路的开关，使整条母线停电，尤其对回路数多至20条的巨型发电厂(如未来的三峡水电厂)，将会影响整个联合电力系统的正常运行，后果不堪设想。本文针对上述问题进行了研究，提出了在母线的各条出线上分散判断母线故障的原理。
2　分布式母线保护原理
　　分布式母线保护原理的思想是将母线保护分为多个保护单元，单元个数与母线段上的连接元件个数相同。每个母线保护单元分别独立安装在相应的连接回路上，各单元之间有通信网络相连接。见图1所示。每个单元可对本回路的电流、电压进行采集，同时接收通过通信网送来的其它回路的电流数据(无需传送电压数据)、开关状态以及其它单元的保护动作情况。单元对所有回路数据进行计算比较后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区内故障，只将本回路从母线上断开，因而不会影响其它回路。

图1　分布式母线保护原理图
Fig.1　The principle diagram of the distributed bus protection

　　这种分布式母线保护可与线路保护装置共同组屏，也可在线路保护上增加一CPU插件和一通信接口插件来实现母线保护，不会使保护装置过于复杂而影响到保护的可靠性，而且还简化了电缆敷设。从可靠性角度考虑，①在某一回线的电流回路出错(例如CT回路故障)时，传统的母线保护将误跳所有回线，而分布式母线保护由于收到错误的数据也会使所有开关误跳，与传统保护的误动率相同。但由其它原因造成的输入数据的错误可通过采取相应的措施解决，如通信传输中的差错控制检错纠错码等。②当保护装置受到干扰或其它不影响采样和通信的原因出现误动时，仅错跳一回线，对系统影响小。如果将停电损失作为衡量可靠性的一个指标时，则分布式的母线保护的可靠性远高于传统的母线保护。
　　在图1中，每个保护单元之间有条高速数据通道，能够在每一采集间隔内完成所有回路的数据交换。监控计算机则定时向各个单元发出同步脉冲信号以保持各单元间的同步采集，还能够监视通道是否完好，并与变电站主计算机联网，实现所有变电站的主计算机联网。当标准时钟采用全球定位系统(GPS)时，则可以省略此监控单元。
3　关于实时通信的考虑
　　分布式母线保护对通信系统的要求是简单可靠并满足一定的通信速率。
　　假设保护的采样率为1000Hz，即采样间隔为1ms；考虑大型发电厂的情况，母线上挂接的变压器、进线和出线回路不超过20条；每个保护单元传送三相电流、零序电流、单元所在的回路号、当前所接入的母线号以及开关工作状态；一个电流量为16位，回路连接位置、开关工作状态、保护动作信息等共16位，即每个回路每次需传送的数据字段本身长为80位；每个数据信件共有176 位，其中除上述数据本身外，另有源地址8位、目的地址8位、循环冗余校验码加填充位80位，共需96位；根据上述假设可计算出通道的数据传送率最小应为3.52Mbps。
4　应用IEEE-488构成通信网
　　本文选用IEEE-488总线［2］通信网。IEEE-488总线的特点是：传递信息的方式是位并行、字节串行，它通过三条握手线保证挂接在总线上的具有不同速度的设备都能准确、可靠无误地接收到信息，能够实现一发多收的广播式通信，而且能够实现总线控制权的转移，使总线上的设备都可具有对等地位，而不是主从关系。目前，IEEE-488总线的最大数据传输率可达8MB/s［1］。因此，IEEE-488标准总线完全能够满足母线保护对数据传送率的要求。由IEEE-488构成的母线保护通信网中，按照

图2　总线控制权的转移
Fig.2　The transferring sequence of bus token

　　通信任务分类，每个保护单元通信部分担任三种角色：控制器、发送器和接收器。显然，这是一个多控制器的系统，每个保护单元都可以作为负责控者，而系统控者则由监控单元担任。接在IEEE-488总线上的保护单元组成一个逻辑环，每一个站被赋于一个顺序的逻辑位置，只有取得总线控制权后，才能发送数据。总线控制权在逻辑环上依次传递。如图2所示。保护单元通信使用了IEEE-488的部分功能，它们是Talker(T)，Listener(L)，Controller(C)，Source Handshakes(SH)，Acceptor Handshakes(AH)，Device Trigger(DT)，Parallel Poll(PP)。这些功能实质上是一组逻辑功能。IEEE-488标准给出了相应的接口功能的状态图，保护单元必须按照状态图编制相应的软件，才能够正确实现这些接口功能。
5　差错控制［3］
　　在继电保护装置的工作环境中常有电磁干扰，使通信信道中传输的数据产生差错，因此差错控制编码技术是保证保护正确动作的重要措施。本文把信息序列分成固定长度的数据块，通过编码器把每组信息码元(数据块)按照校验方程加上固定长度的冗余校验位，采用如图3a所示的数据格式发送(图中地址后面为电流数据、开关状态及保护信息码，分成五组，每组结构见图3b。收端根据发端的编码规则即可判断所收数据是否正确。

图3　基于(31,16)BCH码的数据信息流
Fig.3　Data pattern based (31,16) BCH code

　　本文采用了BCH循环码。具体参数为：线性码表示为(n , k)，其中n为码的长度(31位)，k为被传送数据的长度(16位)。(31,16)BCH码能够纠正全部类型的三个错误或三个以上的部分类型错误。(31,16)的生成多项式为
g(x)＝x15＋x11＋x10＋x9＋x8＋x7＋x5＋x3＋x2＋x＋1　(1)
　　设传送的信息码和校验码用多项式分别表示为m(x)和r(x)：
m(x)＝mk－1xk－1＋mk－2xk－2＋…＋m0　(2)
　　r(x)＝rr－1xr－1＋rr－2xr－2＋…＋r0　r＝n－k　(3)

　　最后通过信息通道传送的编码也用多项式表示
　　C(x)＝Cn－1xn－1＋Cn－2xn－2＋…＋C0＝xn－km(x)＋r(x)　(4)

　　(1)编码方法
　　信息多项式乘以xn－k再除以g(x)的余式即为监督多项式r(x)。即
　(5)
　　xn－km(x)＝q(x)g(x)＋r(x)　(6)

或　r(x)≡xn－km(x)　　(mod g(x))　(7)
　　(2)译码方法
　　假设错误位置在位i1， i2，…，iv, 则错误图样E(x)为
　　　　E(x)＝ei1xi1＋ei2xi2＋…＋eivxiv　(8)

　　设实际传输信息的多项式为式(4), 则接收多项式为R(x)
　　　　R(x)＝C(x)＋E(x)　(9)
　　译码的关键就是从R(x)中确定E(x)，也就是确定错误的个数、错误的位置。
令H为BCH码的校验矩阵，则有

CHT＝0　(10)

可得　　R(x)HT＝C(x)HT＋E(x)HT＝EHT　(11)

由R和H计算伴随式S

S＝RHT＝EHT　(12)

如果S＝0，即E＝0，表示在接收的信息中没有错误；如果S≠0，表示存在错误，则可利用伯利坎普迭代算法计算差错定位多项式，并利用钱氏搜索法求出差错位置数，最后得到纠正后的码。

图4　实验模型
Fig.4　Experiment model

图5　K1短路
Fig.5　External fault at K1

图6　K2短路
Fig.6　Internal fault at K2

6　结论
　　在动态模拟实验室中按照图4对三个保护单元进行了测试，结果如图5、6所示。实验结果证明保护原理、通信方式和通信软件都是正确可行的。本文提出的分布式母线保护原理可大大提高母线运行的可靠性，特别适合于大型电站；采用IEEE-488总线构成通信网可满足保护对实时通信的要求，同时为实现电站的保护、控制一体化奠定了基础。

　　罗姗姗　博士，现为电力科学研究院博士后。主要研究电力系统故障分析及继电保护。
　　贺家李　教授，博士生导师，IEEE高级会员，天津大学电力及自动化工程研究所所长。从事电力系统故障分析及继电保护研究工作。
　　周孝信　中科院院士，博士生导师，总工程师，IEEE高级会员，从事电力系统稳定性分析及控制的研究工作。
作者单位：罗姗姗　贺家李（天津大学电力及自动化工程系，300072 天津）
　　　　　周孝信（国家电力公司电力科学研究院，100085 北京）

参考文献

　[1]　IEEE-488 and VXI Bus Control, Data Acquisition, And Analysis Short Form Catalogue, National Instruments, 1994
　[2]　An American National Standard IEEE Standard Digital Interface for Programmable Instrumentation ANSI MC1.1-1975 IEEE Std 488-1975
　[3]　Blahut R E.Theory and practice of error control codes.ADDISONWELEY PUBLICATION