分散采集集中处理的变电站后备保护研究与开发方案
电力系统大中型变电站继电保护除设置主保护外，还应设置后备保护。后备保护分为远后备与近后备两种方式。在传统的常规继电保护中，阶梯形时限是保证选择性的重要条件之一，后备保护动作时间就比较长。采用微机保护后继电保护的速动性和动作时间精度都有所提高，后备保护动作时间虽然有所缩短，但不会有本质上的改变。
要根本上缩短后备保护动作时间，后备保护应从动作原理上进行大的改变。计算机硬件与软件技术的发展，为这一改变提供了有利的条件。可以借鉴数字化变电站的结构模式，采用分散采集与集中处理的方法，改变后备保护的动作原理，最大限度缩短后备保护动作时间，还可以增加某些保护与监控功能。采用户外就地安装，施工费用与工时以及停电时间可以减少，这是已经运行的变电站进行改造时必须考虑的问题。
1 硬件设计
1.1 后备保护装置端子定义
后备保护装置硬件设计为一种比较通用的装置，以有利于生产与降低成本，也便于运行管理与维护。端子定义见右图。
1.2 后备保护装置结构
后备保护装置由模拟量输入、开关量输入、电源与开关量输出以及CPU与通信四种线路板组成。采用全封闭金属结构，有利于抗干扰以及安装与接线。外形尺寸约为：200×260×150mm。并按照户外标准进行设计。
1.3 户外终端箱
变电站后备保护装置安装于户外终端箱内，户外终端箱外形尺寸约为：300×500×600mm，安装于户外断路器附近。户外终端箱内除安装变电站后备保护装置与一个装置电源外，还有两个低压断路器与约60个接线端子。
户外终端箱的控制与信号电源取此断路器的操作电源。考虑到变电站后备保护装置的供电电源容量只有几瓦，电压范围也比较宽。可以设计一个容量约为8瓦的电源装置给后备保护装置供电，电源装置采用三相整流，选用大容量高压滤波电容器，由三相测量电压供电。这样可提高后备保护的独立性。变电站备保护装置应能够在－10～＋50℃环境下运行。安装在户外终端箱后，如果环境温度超出此范围，可对后备保护装置单独采取保温或散热处理。
2 系统设计
2.1 通信网络物理层结构
后备保护装置与计算机之间有CAN总线与RS－485两种通信接口，可以采用光缆，也可以采用计算机用通信电缆。对于数字化变电站可以公用通信光缆，也可以单独采用计算机通信电缆进行通信，以便提高后备保护的独立性。需要时再由计算机通过调制解调器与调度进行联网。
2.2 系统组成
变电站后备保护由若干台后备保护装置与两台计算机，组成一个独立的变电站后备保护系统。后备保护装置根据断路器数量与位置来设置。一台计算机用于保护，一台用于数据处理。需要时也可以组成两个计算机系统同时运行。
3 软件设计
3.1 软件内容
变电站后备保护系统软件包括后备保护装置软件，计算机软件与二者之间的通信软件。
3.2 后备保护装置软件
后备保护装置主要完成数据采集与处理、合分闸输出以及与计算机通信。数据采集分别采集11路模拟量输入。其中包括三相测量电流、三相保护电流、三相测量电压、一路零序电流与一路备用。采用常用算法计算出电流、电压有效值和三相功率因数，及时传送到计算机。接收到计算机合分闸命令后，及时进行合分闸输出。由此可见后备保护装置软件比较简单。
有些保护也可以由后备保护装置来处理，以提高后备保护的可靠性；这时就需要接收计算机传送来的保护动作电流与动作时间定值，并保存到掉电保护区。
3.3 后台计算机软件
后台计算机软件包括通信软件、参数设置、保护定值设置、保护处理、数据处理与显示等。为了保证保护的适时性，一台计算机专门处理保护，另外一台计算机专门进行各种数据处理。也可设计两台计算机之间的自动切换。
处理保护的计算机接收到后备保护装置传送上来的数据后，及时进行保护处理后再向下发出合分闸动作命令。保护处理内容与方法见事故处理分析。参数与保护定值需要时可以重新设置。对于需要后备保护装置进行处理的保护，参数与保护定值设置有变化，修改后应立即向下连续发送两到三次，以后再定期发送。事故报警与记录也由处理保护的计算机来完成。
数据处理计算机只接收后备保护装置传送上来的各种数据，不向下发送数据，软件比较简单，数据处理内容与方法见数据处理分析。
后备保护装置主要完成数据采集与处理、合分闸输出以及与计算机通信。分别采集三相测量电流、三相保护电流、三相测量电压、一路零序电流与一路备用。并计算出电流、电压有效值和三相功率因数，及时传送到计算机。接收到计算机合分闸命令后，及时进行合分闸输出。
也可以将某些主保护由后备保护再处理一次，以提高保护动作的可靠性，这时还需要接收计算机传送来的某些主保护保护动作电流与动作时间定值，并保存到掉电保护区。
3.4 通信软件
处理保护的计算机与后备保护装置之间为主从式双向通信。数据处理计算机与后备保护装置与之间为单向通信，可采用监听的方案。
后备保护装置与计算机与之间可采用CAN总线或以态网通信。通信波特率为500～1000K。：11路模拟量输入，占用22个字节，再用两个字节传送功率因数。开关量输入信号有变化以及有报警信号时，再用传送功率因数的两个字节传送一次。一个后备保护装置每次需要传送的数据量共计24个字节。模拟量输入中保护电流的D15与D14位为方向特征码，10代表电流由线路流向母线，01代表电流由母线流向线路。电流方向用于电能计算与保护处理。
如果采用CAN总线通信，一祯为10个字节，有效字节为8个。每个后备保护装置向上传送一次数据需要3祯。如果通信波特率为500K，1ms可以传送5祯，传送完3祯需要的时间不到1ms。每个周波（20 ms）可与30个后备保护装置通信一个循环。如果一个变电站内后备保护装置数量超过30个，就需要提高通信波特率，或再增加一个通信通道。
后备保护装置与计算机之间的CAN总线通信，独立性强，可采用自定义非标准规约。计算机与调度之间的通信应采用IEC61850、IEC60870—5—103或IEC101/104标准规约。
4后备保护短路事故处理分析
4.1只有一路电源运行进线时，后备保护事故处理分析
4.1.1大中型变电站在检修或发生事故后，就有可能出现只有一路电源运行的情况。一路电源运行时，电源一旦断电，就会造成全站停电，如果不能尽快恢复影响更大，此时继电保护的可靠性更应该引起注意。
4.1.2 变电站只有一路电源运行时，后备保护处理比较简单。电源进线断路器线路侧发生事故后，上一级变电站的出线保护会动作。当电源进线判到无线路电压与无电流，自己又为合闸时，适当延时后失压保护动作跳闸。失压保护跳闸后软件应建立标志并保存，然后及时判线路有电压及有失压跳闸标志时自动合闸，可以缩短事故停电恢复时间。
4.1.3发生短路事故后，只有电源进线能够检测到短路电流，所有出线均检测不到短路电流时，此时为母线发生短路事故，电源进线电流速断后备保护加延时作为后备保护。
4.1.4 发生短路事故后，有一路出线能够检测到短路电流时，此时为出线断路器线路侧发生短路事故，此路出线电流速断后备保护加延时作为后备保护。电源进线电流速断后备保护加第二级延时作为第二级后备保护。当电源进线发生越级跳闸时，经过分析后还可以进行一次后加速重合闸。
4.2 有一路以上电源运行进线运行时，后备保护事故处理分析
4.2.1如果后备保护装置能够判断到短路电流的方向，利用短路电流最高位传送到计算机，计算机就可以利用短路电流的大小与方向来进行后备保护处理。为了简化后备保护装置软件，提高其采集速度，后备保护装置在现场只采集短路电流的大小，不判断短路电流的方向，此时计算机也可以利用短路电流的大小，通过各种计算与比较来进行后备保护处理。
4.2.2 变电站一路以上电源在运行时，分别有电源进线断路器线路侧、母线与出线三处可能发生短路事故，母线分段时还需要判断出时那一段母线发生短路事故。
4.2.3 发生短路事故后，如果所有出线都检测不到短路电流，可能为某一路电源进线断路器线路侧或母线发生短路事故。如果短路事故只发生在某一路电源进线断路器线路侧，此路电源进线检测到短路电流应该与其它各路电源进线检测到短路电流之和再减去各路出线检测到电流之和基本相等。此路电源进线后备保护起动作为后备，其它电源进线后备保护再加一级延时起动作为第二级后备保护。如果为单母线分段，此路电源进线的母线上的其它电源进线与母线分段断路器后备保护再加一级延时，作为第二级后备保护，另外一段母线上的其它电源进线后备保护再加第二级延时，作为第三级后备保护。若出现越级跳闸时，经过分析后还可以进行一次后加速重合闸。
如果有两路电源进线断路器线路侧同时发生短路事故，情况就比较复杂。假如变电站就只有这两路电源在运行，在发生两相或单对地短路事故后，会出现三相电流与电压差别较大的情况，两路电源进线的后备保护均应起动作为后备保护。如果同时发生三短路事故后，以及有三路以上电源时，情况就更为复杂。此时只能够在某些电源的上级变电站出线跳闸，失去电源后再按照一路或两路两路电源来重新进行计算与分析，此时后备保护的动作时间就要延长一些。由于计算机的运行速度非常高，计算与分析很快，后备保护的动作延长时间取决于上级变电站出线跳闸时间。
4.2.4 发生短路事故后，如果所有出线都检测不到短路电流，又不满足4.2.3的条件时为母线发生短路事故。无母线分段断路器时，所有电源进线后备保护起动作为后备。如果有母线分段断路器，母线分段断路器检测到的短路电流等于某一段母线上所有电源进线检测到的短路电流之和时，此段母线上所有电源进线后备保护均加一级延时，作为第二级后备保护，母线分段断路器与另外一段母线上所有电源进线后备保护均起动作为后备。若出现越级跳闸时，经过分析后还可以进行一次后加速重合闸。
4.2.5 发生短路事故后，如果某路出线也能够检测到短路电流，此路出线后备保护起动作为后备，电源进线后备保护再加一级延时，作为第二级后备保护。如果有母线分段断路器时，此路出线后备保护起动作为后备，此路出线所在的母线上所有电源进线与母线分段断路器后备保护再加一级延时作为第二级后备保护，另外一段母线上所有电源进线后备保护再加第二级延时作为第三级后备保护。若出现越级跳闸时，经过分析后还可以进行一次后加速重合闸。
5 数据处理
5.1 计算机需要根据变电站的运行方式进行保护参数设置，对接收到的数据进行处理，需要时发出跳闸与合闸命令。还应对接收到的各种数据进行分析处理与存盘保存。
5.2 数据存储
在一个周波内全变电站的三相测量电流、三相保护电流、三相测量电压与一路零序电流有效值和三相功率因数，都已经传送到计算机。计算机就可以在一个周波内再计算一次有功与无功功率以及有功与无功电能计算。有功与无功电能可以累计到一定时间后，再按照用电时间段进行分时记录。其它测量值的记录时间间隔可以根据变电站后备保护装置的数量多少以及计算机的硬盘容量来决定。
现在计算机硬盘容量越来越大，而且可以在固定时间内利用光盘将历史数据保存起来。其它测量值的记录时间间隔越短越好。如果能够达到一个周波记录一次，对事故分析非常有用。一个周波内记录一次全变电站的三相测量电流与电压，并进行计算与分析，对了解站内的运行情况有一定帮助。通过对全变电站有功与无功电能记录，可以计算出变电站的电能损耗。
5.3 数据显示
可以随时显示当前每半小时数据。一副图形通过三种颜色显示三路参数。时间坐标单位可分为20ms（观察每秒钟）、1s（观察每分钟）与1min（观察半小时或一小时）三种，并可以改变。显示历史数据时，需要从计算机硬盘或光盘中读出数据，显示时间坐标单位还应增加1h（观察每日）、1日（观察每月）与1月（观察每年）三种时间坐标单位。
5.4 数据分析
只要有了全站每路参数测量记录数据，就可以根据需要来进行负荷变化、电压波动与偏移与事故分析以及电能统计等。甚至对洩露电流也可进行试验性观察与分析。
6 结束语
由以上分析可以看出，不再采用时间阶梯，由计算机统一集中进行后备保护处理后，可以同时发出后备保护的动作命令，动作时间就可以缩很多。通过事故分析与处理后再进行的重合闸成功率比较高，可以缩短事故停电恢复时间。变电站后备保护单独为一套装置与一个系统，设计与施工简单，对于老变电站改造可以分路逐步进行，可以缩短停电时间。
