李俊刚 王宏伟 魏 勇 狄军峰 韩如月

（1.许继电气股份有限责任公司，河南 许昌 461000；2.河南电力设计院，郑州 450007；3.内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特 010080）

电流差动保护以其优越的性能，被广泛地应用于电力系统的发电机、变压器、线路、母线等诸多重要电气设备的保护之中。对于电力系统的高压、超高压线路保护来说，电流差动保护，原理简单可靠，具有天然的选相能力，保护灵敏度高且动作速度快，能适应电力系统振荡、非全相运行、双回线跨线等各种复杂的故障和不正常运行状态。

广域差动保护是在广域通信的基础上依据差动保护原理[1-2]，运用IEC61850标准建模，依赖电力系统多点信息，实现信息交换。对故障进行快速、可靠、精确的切除，同时分析故障切除对系统安全稳定运行的影响，并采取相应的控制措施，提高输电线可用容量或系统可靠性。

将广域差动保护系统作为双重化或多重化保护系统中的一重，二者并行、协同地工作，以进一步提高继电保护系统的性能，解决某些常规方法难以解决的问题，为电网的安全稳定运行构建坚固的防线。

1 广域差动保护系统

广域差动保护系统设计要考虑到两方面的要求：一方面要具有先进的保护算法和功能强大的差动保护 IED；另一方面要具有高速、可靠的通信网络，信息传输要满足实时性和可靠性的要求。只有同时具有上述两个条件，广域差动保护才能确保保护任务的完成。

在目前，广域通信系统主要有分布式与集中式两种结构。分布式结构将保护和控制功能完全分散到各个IED中完成，它对终端IED的要求比较高，需要独立完成信息的采集、通信、算法的执行、策略的生成以及跳、合闸命令的执行功能。分布式结构系统受故障的影响较小，单个故障一般不会影响到整个保护系统的工作，在分布式结构中，只要确定好信息交换的范围，不会出现信息在之间多次往返的情况，因此通信延时不会较长。分布式结构适用于功能不复杂但对动作延时有较高要求的场合。

集中式结构中，保护中心具有强大的决策功能，这种结构对保护中心的依赖程度非常的高，因此也需要对保护中心进行双机或多机备用配置，在这种结构下，保护中心要通过通信系统获取各终端设备的信息，做出决策后再由通信系统将控制命令下达到终端IED，由终端IED执行决策命令。这样如何控制好信息交换的延时就成为影响到广域保护系统性能的重要因素[3]。

图1 广域差动保护系统

依据广域差动保护的业务需求[4]，可以看出，分布式网络结构非常适合广域差动保护的需求，如图1所示，能在实时性和安全性上给予保证。

2 广域差动保护功能与建模

2.1 广域差动保护功能

目前，已有一些学者对广域电流差动保护的算法进行了研究[4]，得到了一些比较可行的成果。

然后，提出的广域差动保护原理基本都是基于以下步骤进行：①同时对每个事先划定好各自的保护区域，以便故障发生后与其它IED进行有目的的信息交换；②对每个IED都列出其最大保护区域内所包含的被保护设备线路与它的对应关系表；③在所研究的IED内部，将其他IED传来的故障方向信息按对应表中的关系进行比较计算，确定出故障发生的区段。

基于这种设计思想,在电力系统故障时,故障点邻近的所有都能够确切地判断出故障点所在的位置，然后根据预定的逻辑执行相应的操作。为增加故障方向元件输出的可靠性，在每个IED中可采用多种原理的故障方向判断算法。而本文目的并不在此，而把着重点放在基于此种差动保护原理的建模与基于广域的IEC61850通信服务模式研究。

2.2 广域差动保护建模

基于上述广域差动保护原理，信息交换机制主要依赖于准确定义的信息模型[5-6]。这些信息模型和建模方法是IEC61850的核心。能否对IED模型进行确切、有效的定义是能否对外提供标准服务的关键。

广域差动保护主要对电力参数进行测量、通信、计算，其主要包括以下指标：电压、电流实时量测量与计算、断路器状态获取、采样值传送，广域差动保护运算。因此对应不同的功能需求选择相应的逻辑节点。

每个逻辑节点由具有特定数据属性的数据组成，数据具有结构和定义好的语义，包含在具有专门数据属性的数据表中。数据对象模型由逻辑设备名、逻辑节点名、数据名、数据属性名描述。其中，以下节点可以用于描述广域差动保护装置的相应信息。

1）通信逻辑节点（ITPC），ITPC包含了全部的沟通渠道信息设置和监督。ITPC不直接处理信息。因此,它不含接收和输出的数据，而且它没有可操作的数据对象。

2）相量测量逻辑节点（RMXU），RMXU这个逻辑节点用于提供本地相量值，用于差动保护功能。RMXU和逻辑节点PDIF一起构成了差动保护的核心功能模型。

3）差动保护逻辑节点（PDIF），PDIF逻辑节点适用于各种各样的电流差动保护。对于简单的广域线路差动保护来说，此节点是比较合适的选择。

4）保护跳闸合成逻辑节点（PTRC），PTRC节点用于连接多个保护功能的跳闸，对保护功能结合起来，进而判断后对XCBR进行操作。

5）广域电流差动保护逻辑节点是一种新型的保护形式，在最新版IEC61850标准中，还未对此逻辑节点进行定义，当已有部分文献依据IEC61850逻辑节点的扩充原则，对此进行尝试。本文就采用文献[5]所提出的方式，扩充广域差动保护逻辑节点PWADIF。与差动保护逻辑节点(PDIF)相比，PWADIF还包含失灵保护逻辑节点RBRF的所有数据。

在IEC61850标准中，并没有规定逻辑设备的类型，因此，在考虑广域差动保护装置的逻辑设备建模时有很强的灵活性。

图2 系统模型图

统一的数据对象模型可保证不同设备之间的互相理解、交换信息和协同操作。在完成LN的建模后，就可以将广域差动保护装置的测量、参数定值一一对应到相应的逻辑节点下的数据对象中。广域差动保护整个系统的逻辑功能如图2所示，多个广域差动保护装置相配合，

3 IEC61850通信服务模块

按 OSI（Open Source Initiative）标准建立的广域保护系统通信模型和采用的相关协议如图 3所示。报文传输的可靠性靠各层通信协议来保证。

图3 广域保护系统通信模型

如图3所示，物理层采用以SDH光纤环网，数据链路层采用ATM技术。工业控制现场常用的总线型网络（如以太网）的传输通道都是共享的，通道共享就难免产生冲突，因此，在链路层上采用CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）协议。网络上的某个节点只有确认网络空闲之后才能发送信息，如果多个节点几乎同时检测到网络空闲并发送信息，则产生冲突。检测到冲突的发送信息的节点必须采用某种算法来确定延时长短，延时结束后重复上述过程再试图发送。要在链路层上保证报文传输的可靠性，必须减小各发送节点之间的冲突，控制好每段网络所带节点的个数。TCP/IP 协议是目前应用最广泛的协议之一。TCP 是传输控制层协议，IP 是网络层协议.

广域电力通信系统对广域差动保护实现起着至关重要的作用，但限于通信系统现状，广域通信和局域通信有着显著的区别[7]，应该考虑相应的通信模式。

4 广域通信模式

在目前的广域通信基础上，为了实现广域通信能实现地址过滤等通信要求，可以对基于隧道技术的直接连接方式和与基于网关代理的间接连接方式进行分析，从而得出比较可行广域 IEC61850的通信模式。

4.1 隧道技术模式

隧道技术[8]是一种通过使用公共互联网络传递数据的方式。隧道技术将其它协议的数据帧重新封装然后通过隧道发送。新的帧头提供路由信息，以便通过互联网传递被封装的负载数据。隧道技术能够使来自多个信息源的网络业务在同一个基础设施中通过不同的隧道进行传输。隧道技术使用点对点通信协议代替了交换连接，如图4通过路由网络来连接数据地址。

图4 隧道协议

广域差动系统中，在带宽允许的情况下，多个变电站局域网信息可以在隧道技术的基础上达到直接连接的效果，通信网络可以实现地址过滤等局域网操作，从而实现信息的相互交换，保证IEC61850标准通信在广域网络上的实现。

图5 系统示意图

如图5所示，广域差动保护系统中，变电站A与变电站B需要进行信息交换，不管是GOOSE信息还是 SV信息，经过隧道技术封装，均可入本局域网信息一样呈现在对侧变电站内，同时借助VLAN技术，在多个变电站内广域差动保护装置划分虚拟网络，保障信息的有效传送，进而实现广域范围内的保护信息通信。两个孤立的变电站可以实现在一个局域网内通信的效果。

4.2 网关代理模式

基于代理网关方式的变电站间通信的配置与隧道技术的直连方式变电站间通信有所不同，代理网关隐藏了对侧变电站及变电站间的通信，代理网关是对侧变电站需要数据的映射，映射了对侧变电站需要交换数据的所有逻辑设备和逻辑节点。从变电站内看，代理网关就是站内的一个完整 IED，包括逻辑节点LPHD，还应该包括逻辑节点ITPC监视网关与对侧变电站网关的通信。通过和代理网关交换数据就可以完成所有的变电站之间的保护功能，而不需要关心通信问题。所以，网关的模型及数据文件是关键，实际的工程中需要实现的功能不同，网关配置文件应该根据实际工程的需要配置。

图6 网关代理模式

在广域差动保护系统中，变电站节点之间的通信，网关代理是一种可行的方式[9]。依据广域差动保护的业务需求，广域节点之间通信需要传递采样值、状态信息以及控制信息，不同的信息，在网关代理配置中要做相应的处理。例如，针对 GOOSE报文的重发机制，应避免广域网络中充斥大量的GOOSE报文。如图6所示，变电站A的广域差动保护IED向变电站B发送GOOSE信息时，网关代理 A，通过对 GOOSE报文进行解析，可以以私有方式将状态信息发送至网关代理 B，而网关代理 B将会依据配置信息，对接收的信息进行重新组织，这样，对于保护装置B而言，广域差动保护装置A的信息将会在网关代理B上重现，从而实现保护装置A与保护装置B之间的通信，降低网络负荷的同时，满足广域差动保护的需求。

4.3 通信模式的比较

广域变电站之间通信的模型如图7所示，隧道技术模式和网关代理通信模式的主要区别在基于网关代理的“间接连接”模式存在代理逻辑节点（图中虚线框中的逻辑节点）。并且，通信模型的原理是通信信道的监视和自身的逻辑功能分开，使用通信接口逻辑节点 ITPC监视通信状态，该逻辑节点属性包含了通信通道定值、状态等信息，不包含变电站间通信传输的数据信息。这样能多广域通信进行有效地监控。

图7 广域通信模型

其次，两种通信模式在应用上的差异如下：

（1）带宽的要求。在带宽富裕的情况下，才能采用基于隧道技术的通信模式，可以实现多个变电站通信的直接连接，

（2）配置的要求。基于隧道技术的通信模式，配置过后即使通信内容改变，通信仍可继续进行；但是网关代理模式通信内容改变，必须重新配置。

（3）报文的处理。基于隧道技术的通信模式，不会对报文进行解析，通信时，只需依据隧道技术的实现原理，在报文添加相应的隧道协议信息，但是网关代理模式，必须对报文进行解析，依据制定通信规范，在广域通信时对信息内容进行私有模式的传输。

而当前，电力系统大多以SDH光纤环网作为主干网，同时要满足电力系统多项业务通信需求。因此，能提供给广域差动保护的通信带宽往往有限。对于基于隧道模式的通信模式会是一个较为困难的问题。所以在比较隧道技术和网关代理的基础上，可以得出网关代理是一种比较合适的广域通信模式，它能在一定程度上缓解网络带宽带来的限制，并且从技术手段上更容易实现。

5 结论

在上述分析的基础上，基于现有的SDH广域电力通信网络，如何能满足广域差动保护对通信系统苛刻的实时性和安全性的要求，如何在广域通信系统中实现基于 IEC61850标准的信息传送是一项十分有意义的工作。本文所述的基于 IEC61850的广域差动保护就是在这一前提下，依据保护功能进行建模，同时考虑广域系统中的信息通信模式，提出在目前广域通信技术手段下，如何采用网关代理通信模式，对在今后广域保护装置的研发以及通信具有良好的启示作用。

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[5] 王阳光.遵循 IEC61850标准的广域电流差动保护IED[J].电力系统自动化,2008.32(2)53-57.

[6] 徐振明.基于 IEC61850标准的电力系统的两种建模方式[J].继电器,2008,36(6):58-61.

[7] 刘英亮,丛伟.基于 IEC61850 的广域保护系统通信服务模型[J].继电器, 2007,35(15):9-13.

[8] 黄祖友.虚拟专用网技术在电力信息网络中的应用[J].广东电力, 2009,22(6):44-47.

[9] Communication networks and systems for power utility automation–Part 90-1: Use of IEC 61850 for the communication between substations