0　引言

　　母线是电力传输的重要组成部分，母线保护的稳定、安全、可靠直接关系到电力系统的稳定性及供电的可靠性。众所周知，影响低阻抗型母线保护可靠性的关键是电流互感器饱和的问题。由于存在电流互感器饱和，所以要求母线保护在区内故障时能快速动作，而在区外故障时能可靠闭锁，当发生区外转区内故障时又能迅速地开放保护。而当今国内现有微机母线保护较多采用的“同步测量法”抗电流互感器(TA)饱和的性能并不十分理想，为此开发研制了采用新原理的LFP—915A微机母线保护装置。
　　在硬件上，LFP—915A采样单元采用14位A/D转换器件，保证了采样的精度；保护运算单元采用高速数字信号处理芯片（DSP）以及32位微处理器，保证了高精度的快速运算；跳闸逻辑单元采用可编程逻辑阵列（CPLD），保证了输出逻辑的灵活与可靠。在软件上，母线差动保护采用新的原理，保证了区内外故障情况下存在TA饱和时良好的动作特性；保护配置完善，功能齐全，保证了运行的方便与灵活；报文处理与录波数据详尽，保证了事故分析的快速与准确；通信规约符合国家标准，保证了与后台连接的兼容性。

1　硬件配置

　　LFP—915A的硬件原理框图见图1。装置的全部插件都集中在一个12 U的机箱中，避免了弱电信号的外引，取消了背板人工接线，具有良好的抗电气干扰能力。

图1　硬件配置图
Fig.1　Structure of hardware

1.1　保护板
　　保护板以AD公司高速数字信号处理芯片ADSP—2181及Motorola公司的32位微处理器MC68332为核心，主要完成所有保护算法、跳闸逻辑、事件记录、报告的就地打印及报文后台通信功能。
　　保护所需的交流量首先经低通滤波器传至A/D转换器，由DSP对转换后的交流量进行所需的数字滤波后进行保护运算。DSP具有高速运算的能力，因此，LFP—915A在每周期24点的采样速率下，能在一个采样周期内完成所有的保护算法。DSP1主要完成母差保护、母联充电保护、母联过流保护、死区保护，DSP2主要完成断路器失灵保护。CPU采用了32位微处理器，通过DSP的DMA口与DSP交换信息。交换的信息包括交流采样值、保护计算结果等，CPU根据保护计算结果进行跳闸的逻辑处理，同时进行事故录波及事件报文的处理。
1.2　管理板
　　管理板主要完成启动元件计算及系统扰动录波。其硬件与保护板完全相同，同时也采集全部的模拟量与开入量。DSP1与DSP2的启动算法也与保护板相同，不同的只是结果用于决策是否开放保护的出口正电源。另外，DSP2还要完成判断系统扰动的算法，用于系统故障录波的启动。管理板的故障录波格式与国际通用的COMTRADE格式兼容，方便了事后的数据处理，录波数据可通过另设的串口输出或打印输出。
1.3　人机接口板
　　人机接口板主要完成保护采样信息与事件信息的显示以及人机对话的功能。其核心为Intel的80196芯片，通过串行口分别与保护板和管理板交换信息。显示采用大屏幕图形液晶，不但能实时显示母线的电压、各元件的电流，并且能显示母线的主接线图，实时地反映母线的运行方式，使母线操作一目了然。人机对话通过九键键盘输入。菜单全部汉化，界面友好。
　　人机接口板另设有一串行口，可方便地与便携机等PC设备连接，这样，定值的整定、报文的显示等操作可免去一步一步的键盘菜单操作及翻屏操作，全部的功能均可通过PC机进行操作，我们已开发出相应功能的PC机Windows版本软件，使得与装置的人机对话功能都能在PC机上通过鼠标和键盘轻松实现。

2　保护原理

2.1　母线差动保护原理
2.1.1　差动保护元件
　　本装置母线差动保护由分相式比例差动元件构成。比例差动元件采用突变量比例差动与常规比例差动相结合的算法，避免了系统两侧电源功角拉开较大时发生区内故障或经较大过渡电阻故障等情况下，故障前的负荷电流对比例制动特性产生的不良影响，保证了装置在各种情况下快速切除区内故障。
2.1.2　抗电流互感器饱和问题
　　电流互感器（TA）饱和一直是影响母线保护正确动作的主要问题。随着系统容量的日益增大，短路容量也不断增加，尤其是220 kV以上电压等级的系统，其暂态过程很长，这都使得TA饱和问题更加突出，对母线保护的抗TA饱和能力提出了更高的要求。我们提出了新型的自适应阻抗加权判据和谐波制动判据，这些判据可以保证母线发生区外故障时，故障线路TA极度饱和的情况下保护不会误动；而当发生区内故障或故障由区外转至区内时，保护一般可以在10 ms内迅速切除故障。
2.1.2.1　自适应阻抗加权判据
　　当发生母线区内故障时，工频变化量差流元件ΔI和工频变化量阻抗元件ΔZ与工频变化量电压元件ΔU基本同时动作，而发生母线区外故障时，由于故障起始TA尚未进入饱和，ΔI元件和ΔZ元件的动作滞后于工频变化量电压元件。利用ΔI元件和ΔZ元件与工频变化量电压元件动作的相对时序关系的特点，得到了抗TA饱和的自适应阻抗加权判据。由于此判据充分利用了区外故障发生TA饱和时差流不同于区内故障时差流的特点，在不降低区内故障灵敏度的同时，大大提高了保护区外故障时的抗TA饱和性能，而且实现非常简单。大量的试验结果也证实了其优越性，我们已经为该原理申请了国家发明专利。
2.1.2.2　谐波制动判据
　　除了自适应阻抗加权TA饱和判据外，还设计了由谐波制动原理构成的TA饱和检测元件。这种原理利用了TA饱和时差流波形畸变和每周期存在线性传变区等特点，根据差流中谐波分量的波形特征检测TA是否发生饱和。以此原理实现的TA饱和检测元件同样具有很强的抗TA饱和能力，并且几乎不受比例差动系数的影响，而且在区外故障TA饱和后发生同名相转换性故障的极端情况下，仍能快速切除母线故障。
　　图2为在动模实验室实录到的母线区外发生ABC三相故障时TA极度饱和的波形图。在此情况下，本保护可靠制动，可见其优异的抗TA饱和性能。

图2　动模实验室实录的母线区外发生ABC三相故障
时TA饱和波形
Fig.2　Curve of primary and secondary current of
saturated TA with bus external fault

2.1.3　故障母线选择元件
　　对于分段母线或双母线接线方式，根据各连接元件的刀闸位置开入计算出两条母线的小差电流，构成小差比例差动元件，作为故障母线选择元件。
2.1.4　电压闭锁元件
　　本保护的电压闭锁元件包括相电压、负序电压和零序电压3个判据：

U≤U_bs， U₀≥U_0bs， U₂≥U_2bs

以上3个判据中任一个动作时，电压闭锁元件开放。在动作于故障母线跳闸时必须经相应的母线电压闭锁元件闭锁。
2.1.5　母线运行方式识别
　　母线的各种主接线方式中以双母线运行最为复杂。母线上各连接元件在系统运行中需要经常在两条母线上切换，因此正确识别母线运行方式直接影响到母线保护动作的正确性。
　　本装置引入隔离刀闸辅助触点自动判别母线运行方式，同时不断对刀闸辅助触点进行自检，因此对其具有一定的容错能力。当发现刀闸辅助触点位置与实际情况不符（如某条支路有电流而无刀闸位置），则立即发出刀闸位置报警信号，在处理之前装置能保持正确的运行方式。
2.2　其他保护功能2.2.1　母联充电保护
　　当任一组母线检修后再投入前，如利用母联断路器对该母线加以电压，即进行充电试验时可投入母联充电保护，当被试验母线存在故障时，利用充电保护切除故障。本装置母联充电保护可通过整定控制字决定在充电保护开放期间是否闭锁母差保护。
2.2.2　母联过流保护
　　当利用母联断路器作为线路等的临时保护时可投入母联过流保护。母联过流保护在任一相母联电流大于过流整定值，或母联零序电流大于零序过流整定值时，经整定延时，跳母联开关，母联过流保护不经综合电压元件闭锁。
2.2.3　母联失灵与母联死区保护
　　当保护向母联发跳令后，经整定延时，若大差元件不返回、母联电流仍然大于母联失灵电流定值时，母联失灵保护经两母线电压闭锁后切除两母线上所有连接元件。
　　若母联开关和母联TA之间发生故障，断路器侧母线跳开后故障仍然存在，正好处于TA侧母线小差的死区，为提高保护动作速度，专设了母联死区保护。本装置的母联死区保护在差动保护发母线跳令后，母联开关已跳开而母联TA仍有电流，且在大差电流元件不返回的情况下，延时50 ms将母联电流退出小差。
2.2.4　断路器失灵保护
　　本装置断路器失灵保护有以下2种方式。
　　方式一：当母线的某个连接元件断路器失灵时，由该连接元件的保护屏向本装置提供一个失灵接点，此接点由保护动作接点、失灵启动接点和该元件的刀闸位置接点串联而得。本保护检测到此接点动作时，断路器失灵保护专用启动元件动作并展宽500 ms。经过失灵保护电压闭锁，按整定延时跳开母联和该元件所在母线的各个连接元件。
　　方式二：各连接元件的保护屏向本装置提供的失灵接点由保护动作接点和该元件的刀闸位置接点串联而得。本保护检测到此接点动作时，若该元件任一相电流大于失灵电流定值，则经过失灵保护电压闭锁，按整定延时跳开母联和该元件所在母线的各个连接元件。
　　失灵保护的电压闭锁判据包括相电压、负序电压和零序电压3个判据，其中任一判据动作时，电压闭锁元件开放。
2.3　电流电压回路断线检测2.3.1　电流回路断线
　　当电流元件三相不平衡时，或差流大于整定值I_DX，延时10 s发TA断线报警信号，电流回路恢复正常后，须启动人工复位信号后装置恢复正常运行。
2.3.2　交流电压回路断线
　　a.零序电压3U₀＞10 V，延时1.25 s报该母线电压回路断线。
　　b.母线三相电压幅值和｜U_A｜+｜U_B｜+｜U_C｜＜10 V，且母联或任一出线的任一相有电流（大于0.04 I_N），延时1.25 s报该母线电压回路断线。
　　c.发生电压回路断线时可由控制字决定是否闭锁母差，如不闭锁则将电压工频变化量启动元件退出，此时母线差动保护可以由差流元件启动。
　　d.三相电压恢复正常后，经10 s延时全部恢复正常运行。

3　结语

　　本文所述装置包括了母线保护所需的全部功能，并能满足厂站综合自动化的要求。具有极强的抗TA饱和能力，对区内故障及区外转区内故障动作速度快，一般都在10 ms之内，对区外故障且TA严重饱和时能可靠制动。对于经较大过渡电阻故障以及系统振荡时发生的各种区内外故障，装置均有良好的动作特性。装置功能完善、性能价格比合理，现已完成全部动模试验并已投入试运行，推广应用前景良好。■