配網自動化區域保護算法的研究與應用

楊 亮 馬黨梅

（南京電研電力自動化股份有限公司，江蘇 南京210061）

0 引言

近年來，數字化變電站技術迅猛發展，基于面向通用對象的變電站事件（GOOSE）的高速可靠的網絡通信方式日漸成熟，為實現保護之間實現快速通信提供了技術保障。本文提出的區域保護屬于“面保護”［1］的范疇，在面保護算法［2］的基礎上，重新理解和剖析面保護的算法，本文稱之為“區域保護算法”。該算法簡化了參數的配置，提高了現場調試與維護的效率。

區域保護主要是在饋線自動化終端FTU（Feeder Terminal Unit）設備之間來完成。饋線終端FTU之間的數據信息交換是利用光纖網絡的GOOSE方式來傳遞的。FTU一般安裝于饋電線路上，完成對柱上開關或分段開關的保護與監控，能夠通過光纖網絡或GPRS無線將實時數據上傳至主站，以實現遙測、遙信、保護、控制以及故障檢測等功能。

1 區域保護的基本原理

將配電網中的每個開關從中間分為左邊和右邊2個區域，左右2個區域就將成為區域保護的閉鎖區域（Closed Area）或開放區域（Opened Area）。電流正方向的一般認定方法是電源側流向負荷側。我們認定某一個開關達到故障啟動電流的正方向為開放區域，故障啟動電流的反方向即閉鎖區域。運行中對于同一個開關的保護來說，其閉鎖區域和開放區域是根據故障電流的方向不同而發生改變的。現就圖1中的2個故障點，分別來說明保護動作和閉鎖的基本原理。

圖1 輸電線路開關

1．1 故障發生在圖中A點位置

CB1、CB2、CB3開關為變電站的饋線開關，裝設有保護，速斷動作時間一般為0．3～0．5 s，而網絡式保護裝置的速斷動作時間一般設置為0．1 s左右。為了方便解說網絡式保護動作和閉鎖過程，只看配網中的開關。

先看故障點左側的開關，FS1開關能感知到故障電流，因此FS1保護啟動。對于FS1開關來說，故障電流在自己的右側，需要向自己的故障電流的反方向側即閉鎖區域發送閉鎖命令，在FS1左側的開關CB1不是網絡式保護，雖然開關CB1的保護已經啟動，但由于變電站側開關的速斷時間比FS1開關速斷時間較長，所以FS1開關先動作。

再看FS2的故障電流從左至右，依照原理法則，FS2的左側為開放區域，右側為閉鎖區域，需要向自己的故障電流的反方向側（開關右側）即閉鎖區域發送閉鎖命令給FS3和FS5。依照此方法FS3發閉鎖命令給FS4。所以，FS3、FS4、FS5開關都能收到相應的閉鎖命令，保持開關不動。CB1、CB2、CB3由于時限設置較長而不會動作，其最終結果是FS1和FS2 2個開關動作。

1．2 故障發生在圖中B點位置

先看故障點左側的開關，FS1、FS2 2個開關能夠同時檢測到故障電流的存在，因此FS1、FS2 2個保護都會啟動。對于FS2開關來說，故障發生在它的右側，它向左側的FS1開關發閉鎖信號，因此，FS1開關閉鎖。FS2啟動，并且在延時時間內沒收到任何閉鎖信號，故FS2開關動作。對于FS3開關來說，它檢測到的故障電流在自己的左側，則它的開放區域就在左側，向右側的開關FS4發送閉鎖命令。而FS3開關在延時時間范圍內沒有收到任何閉鎖命令，所以FS3開關到保護應有的延時后將跳開。同理，FS5開關也將跳開，從而及時準確地找到故障點并切除故障。

1．3 區域保護算法小結

無需關心潮流方向和所謂的正方向，保護定值設置更簡單，現場調試工作量和復雜程度也大大降低。只需要關心故障電流的方向性，定義一個虛擬左側和右側，并確定最靠近本開關的左側有哪些開關（對于FS2來說只有FS1一個開關），最靠近本開關的右側有哪些開關（對于FS2來說有FS3和FS5 2個開關）。

2 GOOSE的通信機制

GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）是面向通用對象的變電站事件的簡稱，在目前的智能化變電站中廣泛應用。GOOSE報文的發送和接收分別由publisher（公告式發布）和subscriber（預定式接收）來執行。

2．1 GOOSE報文發送時間間隔

對于publisher，GOOSE報文的發送并不完全按固定時間間隔來進行。在沒有GOOSE事件發生時，GOOSE報文的發送間隔相對較長，是按固定時間間隔（T0）來發送；當發生事件時，數據發生了變化，發送時間間隔就從設置的最小時間間隔（T1）開始，在此階段，發送時間間隔會逐漸增大，直到事件狀態穩定，GOOSE報文的發送又變為固定長時間間隔。工程應用中可以根據快速性的需要對時間間隔T0和T1進行設置。

GOOSE報文發送過程如圖2所示。

圖2 GOOSE發送機制

2．2 報文接收方對通訊中斷的檢測

對于一個重發的GOOSE報文，會在報文中附帶一個time－Allowed ToLive的參數，該參數告知接收方等待下一個重發的GOOSE報文的最長時間，如果在該時間內，接收方沒有收到重發的報文，就可以認為是發生了通訊中斷。

2．3 報文過濾機制

對于GOOSE報文的發送方，它可能會以組播的方式發送多個報文，每個報文都是與特定數據相關的，報文頭中包含有不同的目標地址；對于接收方，網絡底層會收到網絡上所有的GOOSE報文，其中包括接收方需要的信息和它不需要的信息，所以需要對報文進行過濾。為了減輕CPU的負擔，這個過濾的任務一般由網絡控制器來完成。

接收方采取訂閱的形式來獲取需要的GOOSE報文，接收方配置了一個GOOSE報文目標地址列表，并對網絡控制器進行設置，網絡控制器收到GOOSE報文后就將報文中的目標地址與目標地址列表中的地址作對比，如果該目標地址包含在地址列表中，那么就認為該GOOSE報文是接收方訂閱的，在CPU從網絡控制器讀取GOOSE報文時將報文傳送給CPU。然后接收方會進一步對GOOSE報文進行解析。

3 配電網中的應用實例

圖1中的開關FS1～FS5在配網中一般是柱上真空斷路器，我們為每一臺柱上真空斷路器配置一臺智能饋線自動化終端（FTU），開關具備切斷故障電流的能力，FTU具備光纖通信功能，可組建GOOSE通信網絡。

具備區域保護功能的FTU是南京電研電力自動化股份有限公司自主研發的一款智能型FTU，是型號為NSA3100HF的配網饋線自動化終端。區域保護的關鍵是需要快速的通信網絡，所以，我們采用光纖以太網，將這些開關的智能控制器（NSA3100HF）連起來，用GOOSE報文傳遞開關之間的閉鎖信息。如圖3所示。

4 區域保護工程應用配置組態

一般“面保護”現場配置比較復雜，一旦運行方式改變，多臺FTU的配置也需要作相應的改變。區域保護充分考慮了這個因素，即使運行方式改變，只需要改動相應的開關周圍的FTU配置即可，做到了改動最小，影響最小，只需要修改GOOSE配置部分，GOOSE配置是在FTU組態軟件中完成的。對于每一個單臺區域保護來說，都有一個GOOSE訂閱和發布的配置。所以用組態工具配置時，只需要關心本區域保護周圍的保護，確定它們之間的訂閱和發布就可以了。

圖3 網絡拓撲結構

5 結語

綜上所述，要想在已經投運的配網終端上實現區域保護，只需要有網絡并修改智能終端的配置即可。采用區域保護算法可使智能終端配置簡單，維護方便，判斷故障點準確快速。目前，已經有很多業內人士在研究將61850通信機制引入配網自動化當中，這其中還有很多需要完善和克服的技術問題。所以，在配網自動化領域還有很多值得研究和探索的技術問題，需要我們不斷學習和鉆研。

［1］劉健，贠保記，崔琪，等．一種快速自愈的分布智能饋線自動化系統［J］．電力系統自動化，2010，34（10）：62～66

［2］袁欽成．配電網系統故障處理自動化技術綜述［J］．電力設備，2007，8（12）：1～5