GOOSE信號閉鎖在煤礦供電系統防越級跳閘中的應用

姚福強，柏 猛，杜兆文（山東科技大學電氣信息系，濟南 250031）

GOOSE信號閉鎖在煤礦供電系統防越級跳閘中的應用

姚福強，柏 猛，杜兆文
（山東科技大學電氣信息系，濟南 250031）

摘要：針對煤礦井下供電系統在短路故障時出現越級跳閘的問題，在煤礦井下現有微機綜保裝置和高速安全監控網絡的基礎上，設計了基于GOOSE通信的閉鎖模塊。利用GOOSE通信機制的實時性和可靠性，當發生短路故障時在供電系統上下級線路綜保裝置間傳送閉鎖信號，可以快速準確地確定故障點位置。測試表明GOOSE信號閉鎖模塊在短路故障時能釋放距故障點最近綜保裝置的跳閘信號，滿足繼電保護選擇性，有效防止越級跳閘現象。

關鍵詞：煤礦；供電系統；短路故障；GOOSE通信；越級跳閘；閉鎖模塊

煤礦井下供電系統為單側電源雙（多）回輻射狀電網，通常采用6/10 kV穿越多級變（配）電所。由于各級變電站間距離較近，供電線路較短，電纜線路阻抗較小，造成各級變電站母線處短路電流差異較小，各級開關的電流速斷保護范圍難以整定；由于煤礦電源進線電流保護的動作時限整定值較小，使得井下供電線路上下級保護難以通過動作時限整定來保證選擇性。因此當下級線路發生短路故障時，多個上級開關的電流會大于其速斷保護整定值，出現上級開關越級跳閘現象，造成煤礦井下供電系統大面積停電，給煤礦安全生產造成嚴重威脅。

為了盡可能避免越級跳閘現象，研究人員提出了多種解決方案。文獻［1］采用犧牲保護速動性來提高選擇性的方法。井下各級變電所進線保護取消瞬時電流速斷保護，各開關Ⅱ段保護采用與相鄰出線的Ⅱ段相配合原則整定，提高了保護的選擇性，但對于出線線路較短、運行方式變化較大的情況下仍不能可靠解決越級跳閘現象。文獻［2］提出了基于上下級保護間電氣信號閉鎖的方案，原理比較簡單，但是由于閉鎖信號電纜較多，接線關系復雜，變電站間需要沿供電電纜遠距離平行架設信號電纜，易受干擾，難以保證電氣閉鎖信號的可靠性，在實際應用中很難達到預期效果。文獻［3-5］提出了采用RS-485、CAN總線通信的閉鎖方案，都需要在變電站設置專用監控分站對閉鎖信號集中處理和中轉，時延長，難以滿足閉鎖保護實時性要求。文獻［6］提出了在煤礦供電系統中采用光纖縱聯差動保護防越級跳閘方案，但該方案需要在變電站間架設專用光纖通道，采用新型微機綜保裝置，這對于新建礦井可行，但對于已建礦井來說改造成本太高，難以推廣。

上述方案的核心思想是在短路故障時由供電線路下游保護向上游保護發出閉鎖信號，避免越級跳閘現象，但是由于閉鎖信號傳輸原因導致不能可靠工作。基于閉鎖原理，本文提出了基于面向通用對象的變電站事件GOOSE（generic object oriented substation event）通信閉鎖的解決方案。

1 基于GOOSE信號閉鎖防越級跳閘解決方案

利用井下安全監控系統的千兆工業以太環網和供電系統現有線路綜保裝置，將數字化變電站中用于傳送實時跳閘信號和間隔閉鎖信號的GOOSE通信技術用于傳送閉鎖信號，實現供電線路下游保護對上游保護跳閘信號的縱向閉鎖控制，可有效防止越級跳閘現象［7-8］。

1.1 GOOSE通信機制特點

GOOSE是電力系統數字變電站通信標準IEC61850提供的快速報文通信機制，在數字化變電站中主要用于傳送實時跳閘信號和間隔閉鎖信號，為保證信息傳輸的實時性和可靠性，GOOSE通信采用了以下幾種重要措施。①GOOSE通信采用了特殊的報文傳輸映射方式，只使用了OSI 7層傳輸協議的4層，在應用層定義了專門的協議數據單元PDU（protocol data unit），經過表示層ANS.1編碼后，不經TCP/IP協議，直接映射到數據鏈路層和物理層，有效避免通信堆棧產生的傳輸延遲。②在數據鏈路層采用IEC802.1Q協議，提供報文傳輸的優先級服務，保證其實時性。③通過虛擬局域網配置，將所有采用GOOSE通信的IDE端口劃分到一個虛擬局域網VLAN（virtual local area network）中，IED發布的組播包只能在VLAN內部端口轉發，節約帶寬，有益于GOOSE實時通信。

GOOSE信息交換基于發布者/訂閱者通信機制，支持多個通信節點之間的點對點直接通信，尤其適合于數據流量大且實時性要求高的數據通信。發布者采用多播方式發送報文，當發生故障時，GOOSE數據集變化觸發快速變位發送，并利用重發機制應對數據包丟失問題，并通過狀態變化次數、重發序號和報文存活時間等參數保證通信的可靠性［9-11］。

IEC61850要求GOOSE信號通信延遲應小于4 ms。文獻［9-10］對GOOSE通信延遲時間進行了精確測定，結果表明變電站內傳輸延遲時間小于2 ms。由于井下各變電站間工業以太網需通過交換機連接，考慮到交換機的交換延遲和可能的數據堵塞，GOOSE通信最大延遲小于10 ms［11］，滿足繼電保護信號閉鎖的實時性要求。

1.2 基于GOOSE信號閉鎖防越級跳閘原理

1.2.1 GOOSE信號閉鎖原理

圖1為某煤礦井下2級變電站供電網絡GOOSE閉鎖原理示意。P01～P39為各線路微機綜保裝置，B01～B39為基于GOOSE通信的信號閉鎖模塊，為上下級保護間建立通信聯系，綜保裝置的跳閘輸出信號經閉鎖模塊輸出至斷路器跳閘機構。

圖1 GOOSE閉鎖原理示意Fig.1 Diagram of blocking principle based on GOOSE

各段母線所有出線綜保裝置（如P31和P37）通過其信號閉鎖模塊向本變電站電源進線綜保裝置（如P21）提供閉鎖信號，構成簡易分段母線閉鎖保護。若分段斷路器（如23斷路器）在合閘狀態，則兩段母線所有出線保護的閉鎖信號須同時傳送給兩段母線電源進線的綜保裝置，并對其進行閉鎖；若分段斷路器處于分閘狀態，則各段母線出線保護只需對本段母線電源進線綜保裝置提供閉鎖信號，閉鎖邏輯如圖2所示。上下級變電站間供電線路的下游保護（如P21）向上游保護（如P11）提供閉鎖信號，構成線路閉鎖保護。

GOOSE信號閉鎖模塊的閉鎖邏輯如圖3所示。由于GOOSE通信的最大延遲小于10 ms，閉鎖模塊檢測到保護跳閘信號后向上游保護發送閉鎖信號，同時對跳閘信號閉鎖10 ms以接收下游保護的閉鎖信號。若10 ms內收到下游保護的閉鎖信號，則認為是保護區外故障，繼續閉鎖保護跳閘信號輸出；若在10 ms內沒有收到下游保護的閉鎖信號，則認為是保護區內故障，10 ms后輸出跳閘信號。

圖2 分段母線進線保護閉鎖邏輯示意Fig.2 Logic diagram of inlet relay blocking of sectionalized bus

圖3 GOOSE信號閉鎖邏輯Fig.3 Blocking logic based on GOOSE signal

1.2.2 GOOSE信號閉鎖實例分析

如圖1所示，變電站分列運行，分段斷路器03 和23處于斷開狀態。

若采區變電所31#出線上d1點發生相間短路故障，故障電流大于保護P31、P21和P11的Ⅰ段保護定值，3個保護均瞬時輸出跳閘信號，閉鎖模塊B31向B21、B21向B11、B11向B01發送閉鎖信號，10 ms內閉鎖模塊B21和B11分別收到B31和B21閉鎖信號而繼續閉鎖其保護的跳閘輸出，而B31閉鎖模塊無閉鎖信號而開放P31的跳閘輸出信號，斷開31斷路器解除故障，從而保證了保護的選擇性。若31斷路器失靈拒動，B31開放跳閘輸出后延時一段時間沒有收到31斷路器跳閘動作信號，則由B31向B21發出解除閉鎖信號，B21開放P21跳閘輸出使斷路器21動作切除故障。閉鎖模塊繼電器動作時間一般為20 ms左右，煤礦井下常用6/10 kV真空斷路器的分閘時間一般為50～60 ms，考慮動作時間分散性及不同型號斷路器的差別，延時時間可在100～120 ms間選擇。

若采區變電所Ⅰ段母線d2點發生短路故障，保護P21和P11瞬時動作，其閉鎖模塊B21和B11分別向上游閉鎖模塊B11和B01發送閉鎖信號，而I段母線各出線保護均不動作，都不會向B21發送閉鎖信號，因而B21閉鎖模塊10 ms后判斷為區內I段母線故障而開放P21跳閘輸出；B11閉鎖模塊收到B21的閉鎖信號而判斷為線路外故障，繼續閉鎖P11跳閘輸出，保證選擇性。

其他線路發生短路故障時閉鎖原理基本相同。

2 GOOSE信號閉鎖模塊設計及GOOSE通信配置

2.1 GOOSE信號閉鎖模塊設計

GOOSE閉鎖模塊由中央處理單元、通信單元、開關量輸入/輸出單元、電源單元組成，接線如圖4所示。

圖4 閉鎖模塊連接示意Fig.4 Connection diagram of blocking module

中央處理單元采用ATMEL公司的32位高速微控制器AT91SAM7X128，集成一個10/100 M自適應以太網控制器，支持IEEE802.1Q虛擬局域網和優先級處理標簽幀，便于實現GOOSE配置及高速通信；集成一個CAN2.0控制器及兩個通用異步收發器，添加簡單接口芯片即可實現CAN總線通信和RS-485通信，大大簡化通信單元的硬件設計，方便與具有不同通信接口的綜保裝置通信。

開關量輸入/輸出單元采用光電隔離裝置，提高模塊的抗干擾能力。通過DI1輸入并檢測綜保裝置跳閘信號，通過DI2檢測斷路器跳閘機構動作信號，可判斷斷路器工作狀態。閉鎖觸點k2采用繼電器常閉觸點，正常工作時觸點打開可閉鎖跳閘信號輸出，當閉鎖模塊故障時觸點自動閉合，不影響跳閘信號正常輸出；k3觸點是為了防止k1跳閘脈沖持續時間過短而導致因閉鎖延時而無跳閘輸出。

具有“GOOSE閉鎖控制”的“投入/退出”選擇功能。供電網絡最末端保護的閉鎖模塊（如圖1中B31～B39）沒有下游保護閉鎖，可解除其對跳閘信號的閉鎖控制，只需在檢測到跳閘信號時向上游閉鎖模塊發送閉鎖信號即可。因此對于供電網絡末端保護的閉鎖模塊，退出其“GOOSE閉鎖控制”，使k2觸點閉合，直接開放k1跳閘信號輸出。

通信單元具有RS-485、CAN總線和以太網通信接口。閉鎖模塊通過RS-485或CAN總線與綜保裝置通信，讀取綜保裝置運行數據。通過以太網GOOSE通信發送/接收閉鎖信號；通過以太網MMS通信與監控主機構成供電監控系統，向監控主機發送從綜保裝置讀取的運行數據；當閉鎖模塊故障或網絡故障與監控主機失聯時，由監控主機報警以便及時檢修處理，不考慮GOOSE通信故障時出現短路故障的閉鎖保護問題。

工作電源取自微機綜保裝置，通過DC-DC模塊實現不同電源的變換和隔離。

模塊集成度較高，體積較小適于安裝在各種微機綜保裝置內部，滿足防爆電氣設備的要求。

2.2 GOOSE網絡結構及通信配置

國家電網關于智能變電站設計規范中規定：35 kV及以下變電站宜采用間隔層、站控層兩層一網結構，不需設置獨立的GOOSE網絡，GOOSE報文和MMS報文共網運行［8，12］。GOOSE通信機制要求通信網絡能夠支持VLAN劃分、報文優先級選擇和MAC地址識別來滿足其通信的實時性。

現在多數煤礦井下已建設千兆工業以太環網并連接各變電站，設備性能完全滿足GOOSE通信要求，各GOOSE閉鎖模塊可通過交換機接入通信網絡。網絡結構示意如圖5所示。

圖5 GOOSE通信網絡結構示意Fig.5 Schematic of network structure in GOOSE communication

GOOSE通信基于發布者/訂閱者通信機制。發布者需要控制報文的心跳間隔、變化間隔、MAC地址、VLAN地址及優先級等；訂閱者需要了解所需GOOSE信號閉鎖報文的發布者編號APPid等信息才能有效接收［13］。因此需要為GOOSE通信劃分專用VLAN，配置每個閉鎖模塊的MAC地址、VLAN地址、優先級、以太網類型、心跳間隔等通用信息。根據閉鎖模塊在供電網絡中的閉鎖邏輯，設置其需接收閉鎖信號的發布者地址，以便對接收的報文進行過濾。所有配置參數可通過RS-485通信或網絡通信由上位機配置軟件設置。

3 實驗測試

為測試GOOSE閉鎖方案的可靠性，搭建了圖6所示測試系統。3臺交換機縱向連接，各接1臺閉鎖模塊，繼電保護測試儀電流輸出串接入3臺綜保裝置，綜保裝置的跳閘輸出和閉鎖模塊的跳閘輸出分別接入繼電保護測試儀的開關量輸入端。退出1#閉鎖模塊的“GOOSE閉鎖控制”，投入2#、3#模塊的“GOOSE閉鎖控制”，3臺綜保裝置的電流I段保護都設置為3.0 A，調整繼電保護測試儀輸出電流，檢查各綜保裝置和閉鎖模塊的動作情況。

圖6 測試系統示意Fig.6 Schematic of test system

表1記錄了各綜保裝置和閉鎖模塊在不同電流時的跳閘動作情況。可以看出，當電流小于整定值時，綜保裝置和閉鎖模塊均無跳閘信號；當電流大于整定值時，3個綜保裝置均輸出跳閘信號，不同綜保裝置跳閘信號輸出時間稍有差別，這與繼電器動作特性有關。若繼電器動作時間差別較大，需適當延長閉鎖模塊的閉鎖時間T。

表1 綜保裝置與閉鎖模塊跳閘動作順序Tab.1 Tripping time of protection devices and blocking modules ms

1#閉鎖模塊由于退出“GOOSE閉鎖控制”，k2觸點閉合開放1#綜保跳閘輸出，因此1#閉鎖模塊跳閘輸出時刻與1#綜保相同。2#、3#閉鎖模塊由于分別收到1#、2#閉鎖模塊的閉鎖信號而保持對2#、3#綜保跳閘輸出的閉鎖。由于各閉鎖模塊的DI2未接入斷路器跳閘機構動作反饋信號，1#閉鎖模塊在1#綜保跳閘100 ms后認為斷路器拒動，向2#閉鎖模塊發出解除閉鎖信號，2#閉鎖模塊隨即開放跳閘輸出，在170 ms時刻左右輸出跳閘信號。同樣2#閉鎖模塊發出跳閘信號100 ms后未收到跳閘機構動作反饋信號，認為開關拒動而解除對3#閉鎖模塊的閉鎖，3#閉鎖模塊在300 ms時刻左右輸出跳閘信號。由此可見，基于GOOSE信號閉鎖的方案能夠有效防止越級跳閘現象發生。

4 結語

本文分析了煤礦井下供電系統越級跳閘的原因和現有解決方案的優缺點，基于GOOSE通信的實時性和可靠性，對基于GOOSE信號閉鎖的防越級跳閘方案進行了研究，設計了適用于現有各種微機綜保裝置的GOOSE閉鎖模塊，并通過實驗測試驗證了該方案的可靠性。與其他防越方案相比，本方案利用煤礦井下供電系統的綜保裝置和監控網絡，簡單可靠，施工方便，符合井下電氣設備改造規程要求。

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姚福強（1972—），男，碩士，副教授，研究方向為煤礦供電系統監控及礦山機電設備自動化。Email：yaofq001@163.com

柏 猛（1981—），男，博士，講師，研究方向為電力系統自動化、機器人控制。Email：baimeng06@163.com

杜兆文（1964—），男，學士，副教授，研究方向為電力系統繼電保護、電力系統自動化。Email：duzhw_2005@163.com

中圖分類號：TD611

文獻標志碼：A

文章編號：1003-8930（2016）07-0037-05

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.07.007

作者簡介：

收稿日期：2015-03-24；修回日期：2016-01-04

基金項目：山東省高等學校優秀青年教師國內訪問學者資助項目；山東省自然科學基金資助項目（ZR2011FQ022，ZR2012FQ018）

Application of GOOSE Blocking to Anti-override Trip of Power System in Coal Mine

YAO Fuqiang，BAI Meng，DU Zhaowen
（Department of Electrical and Information，Shandong University of Sicence and Technology，Jinan 250031，China）

Abstract：For the problem of override trip in coal mine power system，a kind of signal blocking module based on gener?ic object oriented substation event（GOOSE）communication is designed on the basis of the existing microcomputer re?lay protection devices and high speed safety monitoring network.By taking the advantage of the reliability and rapidity of GOOSE communication，the blocking signal can be transferred between the relay protection devices in the case of short-circuit fault，and the fault location can be detected quickly and accurately.Test results show that the blocking modules can release the tripping control signal from the nearest relay protection device.The proposed method can satis?fy the requirement of selectivity and avoid the override trip effectively.

Key words：coal mine；power sysytem；short-circuit fault；generic object oriented substation event（GOOSE）communi?cation；override trip；blocking module