基于GOOSE網(wǎng)絡(luò)的方向電流閉鎖型防越級保護(hù)方案研究

費章君，萬尚軍，胡海峰

(1.南京征途信息技術(shù)有限公司， 江蘇 南京 210012；2.上海昊軒電子科技有限公司， 上海 200436)

0 引言

新加坡、日本等國家對配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行進(jìn)行了長期的模式研究和成功實踐，提高了供電可靠性、靈活性，降低了停電時間[1]。我國也進(jìn)行了閉環(huán)運(yùn)行的理論探討和試點[2]，這是未來智能配電網(wǎng)的發(fā)展方向。作為煤礦某些線路供電容量小或部分電源突然斷電造成煤礦安全隱患等實際問題的解決方案之一，將井下母線分段開關(guān)閉合形成網(wǎng)格閉環(huán)運(yùn)行的供電系統(tǒng)作為研究對象，本文提出了基于GOOSE網(wǎng)絡(luò)的方向電流閉鎖型防越級保護(hù)方案。

煤礦的三級供電系統(tǒng)具有供電距離短、供電密度大、保護(hù)區(qū)間小等特征，在電網(wǎng)故障時,各級故障電流難以區(qū)分,導(dǎo)致過流定值設(shè)置困難，同時受總進(jìn)線過流速斷保護(hù)零延時定值限制，內(nèi)部配電網(wǎng)延時定值不能滿足選擇性要求，從而導(dǎo)致越級跳閘。目前常見的防越級保護(hù)方案主要基于電流差動保護(hù)原理[3-4]、集中式網(wǎng)絡(luò)保護(hù)原理[5]、閉鎖保護(hù)原理[6-8]。電流差動保護(hù)原理適合于多電源系統(tǒng)，需要線路和母線差動保護(hù)，原理復(fù)雜、硬件要求高、工程實施難度大，開關(guān)拒動時只能由上級的過流保護(hù)來切除故障，延時長；集中式網(wǎng)絡(luò)保護(hù)原理依賴強(qiáng)大的主機(jī)功能和網(wǎng)絡(luò)功能，施工復(fù)雜，故障因素較多；閉鎖保護(hù)原理適用于單電源系統(tǒng)，原理簡明，施工便利，但需要采用合適的實現(xiàn)方案。

1 基于GOOSE網(wǎng)絡(luò)的方向電流閉鎖型防越級保護(hù)方案

如圖1所示，某煤礦供電系統(tǒng)由地面變電站、中央變電所和采區(qū)變電所組成。地面變電站的兩路出線或一路出線、一路分布式電源分列運(yùn)行，中央變電所和采區(qū)變電所并列運(yùn)行，是一個較為典型的多電源閉環(huán)供電系統(tǒng)。

圖1 煤礦供電系統(tǒng)

每個開關(guān)各配置一臺智能防越級保護(hù)裝置，站所內(nèi)的保護(hù)裝置通過站內(nèi)交換機(jī)組網(wǎng)，站間交換機(jī)通過光纖連接，從而構(gòu)成了一套完整的防越級通信系統(tǒng)。

GOOSE是指面向通用對象的變電站事件，是IEC61850中的一種快速報文傳輸機(jī)制，用于傳輸變電站內(nèi)IED之間傳送遙信、遙控、閉鎖等實時信號。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，保護(hù)裝置判斷故障并結(jié)合收到的GOOSE信息，實現(xiàn)故障跳閘、閉鎖或延時跳閘，確保故障的正確解除和電網(wǎng)安全。

下文通過電網(wǎng)發(fā)生故障來說明該方案的工作原理。假定故障電流正方向由母線指向線路，由I段母線指向II段母線，裝置間信息傳遞時間小于1 ms。

假設(shè)圖1中故障點F發(fā)生相間故障。裝置DM-L1、DM-L2、KY-P1、KY-P2、KY-P3、KY-P5、KY-P6、KY-P8、KY-P9、KY-P10過流速斷啟動，并向各自的正向上級裝置發(fā)送1級閉鎖信息。裝置DM-L1、DM-L2、KY-P1、KY-P2、KY-P3、KY-P5、KY-P8、KY-P10幾乎同時收到相鄰下級的1級閉鎖信息,如圖1中虛線所示，過流速斷被閉鎖延時1級時間,每級閉鎖延時時間默認(rèn)為20 ms。

KY-P6判斷出正向故障并且靠近故障，不會接收閉鎖信息，過流速斷無延時動作。故障啟動后,KY-P6向正向上級KY-P2、KY-P3發(fā)送1級閉鎖信息,KY-P2檢測到反向故障并接收到1級閉鎖信息，過流速斷延時1級時間，加1級后向反向上級DM-L2發(fā)送2級閉鎖信息，DM-L2過流速斷延時2級時間。KY-P3檢測到正向故障并接收到KY-P6的1級閉鎖信息，過流速斷延時1級時間，向正向上級KY-P1、KY-P5發(fā)送2級閉鎖信息，KY-P1檢測到反向故障并接收到2級閉鎖信息，過流速斷延時2級時間，并向反向上級DM-L1發(fā)送3級閉鎖信息。KY-P5判斷出正向故障并向正向上級KY-P1、KY-P3發(fā)送閉鎖信息，由于KY-P5、KY-P3互發(fā)閉鎖信息，故各自拋棄收到對方的閉鎖信息。

裝置KY-P9、KY-P10、KY-P8、KY-P5、KY-P1、DM-L1的閉鎖信息處理與上述過程類似。KY-P1接收到KY-P5的4級閉鎖信息和KY-P3的2級閉鎖信息，取較大的閉鎖等級4級，過流速斷延時4級時間。DM-L1收到更新的5級閉鎖信息，過流速斷延時5級時間。

所有上級保護(hù)裝置都閉鎖跳閘并達(dá)到穩(wěn)定的閉鎖時間，直到KY-P6、KY-P9瞬時切除故障。被閉鎖裝置接收到KY-P6、KY-P9發(fā)送的已動作信息時擴(kuò)展跳閘閉鎖信號100 ms,以確保開關(guān)完全避開故障。故障消除后閉鎖信息將會更新為開放狀態(tài)。

假設(shè)KY-P9所在開關(guān)拒動，上級KY-P10將在收到1級閉鎖信號后延時20 ms，之后再收到已動作信號后延時100 ms，即最長閉鎖120 ms后發(fā)出跳閘命令避開故障。

2 工程應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為3層：設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、站控層，如圖2所示。井下中央變電所、采區(qū)變電所和地面變電站內(nèi)的防越級保護(hù)裝置通過光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)成防越級GOOSE網(wǎng)絡(luò)，由井下監(jiān)控分站組成的千兆光纖環(huán)網(wǎng)能保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。

圖2 防越級系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

該方案的關(guān)鍵技術(shù)是防越級保護(hù)裝置的設(shè)計和防越級配置軟件的設(shè)計，綜合考慮功能、性能和安裝調(diào)試等情況。防越級保護(hù)裝置主要進(jìn)行了如下優(yōu)化：

1) GOOSE防越級信息和后臺監(jiān)控數(shù)據(jù)通過同一以太網(wǎng)共網(wǎng)傳輸，在確保數(shù)據(jù)實時性和可靠性的同時，簡化了施工。

2) GOOSE防越級信息和正常運(yùn)行時的GOOSE心跳報文包含的一次電力系統(tǒng)的層次架構(gòu)信息，可以發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析使用。

3) 裝置實時記錄故障過程中發(fā)送和接收的GOOSE防越級信息，包括發(fā)送時間、接收時間、故障啟動信息、閉鎖信息、閉鎖等級，并生成防越級動作行為文件，與故障錄波文件一起傳送到監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行分析。

4) 采用精確的通信對時，誤差小于2 ms，確保防越級信息記錄的準(zhǔn)確性。

5) 防越級定值只需分別設(shè)置一個或多個正向上級和反向上級IP地址，GOOSE報文使用的MAC地址按照一定規(guī)律自動生成，減少了參數(shù)設(shè)置，也便于識別裝置和擴(kuò)展系統(tǒng)。

6) 具備GOOSE通信故障報警功能。防越級配置軟件安裝在監(jiān)控主機(jī)上，具有以下功能：

(1) 防越級關(guān)系自動配置功能。利用該軟件的圖形模塊繪制一次系統(tǒng)圖，將設(shè)置好IP地址的防越級保護(hù)裝置關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的開關(guān)設(shè)備，可以一鍵自動配置每一臺防越級保護(hù)裝置的正向上級和反向上級，并下載到裝置中。

(2) 一次系統(tǒng)關(guān)系圖自動生成功能。根據(jù)接收到的防越級保護(hù)裝置的GOOSE心跳或防越級報文信息，可以分析并繪制出一次系統(tǒng)圖。

(3) 防越級動作分析功能。故障發(fā)生后，可以自動獲取防越級保護(hù)裝置的防越級動作行為文件和故障錄波文件，生成整個防越級系統(tǒng)的信息流程圖，從而分析故障發(fā)生的原因和防越級系統(tǒng)的工作過程。

3 防越級保護(hù)裝置設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

為了提高防越級的實時性，保護(hù)裝置采用2片基于ARM核MCU的硬件架構(gòu)，如圖3所示。保護(hù)MCU(STM32F407)實現(xiàn)故障計算、故障啟動判斷、保護(hù)邏輯判斷、故障跳閘等功能，通信MCU(STM32F767)實現(xiàn)GOOSE報文收發(fā)、防越級GOOSE邏輯處理、 防越級動作行為文件生成和管理。

圖3 保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)

3.2 軟件設(shè)計

保護(hù)MCU和通信MCU程序都采用基于實時操作系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，有利于提高產(chǎn)品的可靠性和可維護(hù)性。對于實時性要求高、對防越級級性能起關(guān)鍵作用的方向電流故障啟動判斷模塊、GOOSE報文處理和邏輯判斷模塊做了優(yōu)化設(shè)計，有效提高了防越級性能。防越級跳閘程序流程如圖4所示。

圖4 防越級跳閘程序流程

4 方案驗證方法和分析

在專業(yè)動模測試設(shè)備RTDS上搭建了圖1的防越級系統(tǒng)測試模型，進(jìn)行了6組用例的防越級功能測試，測試結(jié)果見表1。用例1為單電源單分支模型，防越級不投方向。用例2為單電源多分支模型，防越級不投方向。用例3為單電源單分支模型，防越級投方向。用例4為單電源多分支模型，防越級投方向。用例5為單電源環(huán)網(wǎng)模型，防越級投方向。用例6為雙電源環(huán)網(wǎng)模型，防越級投帶方向。從測試結(jié)果可以看出，該防越級方案適用于單電源、多電源、開環(huán)、閉環(huán)等各種系統(tǒng)，具有很好的防越級效果。

表1 防越級動模結(jié)果

5 結(jié)論

從原理分析和動模試驗結(jié)果的相互驗證可知，基于GOOSE網(wǎng)絡(luò)的方向電流閉鎖型防越級保護(hù)方案可有效解決多電源閉環(huán)運(yùn)行供電系統(tǒng)的越級跳閘問題。通過防越級保護(hù)裝置的智能化功能，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源實現(xiàn)的防越級保護(hù)系統(tǒng)，具有實時性高、方案可靠、施工簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點，適用于單電源、多電源、開閉環(huán)的各種供電系統(tǒng)的防越級系統(tǒng)部署。