基于GOOSE機(jī)制的城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)繼電保護(hù)方案優(yōu)化

吳仕平 王漢林 呂良君

(國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，210061，南京∥第一作者，工程師)

城市軌道交通供電系統(tǒng)一般采用集中式和分散式2 種供電模式。不管哪種供電模式，35 kV 或10 kV 中壓供電系統(tǒng)將形成大分區(qū)或者小分區(qū)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即:將全線車站變電所劃分到若干個(gè)供電分區(qū)內(nèi)，每個(gè)供電分區(qū)從主變電所(開閉所)引入兩回電源至分區(qū)內(nèi)第一座車站變電所的Ⅰ、Ⅱ段母線，分區(qū)內(nèi)車站變電所間采用環(huán)網(wǎng)電纜將Ⅰ、Ⅱ段母線分別連接在一起，形成開放式環(huán)形供電［1］。目前，這種供電模式下主要的保護(hù)配置是“光纖差動(dòng)保護(hù)加過流保護(hù)”方案。該方案存在的主要問題是:差動(dòng)保護(hù)的原理決定了其保護(hù)范圍的局限性，保護(hù)范圍僅是兩側(cè)電流互感器之間的環(huán)網(wǎng)線路，既不能保護(hù)斷路器柜故障，又不能作相鄰元件的后備保護(hù)。因此，當(dāng)斷路器柜故障或差動(dòng)保護(hù)故障時(shí)，只能依賴于過電流保護(hù)。而城市軌道交通中壓供電環(huán)網(wǎng)接線的特點(diǎn)決定了過電流保護(hù)需要靠延時(shí)配合獲取選擇性，其選擇性與中壓環(huán)網(wǎng)中每個(gè)環(huán)串的變電所數(shù)量，以及主變電站饋線側(cè)的過電流保護(hù)時(shí)間的設(shè)定密切相關(guān)。所以當(dāng)采用大環(huán)串方案時(shí)，現(xiàn)有的保護(hù)方案在選擇性與速動(dòng)性上不能同時(shí)滿足?，F(xiàn)有的保護(hù)方案主要考慮供電線路發(fā)生故障的情況，而對(duì)母線故障的保護(hù)欠缺考慮。文獻(xiàn)［2］提出的保護(hù)方案在一定程度上能保證保護(hù)的選擇性和速動(dòng)性，但其信號(hào)閉鎖機(jī)制完全基于傳統(tǒng)的硬接點(diǎn)接線方式，二次接線復(fù)雜，不利于施工和成本的降低。

近年來，隨著IEC 61850 在電力系統(tǒng)的逐步推廣，GOOSE(面向通用對(duì)象的變電站事件)成為IEC 61850 的一個(gè)全新應(yīng)用。GOOSE 服務(wù)是以高速P2P(Peer-to-Peer)通信為基礎(chǔ)，替代了傳統(tǒng)的智能電子設(shè)備(IED)之間硬接線的通信方式，為邏輯節(jié)點(diǎn)間的通信提供了快速且高效可靠的方法［3-4］。為實(shí)現(xiàn)控制、保護(hù)、信號(hào)和通信一體化的多功能綜合保護(hù)測(cè)控裝置之間的聯(lián)網(wǎng)提供了可靠保證。因此，尋求一種基于GOOSE 機(jī)制的中壓環(huán)網(wǎng)保護(hù)方案應(yīng)用于城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)，對(duì)于城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

1 基于GOOSE的數(shù)字通信電流保護(hù)方案

基于GOOSE 機(jī)制的微機(jī)保護(hù)在一些文獻(xiàn)中又稱之為數(shù)字通信電流保護(hù)［5-6］。數(shù)字通信電流保護(hù)是基于微機(jī)保護(hù)裝置間的網(wǎng)絡(luò)通信功能提出的一種新的保護(hù)方案，該保護(hù)方案是以GOOSE 通信為基礎(chǔ)的，以邏輯閉鎖為核心的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)方案。利用GOOSE 通信技術(shù)建立軌道交通供電系統(tǒng)變電站內(nèi)及站間中壓保護(hù)裝置間的通信平臺(tái)?；贕OOSE的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于GOOSE 的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

與保護(hù)相關(guān)的 GOOSE 信號(hào)分為:第 1 類GOOSE 信號(hào)、第 2 類 GOOSE 信號(hào)、第 3 類 GOOSE信號(hào)和第4 類GOOSE 信號(hào)。與這4 類信號(hào)相關(guān)聯(lián)的保護(hù)分別為GOOSE 閉鎖式電流保護(hù)、GOOSE 開放式電流保護(hù)、GOOSE 開放式失靈保護(hù)、GOOSE聯(lián)跳。第1 類GOOSE 信號(hào)對(duì)保護(hù)的作用是閉鎖住電流保護(hù)，第2、3、4 類 GOOSE 信號(hào)則是啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)。如圖2所示的K1點(diǎn)故障，故障電流流過4DL 和1DL，圖中虛線箭頭代表第1 類GOOSE信號(hào)的傳送方向，實(shí)線箭頭代表第3 類GOOSE信號(hào)的傳送方向。當(dāng)4DL 斷路器處的故障電流大于啟動(dòng)定值后，4DL 斷路器的保護(hù)裝置立刻向1DL 傳送第 1 類 GOOSE 信號(hào);與此同時(shí) 1DL 保護(hù)裝置收到4DL 啟動(dòng)信號(hào)后，判定故障為母線區(qū)外故障，1DL 處電流保護(hù)被閉鎖。K1點(diǎn)故障由4DL 處配置的保護(hù)切除。而如果4DL 斷路器失靈，未能切除故障，4DL 處保護(hù)裝置失靈保護(hù)啟動(dòng)后立刻向GOOSE 網(wǎng)廣播第3 類GOOSE 信號(hào)，相關(guān)斷路器處保護(hù)裝置收到該信號(hào)后各自跳開對(duì)應(yīng)的斷路器。

2 繼電保護(hù)動(dòng)作分析

為便于分析，這里選取城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)中有代表性的1 個(gè)供電分區(qū)，如圖3所示。根據(jù)城市軌道交通供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，供電故障主要發(fā)生在環(huán)網(wǎng)電纜、母線、饋線等幾個(gè)地方(即圖中K1，K2，K3，K4故障點(diǎn))，針對(duì)各個(gè)故障點(diǎn)，分析各保護(hù)之間如何利用基于GOOSE 網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的數(shù)字通信電流保護(hù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的可靠性、選擇性、靈敏性、速動(dòng)性。以下分別對(duì)各故障點(diǎn)的保護(hù)動(dòng)作行為進(jìn)行具體分析。

圖2 GOOSE 信號(hào)傳遞機(jī)制

2.1 環(huán)網(wǎng)線路故障(K1點(diǎn))

2.1.1 站間光纖差動(dòng)保護(hù)裝置通信正常情況

對(duì)于相間故障和小電阻接地系統(tǒng)的接地故障，由差動(dòng)保護(hù)裝置跳開線路兩端進(jìn)、出線斷路器DL4和DL5，切除故障。對(duì)于接地故障，由零序差動(dòng)保護(hù)瞬時(shí)切除故障跳閘。

圖3 環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 站間光纖差動(dòng)保護(hù)光纖通信異常(或裝置異常)情況

對(duì)于K1點(diǎn)故障來說，如果光纖差動(dòng)保護(hù)光纖通信異?；蛘哐b置異常(如AD 自檢出錯(cuò)、開入開出板件異常、定值自檢出錯(cuò)等)，DL4處差動(dòng)保護(hù)將被閉鎖。同時(shí)發(fā)送第2 類GOOSE 信號(hào)給本處的電流后備保護(hù)裝置，DL4處的電流后備保護(hù)收到此信號(hào)后啟動(dòng)GOOSE 開放式電流保護(hù)，經(jīng)延時(shí)跳開環(huán)出線斷路器DL4;同理，DL5處的保護(hù)也按此原理跳開DL5斷路器。其他環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線的光纖通訊均正常，DL1處、DL2處、DL3處雖然能檢測(cè)到故障電流，但沒收到來至DL4處的第2 類GOOSE 信號(hào)，均不會(huì)動(dòng)作。

2.1.3 后備保護(hù)裝置異常情況

若DL4處電流后備保護(hù)裝置異常，則發(fā)送第2類GOOSE 信號(hào)至DL3和DL10處保護(hù)裝置;K1點(diǎn)故障時(shí)，DL3(或DL10)處保護(hù)檢測(cè)到故障電流同時(shí)接收到DL4處第2 類GOOSE 信號(hào)，啟動(dòng)開放式電流保護(hù)，動(dòng)作于各自的斷路器，切除故障。

2.1.4 斷路器失靈情況

變電所2 的DL4處裝置檢測(cè)到斷路器失靈后，發(fā)送第3 類GOOSE 信號(hào)，DL3(或DL10)處電流保護(hù)裝置接收到此信號(hào)后啟動(dòng)GOOSE 開放式失靈保護(hù)，跳開環(huán)進(jìn)線斷路器DL3(或DL10)切除故障。

2.2 饋線故障(K2點(diǎn))

正常情況下K2點(diǎn)故障時(shí)，DL9、DL3同時(shí)檢測(cè)到故障電流，DL9處饋線保護(hù)裝置發(fā)送第1 類GOOSE信號(hào)，DL3處的電流裝置收到此閉鎖信號(hào)后閉鎖本裝置電流保護(hù)。由DL9處饋線電流保護(hù)裝置動(dòng)作，跳開DL9斷路器切除故障，DL3處電流保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)，有效地區(qū)分了母線故障和饋線故障。

斷路器DL9失靈情況下 K2點(diǎn)故障時(shí)，若出現(xiàn)DL9處饋線保護(hù)動(dòng)作但饋線斷路器失靈，饋線保護(hù)發(fā)送第 3 類 GOOSE 信號(hào)，DL3、DL4和 DL10處電流保護(hù)裝置收到此信號(hào)后，各自跳開相應(yīng)位置的斷路器。若出現(xiàn)饋線保護(hù)裝置異常，DL9處饋線保護(hù)發(fā)送第2 類 GOOSE 信號(hào)，DL3、DL4和 DL10處電流保護(hù)裝置收到此信號(hào)后，啟動(dòng)各自的電流保護(hù)，跳開相應(yīng)位置的斷路器。

2.3 正常供電方式下的母線故障(K3點(diǎn))

正常情況下的對(duì)于K3點(diǎn)故障，環(huán)網(wǎng)出線、饋線、母聯(lián)保護(hù)均不能檢測(cè)到故障電流，但變電所2(即故障所在變電所)的環(huán)網(wǎng)進(jìn)線DL3處及上級(jí)變電所DL1、DL2處保護(hù)均能檢測(cè)到故障電流，各自發(fā)出第1 類GOOSE 信號(hào)，上級(jí)變電所的進(jìn)線DL1、出線DL2處保護(hù)相互收到對(duì)方的閉鎖信號(hào)，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng);DL3處保護(hù)沒有收到閉鎖信號(hào)，閉鎖式過流保護(hù)動(dòng)作，切除母線故障，從而實(shí)現(xiàn)母線保護(hù)的功能。

環(huán)網(wǎng)進(jìn)線保護(hù)裝置異常情況下環(huán)網(wǎng)進(jìn)線后備保護(hù)裝置(DL3處)異常時(shí)，保護(hù)無法在原先預(yù)計(jì)的時(shí)刻切除故障。DL3處后備保護(hù)裝置將發(fā)送第2 類GOOSE 信號(hào)，通過站間GOOSE 網(wǎng)，上級(jí)變電所的環(huán)網(wǎng)出線電流保護(hù)裝置(DL2處)接收到此信號(hào)，其開放式電流保護(hù)啟動(dòng)，經(jīng)延時(shí)跳開 DL2，切除母線故障。

斷路器DL3失靈情況下環(huán)進(jìn)線斷路器DL3拒動(dòng)，DL3處后備保護(hù)裝置將第3 類GOOSE 信號(hào)給上級(jí)變電所的DL2處環(huán)出線保護(hù)裝置，由其跳開斷路器DL2，快速切除故障。

2.4 經(jīng)母聯(lián)供電模式下母線故障(K4點(diǎn))

正常情況下K4點(diǎn)故障時(shí)，只有I 段母線上保護(hù)裝置的第1 類GOOSE 信號(hào)，而Ⅱ段母線上保護(hù)裝置沒有檢測(cè)到故障電流，不會(huì)發(fā)送第1 類GOOSE 信號(hào);若分段保護(hù)裝置判斷到兩段母線上同時(shí)有保護(hù)裝置發(fā)第1 類GOOSE 信號(hào)，則認(rèn)為是Ⅱ段母線以外的區(qū)域故障，閉鎖電流保護(hù)，從而保證了保護(hù)選擇性。分段保護(hù)利用這一特性來判斷故障出現(xiàn)在K4處。在圖3 中，DL10處保護(hù)裝置沒有檢測(cè)到Ⅱ段母線上保護(hù)裝置的第1 類GOOSE 信號(hào)，保護(hù)動(dòng)作跳開斷路器DL10，切除故障。環(huán)網(wǎng)進(jìn)線DL3即使能檢測(cè)到故障電流，但因同時(shí)接收到來至DL10處保護(hù)裝置發(fā)出的第1 類GOOSE 信號(hào)，所以保護(hù)不會(huì)誤啟動(dòng)。

分段保護(hù)裝置異常時(shí)，發(fā)送第2 類GOOSE 信號(hào)，供電端來自I 母環(huán)網(wǎng)進(jìn)線時(shí)，進(jìn)線DL3處后備保護(hù)裝置收到此信號(hào)后，自動(dòng)投入開放式電流保護(hù)，經(jīng)過延時(shí)跳開DL3，切除故障。同理，如果電源端來自Ⅱ段母，則跳開DL7。

斷路器DL10失靈情況下對(duì)于K4點(diǎn)發(fā)生的故障，分段保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘，如果分段斷路器DL10拒動(dòng)，DL10處分段保護(hù)裝置將廣播發(fā)送第3 類GOOSE 信號(hào)給本站I 母、Ⅱ母所有進(jìn)出線電流保護(hù)裝置，由其跳開各自對(duì)應(yīng)的斷路器，快速切除故障。

3 RTDS仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證保護(hù)方案的動(dòng)作性能，在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真(Real Time Digital Simulator，簡(jiǎn)為RTDS)系統(tǒng)中進(jìn)行了數(shù)模仿真試驗(yàn)。該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的Hypersim 平臺(tái)，該平臺(tái)是加拿大 HYDRO-QUEBEC公司開發(fā)的一種基于并行計(jì)算技術(shù)的電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，它提供了大量電力系統(tǒng)元件庫(kù)和控制模塊，具有大量的DA、AD(模數(shù)轉(zhuǎn)換芯法)和DIO(數(shù)字輸入輸出)接口，可以同時(shí)與多臺(tái)裝置相連接進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試。

試驗(yàn)系統(tǒng)采用上述RTDS 系統(tǒng)建模，供電一次，系統(tǒng)模擬仿真如圖3所示環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)。系統(tǒng)主要考慮以下特點(diǎn):①由于各站之間的環(huán)網(wǎng)電纜距離短、阻抗小，因此數(shù)模試驗(yàn)系統(tǒng)中環(huán)網(wǎng)電纜各處同類型故障短路電流差別不大;②考慮串行供電級(jí)數(shù)較多，數(shù)模試驗(yàn)系統(tǒng)模擬了4 個(gè)變電站間3 級(jí)串行供電的情況。

由于采用GOOSE 信號(hào)閉鎖機(jī)制，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的定值不需特別考慮時(shí)限逐級(jí)配合問題，僅僅考慮GOOSE 信號(hào)本身延時(shí)，因此，GOOSE 閉鎖式電流保護(hù)時(shí)限為50 ms，GOOSE 開放式電流保護(hù)時(shí)限為100 ms，GOOSE 開放式失靈保護(hù)考慮到開關(guān)位置返回需要一定延時(shí)，取為150 ms。RTDS 的仿真結(jié)果如表1所示。

表1 RTDS 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

基于GOOSE 機(jī)制的數(shù)字通信電流保護(hù)是在傳統(tǒng)的微機(jī)過電流保護(hù)原理及功能不變的基礎(chǔ)上，通過將站間保護(hù)裝置聯(lián)網(wǎng)，將保護(hù)裝置的采樣信息和動(dòng)作信息在保護(hù)裝置之間通過光纖進(jìn)行直接快速傳輸，并通過對(duì)所轄區(qū)域內(nèi)微機(jī)保護(hù)裝置的電流保護(hù)動(dòng)作與否進(jìn)行比選和邏輯判斷，從而準(zhǔn)確、快速地判斷出故障區(qū)段，迅速切除故障。其具有原過電流保護(hù)裝置的所有基本功能，可有效解決傳統(tǒng)過電流保護(hù)級(jí)差配合困難的問題，并增加了對(duì)母線的保護(hù)，是對(duì)傳統(tǒng)“光纖縱差保護(hù)加過電流保護(hù)”方案的進(jìn)一步優(yōu)化，這種方案可望在城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)繼電保護(hù)中廣泛應(yīng)用。

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