IEC61850/GOOSE網(wǎng)絡(luò)選跳保護(hù)方案研究

呂文博

IEC61850/GOOSE網(wǎng)絡(luò)選跳保護(hù)方案研究

呂文博

結(jié)合數(shù)字化變電站技術(shù)，在保護(hù)配置、選跳功能、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞确矫鎸?duì)IEC 61850/GOOSE網(wǎng)絡(luò)選跳保護(hù)做了深入研究。通過(guò)工程實(shí)踐和短路試驗(yàn)，該保護(hù)方案的合理性和可行性得到了證實(shí)，并對(duì)后續(xù)工程提出了合理化建議。

城市軌道交通；IEC61850/GOOSE；電流選跳保護(hù)；短路試驗(yàn)

0 引言

當(dāng)前，城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)已普遍采用大分區(qū)、大環(huán)串方案。大分區(qū)方案大幅節(jié)省了環(huán)網(wǎng)電纜投資，系統(tǒng)接線趨于簡(jiǎn)潔，便于施工和后期維護(hù)。然而該接線方案對(duì)系統(tǒng)保護(hù)提出了挑戰(zhàn)。一般110/35 kV主變電所由地區(qū)電力部門管轄，電力調(diào)度提供的35 kV側(cè)母線時(shí)間定值較小，大分區(qū)接線使得變電所間保護(hù)的極差無(wú)法正常配合。

以寧波市軌道交通2號(hào)線一期工程為例，線路全長(zhǎng)28.35 km，正線共設(shè)車站22座。全線設(shè)主變電所2座，采用B2型車，6輛編組。供電系統(tǒng)采用110/35 kV兩級(jí)電壓集中供電方式，中壓采用大環(huán)串接線方式，正常供電時(shí)最大環(huán)串帶8座車站變電所，根據(jù)供電局要求，主變電所110 kV饋線電流保護(hù)定值時(shí)間為1.5 s，如采用傳統(tǒng)保護(hù)方案，只能壓縮變電所間的配合級(jí)數(shù)，犧牲了保護(hù)選擇性。

本文將結(jié)合IEC61850/GOOSE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)中壓網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案進(jìn)行深入研究并在實(shí)際工程中進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也希望對(duì)后續(xù)工程提供借鑒。

1 IEC61850/GOOSE技術(shù)優(yōu)勢(shì)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)際電工委員會(huì)于2004年頒布，為變電站的通信網(wǎng)絡(luò)提供了完整的定義，是數(shù)字化變電站的通訊基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。其中面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE--Generic Object Oriented Substation Event）用于提供快速報(bào)文（響應(yīng)時(shí)間小于3 ms），可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)之間（水平通信）、保護(hù)與監(jiān)控后臺(tái)之間（垂直通信）的聯(lián)閉鎖和信息交互，保護(hù)之間可直接采用以太網(wǎng)通訊，減少裝置間硬接線，提高通訊速率，節(jié)省中間環(huán)節(jié)。

如圖1所示，GOOSE工作在數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)包不需要經(jīng)過(guò)傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的TCP/IP協(xié)議封裝，因此GOOSE數(shù)據(jù)包更小，保護(hù)信息在硬件層面即可識(shí)別過(guò)濾并優(yōu)先處理，解析速度快。而且GOOSE信息不會(huì)占用TCP/IP資源，與網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的通信互不干擾。

圖1 IEC61850分層體系示意圖

為了檢測(cè)保護(hù)裝置及通訊通道狀態(tài)，設(shè)定裝置間每隔一段時(shí)間發(fā)送GOOSE數(shù)據(jù)包。在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)事件發(fā)生的情況下，數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間間隔為1 s。如圖2所示，當(dāng)事件發(fā)生，保護(hù)會(huì)立即發(fā)送GOOSE數(shù)據(jù)，此時(shí)數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間間隔自動(dòng)縮短，直至獲得穩(wěn)定條件。

圖2 GOOSE數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間變化示意圖

同時(shí)，保護(hù)裝置和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)支持IEEE802.1P和IEEE802.1Q（即報(bào)文優(yōu)先級(jí)Qos和虛擬局域網(wǎng)VLAN功能）。VLAN功能可以對(duì)不同VLAN的數(shù)據(jù)包進(jìn)行隔離，Qos功能可以優(yōu)先傳輸高優(yōu)先級(jí)的GOOSE包，并確保不會(huì)丟失。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 保護(hù)配置

與傳統(tǒng)的地鐵系統(tǒng)保護(hù)配置一致，進(jìn)、出線采用差動(dòng)保護(hù)及后備保護(hù)，差動(dòng)主保護(hù)與后備保護(hù)采用獨(dú)立的2套保護(hù)裝置；饋線及母聯(lián)配置1套保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)、變壓器保護(hù)。

2.2 選跳保護(hù)設(shè)置原則

選跳保護(hù)設(shè)置原則如下：

（1）主保護(hù)不參與GOOSE通訊。

（2）考慮的故障類型：差動(dòng)保護(hù)失效、后備保護(hù)失效、母線故障、電纜故障、饋線故障、斷路器失靈、GOOSE通道異常。

（3）當(dāng)本開關(guān)和上一級(jí)開關(guān)之間的GOOSE通道異常時(shí)，不考慮失靈保護(hù)同時(shí)動(dòng)作的情況。

2.3 選跳功能

（1）正常情況下：GOOSE線路選跳保護(hù)作為差動(dòng)保護(hù)的后備保護(hù)，以時(shí)間極差與主保護(hù)配合；GOOSE 母線選跳保護(hù)構(gòu)成母線主保護(hù)；GOOSE母聯(lián)選跳做為母聯(lián)開關(guān)閉合時(shí)的主保護(hù)；饋線過(guò)流為饋線斷路器的主保護(hù)，饋線GOOSE選跳保護(hù)用于閉鎖GOOSE母線選跳，不動(dòng)作于跳閘。

（2）差動(dòng)裝置或差動(dòng)通道異常。REF620收到差動(dòng)裝置或差動(dòng)通道異常信號(hào)后，GOOSE線路選跳保護(hù)自動(dòng)減少延時(shí)，將GOOSE線路選跳保護(hù)變?yōu)榫€路的主保護(hù)。同時(shí)，加投一段帶延時(shí)的過(guò)流保護(hù)作為后備保護(hù)，保證主后備保護(hù)的格局，提高可靠性。

（3）GOOSE通道異常。REF620在判斷出GOOSE通道異常時(shí)，立即關(guān)閉GOOSE選跳保護(hù)，同時(shí)加投一段帶延時(shí)的過(guò)流保護(hù)作為線路或者母線的后備保護(hù)。保證在GOOSE通道異常情況下依然可以在經(jīng)過(guò)延時(shí)后切除故障。

饋線保護(hù)裝置的GOOSE通道異常時(shí)會(huì)聯(lián)動(dòng)關(guān)閉上級(jí)進(jìn)出線GOOSE母線選跳保護(hù)。不影響過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作。

（4）失靈保護(hù)配置。所有開關(guān)都配置失靈保護(hù)，開關(guān)失靈由開關(guān)動(dòng)作的保護(hù)裝置判斷，通過(guò)GOOSE通道聯(lián)跳上級(jí)開關(guān)。

差動(dòng)保護(hù)的失靈動(dòng)作信號(hào)由硬接線傳遞給本開關(guān)的后備保護(hù)，再由后備保護(hù)利用GOOSE通道聯(lián)跳上一級(jí)開關(guān)。

（5）總后備過(guò)流保護(hù)。進(jìn)線、出線、母聯(lián)都配置帶延時(shí)的總后備過(guò)流保護(hù)，總后備過(guò)流保護(hù)作為整個(gè)工程的最后底線，將在極端情況下（如多個(gè)意外情況同時(shí)發(fā)生在一個(gè)回路上）動(dòng)作。這時(shí)，故障電流流過(guò)的所有開關(guān)將在延時(shí)后無(wú)選擇性的跳閘，具體配置及定時(shí)設(shè)置詳見(jiàn)表1。

2.4 GOOSE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

（1）為保證安全，主保護(hù)不參與GOOSE通訊，通過(guò)硬接線向柜內(nèi)后備保護(hù)傳遞信息（差動(dòng)動(dòng)作、差動(dòng)異常、通道異常、失靈啟動(dòng)）。

（2）采用IEC61850協(xié)議為基礎(chǔ)規(guī)約。各車站變電站內(nèi)部REF620采用RJ45的超五類雙絞線與交換機(jī)星形連接，構(gòu)成站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。各站的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)采用單模光纖（與差動(dòng)光纜同纜不同芯）相互連接，從而構(gòu)成整個(gè)供電分區(qū)的物理鏈路，保護(hù)裝置可以通過(guò)GOOSE實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

表1 中壓保護(hù)配置及定值表

圖3 GOOSE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

3 功能驗(yàn)證與試驗(yàn)

2015年3月，寧波2號(hào)線一期工程進(jìn)行了35 kV系統(tǒng)短路試驗(yàn)（圖4）。試驗(yàn)專門對(duì)GOOSE選跳功能進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)地點(diǎn)選在外灘大橋站，單相試驗(yàn)電流超過(guò)600 A，饋線柜保護(hù)速斷動(dòng)作，進(jìn)線柜保護(hù)收到饋線過(guò)流閉鎖信號(hào)和線路對(duì)側(cè)過(guò)流閉鎖信號(hào)，且參與試驗(yàn)供電的麗園南路站、云霞路站、寧波火車站、城隍廟站、鼓樓站的進(jìn)出線柜保護(hù)均收到相應(yīng)的GOOSE線路對(duì)側(cè)過(guò)流閉鎖信號(hào)和同母線過(guò)流閉鎖信號(hào)（夏禹主變電所35 kV饋線電流保護(hù)未設(shè)置GOOSE選跳功能）。

圖4 短路試驗(yàn)示意圖

具體試驗(yàn)如下：

圖5為外灘大橋站饋線柜A25_MDT1故障記錄以及錄波顯示，饋線柜速斷動(dòng)作，動(dòng)作電流為634.9 A。

圖5 外灘大橋饋線柜故障記錄以及錄波圖

圖6為外灘大橋站進(jìn)線柜A25_MI1故障記錄以及錄波顯示，GOOSE啟動(dòng)但未動(dòng)作。

圖6 外灘大橋進(jìn)線柜故障記錄以及錄波圖

圖7為麗園南路站進(jìn)線柜A15_MI1故障記錄以及錄波顯示，GOOSE啟動(dòng)但未動(dòng)作。

圖7 麗園南路站進(jìn)線柜故障記錄以及錄波圖

試驗(yàn)結(jié)論：試驗(yàn)結(jié)果完全符合預(yù)期效果，GOOSE聯(lián)閉鎖迅速、可靠，選跳準(zhǔn)確到位。

4 結(jié)論與建議

IEC61850/GOOSE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵大分區(qū)中壓環(huán)網(wǎng)電流選跳保護(hù)功能，故障判別準(zhǔn)確、速率快。

采用該技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備要求較高，尤其是站內(nèi)交換機(jī)，是水平通信和垂直通信關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。后續(xù)工程若采用該技術(shù)，建議水平通信與垂直通信分開設(shè)置，提高系統(tǒng)可靠性。為安全起見(jiàn)，主變電所35 kV進(jìn)線、母聯(lián)、饋線均未采用IEC61850/GOOSE網(wǎng)絡(luò)選跳保護(hù)功能，建議待該保護(hù)技術(shù)成熟后，再進(jìn)行全系統(tǒng)推廣。

Combined with the digital substation technology, this paper makes a deep research with the selection of tripping protection for IEC 61850/GOOSE network in terms of configuration, function, network structure. The rationality and feasibility of the protection scheme have been verified via engineering practice and short circuit test, and rational proposals for the engineering in the future are put forward.

Urban rail transit; IEC61850/GOOSE; selection of current tripping protection; short-circuit test

U228.2

：B

：1007-936X(2016)03-0047-04

2015-09-12

呂文博. 中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，工程師，電話：13685859332。