基于GOOSE 通信的PSCADA 數(shù)字選跳保護(hù)方案

李宇琦，何治新，張 曄，梁小琦，馮志翔，侯 煒，劉永生

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，城市軌道交通線網(wǎng)越來(lái)越密集，對(duì)軌道交通供電系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。目前，軌道交通交流供電系統(tǒng)多采用環(huán)網(wǎng)供電方式，常規(guī)的保護(hù)方案是配置光纖縱差保護(hù)與定時(shí)限過(guò)流保護(hù)，該保護(hù)方案的選擇性通過(guò)上下級(jí)動(dòng)作延時(shí)級(jí)差配合實(shí)現(xiàn)，速動(dòng)性較差，已越來(lái)越無(wú)法適用于目前的環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)[1]。

圖1 地鐵環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)示意圖

環(huán)網(wǎng)供電方式下，傳統(tǒng)過(guò)流保護(hù)的選擇性一般是通過(guò)每一級(jí)動(dòng)作延時(shí)級(jí)差來(lái)保證的，以圖1 所示南京地鐵3 號(hào)線一個(gè)典型的4 級(jí)環(huán)網(wǎng)供電分區(qū)為例，末端站（九龍湖站）102 過(guò)流保護(hù)整定延時(shí)為0.55 s，而首端站（宏運(yùn)大道站）102 過(guò)流保護(hù)延時(shí)已達(dá)1.3 s。這還僅僅是環(huán)網(wǎng)只有4 級(jí)的情況，有些大環(huán)網(wǎng)多達(dá)10 級(jí)以上，此時(shí)傳統(tǒng)過(guò)流保護(hù)則不具備速動(dòng)性。

為滿足交流環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)對(duì)保護(hù)速動(dòng)性的要求，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，本文提出一種保護(hù)方案—PSCADA 數(shù)字選跳保護(hù)方案。該方案將保護(hù)裝置接入變電所站控層通信網(wǎng)絡(luò)，利用GOOSE 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息共享。裝置通過(guò)對(duì)所需的共享信息進(jìn)行邏輯比選后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)域的準(zhǔn)確判斷及快速跳閘切除故障。

1 組網(wǎng)方案及保護(hù)原理

1.1 組網(wǎng)方案

PSCADA數(shù)字選跳保護(hù)方案采用站控層組網(wǎng)方式，即GOOSE通信與站控層通信共用網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式。站控層通信具體選用何種監(jiān)控規(guī)約不影響其中GOOSE通信的可靠性，因此該組網(wǎng)方式下保護(hù)裝置間信息快速交換是可靠的[2]。

PSCADA 數(shù)字選跳保護(hù)方案典型的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 數(shù)字選跳保護(hù)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖3 組網(wǎng)通信接口

組網(wǎng)通信接口如圖3 所示?；谠鰪?qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信抗干擾能力與提高通信速率的考慮，站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)接口優(yōu)先使用100 Mbps多模光纖接口，站間交換機(jī)通過(guò)1 000 Mbps單模光纖接口進(jìn)行級(jí)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)GOOSE通信[3]。

1.2 保護(hù)原理

通過(guò)復(fù)用站控層網(wǎng)絡(luò)以及利用GOOSE 通信技術(shù)，保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)信息共享，傳輸與接收站間、站內(nèi)的保護(hù)啟動(dòng)閉鎖信號(hào)以及各類開關(guān)量信號(hào)。裝置在接收到所需信號(hào)并進(jìn)行邏輯判斷比選后，可判斷出故障區(qū)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速跳閘切除故障。數(shù)字選跳保護(hù)邏輯如圖4 所示。

圖4 數(shù)字選跳保護(hù)邏輯

對(duì)于單電源供電環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)，任意處發(fā)生故障時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到故障電流大于數(shù)字選跳動(dòng)作定值，且未同時(shí)接收到來(lái)自母線側(cè)保護(hù)裝置（同母線任意保護(hù)裝置）以及環(huán)網(wǎng)對(duì)側(cè)保護(hù)裝置的數(shù)字選跳閉鎖信號(hào)，說(shuō)明故障為區(qū)內(nèi)故障，數(shù)字選跳保護(hù)動(dòng)作；反之則說(shuō)明故障為區(qū)外故障，數(shù)字選跳保護(hù)閉鎖。

下面分別以變電所環(huán)網(wǎng)電纜、母線和饋線發(fā)生故障為例，簡(jiǎn)要分析數(shù)字選跳保護(hù)的邏輯原理。這3 種故障基本包含了地鐵交流供電系統(tǒng)常見故障類型。

1.2.1 環(huán)網(wǎng)故障

圖5 為環(huán)網(wǎng)故障示意圖。當(dāng)K1 點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，K1 點(diǎn)上級(jí)即左側(cè)的環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線保護(hù)裝置均會(huì)檢測(cè)到故障電流，且大于“數(shù)字選跳閉鎖定值、數(shù)字選跳動(dòng)作定值”（數(shù)字選跳動(dòng)作定值略大于數(shù)字選跳閉鎖定值），將立刻通過(guò)GOOSE 通信以組播方式對(duì)外發(fā)送數(shù)字選跳閉鎖信號(hào)。

圖5 環(huán)網(wǎng)故障示意圖

S2 所的102，S1 所的102、104 保護(hù)裝置會(huì)同時(shí)接收到各自母線側(cè)以及環(huán)網(wǎng)側(cè)的數(shù)字選跳閉鎖信號(hào)，上述保護(hù)裝置將判斷此次故障為區(qū)外故障，閉鎖數(shù)字選跳保護(hù)。

而S2 變電所的104 保護(hù)裝置僅會(huì)接收到來(lái)自本所母線側(cè)（102 保護(hù)裝置）的閉鎖信號(hào)，不會(huì)接收到環(huán)網(wǎng)對(duì)側(cè)的閉鎖信號(hào)（因環(huán)網(wǎng)對(duì)側(cè)S3 所102保護(hù)裝置基本未檢測(cè)到任何電流，不會(huì)發(fā)出閉鎖信號(hào)），該保護(hù)裝置將判斷此次故障為區(qū)內(nèi)故障，數(shù)字選跳保護(hù)經(jīng)短延時(shí)（通常設(shè)定為50～100 ms）快速動(dòng)作出口切除故障。

1.2.2 母線故障

當(dāng)K2 點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)（圖6），S1 所的102、104 保護(hù)裝置會(huì)同時(shí)接收到各自母線側(cè)以及環(huán)網(wǎng)側(cè)的數(shù)字選跳閉鎖信號(hào)，上述保護(hù)裝置將判斷此次故障為區(qū)外故障，閉鎖數(shù)字選跳保護(hù)。

而S2 變電所的102 保護(hù)裝置僅會(huì)接收到來(lái)自環(huán)網(wǎng)對(duì)側(cè)（S1 所104 保護(hù)裝置）的閉鎖信號(hào)，不會(huì)接收到母線側(cè)的閉鎖信號(hào)（因S2 所104、312、100 保護(hù)裝置基本未檢測(cè)到任何電流，不會(huì)發(fā)出閉鎖信號(hào)），該保護(hù)裝置將判斷此次故障為區(qū)內(nèi)故障，數(shù)字選跳保護(hù)經(jīng)短延時(shí)（通常設(shè)定為50～100 ms）快速動(dòng)作出口切除故障。

圖6 母線故障示意圖

1.2.3 饋線故障

當(dāng)K3 點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)（圖7），S2 所的102與S1 所的102、104 保護(hù)裝置都會(huì)接收到各自母線側(cè)及環(huán)網(wǎng)對(duì)側(cè)的數(shù)字選跳閉鎖信號(hào)，上述保護(hù)裝置將判斷此次故障為區(qū)外故障，閉鎖數(shù)字選跳保護(hù)。

而S2 變電所的312 為供電末端，當(dāng)312 保護(hù)裝置檢測(cè)到故障電流即判斷為區(qū)內(nèi)故障，不需判斷閉鎖信號(hào)，由過(guò)流保護(hù)經(jīng)短延時(shí)（通常設(shè)定為50～100 ms）立即動(dòng)作出口切除故障。

圖7 饋線故障示意圖

2 保護(hù)配置方案

PSCADA 數(shù)字選跳保護(hù)方案中，通常環(huán)網(wǎng)側(cè)電纜配置光纖縱差保護(hù)裝置以及線路綜合保護(hù)裝置，各個(gè)饋線間隔配置饋線綜合保護(hù)裝置，母聯(lián)間隔配置母聯(lián)綜合保護(hù)裝置，上述各個(gè)綜合保護(hù)裝置不僅具備過(guò)流保護(hù)和零序過(guò)流保護(hù)等傳統(tǒng)保護(hù)功能，在此基礎(chǔ)上還增加了本文所述的數(shù)字選跳保護(hù)。典型保護(hù)配置方案如圖8 所示。

圖8 變電所保護(hù)配置

在極端情況下，GOOSE 通信發(fā)生故障時(shí)裝置會(huì)發(fā)出GOOSE 告警，這時(shí)綜合保護(hù)裝置不能正常接收/發(fā)送GOOSE 信息，考慮到保護(hù)方案的可靠性，避免數(shù)字選跳保護(hù)誤動(dòng)，綜合保護(hù)裝置會(huì)將GOOSE 告警側(cè)對(duì)應(yīng)的數(shù)字選跳保護(hù)功能退出，而這些保護(hù)裝置的過(guò)流保護(hù)和零序過(guò)流保護(hù)仍能正常工作。

3 仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真模型及試驗(yàn)方案

通過(guò)搭建RTDS 仿真模型，驗(yàn)證本文所述PSCADA 數(shù)字選跳保護(hù)方案的性能。試驗(yàn)?zāi)M軌道交通交流供電系統(tǒng)典型供電方式下常見的短路故障，仿真系統(tǒng)模型以及模型參數(shù)主要參照南京地鐵3 號(hào)線交流供電系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行精簡(jiǎn)，如圖9 所示。其中K1～K3 為故障點(diǎn)，K1 代表牽引所2、3 之間環(huán)網(wǎng)線路上故障，K2 代表牽引所3內(nèi)35 kV 母線上故障，K3 代表牽引所3 饋線上故障。

圖9 供電系統(tǒng)模型

本次試驗(yàn)配置2 臺(tái)縱差保護(hù)裝置、6 臺(tái)綜合保護(hù)裝置、1 臺(tái)交換機(jī)，接入6 組CT 以及2 組PT，通過(guò)模擬典型故障驗(yàn)證保護(hù)方案的性能。保護(hù)配置方案如圖10 所示。

圖10 試驗(yàn)系統(tǒng)保護(hù)配置

縱差保護(hù)裝置、綜合保護(hù)裝置分別配置于環(huán)網(wǎng)線路兩側(cè)斷路器203、301，牽引所3 出線斷路器303、母聯(lián)斷路器300 和饋線斷路器311 分別配置綜合保護(hù)裝置。

系統(tǒng)模型的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 R TDS 試驗(yàn)系統(tǒng)模型參數(shù)

試驗(yàn)系統(tǒng)配置的保護(hù)裝置分別接入站控層交換機(jī)，GOOSE 網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控103 網(wǎng)絡(luò)采用共網(wǎng)方式。試驗(yàn)系統(tǒng)按圖2 所示組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

牽引所1 雙母分列運(yùn)行，斷路器403、404 斷開，牽引所3 通過(guò)電源進(jìn)線301、302 單向供電，模擬牽引所3 發(fā)生K1、K2、K3 三處典型故障，考察各保護(hù)裝置的動(dòng)作情況。測(cè)試過(guò)程及動(dòng)作結(jié)果如下：

（1）縱差保護(hù)通信正常，0 ms 時(shí)刻模擬K1點(diǎn)各類型短路故障，203、301 開關(guān)縱差保護(hù)20 ms動(dòng)作跳閘切除故障。

（2）縱差保護(hù)通信異常，0 ms 時(shí)刻模擬K1點(diǎn)各類型短路故障，203、301 開關(guān)縱差保護(hù)裝置拒動(dòng)，對(duì)應(yīng)間隔綜合保護(hù)裝置的數(shù)字選跳保護(hù)50 ms 動(dòng)作跳閘切除故障。

（3）0 ms 時(shí)刻模擬K2 點(diǎn)各類型短路故障，301 開關(guān)綜合保護(hù)裝置數(shù)字選跳保護(hù)50 ms 動(dòng)作跳閘切除故障。

（4）311 綜合保護(hù)裝置GOOSE通信報(bào)警，0 ms時(shí)刻模擬K2 點(diǎn)各類型短路故障，301 開關(guān)綜合保護(hù)裝置數(shù)字選跳保護(hù)閉鎖，故障由301 過(guò)流保護(hù)經(jīng)長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作跳閘切除。

（5）0 ms 時(shí)刻模擬K3 點(diǎn)各類型短路故障，311 開關(guān)綜合保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘切除故障，故障發(fā)生時(shí)刻311 保護(hù)裝置發(fā)送數(shù)字選跳閉鎖信號(hào)，301開關(guān)數(shù)字選跳保護(hù)被閉鎖，因此不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。

試驗(yàn)過(guò)程以及結(jié)果表明：PSCADA 數(shù)字選跳保護(hù)方案運(yùn)行可靠，可快速識(shí)別故障區(qū)域進(jìn)而快速跳閘隔離故障，最快可實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)任一點(diǎn)故障50 ms動(dòng)作跳閘隔離，且不受故障類型影響，保護(hù)動(dòng)作可靠快速。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所提出的基于GOOSE 通信的PSCADA數(shù)字選跳保護(hù)方案利用智能變電所GOOSE 通信技術(shù)賦予傳統(tǒng)過(guò)流保護(hù)以絕對(duì)選擇性，大幅提升了保護(hù)的速動(dòng)性。RTDS 試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了所述方案是一種具有絕對(duì)選擇性的快速保護(hù)方案，可以很好地解決交流環(huán)網(wǎng)供電方式下保護(hù)裝置的選擇性與速動(dòng)性相互矛盾的問(wèn)題。