基于GOOSE 通信的弧光保護(hù)方案

王 杰，侯 煒，陳 俊，牛洪海

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

10～35 kV 中低壓開關(guān)柜實(shí)現(xiàn)負(fù)荷投切，和工業(yè)企業(yè)用電以及民用供電息息相關(guān)，其重要性不言而喻。成套開關(guān)柜在變電站以及廠礦企業(yè)中都有大量應(yīng)用。中低壓開關(guān)柜結(jié)構(gòu)緊湊，絕緣性能比高壓電氣設(shè)備差，加上操作頻繁及其他外部原因，開關(guān)柜短路故障時有發(fā)生。故障電弧引發(fā)強(qiáng)光、強(qiáng)熱和爆炸對工作人員以及設(shè)備都會造成很大危害。弧光保護(hù)以柜內(nèi)發(fā)生故障時的弧光檢測為依據(jù)，同時結(jié)合故障電流判據(jù)，發(fā)生故障時能快速切除故障。由于其具有快速性、不需級差配合等優(yōu)點(diǎn)，弧光保護(hù)被廣泛用于成套低壓開關(guān)柜中[1]。

本文介紹了幾種常見的弧光保護(hù)方案，指出現(xiàn)有保護(hù)方案的一些問題。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于GOOSE（通用面向?qū)ο笞冸娬臼录┩ㄐ偶夹g(shù)[2]的中低壓開關(guān)柜弧光保護(hù)方案，該方法可以實(shí)現(xiàn)母線區(qū)以及間隔區(qū)的弧光保護(hù)。較傳統(tǒng)的間隔區(qū)弧光保護(hù)，該方案可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜斷路器與TA（電流互感器）之間發(fā)生弧光故障的死區(qū)保護(hù)；弧光信號傳輸光纖敷設(shè)在柜內(nèi)，大大減少弧光信號傳輸光纖敷設(shè)成本；使用GOOSE 網(wǎng)絡(luò)傳遞信號可以較少使用電纜敷設(shè)，因此該方法有益于工程推廣。

1 弧光保護(hù)方案以及存在的問題

1.1 母線區(qū)弧光保護(hù)方案

在中低壓系統(tǒng)中，開關(guān)柜是中低壓母線的載體。在多數(shù)情況下，中低壓母線并未配置專用的母線保護(hù)?；」獗Ｗo(hù)最初是作為母線快速保護(hù)而被運(yùn)用于中低壓系統(tǒng)[3]。為明確母線區(qū)弧光保護(hù)的保護(hù)范圍，有必要對開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)有明確的了解。國內(nèi)使用較多的低壓開關(guān)柜為鎧裝式金屬封閉開關(guān)柜，柜體分為儀表室、母線室、斷路器室、電纜室等。

如圖1 所示，若短路故障發(fā)生在母線室，則屬于母線區(qū)故障，需切開整個母線段的進(jìn)線或分段開關(guān)才可以隔離故障；若故障發(fā)生在斷路器室，故障發(fā)生的位置可能有以下2 種情況：若弧光短路故障發(fā)生在開關(guān)機(jī)構(gòu)下觸頭，則斷開本間隔開關(guān)即可隔離故障；若弧光短路故障發(fā)生在開關(guān)柜上觸頭，需切除本母線進(jìn)線或分段開關(guān)才能切除故障。為防止開關(guān)柜上觸頭故障，斷開本間隔開關(guān)無法及時隔離故障而導(dǎo)致故障范圍繼續(xù)擴(kuò)大，本文認(rèn)為將斷路器室的弧光信號也歸為母線區(qū)更加合理。因此將在母線室和斷路器室安裝的傳感器（圖1 中的①號和②號傳感器）采集到的信號歸為母線區(qū)弧光信號。當(dāng)母線區(qū)發(fā)生弧光故障時，弧光保護(hù)裝置需切除母線進(jìn)線或分段開關(guān)才能隔離故障。母線弧光保護(hù)方案是弧光保護(hù)方案中最常見，也是使用最廣泛的保護(hù)方案。如圖2所示，弧光保護(hù)裝置采集母線區(qū)弧光信號和所有進(jìn)線側(cè)電流。發(fā)生弧光故障時，保護(hù)裝置根據(jù)發(fā)生故障位置選擇跳開進(jìn)線開關(guān)或分段開關(guān)來隔離故障，達(dá)到母線快速保護(hù)的目的。

圖1 KYN-28 開關(guān)柜結(jié)構(gòu)

圖2 母線區(qū)弧光保護(hù)方案

1.2 間隔區(qū)弧光保護(hù)方案

據(jù)統(tǒng)計，中低壓開關(guān)柜電纜室三相電纜接頭也是短路故障的高發(fā)區(qū)域，例如圖1 中③號傳感器監(jiān)視的區(qū)域。與母線區(qū)不同，由于該區(qū)域位于斷路器下方，在發(fā)生弧光故障時，只需跳開本間隔開關(guān)便可隔離弧光故障。若跳開母線進(jìn)線或者分段開關(guān)會導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大，屬于越級跳閘。近些年來，國內(nèi)有些學(xué)者或二次設(shè)備供應(yīng)商提出將弧光保護(hù)功能融合在各間隔區(qū)綜合保護(hù)裝置當(dāng)中，形成間隔區(qū)弧光保護(hù)解決方案。例如帶弧光保護(hù)功能的線路保護(hù)、帶弧光保護(hù)功能的電抗器保護(hù)以及帶弧光保護(hù)功能的電動機(jī)保護(hù)等。如圖3 所示，間隔區(qū)弧光保護(hù)的范圍為斷路器下方的本間隔電纜室弧光短路故障。間隔區(qū)弧光保護(hù)以電纜室的弧光傳感器（圖1 中的③號傳感器）采集到的弧光信號為主判據(jù)，并以本間隔負(fù)荷電流為輔助判據(jù)來判斷本間隔是否發(fā)生弧光故障。間隔區(qū)弧光保護(hù)裝置同樣以弧光信號和工頻變化量的電氣量為判據(jù)，可實(shí)現(xiàn)快速跳閘，響應(yīng)速度較常規(guī)保護(hù)可以提高數(shù)十毫秒。

圖3 間隔區(qū)弧光保護(hù)方案

1.3 現(xiàn)有弧光保護(hù)方案的若干問題

弧光保護(hù)在中低壓系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)柜內(nèi)短路故障的快速隔離，因此降低了開關(guān)柜由于弧光故障引發(fā)柜體燒毀的風(fēng)險。但在弧光保護(hù)檢修、運(yùn)維過程中，也暴露了一些問題，主要有以下幾個方面。

1）現(xiàn)有弧光保護(hù)方案的保護(hù)范圍都比較片面，不能完全覆蓋中低壓開關(guān)柜整個柜體：母線區(qū)弧光保護(hù)方案只保護(hù)開關(guān)柜的母線區(qū)；間隔區(qū)弧光保護(hù)方案只保護(hù)開關(guān)柜的間隔區(qū)，2 種方案保護(hù)范圍都不能完整覆蓋開關(guān)柜柜體。

2）母線弧光保護(hù)弧光傳輸光纖敷設(shè)工作量較大。由于母線弧光保護(hù)一般情況按照母線段配置，一段母線配置一套弧光保護(hù)。本母線段所有開關(guān)柜安裝的弧光傳感器都需通過弧光傳輸光纖將信號傳輸給弧光保護(hù)裝置，因此施工過程中，難免跨屏柜敷設(shè)弧光傳輸光纖。假如母線段開關(guān)柜數(shù)量較多，開關(guān)柜距離弧光保護(hù)裝置較遠(yuǎn)，隨之弧光傳輸光纖敷設(shè)距離也較遠(yuǎn)，導(dǎo)致光纖敷設(shè)工作量較大。在實(shí)際施工過程中，為盡量減小遠(yuǎn)距離敷設(shè)光纖的問題和擴(kuò)大保護(hù)裝置的接入容量，會使用弧光擴(kuò)展單元?；」鈹U(kuò)展單元通過就地采集弧光信號，并通過光纖將弧光信號傳輸給弧光保護(hù)裝置，在一定程度上減小了光纖遠(yuǎn)距離敷設(shè)的問題，但是跨屏柜敷設(shè)光纖的問題沒有根本解決。

3）間隔區(qū)弧光保護(hù)的死區(qū)問題。間隔區(qū)弧光保護(hù)依據(jù)電纜室采集到的弧光信號，結(jié)合本間隔TA 采集到的電流作為輔助判據(jù)，切除間隔區(qū)的弧光故障：即保護(hù)裝置采集到間隔區(qū)弧光故障信號，同時本間隔TA 采集到的弧光故障電流大于設(shè)定的門檻定值，保護(hù)裝置動作跳開本間隔開關(guān)。假如弧光故障點(diǎn)發(fā)生在斷路器與TA 之間的死區(qū)位置（圖1 中的f1），間隔區(qū)弧光保護(hù)采集到弧光信號，但因為本間隔TA 采集不到故障電流而導(dǎo)致弧光保護(hù)拒動。

2 基于GOOSE 通信的中低壓系統(tǒng)弧光保護(hù)方案

2.1 基于GOOSE 通信的弧光保護(hù)方法

綜合以上所述，本文提出了一種基于GOOSE網(wǎng)絡(luò)的弧光保護(hù)方法。

2.1.1 方案拓?fù)浣榻B

借鑒智能變電站中的成熟技術(shù)，組建間隔層綜合保護(hù)裝置和弧光保護(hù)裝置共有的GOOSE 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各裝置的信號傳遞[4-5]。間隔層綜合保護(hù)裝置實(shí)時采集本間隔母線區(qū)和間隔區(qū)的弧光信號，并通過GOOSE 網(wǎng)絡(luò)傳遞給弧光保護(hù)裝置；弧光保護(hù)裝置結(jié)合各個間隔的弧光信號、電流輔助判據(jù)進(jìn)行邏輯判斷，以選擇跳開進(jìn)線開關(guān)、分段開關(guān)或各間隔的開關(guān)?；」獗Ｗo(hù)裝置最后發(fā)出GOOSE跳令，并通過GOOSE 網(wǎng)絡(luò)傳遞給各間隔層綜合保護(hù)裝置執(zhí)行各個開關(guān)的跳閘。

如圖4 所示，以單母分段主接線為例說明該方案的實(shí)現(xiàn)方式。該系統(tǒng)由雙進(jìn)線、饋線以及分段等間隔組成。為簡化系統(tǒng)組成，若有電容器、電抗器等間隔，在此不再列舉，可參考饋線保護(hù)方案處理。各間隔的綜合保護(hù)裝置安裝于各中低壓開關(guān)柜，用于各配電間隔的保護(hù)。各綜合保護(hù)裝置除常規(guī)的保護(hù)功能外，還具備弧光信號采集以及信號處理的能力。

圖4 基于GOOSE 網(wǎng)絡(luò)的弧光保護(hù)系統(tǒng)

與間隔區(qū)弧光保護(hù)方案不同，該方案中的間隔區(qū)綜合保護(hù)裝置不僅采集本間隔電纜室的弧光信號，還采集母線區(qū)，即開關(guān)柜母線室以及斷路器室的弧光信號。各間隔保護(hù)裝置首先將采集到的弧光信號進(jìn)行分類以區(qū)分屬于間隔區(qū)還是母線區(qū)弧光信號。

通過組建間隔層所有綜合保護(hù)裝置和弧光保護(hù)裝置共有的GOOSE 網(wǎng)絡(luò)，弧光保護(hù)裝置可以接收間隔層綜合保護(hù)裝置實(shí)時發(fā)送的弧光GOOSE動作信號，通過預(yù)先設(shè)定的控制策略選擇性跳開開關(guān)，實(shí)現(xiàn)最小范圍隔離故障。

圖5 中，當(dāng)間隔保護(hù)裝置接收到弧光保護(hù)裝置的GOOSE 跳閘信號，快速斷開相應(yīng)的開關(guān)以隔離故障。具體地，當(dāng)進(jìn)線間隔接收到弧光保護(hù)裝置的跳閘命令，快速跳開進(jìn)線開關(guān)；當(dāng)分段保護(hù)間隔接收到弧光保護(hù)裝置的跳閘命令，快速跳開分段開關(guān)；當(dāng)饋線保護(hù)間隔接收到弧光保護(hù)裝置的跳閘命令，快速跳開相應(yīng)的饋線[6-7]。

圖5 過程層GOOSE 網(wǎng)絡(luò)信息交換

2.1.2 GOOSE 通信的可行性和可靠性分析

在智能變電站中，GOOSE 信號是組播發(fā)送的，所有智能設(shè)備都會收到相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)卡的過濾傳送給應(yīng)用模塊。目前智能變電站一個間隔的GOOSE 流量不會超過0.1 MB/s，按照每個變電站30 個間隔計算，整個變電站負(fù)載不會超過5 MB/s。如果使用千兆交換機(jī)，過程層網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載不會超過1%，這個流量負(fù)載交給交換機(jī)處理很輕松。另外工程中還可以通過合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、VLAN（虛擬局域網(wǎng)）劃分和QoS（服務(wù)質(zhì)量）配置等方法，減少背景報文流量，提高數(shù)據(jù)處理能力和速率[8-9]。

根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司智能變電站設(shè)計規(guī)范，過程層網(wǎng)絡(luò)宜采用星型結(jié)構(gòu)，交換機(jī)級聯(lián)一般不超過2 級。過程層數(shù)據(jù)經(jīng)過一臺交換機(jī)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時一般不會超過10 μs，因此延時最大為20 μs。智能設(shè)備網(wǎng)卡接受并處理數(shù)據(jù)后送至CPU（中央處理器）板卡的時間不超過2 ms。經(jīng)過多次測試，過程層數(shù)據(jù)從發(fā)送到接收延時最大不超過4 ms，平均為3 ms 延時[10-11]。因此根據(jù)如圖5 所示的GOOSE 網(wǎng)絡(luò)信息交換，間隔區(qū)保護(hù)裝置發(fā)送弧光GOOSE 信號并接收弧光保護(hù)裝置的跳閘信號，延時為6 ms 左右。加上CPU 運(yùn)算時間和繼電器出口時間，從發(fā)生弧光故障到保護(hù)裝置動作出口時間為12 ms 左右，滿足弧光保護(hù)裝置國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

此外，GOOSE 信息網(wǎng)絡(luò)有高效成熟的斷鏈監(jiān)測機(jī)制。當(dāng)發(fā)生裝置失電、GOOSE 板卡損壞、光纖斷裂、交換機(jī)端口松動等一系列故障時，智能設(shè)備接收端在連續(xù)數(shù)倍GOOSE 心跳時間內(nèi)未接收到正確的GOOSE 報文，會報出GOOSE 斷鏈報警信號。此時退出相弧光保護(hù)功能，待故障恢復(fù)且報警信號消失后，弧光保護(hù)再投入使用[12]。

2.1.3 弧光保護(hù)動作邏輯

弧光保護(hù)裝置以接收到間隔層綜合保護(hù)裝置發(fā)出的弧光GOOSE 動作信號為依據(jù)，同時結(jié)合采集到的進(jìn)線電流作為閉鎖信號，按照預(yù)先設(shè)定的控制策略，在發(fā)生弧光短路故障時快速響應(yīng)，弧光保護(hù)裝置的動作邏輯如圖6 所示。

在圖6 中，為實(shí)現(xiàn)弧光保護(hù)速動性，電氣量判據(jù)除了幅值判據(jù)外，還加入了工頻變化量判據(jù)實(shí)現(xiàn)故障電氣量的快速判別?；」獗Ｗo(hù)動作延時一般為0，即發(fā)生弧光故障時速斷跳開相關(guān)開關(guān)。電流閉鎖定值一般躲過最大負(fù)荷電流，取1.5～2 倍最大負(fù)荷電流[13]。

圖6 弧光保護(hù)動作邏輯

弧光保護(hù)裝置在發(fā)生故障時應(yīng)在數(shù)毫秒內(nèi)做出響應(yīng)，以減少短路弧光對設(shè)備和人員造成的傷害。倘若開關(guān)機(jī)構(gòu)失靈無法及時跳開，需要及時跳開上一級的開關(guān)來確保故障可靠隔離。本文設(shè)計了弧光失靈保護(hù)邏輯來達(dá)到這一目的。

弧光保護(hù)動作后，立即觸發(fā)弧光失靈保護(hù)，弧光失靈保護(hù)實(shí)時判斷故障電流是否大于設(shè)定的故障失靈電流：

式中：Ifmax為最大故障相電流；Ibf為弧光保護(hù)失靈電流定值，建議取2 倍額定電流以上。

此外還可以選擇是否投入開關(guān)位置判據(jù)?；」馐ъ`保護(hù)動作邏輯如圖7 所示。

圖7 弧光失靈保護(hù)動作邏輯

2.2 基于GOOSE 通信的弧光保護(hù)策略

如上所述，弧光保護(hù)需依據(jù)故障點(diǎn)發(fā)生的位置切除不同的開關(guān)，以便在隔離故障的同時，盡量縮小停電范圍。在開關(guān)發(fā)生失靈時，又需要及時跳開上一級的開關(guān)確保故障可靠隔離。因此弧光保護(hù)控制方案顯得尤為重要。本文根據(jù)常見的單母分段系統(tǒng)主接線對弧光保護(hù)的控制策略進(jìn)行分析[14-15]。

圖8 為35 kV 單母分段系統(tǒng)主接線，有2 臺主變，2 段母線各有2 條進(jìn)線。本文模擬不同的故障點(diǎn)，并對弧光保護(hù)的動作邏輯進(jìn)行分析，表1 列舉了各個故障點(diǎn)在各種運(yùn)行方式下的控制策略。表1 中：F1 表示主變饋出線間隔區(qū)弧光短路故障；F2 和F3 表示母線區(qū)弧光短路故障；F4 表示進(jìn)線間隔區(qū)弧光短路故障；Stage1 表示第一時限；Stage2 表示第二時限（開關(guān)失靈）。

圖8 35 kV 系統(tǒng)弧光保護(hù)控制策略

表1 35 kV 系統(tǒng)弧光保護(hù)控制策略

圖9 為10 kV 單母分段系統(tǒng)主接線，有2 條進(jìn)線和2 臺35 kV/10 kV 主變，通過模擬不同故障點(diǎn)來分析10 kV 系統(tǒng)弧光保護(hù)常用的控制策略。表2 給出不同故障點(diǎn)在不同運(yùn)行方式下的控制策略。

表2 10 kV 系統(tǒng)弧光保護(hù)策略

圖9 10 kV 系統(tǒng)弧光保護(hù)策略

3 基于GOOSE 通信的弧光保護(hù)方案創(chuàng)新性及優(yōu)勢

本文介紹了基于GOOSE 通信的弧光保護(hù)方案，該方案通過組建過程層GOOSE 網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信號傳遞，與現(xiàn)有的弧光保護(hù)方案相比有以下優(yōu)勢。

1）保護(hù)范圍更全面。原有的母線區(qū)弧光保護(hù)方案以及間隔區(qū)弧光保護(hù)方案只是對中低壓開關(guān)柜的部分區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，不能完整覆蓋開關(guān)柜整體。本文介紹的方案中，各間隔綜合保護(hù)裝置采集本間隔母線區(qū)及間隔區(qū)弧光信號，通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳遞給弧光保護(hù)裝置，保護(hù)范圍涉及開關(guān)柜母線區(qū)及間隔區(qū)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜的全面覆蓋，因此該方案保護(hù)范圍更全面。

2）弧光信號光纖敷設(shè)工作量大大降低。原有的母線區(qū)弧光保護(hù)方案，需要將所有中低壓開關(guān)柜的弧光信號接至弧光保護(hù)裝置，弧光信號光纖會出現(xiàn)跨屏柜敷設(shè)，工作量較大。本文介紹的方案通過組建過程層綜合保護(hù)裝置和弧光保護(hù)裝置共有的GOOSE 網(wǎng)絡(luò)。通過各間隔的綜合保護(hù)裝置就地采集本間隔的弧光信號，并通過GOOSE 網(wǎng)傳遞給弧光保護(hù)裝置，弧光光纖不再跨屏敷設(shè)，因此工程量大大降低。

3）如上所述，間隔區(qū)弧光保護(hù)方案存在死區(qū)問題。但是本文所述方案與間隔區(qū)弧光保護(hù)方案的不同點(diǎn)在于，間隔區(qū)弧光保護(hù)方案以本間隔TA 采集的電流做為輔助判據(jù)，因此有可能在死區(qū)發(fā)生故障但采集不到故障電流導(dǎo)致保護(hù)拒動。而本文所述方案的弧光保護(hù)以整個中低壓母線的進(jìn)線電流作為輔助判據(jù)，因此不論故障發(fā)生在母線區(qū)、間隔區(qū)還是死區(qū)，故障電流都能反映至中低壓的進(jìn)線電流。所以當(dāng)間隔區(qū)死區(qū)發(fā)生故障時，弧光保護(hù)裝置采集到進(jìn)線電流大于定值，結(jié)合弧光信號，弧光保護(hù)能及時向間隔區(qū)綜合保護(hù)裝置發(fā)出GOOSE 跳令，及時跳開故障間隔。

4）根據(jù)以上弧光保護(hù)控制策略介紹，本文的弧光保護(hù)方案闡述了弧光故障時在保證有效切除弧光故障的前提下，盡可能縮小停電范圍；在發(fā)生開關(guān)失靈或者拒動情況下，弧光失靈保護(hù)又能及時跳開上一級開關(guān)以確保故障徹底隔離，因此該方案更合理、更完善。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了幾種常見的中低壓弧光保護(hù)控制方案，并指出現(xiàn)有保護(hù)方案的不足。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于GOOSE 通信的弧光保護(hù)方案。該方案可實(shí)現(xiàn)中低壓系統(tǒng)母線區(qū)和間隔區(qū)的無死區(qū)保護(hù)。數(shù)字化技術(shù)的使用避免了弧光采集光纖的跨屏敷設(shè)，使得工程施工量大大降低。文中所述弧光保護(hù)方案已經(jīng)在馬來西亞電網(wǎng)公司TNB 公司拿到入網(wǎng)許可，即將在2021 年底投入使用，因此該方案有較好的推廣應(yīng)用前景。