基于GOOSE的供電臂網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)與控制功能研究

李雙才

（中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

我國(guó)的鐵路建設(shè)經(jīng)過多年的發(fā)展，取得了較大的成就。城際鐵路、高速鐵路等鐵路網(wǎng)在全國(guó)依次鋪開。我國(guó)的城際鐵路、高速鐵路均采用電氣化鐵路牽引供電模式，牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)車失去動(dòng)力電源、列車停運(yùn)、乘客滯留，嚴(yán)重?cái)_亂正常的行車計(jì)劃。因此，電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)必須提供優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定、不間斷的安全供電[1-3]，是鐵路正常運(yùn)輸保障的前提條件。城際鐵路、高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)大多采用220kV 進(jìn)線電源、全并聯(lián)AT 牽引網(wǎng)的供電模式，所內(nèi)變壓器容量較大，只要發(fā)生接觸網(wǎng)接地故障，就會(huì)產(chǎn)生很大的短路故障電流，一般達(dá)到普速鐵路的2～3 倍，發(fā)熱效率達(dá)到普速鐵路的4～9 倍，較大地?fù)p傷與沖擊變壓器、斷路器、接觸網(wǎng)等一次設(shè)備，嚴(yán)重地?fù)p害一次設(shè)備的使用壽命。基于此，城際鐵路、高速鐵路等牽引供電系統(tǒng)需要更快的繼電保護(hù)，盡量縮小故障停電范圍。一旦發(fā)生接觸網(wǎng)接地故障，為滿足速動(dòng)性，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)方案為：首先，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)將變電所的上、下行斷路器跳閘；然后，分區(qū)所、AT 所通過失壓保護(hù)解列供電臂，通過重合閘保護(hù)恢復(fù)非故障區(qū)段供電。因此，供電臂發(fā)生的任何故障，都會(huì)造成上、下行斷路器同時(shí)跳閘，不僅擴(kuò)大了停電范圍，導(dǎo)致繼電保護(hù)選擇性差，而且增加了斷路器動(dòng)作次數(shù)，使一次設(shè)備遭受更多的電沖擊，甚至?xí)?duì)設(shè)備造成永久性損傷。

綜上所述，由于傳統(tǒng)保護(hù)裝置只能采集裝置安裝點(diǎn)的信息，僅具有單點(diǎn)保護(hù)功能，而各保護(hù)裝置之間不能交互信息，使得傳統(tǒng)繼電保護(hù)方案造成上述不可克服的缺陷?；贗EC61850 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的智能保護(hù)裝置，可以直接通過GOOSE 信號(hào)，快速交互開關(guān)分合閘、保護(hù)閉鎖或保護(hù)聯(lián)跳等指令信息[4-5]，從而使任意智能裝置具有廣域保護(hù)功能與控制功能。

本文針對(duì)牽引供電系統(tǒng)全并聯(lián)AT 網(wǎng)的特點(diǎn)，提出利用既有牽引變電所、分區(qū)所、AT 所之間的廣域通道，實(shí)現(xiàn)供電臂網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)與控制方案。只要發(fā)生接觸網(wǎng)永久性故障，供電臂各裝置之間直接通過GOOSE信號(hào)，交互開關(guān)分合閘、保護(hù)閉鎖或保護(hù)聯(lián)跳等指令信息，快速退出故障區(qū)段，恢復(fù)非故障區(qū)間供電，縮小停電范圍，在保證繼電保護(hù)速動(dòng)性的同時(shí)，滿足了保護(hù)的選擇性[6]。

1 傳統(tǒng)的饋線保護(hù)不足

因此，圖1 所示的供電臂接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，傳統(tǒng)的饋線保護(hù)裝置保護(hù)1QF、2QF 斷路器同時(shí)跳閘，停止對(duì)上、下行接觸網(wǎng)供電，整個(gè)供電臂失壓。同時(shí)，同一供電臂的分區(qū)所與AT 所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)自耦變壓器從有壓變?yōu)闊o壓，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)分別跳開斷路器3QF、4QF、5QF 和6QF。然后，1QF、2QF斷路器重合閘啟動(dòng)。假設(shè)圖1 所示K 處所在的下行線路發(fā)生永久性接觸網(wǎng)故障，1QF 斷路器重合閘失敗，由于上行線路沒有故障，2QF 斷路器重合閘成功，恢復(fù)對(duì)非故障的上行線路供電。最后，分區(qū)所與AT所內(nèi)的AT2 與AT4 自耦變壓器檢測(cè)接觸網(wǎng)有壓，分別合閘4QF 與6QF 斷路器，自耦變壓器投入正常工作。

圖1 全并聯(lián)AT 供電方式供電臂示意圖

綜上所述，傳統(tǒng)繼電保護(hù)功能存在的缺陷與不足如下。

1.1 保護(hù)選擇性不足

接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，變電所繼電保護(hù)會(huì)同時(shí)跳閘供電臂上、下行斷路器，分區(qū)所與AT 所繼電保護(hù)會(huì)因接觸網(wǎng)失壓跳閘，導(dǎo)致整個(gè)供電臂停電。選擇性不足造成的后果是：非故障區(qū)段的一次設(shè)備承受不必要的電沖擊，斷路器動(dòng)作次數(shù)增加，減少了使用壽命；非故障區(qū)段隨故障區(qū)段同時(shí)跳閘，造成停電范圍擴(kuò)大。

1.2 保護(hù)速動(dòng)性不足

接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，傳統(tǒng)繼電保護(hù)是通過設(shè)置不同的保護(hù)定值和時(shí)限定值配合實(shí)現(xiàn)選擇性，使得保護(hù)動(dòng)作時(shí)間處于100～1000ms 之間，延長(zhǎng)了保護(hù)時(shí)限，犧牲了速動(dòng)性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒損乃至燒斷斷路器、變壓器、避雷器等一次設(shè)備與接觸網(wǎng)，使瞬時(shí)性故障演變成永久性故障。

1.3 斷路器動(dòng)作頻繁、不斷沖擊一次設(shè)備

經(jīng)過上述分析，一旦圖1 所示的K 處發(fā)生永久性故障，會(huì)造成1QF 斷路器2 次跳閘，1 次重合閘；2QF斷 路1 次 跳 閘，1 次 重 合 閘；3QF 與5QF 斷 路 器 各1 次跳閘；4QF 與6QF 斷路器各1 次跳閘、1 次合閘。故障所在的供電臂所有斷路器一共動(dòng)作11 次，短時(shí)間內(nèi)斷路器動(dòng)作頻繁，不斷沖擊所內(nèi)一次設(shè)備。

2 基于GOOSE 的供電臂網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)與控制功能研究

廣域保護(hù)系統(tǒng)是基于綜合自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的新一代繼電保護(hù)產(chǎn)品，系統(tǒng)分別在同一供電臂的變電所、分區(qū)所、AT 所內(nèi)設(shè)置智能保護(hù)裝置，所間智能保護(hù)裝置采用圖2 所示的通信結(jié)構(gòu)，各裝置使用最新的IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通過圖2 所示的廣域通道，利用GOOSE 和SV 交 互 信 息。

圖2 廣域級(jí)智能保護(hù)裝置通信結(jié)構(gòu)示意圖

為了較好地區(qū)分故障區(qū)段與非故障區(qū)段，在判據(jù)中引入電流方向。將變電所所內(nèi)由母線流向線路的保護(hù)電流方向定義為正方向，由線路流向母線的則定義為負(fù)方向，分區(qū)所、AT 所電流方向定義與此相同。接觸網(wǎng)故障時(shí)，只有電流正方向啟動(dòng)的保護(hù)才允許出口，電流負(fù)方向啟動(dòng)的保護(hù)不允許出口，且通過廣域通道向同一供電臂的變電所智能保護(hù)裝置發(fā)出保護(hù)閉鎖GOOSE 信號(hào)。圖1K 處發(fā)生接觸網(wǎng)故障時(shí)，斷路器1QF、2QF、3QF、5QF 的保護(hù)電流從母線流向線路，電流方向?yàn)檎?；斷路?QF、6QF 的保護(hù)電流從線路流向母線，電流方向?yàn)樨?fù)。斷路器1QF、3QF、5QF 保護(hù)電流為正方向，保護(hù)允許出口，斷路器跳閘；斷路器4QF、6QF 的保護(hù)電流為負(fù)方向，保護(hù)不允許出口，且向同一區(qū)段（上行線）斷路器2QF 的保護(hù)裝置發(fā)送保護(hù)閉鎖GOOSE 信號(hào)；斷路器2QF 的保護(hù)裝置收到同一區(qū)間其他裝置發(fā)送的保護(hù)閉鎖GOOSE 信號(hào)，盡管保護(hù)電流為正，同樣閉鎖保護(hù)出口。因此，K 處發(fā)生故障時(shí)，下行線路所有斷路器跳閘，停止供電，上行線所有斷路器不動(dòng)作，正常運(yùn)營(yíng)。

下行線退出運(yùn)行后，為了進(jìn)一步縮小故障停電范圍，恢復(fù)非故障區(qū)段的供電，廣域保護(hù)裝置采用自愈重構(gòu)技術(shù)，將供電臂區(qū)段劃分為L(zhǎng)11、L12、L21 及L22四個(gè)區(qū)間，如圖3 所示的典型供電臂接線圖。當(dāng)某個(gè)區(qū)間接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，通過GOOSE 發(fā)出分合閘命令，斷開KT1 或KT2 開關(guān)，合閘相應(yīng)斷路器，恢復(fù)非故障區(qū)間的供電，僅停止故障區(qū)間的供電。

圖3 AT 供電方式典型供電臂接線圖

一旦圖3 中的L12 區(qū)段(圖1 中的K 處)接觸網(wǎng)發(fā)生永久性故障，同一供電臂的各智能保護(hù)裝置會(huì)同時(shí)跳開變電所213 斷路器、分區(qū)所與AT 所的271 斷路器，變電所213 斷路器重合閘失敗，變電所內(nèi)的智能保護(hù)裝置通過電流方向及GOOSE 信號(hào)，定位故障所在區(qū)段，啟動(dòng)如下自動(dòng)控制程序：

第一，變電所內(nèi)的廣域保護(hù)測(cè)控裝置通過所間廣域通道給AT 所內(nèi)的廣域保護(hù)測(cè)控裝置發(fā)送命令，分KT1 開關(guān)。第二，變電所內(nèi)的廣域保護(hù)測(cè)控裝置合213 斷路器，使非故障的L11 區(qū)段恢復(fù)供電。

一旦圖3 中的L11 區(qū)段接觸網(wǎng)發(fā)生永久性故障，變電所內(nèi)的廣域保護(hù)測(cè)控裝置通過電流方向及GOOSE 信號(hào)，定位故障所在區(qū)段，啟動(dòng)如下自動(dòng)控制程序：第一，變電所內(nèi)的廣域保護(hù)測(cè)控裝置通過所間廣域通道給AT 所內(nèi)的廣域保護(hù)測(cè)控裝置發(fā)送命令，分KT1 開關(guān)。第二，變電所內(nèi)的廣域保護(hù)測(cè)控裝置通過所間廣域通道給AT 所內(nèi)的廣域保護(hù)測(cè)控裝置發(fā)送命令，合271 斷路器。第三，變電所內(nèi)的廣域保護(hù)測(cè)控裝置通過所間廣域通道給分區(qū)所內(nèi)的廣域保護(hù)測(cè)控裝置發(fā)送命令，合271 斷路器，使L12 區(qū)段恢復(fù)供電。

綜上所述，基于GOOSE 的供電臂網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)與控制功能，同時(shí)保證了保護(hù)的選擇性與速動(dòng)性。與傳統(tǒng)繼電保護(hù)相比，同一條供電臂內(nèi)所有斷路器僅動(dòng)作6次，減少了45%的斷路器動(dòng)作次數(shù)，降低了因斷路器動(dòng)作次數(shù)增加對(duì)一次設(shè)備電沖擊的影響；同時(shí)縮小了故障停電范圍，使停電范圍縮小至傳統(tǒng)保護(hù)的50%。由于裝置之間能夠通過發(fā)送GOOSE 信號(hào)，閉鎖同一區(qū)段其他裝置的保護(hù)出口，各保護(hù)裝置的后備保護(hù)同時(shí)啟動(dòng)，使保護(hù)動(dòng)作時(shí)限不大于20ms，實(shí)現(xiàn)全速動(dòng)的保護(hù)功能，快速切除故障線路，將接觸網(wǎng)與變壓器的電沖擊影響降至最低，同時(shí)不影響非故障區(qū)段的正常運(yùn)營(yíng)，減少停電范圍。

3 動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提方案的正確性與有效性，于2021 年6 月28 日在西南交通大學(xué)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室，通過在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（RTDS）設(shè)置各種運(yùn)行工況及故障狀態(tài)，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)。

模擬供電臂L12 近分區(qū)所區(qū)段發(fā)生永久性T 線故障，同一供電臂內(nèi)的變電所、分區(qū)所與AT 所廣域保護(hù)測(cè)控裝置及斷路器動(dòng)作情況如下：

第一，變電所213 斷路器供電臂正向阻抗保護(hù)、過電流保護(hù)、距離I 段保護(hù)出口，213 斷路器跳閘，同時(shí)向同一區(qū)段的其他智能保護(hù)裝置發(fā)出供電臂聯(lián)跳GOOSE 信號(hào)；第二，變電所214 斷路器智能保護(hù)裝置收到同一區(qū)段其他裝置發(fā)出的保護(hù)閉鎖GOOSE 信號(hào)，所有保護(hù)功能不允許出口，均處于閉鎖狀態(tài)；第三，分區(qū)所271 斷路器智能保護(hù)裝置收到變電所213保護(hù)裝置發(fā)出的供電臂聯(lián)跳GOOSE 信號(hào)，供電臂聯(lián)跳保護(hù)出口動(dòng)作，同時(shí)供電臂正向阻抗保護(hù)元件動(dòng)作出口，分區(qū)所271 斷路器保護(hù)跳閘；第四，分區(qū)所272斷路器智能保護(hù)裝置檢測(cè)該斷路器的保護(hù)電流從線路流向母線，為負(fù)方向，閉鎖該裝置所有保護(hù)，同時(shí)生成保護(hù)閉鎖的GOOSE 信號(hào)，并將該信號(hào)發(fā)送給同區(qū)段的變電所214 斷路器保護(hù)裝置；第五，由于故障點(diǎn)位于分區(qū)所近端，遠(yuǎn)離AT 所，AT 所271 斷路器所有保護(hù)功能均未能啟動(dòng)，但271 斷路器保護(hù)裝置收到變電所保護(hù)裝置發(fā)出的供電臂聯(lián)跳GOOSE 信號(hào)，AT 所271 斷路器保護(hù)裝置的供電臂聯(lián)跳保護(hù)動(dòng)作，271 斷路器出口跳閘；第六，AT 所272 斷路器智能保護(hù)裝置檢測(cè)該斷路器的保護(hù)電流從線路流向母線，為負(fù)方向，閉鎖該裝置所有保護(hù)，同時(shí)生成保護(hù)閉鎖的GOOSE信號(hào)，并將該信號(hào)發(fā)送給同區(qū)段的變電所214 斷路器保護(hù)裝置；第七，變電所智能保護(hù)裝置啟動(dòng)自動(dòng)控制功能，同時(shí)通過測(cè)距計(jì)算，識(shí)別出故障區(qū)間為L(zhǎng)12；第八，變電所智能保護(hù)裝置根據(jù)判斷出的故障區(qū)間，選擇對(duì)應(yīng)的自愈方案；第九，變電所智能保護(hù)裝置通過廣域通道，給同一區(qū)間內(nèi)的AT 所智能保護(hù)裝置發(fā)送KT1 開關(guān)分閘GOOSE 指令；第十，AT 所的智能裝置收到GOOSE 指令后，分開KT1 開關(guān)，分閘成功后向變電所廣域保護(hù)測(cè)控裝置發(fā)送分閘成功的GOOSE 信號(hào)；第十一，變電所廣域保護(hù)測(cè)控裝置收到分閘KT1開關(guān)成功的GOOSE 信號(hào)后，合閘213 斷路器，L11 區(qū)間恢復(fù)供電，將L12 故障區(qū)間隔離。

4 結(jié)語

本文基于同一供電臂內(nèi)的所間廣域通道與廣域保護(hù)測(cè)控裝置，利用裝置之間的GOOSE 聯(lián)跳信號(hào)與閉鎖信號(hào)，研究了全并聯(lián)AT 供電方式下的供電臂網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)與控制功能。當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生接觸網(wǎng)故障時(shí)，供電臂相關(guān)裝置的保護(hù)功能啟動(dòng)，同時(shí)發(fā)出GOOSE聯(lián)跳信號(hào)或閉鎖信號(hào)。變電所保護(hù)裝置在保護(hù)啟動(dòng)后，如果未收到保護(hù)閉鎖信號(hào)，則保護(hù)出口，同時(shí)給同區(qū)段的AT 所與分區(qū)所保護(hù)裝置發(fā)送保護(hù)聯(lián)跳信號(hào)；變電所保護(hù)裝置收到保護(hù)閉鎖信號(hào)，閉鎖保護(hù)，不出口；分區(qū)所與AT 所內(nèi)的智能保護(hù)裝置定位故障區(qū)段，給同一區(qū)段非故障線路的變電所保護(hù)裝置發(fā)送保護(hù)閉鎖信號(hào)；智能保護(hù)裝置一旦收到聯(lián)跳保護(hù)信號(hào)，動(dòng)作出口，快速退出故障線路，保證非故障線路正常供電，在確保保護(hù)速動(dòng)性的同時(shí)滿足保護(hù)的選擇性。相比傳統(tǒng)保護(hù)，供電臂所有斷路器動(dòng)作次數(shù)減少了45%,停電范圍縮小了50%。方法的有效性與正確性得到了動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。