高立克 吳智丁 吳麗芳 徐學(xué)通

（1.廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣西 南寧 530023；2.能拓電力建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210024）

0 引言

配電網(wǎng)作為輸電環(huán)節(jié)和用電環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換樞紐，在整個(gè)電網(wǎng)中起著至關(guān)重要的作用。而我們的配電網(wǎng)管理系統(tǒng)是以自動(dòng)化配電設(shè)備為基礎(chǔ)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電子以及通信等技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行在線和離線的智能化監(jiān)控與管理，使配電網(wǎng)運(yùn)行更加安全、可靠、高效和優(yōu)質(zhì)。配電網(wǎng)自動(dòng)化終端完成配電網(wǎng)的各種遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)和控制，用于采集、監(jiān)測(cè)和控制配電網(wǎng)的各種實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)信息。根據(jù)監(jiān)控對(duì)象不同分為饋線終端（FTU）、配電變壓器終端（TTU）、開閉所終端（DTU）。

饋線自動(dòng)化（FA）指饋電線路的故障檢測(cè)、定位、故障隔離及正常線路的恢復(fù)供電，包括架空、電纜線路的饋線自動(dòng)化和開閉所的故障處理，主要通過配電網(wǎng)智能終端來實(shí)現(xiàn)。

1 傳統(tǒng)饋線處理的方式

傳統(tǒng)的饋線處理方式主要包括配電網(wǎng)主站集中式管理、配電管理子站區(qū)域性管理以及當(dāng)?shù)刂睾祥l。以下簡(jiǎn)要說明：（1）配電網(wǎng)主站集中式管理。系統(tǒng)由安裝在饋線開關(guān)處的終端裝置DTU/FTU、配網(wǎng)通信子站、配網(wǎng)通信網(wǎng)及主站4部分組成。故障發(fā)生后，主站根據(jù)DTU/FTU上送的信息進(jìn)行故障定位，隔離故障點(diǎn)并恢復(fù)非故障區(qū)段的供電。整個(gè)故障處理過程包含子站收集終端數(shù)據(jù)、子站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至主站，主站啟動(dòng)故障定位-故障隔離，進(jìn)行過負(fù)荷校驗(yàn)，計(jì)算網(wǎng)損，確定最佳恢復(fù)供電方案，此種方式由于通信環(huán)節(jié)較多，所以用時(shí)較長(zhǎng)。（2）管理型子站區(qū)域性管理。配網(wǎng)管理型子站具有對(duì)所轄區(qū)域的故障管理功能，當(dāng)所轄區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，不依賴主站，依據(jù)所轄區(qū)域的配電線路拓?fù)?，就地完成故障線路的隔離。整個(gè)故障處理的自動(dòng)化動(dòng)作主要是子站故障定位時(shí)間約1 s、子站執(zhí)行故障隔離時(shí)間約2～6 s、主站收到子站執(zhí)行隔離成功報(bào)文，啟動(dòng)故障恢復(fù)流程，共用時(shí)4～5 s。（3）當(dāng)?shù)刂睾祥l。終端裝置與重合斷路器配合，組成具有控制和保護(hù)功能的自動(dòng)開關(guān)設(shè)備，能夠完成故障（包括短路故障和小電流接地故障）的檢測(cè)與保護(hù)，與FTU柱上開關(guān)終端裝置配合，按照預(yù)定的順序自動(dòng)進(jìn)行開斷和重合操作，排除瞬時(shí)故障、隔離永久故障點(diǎn)，最大限度地減少故障停電時(shí)間和停電范圍。隨著用戶對(duì)配電網(wǎng)供電可靠性要求的提高，配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)需要在供電線路故障及時(shí)處理、非故障區(qū)域快速恢復(fù)供電方面作出努力。

2 GOOSE協(xié)議的引入

國際電工委員會(huì)（IEC）制定的《IEC61850變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，隨著其技術(shù)的逐漸成熟和廣泛應(yīng)用，其技術(shù)和方法逐漸推廣至變電站自動(dòng)化以外的其他領(lǐng)域。我們將其引入到饋線自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中。

GOOSE協(xié)議作為IEC61850的重要組成部分，其出發(fā)點(diǎn)是功能的分布式實(shí)現(xiàn)，它以高速地P2P（Peer-to-Peer）通信為基礎(chǔ)，替代了傳統(tǒng)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)之間的通信提供了快速且高效可靠的方法。任一IED與其他IED通過以太網(wǎng)相聯(lián)，可以為訂閱方接收數(shù)據(jù)，也可以為發(fā)布方向其他IED提供數(shù)據(jù)。

GOOSE是一種實(shí)時(shí)應(yīng)用，主要傳送間隔閉鎖信號(hào)和實(shí)時(shí)跳閘信號(hào)。根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，GOOSE信號(hào)的通信延遲應(yīng)小于4 ms。IEC61850實(shí)現(xiàn)GOOSE實(shí)時(shí)性采取的手段包括：IEC61850標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)變電站所有功能定義了比較詳盡的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象，并提供了完整的描述數(shù)據(jù)對(duì)象模型的方法和面向?qū)ο蟮姆?wù)。這些抽象的通信服務(wù)、通信對(duì)象及參數(shù)通過特殊通信服務(wù)映射（SCSM）可映射到底層應(yīng)用程序，其映射一般遵循MMS+TCP/IP+ISO/IEC8802.3模式，而GOOSE模型的報(bào)文傳輸映射實(shí)現(xiàn)比較特殊：應(yīng)用層專門定義了協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（Protocol Data Unit），經(jīng)過表示層編碼后，不經(jīng)TCP/IP協(xié)議，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，即傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層均空。這種映射方式的目的是避免通信堆棧造成傳輸延遲，從而保證報(bào)文傳輸、處理的快速性?；贕OOSE協(xié)議的實(shí)時(shí)性特征，將它推廣應(yīng)用到饋線自動(dòng)化領(lǐng)域，從而達(dá)到快速饋線處理的目的。

3 GOOSE協(xié)議建模及快速FA功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 智能配電網(wǎng)終端硬件構(gòu)成

設(shè)備采用COLDFIRE硬件開發(fā)平臺(tái)，硬件平臺(tái)主要由系統(tǒng)電源模塊、MMI板、主控板、GPRS模塊及無線微功耗模塊等組成。主板預(yù)留了這些模塊的接口，同時(shí)主板直接完成三遙功能，無需其他的完成獨(dú)立功能的遙測(cè)、遙控、遙信等功能插件。圖1為其部分硬件結(jié)構(gòu)圖。

3.2 故障檢測(cè)邏輯

要實(shí)現(xiàn)智能終端的饋線故障自動(dòng)化處理，首先需要設(shè)備能夠通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電線路，檢測(cè)線路所處故障狀態(tài)。線路故障可分為以下幾種狀態(tài)：（1）正常態(tài)：檢出正常的電壓和電流。（2）失壓/失流態(tài)：檢出失壓或失流。（3）涌流態(tài)：當(dāng)裝置在失壓/失流態(tài)檢出到過流，則判斷為勵(lì)磁涌流，延時(shí)確認(rèn)后判為過流故障。是否屏蔽勵(lì)磁涌流可通過控制字設(shè)定。（4）過流態(tài)：檢出過流故障。（5）故障跳閘態(tài)：變電站出口或開關(guān)本體故障后跳閘。（6）重合閉鎖態(tài)：變電站出口或開關(guān)本體一次重合閘失敗后閉鎖。

當(dāng)裝置檢測(cè)到相應(yīng)的信息故障后，會(huì)相應(yīng)地發(fā)出跳、合閘指令或者作出相應(yīng)的動(dòng)作指令或是向其上一級(jí)上報(bào)信息。圖2為故障檢測(cè)邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

圖1 智能終端硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 故障檢測(cè)邏輯狀態(tài)圖

3.3 VxWorks系統(tǒng)GOOSE協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

圖3 GOOSE通信協(xié)議棧

為保證快速FA處理的實(shí)時(shí)性，采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用功能支撐。VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、航天等實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的領(lǐng)域，支持多任務(wù)、中斷、任務(wù)搶占式調(diào)度等機(jī)制，具備強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高，適合電力系統(tǒng)的應(yīng)用。可以保證實(shí)時(shí)任務(wù)的快速響應(yīng)，以滿足繼電保護(hù)可靠性和快速性的要求。為達(dá)到在Vxworks系統(tǒng)上應(yīng)用GOOSE報(bào)文來傳遞開關(guān)消息的要求，需要在VxWorks系統(tǒng)平臺(tái)上對(duì)GOOSE協(xié)議進(jìn)行建模。GOOSE協(xié)議棧圖如圖3所示。

圖3指明了GOOSE的通信協(xié)議棧：應(yīng)用層制定的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU，經(jīng)過表示層編碼后，不再經(jīng)過TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的編碼，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。

GOOSE為了保證通信的實(shí)時(shí)性，采用了數(shù)據(jù)鏈路層直接傳輸報(bào)文。VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（圖4）基于開放系統(tǒng)互連（OSI）模型，但在數(shù)據(jù)鏈路層上增加了一個(gè)多路轉(zhuǎn)換接口（MUX），以屏蔽不同網(wǎng)卡設(shè)備的差異性，協(xié)議統(tǒng)一調(diào)用發(fā)送函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，而此發(fā)送函數(shù)再調(diào)用具體網(wǎng)卡設(shè)備的發(fā)送函數(shù)。應(yīng)用程序默認(rèn)通過套接字和TCP/IP協(xié)議棧訪問MUX，GOOSE應(yīng)用不通過成熟的TCP/IP協(xié)議棧，而是直接由應(yīng)用層訪問MUX，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)鏈路層將GOOSE協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用層程序。因而在MUX層綁定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類型處理函數(shù)時(shí)需要對(duì)GOOSE協(xié)議進(jìn)行綁定。

圖4 VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

MUX本身并不處理報(bào)文，只是對(duì)報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，即向上為各高層協(xié)議提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口、屏蔽底層的具體實(shí)現(xiàn)；向下與數(shù)據(jù)鏈路層上的多個(gè)增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)（END）連接，目的是使底層驅(qū)動(dòng)與高層協(xié)議保持獨(dú)立。

由于快速報(bào)文服務(wù)直接由應(yīng)用層訪問MUX，故MUX上設(shè)計(jì)了一個(gè)快速通信接口（FCI）。在此FCI為應(yīng)用提供了6個(gè)訪問MUX的接口函數(shù)，同時(shí)為MUX提供回調(diào)函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝和簡(jiǎn)單分析后以信號(hào)量的方式通知應(yīng)用。

3.4 基于GOOSE技術(shù)對(duì)等通信機(jī)制的快速FA方案

基于GOOSE技術(shù)的對(duì)等通信機(jī)制的FA模式是利用GOOSE廣播報(bào)文方式在終端裝置之間建立對(duì)等通信，進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換，從而快速實(shí)現(xiàn)區(qū)域FA處理。且為了實(shí)現(xiàn)過程層GOOSE報(bào)文對(duì)優(yōu)先級(jí)的需求，要求終端通信交換機(jī)支持IEEE802.1P和 IEEE802.Q 協(xié)議，服務(wù)質(zhì)量（QoS）（優(yōu)先級(jí)）、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）的支持功能是其必要條件，平均失效間隔時(shí)間（MTBF）也是其選擇的重要指標(biāo)。

架空線FA示意圖如圖5所示。假設(shè)饋線開關(guān)K1/K2/K3/K4為4個(gè)相鄰的饋線開關(guān)設(shè)備，其對(duì)應(yīng)的終端裝置FTU1/FTU2/FTU3/FTU4啟動(dòng)基于GOOSE技術(shù)的對(duì)等通信機(jī)制的FA模式。終端裝置FTU采用光纖以太網(wǎng)對(duì)等通信，相互實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)配電環(huán)網(wǎng)快速自愈。當(dāng)環(huán)網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，各相鄰FTU通過光纖以太網(wǎng)快速相互交換信息，在300ms內(nèi)自動(dòng)切除故障區(qū)段，非故障區(qū)段供電恢復(fù)時(shí)間小于2 s。

圖5 架空線FA示意圖

假設(shè)變電站保護(hù)均為0s速斷保護(hù)，配置有ts=500ms的一次重合閘，K1、K2、K3、K4均為線路上負(fù)荷開關(guān)。

當(dāng)相間故障發(fā)生后，此時(shí)CB1速斷跳閘，線路失電，F(xiàn)TU檢測(cè)到故障的終端會(huì)主動(dòng)與其左右相鄰的終端裝置進(jìn)行對(duì)等通信，詢問故障信息狀態(tài)，當(dāng)通信主動(dòng)方終端收到前側(cè)（電源側(cè)）相鄰終端的故障上報(bào)信息，而未收到后側(cè)相鄰終端故障上報(bào)信息時(shí)，其認(rèn)為故障點(diǎn)在其后側(cè)，啟動(dòng)隔離處理過程。

舉例來說，常規(guī)狀態(tài)下K1、K2、K3為閉合狀態(tài)，K4為分狀態(tài)。假設(shè)故障發(fā)生在K2與K3之間，當(dāng)終端裝置FTU2主動(dòng)與其相鄰開關(guān)上的終端裝置進(jìn)行對(duì)等通訊時(shí)，召喚FTU1和FTU3的故障信息，由于FTU1、FTU2檢測(cè)到故障而FTU3沒有檢測(cè)到故障，F(xiàn)TU2判斷故障點(diǎn)在其后側(cè)，F(xiàn)TU2跳開自身開關(guān)，同時(shí)FTU2向FTU3發(fā)送跳閘信息，F(xiàn)TU3接收到信息后跳開，完成故障定位、隔離。故障點(diǎn)成功隔離之后FTU2向FTU4發(fā)送合閘信息，K4與K3之間由CB2恢復(fù)供電，CB1在N秒后進(jìn)行一次重合閘，此時(shí)故障點(diǎn)已經(jīng)隔離成功，CB1重合成功，CB1與K1和K1與K2之間由CB1供電，至此故障恢復(fù)完成。

按此方式進(jìn)行的故障定位，我們的時(shí)間指標(biāo)可控制在：故障判斷過程＜35 ms（終端啟動(dòng)時(shí)間）；故障定位及隔離處理過程＜200ms（含開關(guān)動(dòng)作時(shí)間100ms）。故障切除后，能保證CB1一次重合閘的成功。

4 配電網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展方向

未來配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，除了應(yīng)保證供電質(zhì)量，迅速確定故障點(diǎn)，及時(shí)處理故障，恢復(fù)線路送電和降低網(wǎng)損外，還應(yīng)不斷提高用戶的用電實(shí)時(shí)在線評(píng)判。

由于配電網(wǎng)采集和監(jiān)控的信息要比調(diào)度能量管理系統(tǒng)大得多，而且由于設(shè)備或原始設(shè)計(jì)的缺陷，通過配電遠(yuǎn)方終端單元采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量和控制量一般不到全部配網(wǎng)數(shù)據(jù)總量的10%。所以，應(yīng)該依靠故障投訴管理、負(fù)荷管理、電量計(jì)費(fèi)和用電營(yíng)業(yè)管理等子系統(tǒng)收集的信息進(jìn)一步彌補(bǔ)實(shí)時(shí)信息的不足，即加強(qiáng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，包括實(shí)時(shí)的、歷史的參數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)。

［1］王文松.饋線自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)模式綜述［J］.西藏科技，2011（3）

［2］劉健，薛吉.工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP性能分析［J］.低壓電器，2010（16）