楊 亮 馬黨梅

（南京電研電力自動化股份有限公司，江蘇 南京210061）

0 引言

近年來，數(shù)字化變電站技術(shù)迅猛發(fā)展，基于面向通用對象的變電站事件（GOOSE）的高速可靠的網(wǎng)絡(luò)通信方式日漸成熟，為實(shí)現(xiàn)保護(hù)之間實(shí)現(xiàn)快速通信提供了技術(shù)保障。本文提出的區(qū)域保護(hù)屬于“面保護(hù)”［1］的范疇，在面保護(hù)算法［2］的基礎(chǔ)上，重新理解和剖析面保護(hù)的算法，本文稱之為“區(qū)域保護(hù)算法”。該算法簡化了參數(shù)的配置，提高了現(xiàn)場調(diào)試與維護(hù)的效率。

區(qū)域保護(hù)主要是在饋線自動化終端FTU（Feeder Terminal Unit）設(shè)備之間來完成。饋線終端FTU之間的數(shù)據(jù)信息交換是利用光纖網(wǎng)絡(luò)的GOOSE方式來傳遞的。FTU一般安裝于饋電線路上，完成對柱上開關(guān)或分段開關(guān)的保護(hù)與監(jiān)控，能夠通過光纖網(wǎng)絡(luò)或GPRS無線將實(shí)時數(shù)據(jù)上傳至主站，以實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、保護(hù)、控制以及故障檢測等功能。

1 區(qū)域保護(hù)的基本原理

將配電網(wǎng)中的每個開關(guān)從中間分為左邊和右邊2個區(qū)域，左右2個區(qū)域就將成為區(qū)域保護(hù)的閉鎖區(qū)域（Closed Area）或開放區(qū)域（Opened Area）。電流正方向的一般認(rèn)定方法是電源側(cè)流向負(fù)荷側(cè)。我們認(rèn)定某一個開關(guān)達(dá)到故障啟動電流的正方向?yàn)殚_放區(qū)域，故障啟動電流的反方向即閉鎖區(qū)域。運(yùn)行中對于同一個開關(guān)的保護(hù)來說，其閉鎖區(qū)域和開放區(qū)域是根據(jù)故障電流的方向不同而發(fā)生改變的?，F(xiàn)就圖1中的2個故障點(diǎn)，分別來說明保護(hù)動作和閉鎖的基本原理。

圖1 輸電線路開關(guān)

1．1 故障發(fā)生在圖中A點(diǎn)位置

CB1、CB2、CB3開關(guān)為變電站的饋線開關(guān)，裝設(shè)有保護(hù)，速斷動作時間一般為0．3～0．5 s，而網(wǎng)絡(luò)式保護(hù)裝置的速斷動作時間一般設(shè)置為0．1 s左右。為了方便解說網(wǎng)絡(luò)式保護(hù)動作和閉鎖過程，只看配網(wǎng)中的開關(guān)。

先看故障點(diǎn)左側(cè)的開關(guān)，F(xiàn)S1開關(guān)能感知到故障電流，因此FS1保護(hù)啟動。對于FS1開關(guān)來說，故障電流在自己的右側(cè)，需要向自己的故障電流的反方向側(cè)即閉鎖區(qū)域發(fā)送閉鎖命令，在FS1左側(cè)的開關(guān)CB1不是網(wǎng)絡(luò)式保護(hù)，雖然開關(guān)CB1的保護(hù)已經(jīng)啟動，但由于變電站側(cè)開關(guān)的速斷時間比FS1開關(guān)速斷時間較長，所以FS1開關(guān)先動作。

再看FS2的故障電流從左至右，依照原理法則，F(xiàn)S2的左側(cè)為開放區(qū)域，右側(cè)為閉鎖區(qū)域，需要向自己的故障電流的反方向側(cè)（開關(guān)右側(cè)）即閉鎖區(qū)域發(fā)送閉鎖命令給FS3和FS5。依照此方法FS3發(fā)閉鎖命令給FS4。所以，F(xiàn)S3、FS4、FS5開關(guān)都能收到相應(yīng)的閉鎖命令，保持開關(guān)不動。CB1、CB2、CB3由于時限設(shè)置較長而不會動作，其最終結(jié)果是FS1和FS2 2個開關(guān)動作。

1．2 故障發(fā)生在圖中B點(diǎn)位置

先看故障點(diǎn)左側(cè)的開關(guān)，F(xiàn)S1、FS2 2個開關(guān)能夠同時檢測到故障電流的存在，因此FS1、FS2 2個保護(hù)都會啟動。對于FS2開關(guān)來說，故障發(fā)生在它的右側(cè)，它向左側(cè)的FS1開關(guān)發(fā)閉鎖信號，因此，F(xiàn)S1開關(guān)閉鎖。FS2啟動，并且在延時時間內(nèi)沒收到任何閉鎖信號，故FS2開關(guān)動作。對于FS3開關(guān)來說，它檢測到的故障電流在自己的左側(cè)，則它的開放區(qū)域就在左側(cè)，向右側(cè)的開關(guān)FS4發(fā)送閉鎖命令。而FS3開關(guān)在延時時間范圍內(nèi)沒有收到任何閉鎖命令，所以FS3開關(guān)到保護(hù)應(yīng)有的延時后將跳開。同理，F(xiàn)S5開關(guān)也將跳開，從而及時準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)并切除故障。

1．3 區(qū)域保護(hù)算法小結(jié)

無需關(guān)心潮流方向和所謂的正方向，保護(hù)定值設(shè)置更簡單，現(xiàn)場調(diào)試工作量和復(fù)雜程度也大大降低。只需要關(guān)心故障電流的方向性，定義一個虛擬左側(cè)和右側(cè)，并確定最靠近本開關(guān)的左側(cè)有哪些開關(guān)（對于FS2來說只有FS1一個開關(guān)），最靠近本開關(guān)的右側(cè)有哪些開關(guān)（對于FS2來說有FS3和FS5 2個開關(guān)）。

2 GOOSE的通信機(jī)制

GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）是面向通用對象的變電站事件的簡稱，在目前的智能化變電站中廣泛應(yīng)用。GOOSE報(bào)文的發(fā)送和接收分別由publisher（公告式發(fā)布）和subscriber（預(yù)定式接收）來執(zhí)行。

2．1 GOOSE報(bào)文發(fā)送時間間隔

對于publisher，GOOSE報(bào)文的發(fā)送并不完全按固定時間間隔來進(jìn)行。在沒有GOOSE事件發(fā)生時，GOOSE報(bào)文的發(fā)送間隔相對較長，是按固定時間間隔（T0）來發(fā)送；當(dāng)發(fā)生事件時，數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，發(fā)送時間間隔就從設(shè)置的最小時間間隔（T1）開始，在此階段，發(fā)送時間間隔會逐漸增大，直到事件狀態(tài)穩(wěn)定，GOOSE報(bào)文的發(fā)送又變?yōu)楣潭ㄩL時間間隔。工程應(yīng)用中可以根據(jù)快速性的需要對時間間隔T0和T1進(jìn)行設(shè)置。

GOOSE報(bào)文發(fā)送過程如圖2所示。

圖2 GOOSE發(fā)送機(jī)制

2．2 報(bào)文接收方對通訊中斷的檢測

對于一個重發(fā)的GOOSE報(bào)文，會在報(bào)文中附帶一個time－Allowed ToLive的參數(shù)，該參數(shù)告知接收方等待下一個重發(fā)的GOOSE報(bào)文的最長時間，如果在該時間內(nèi)，接收方?jīng)]有收到重發(fā)的報(bào)文，就可以認(rèn)為是發(fā)生了通訊中斷。

2．3 報(bào)文過濾機(jī)制

對于GOOSE報(bào)文的發(fā)送方，它可能會以組播的方式發(fā)送多個報(bào)文，每個報(bào)文都是與特定數(shù)據(jù)相關(guān)的，報(bào)文頭中包含有不同的目標(biāo)地址；對于接收方，網(wǎng)絡(luò)底層會收到網(wǎng)絡(luò)上所有的GOOSE報(bào)文，其中包括接收方需要的信息和它不需要的信息，所以需要對報(bào)文進(jìn)行過濾。為了減輕CPU的負(fù)擔(dān)，這個過濾的任務(wù)一般由網(wǎng)絡(luò)控制器來完成。

接收方采取訂閱的形式來獲取需要的GOOSE報(bào)文，接收方配置了一個GOOSE報(bào)文目標(biāo)地址列表，并對網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)控制器收到GOOSE報(bào)文后就將報(bào)文中的目標(biāo)地址與目標(biāo)地址列表中的地址作對比，如果該目標(biāo)地址包含在地址列表中，那么就認(rèn)為該GOOSE報(bào)文是接收方訂閱的，在CPU從網(wǎng)絡(luò)控制器讀取GOOSE報(bào)文時將報(bào)文傳送給CPU。然后接收方會進(jìn)一步對GOOSE報(bào)文進(jìn)行解析。

3 配電網(wǎng)中的應(yīng)用實(shí)例

圖1中的開關(guān)FS1～FS5在配網(wǎng)中一般是柱上真空斷路器，我們?yōu)槊恳慌_柱上真空斷路器配置一臺智能饋線自動化終端（FTU），開關(guān)具備切斷故障電流的能力，F(xiàn)TU具備光纖通信功能，可組建GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)。

具備區(qū)域保護(hù)功能的FTU是南京電研電力自動化股份有限公司自主研發(fā)的一款智能型FTU，是型號為NSA3100HF的配網(wǎng)饋線自動化終端。區(qū)域保護(hù)的關(guān)鍵是需要快速的通信網(wǎng)絡(luò)，所以，我們采用光纖以太網(wǎng)，將這些開關(guān)的智能控制器（NSA3100HF）連起來，用GOOSE報(bào)文傳遞開關(guān)之間的閉鎖信息。如圖3所示。

4 區(qū)域保護(hù)工程應(yīng)用配置組態(tài)

一般“面保護(hù)”現(xiàn)場配置比較復(fù)雜，一旦運(yùn)行方式改變，多臺FTU的配置也需要作相應(yīng)的改變。區(qū)域保護(hù)充分考慮了這個因素，即使運(yùn)行方式改變，只需要改動相應(yīng)的開關(guān)周圍的FTU配置即可，做到了改動最小，影響最小，只需要修改GOOSE配置部分，GOOSE配置是在FTU組態(tài)軟件中完成的。對于每一個單臺區(qū)域保護(hù)來說，都有一個GOOSE訂閱和發(fā)布的配置。所以用組態(tài)工具配置時，只需要關(guān)心本區(qū)域保護(hù)周圍的保護(hù)，確定它們之間的訂閱和發(fā)布就可以了。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

綜上所述，要想在已經(jīng)投運(yùn)的配網(wǎng)終端上實(shí)現(xiàn)區(qū)域保護(hù)，只需要有網(wǎng)絡(luò)并修改智能終端的配置即可。采用區(qū)域保護(hù)算法可使智能終端配置簡單，維護(hù)方便，判斷故障點(diǎn)準(zhǔn)確快速。目前，已經(jīng)有很多業(yè)內(nèi)人士在研究將61850通信機(jī)制引入配網(wǎng)自動化當(dāng)中，這其中還有很多需要完善和克服的技術(shù)問題。所以，在配網(wǎng)自動化領(lǐng)域還有很多值得研究和探索的技術(shù)問題，需要我們不斷學(xué)習(xí)和鉆研。

［1］劉健，贠保記，崔琪，等．一種快速自愈的分布智能饋線自動化系統(tǒng)［J］．電力系統(tǒng)自動化，2010，34（10）：62～66

［2］袁欽成．配電網(wǎng)系統(tǒng)故障處理自動化技術(shù)綜述［J］．電力設(shè)備，2007，8（12）：1～5