呂文博

IEC61850/GOOSE網(wǎng)絡(luò)選跳保護方案研究

呂文博

結(jié)合數(shù)字化變電站技術(shù)，在保護配置、選跳功能、網(wǎng)絡(luò)拓撲等方面對IEC 61850/GOOSE網(wǎng)絡(luò)選跳保護做了深入研究。通過工程實踐和短路試驗，該保護方案的合理性和可行性得到了證實，并對后續(xù)工程提出了合理化建議。

城市軌道交通；IEC61850/GOOSE；電流選跳保護；短路試驗

0 引言

當(dāng)前，城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)已普遍采用大分區(qū)、大環(huán)串方案。大分區(qū)方案大幅節(jié)省了環(huán)網(wǎng)電纜投資，系統(tǒng)接線趨于簡潔，便于施工和后期維護。然而該接線方案對系統(tǒng)保護提出了挑戰(zhàn)。一般110/35 kV主變電所由地區(qū)電力部門管轄，電力調(diào)度提供的35 kV側(cè)母線時間定值較小，大分區(qū)接線使得變電所間保護的極差無法正常配合。

以寧波市軌道交通2號線一期工程為例，線路全長28.35 km，正線共設(shè)車站22座。全線設(shè)主變電所2座，采用B2型車，6輛編組。供電系統(tǒng)采用110/35 kV兩級電壓集中供電方式，中壓采用大環(huán)串接線方式，正常供電時最大環(huán)串帶8座車站變電所，根據(jù)供電局要求，主變電所110 kV饋線電流保護定值時間為1.5 s，如采用傳統(tǒng)保護方案，只能壓縮變電所間的配合級數(shù)，犧牲了保護選擇性。

本文將結(jié)合IEC61850/GOOSE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對中壓網(wǎng)絡(luò)保護方案進行深入研究并在實際工程中進行驗證，同時也希望對后續(xù)工程提供借鑒。

1 IEC61850/GOOSE技術(shù)優(yōu)勢

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)由國際電工委員會于2004年頒布，為變電站的通信網(wǎng)絡(luò)提供了完整的定義，是數(shù)字化變電站的通訊基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。其中面向通用對象的變電站事件（GOOSE--Generic Object Oriented Substation Event）用于提供快速報文（響應(yīng)時間小于3 ms），可以實現(xiàn)保護之間（水平通信）、保護與監(jiān)控后臺之間（垂直通信）的聯(lián)閉鎖和信息交互，保護之間可直接采用以太網(wǎng)通訊，減少裝置間硬接線，提高通訊速率，節(jié)省中間環(huán)節(jié)。

如圖1所示，GOOSE工作在數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)包不需要經(jīng)過傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的TCP/IP協(xié)議封裝，因此GOOSE數(shù)據(jù)包更小，保護信息在硬件層面即可識別過濾并優(yōu)先處理，解析速度快。而且GOOSE信息不會占用TCP/IP資源，與網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的通信互不干擾。

圖1 IEC61850分層體系示意圖

為了檢測保護裝置及通訊通道狀態(tài)，設(shè)定裝置間每隔一段時間發(fā)送GOOSE數(shù)據(jù)包。在長時間無事件發(fā)生的情況下，數(shù)據(jù)包發(fā)送時間間隔為1 s。如圖2所示，當(dāng)事件發(fā)生，保護會立即發(fā)送GOOSE數(shù)據(jù)，此時數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間間隔自動縮短，直至獲得穩(wěn)定條件。

圖2 GOOSE數(shù)據(jù)包傳輸時間變化示意圖

同時，保護裝置和網(wǎng)絡(luò)交換機支持IEEE802.1P和IEEE802.1Q（即報文優(yōu)先級Qos和虛擬局域網(wǎng)VLAN功能）。VLAN功能可以對不同VLAN的數(shù)據(jù)包進行隔離，Qos功能可以優(yōu)先傳輸高優(yōu)先級的GOOSE包，并確保不會丟失。

2 設(shè)計方案

2.1 保護配置

與傳統(tǒng)的地鐵系統(tǒng)保護配置一致，進、出線采用差動保護及后備保護，差動主保護與后備保護采用獨立的2套保護裝置；饋線及母聯(lián)配置1套保護裝置，實現(xiàn)電流保護、變壓器保護。

2.2 選跳保護設(shè)置原則

選跳保護設(shè)置原則如下：

（1）主保護不參與GOOSE通訊。

（2）考慮的故障類型：差動保護失效、后備保護失效、母線故障、電纜故障、饋線故障、斷路器失靈、GOOSE通道異常。

（3）當(dāng)本開關(guān)和上一級開關(guān)之間的GOOSE通道異常時，不考慮失靈保護同時動作的情況。

2.3 選跳功能

（1）正常情況下：GOOSE線路選跳保護作為差動保護的后備保護，以時間極差與主保護配合；GOOSE 母線選跳保護構(gòu)成母線主保護；GOOSE母聯(lián)選跳做為母聯(lián)開關(guān)閉合時的主保護；饋線過流為饋線斷路器的主保護，饋線GOOSE選跳保護用于閉鎖GOOSE母線選跳，不動作于跳閘。

（2）差動裝置或差動通道異常。REF620收到差動裝置或差動通道異常信號后，GOOSE線路選跳保護自動減少延時，將GOOSE線路選跳保護變?yōu)榫€路的主保護。同時，加投一段帶延時的過流保護作為后備保護，保證主后備保護的格局，提高可靠性。

（3）GOOSE通道異常。REF620在判斷出GOOSE通道異常時，立即關(guān)閉GOOSE選跳保護，同時加投一段帶延時的過流保護作為線路或者母線的后備保護。保證在GOOSE通道異常情況下依然可以在經(jīng)過延時后切除故障。

饋線保護裝置的GOOSE通道異常時會聯(lián)動關(guān)閉上級進出線GOOSE母線選跳保護。不影響過流保護的動作。

（4）失靈保護配置。所有開關(guān)都配置失靈保護，開關(guān)失靈由開關(guān)動作的保護裝置判斷，通過GOOSE通道聯(lián)跳上級開關(guān)。

差動保護的失靈動作信號由硬接線傳遞給本開關(guān)的后備保護，再由后備保護利用GOOSE通道聯(lián)跳上一級開關(guān)。

（5）總后備過流保護。進線、出線、母聯(lián)都配置帶延時的總后備過流保護，總后備過流保護作為整個工程的最后底線，將在極端情況下（如多個意外情況同時發(fā)生在一個回路上）動作。這時，故障電流流過的所有開關(guān)將在延時后無選擇性的跳閘，具體配置及定時設(shè)置詳見表1。

2.4 GOOSE網(wǎng)絡(luò)拓撲

（1）為保證安全，主保護不參與GOOSE通訊，通過硬接線向柜內(nèi)后備保護傳遞信息（差動動作、差動異常、通道異常、失靈啟動）。

（2）采用IEC61850協(xié)議為基礎(chǔ)規(guī)約。各車站變電站內(nèi)部REF620采用RJ45的超五類雙絞線與交換機星形連接，構(gòu)成站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。各站的網(wǎng)絡(luò)交換機采用單模光纖（與差動光纜同纜不同芯）相互連接，從而構(gòu)成整個供電分區(qū)的物理鏈路，保護裝置可以通過GOOSE實現(xiàn)互聯(lián)互通，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖3。

表1 中壓保護配置及定值表

圖3 GOOSE網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

3 功能驗證與試驗

2015年3月，寧波2號線一期工程進行了35 kV系統(tǒng)短路試驗（圖4）。試驗專門對GOOSE選跳功能進行了驗證，試驗地點選在外灘大橋站，單相試驗電流超過600 A，饋線柜保護速斷動作，進線柜保護收到饋線過流閉鎖信號和線路對側(cè)過流閉鎖信號，且參與試驗供電的麗園南路站、云霞路站、寧波火車站、城隍廟站、鼓樓站的進出線柜保護均收到相應(yīng)的GOOSE線路對側(cè)過流閉鎖信號和同母線過流閉鎖信號（夏禹主變電所35 kV饋線電流保護未設(shè)置GOOSE選跳功能）。

圖4 短路試驗示意圖

具體試驗如下：

圖5為外灘大橋站饋線柜A25_MDT1故障記錄以及錄波顯示，饋線柜速斷動作，動作電流為634.9 A。

圖5 外灘大橋饋線柜故障記錄以及錄波圖

圖6為外灘大橋站進線柜A25_MI1故障記錄以及錄波顯示，GOOSE啟動但未動作。

圖6 外灘大橋進線柜故障記錄以及錄波圖

圖7為麗園南路站進線柜A15_MI1故障記錄以及錄波顯示，GOOSE啟動但未動作。

圖7 麗園南路站進線柜故障記錄以及錄波圖

試驗結(jié)論：試驗結(jié)果完全符合預(yù)期效果，GOOSE聯(lián)閉鎖迅速、可靠，選跳準(zhǔn)確到位。

4 結(jié)論與建議

IEC61850/GOOSE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵大分區(qū)中壓環(huán)網(wǎng)電流選跳保護功能，故障判別準(zhǔn)確、速率快。

采用該技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備要求較高，尤其是站內(nèi)交換機，是水平通信和垂直通信關(guān)鍵節(jié)點。后續(xù)工程若采用該技術(shù)，建議水平通信與垂直通信分開設(shè)置，提高系統(tǒng)可靠性。為安全起見，主變電所35 kV進線、母聯(lián)、饋線均未采用IEC61850/GOOSE網(wǎng)絡(luò)選跳保護功能，建議待該保護技術(shù)成熟后，再進行全系統(tǒng)推廣。

Combined with the digital substation technology, this paper makes a deep research with the selection of tripping protection for IEC 61850/GOOSE network in terms of configuration, function, network structure. The rationality and feasibility of the protection scheme have been verified via engineering practice and short circuit test, and rational proposals for the engineering in the future are put forward.

Urban rail transit; IEC61850/GOOSE; selection of current tripping protection; short-circuit test

U228.2

：B

：1007-936X(2016)03-0047-04

2015-09-12

呂文博. 中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司，工程師，電話：13685859332。