費(fèi)章君，萬(wàn)尚軍，胡海峰

(1.南京征途信息技術(shù)有限公司， 江蘇 南京 210012；2.上海昊軒電子科技有限公司， 上海 200436)

0 引言

新加坡、日本等國(guó)家對(duì)配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行進(jìn)行了長(zhǎng)期的模式研究和成功實(shí)踐，提高了供電可靠性、靈活性，降低了停電時(shí)間[1]。我國(guó)也進(jìn)行了閉環(huán)運(yùn)行的理論探討和試點(diǎn)[2]，這是未來(lái)智能配電網(wǎng)的發(fā)展方向。作為煤礦某些線路供電容量小或部分電源突然斷電造成煤礦安全隱患等實(shí)際問(wèn)題的解決方案之一，將井下母線分段開(kāi)關(guān)閉合形成網(wǎng)格閉環(huán)運(yùn)行的供電系統(tǒng)作為研究對(duì)象，本文提出了基于GOOSE網(wǎng)絡(luò)的方向電流閉鎖型防越級(jí)保護(hù)方案。

煤礦的三級(jí)供電系統(tǒng)具有供電距離短、供電密度大、保護(hù)區(qū)間小等特征，在電網(wǎng)故障時(shí),各級(jí)故障電流難以區(qū)分,導(dǎo)致過(guò)流定值設(shè)置困難，同時(shí)受總進(jìn)線過(guò)流速斷保護(hù)零延時(shí)定值限制，內(nèi)部配電網(wǎng)延時(shí)定值不能滿(mǎn)足選擇性要求，從而導(dǎo)致越級(jí)跳閘。目前常見(jiàn)的防越級(jí)保護(hù)方案主要基于電流差動(dòng)保護(hù)原理[3-4]、集中式網(wǎng)絡(luò)保護(hù)原理[5]、閉鎖保護(hù)原理[6-8]。電流差動(dòng)保護(hù)原理適合于多電源系統(tǒng)，需要線路和母線差動(dòng)保護(hù)，原理復(fù)雜、硬件要求高、工程實(shí)施難度大，開(kāi)關(guān)拒動(dòng)時(shí)只能由上級(jí)的過(guò)流保護(hù)來(lái)切除故障，延時(shí)長(zhǎng)；集中式網(wǎng)絡(luò)保護(hù)原理依賴(lài)強(qiáng)大的主機(jī)功能和網(wǎng)絡(luò)功能，施工復(fù)雜，故障因素較多；閉鎖保護(hù)原理適用于單電源系統(tǒng)，原理簡(jiǎn)明，施工便利，但需要采用合適的實(shí)現(xiàn)方案。

1 基于GOOSE網(wǎng)絡(luò)的方向電流閉鎖型防越級(jí)保護(hù)方案

如圖1所示，某煤礦供電系統(tǒng)由地面變電站、中央變電所和采區(qū)變電所組成。地面變電站的兩路出線或一路出線、一路分布式電源分列運(yùn)行，中央變電所和采區(qū)變電所并列運(yùn)行，是一個(gè)較為典型的多電源閉環(huán)供電系統(tǒng)。

圖1 煤礦供電系統(tǒng)

每個(gè)開(kāi)關(guān)各配置一臺(tái)智能防越級(jí)保護(hù)裝置，站所內(nèi)的保護(hù)裝置通過(guò)站內(nèi)交換機(jī)組網(wǎng)，站間交換機(jī)通過(guò)光纖連接，從而構(gòu)成了一套完整的防越級(jí)通信系統(tǒng)。

GOOSE是指面向通用對(duì)象的變電站事件，是IEC61850中的一種快速報(bào)文傳輸機(jī)制，用于傳輸變電站內(nèi)IED之間傳送遙信、遙控、閉鎖等實(shí)時(shí)信號(hào)。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置判斷故障并結(jié)合收到的GOOSE信息，實(shí)現(xiàn)故障跳閘、閉鎖或延時(shí)跳閘，確保故障的正確解除和電網(wǎng)安全。

下文通過(guò)電網(wǎng)發(fā)生故障來(lái)說(shuō)明該方案的工作原理。假定故障電流正方向由母線指向線路，由I段母線指向II段母線，裝置間信息傳遞時(shí)間小于1 ms。

假設(shè)圖1中故障點(diǎn)F發(fā)生相間故障。裝置DM-L1、DM-L2、KY-P1、KY-P2、KY-P3、KY-P5、KY-P6、KY-P8、KY-P9、KY-P10過(guò)流速斷啟動(dòng)，并向各自的正向上級(jí)裝置發(fā)送1級(jí)閉鎖信息。裝置DM-L1、DM-L2、KY-P1、KY-P2、KY-P3、KY-P5、KY-P8、KY-P10幾乎同時(shí)收到相鄰下級(jí)的1級(jí)閉鎖信息,如圖1中虛線所示，過(guò)流速斷被閉鎖延時(shí)1級(jí)時(shí)間,每級(jí)閉鎖延時(shí)時(shí)間默認(rèn)為20 ms。

KY-P6判斷出正向故障并且靠近故障，不會(huì)接收閉鎖信息，過(guò)流速斷無(wú)延時(shí)動(dòng)作。故障啟動(dòng)后,KY-P6向正向上級(jí)KY-P2、KY-P3發(fā)送1級(jí)閉鎖信息,KY-P2檢測(cè)到反向故障并接收到1級(jí)閉鎖信息，過(guò)流速斷延時(shí)1級(jí)時(shí)間，加1級(jí)后向反向上級(jí)DM-L2發(fā)送2級(jí)閉鎖信息，DM-L2過(guò)流速斷延時(shí)2級(jí)時(shí)間。KY-P3檢測(cè)到正向故障并接收到KY-P6的1級(jí)閉鎖信息，過(guò)流速斷延時(shí)1級(jí)時(shí)間，向正向上級(jí)KY-P1、KY-P5發(fā)送2級(jí)閉鎖信息，KY-P1檢測(cè)到反向故障并接收到2級(jí)閉鎖信息，過(guò)流速斷延時(shí)2級(jí)時(shí)間，并向反向上級(jí)DM-L1發(fā)送3級(jí)閉鎖信息。KY-P5判斷出正向故障并向正向上級(jí)KY-P1、KY-P3發(fā)送閉鎖信息，由于KY-P5、KY-P3互發(fā)閉鎖信息，故各自拋棄收到對(duì)方的閉鎖信息。

裝置KY-P9、KY-P10、KY-P8、KY-P5、KY-P1、DM-L1的閉鎖信息處理與上述過(guò)程類(lèi)似。KY-P1接收到KY-P5的4級(jí)閉鎖信息和KY-P3的2級(jí)閉鎖信息，取較大的閉鎖等級(jí)4級(jí)，過(guò)流速斷延時(shí)4級(jí)時(shí)間。DM-L1收到更新的5級(jí)閉鎖信息，過(guò)流速斷延時(shí)5級(jí)時(shí)間。

所有上級(jí)保護(hù)裝置都閉鎖跳閘并達(dá)到穩(wěn)定的閉鎖時(shí)間，直到KY-P6、KY-P9瞬時(shí)切除故障。被閉鎖裝置接收到KY-P6、KY-P9發(fā)送的已動(dòng)作信息時(shí)擴(kuò)展跳閘閉鎖信號(hào)100 ms,以確保開(kāi)關(guān)完全避開(kāi)故障。故障消除后閉鎖信息將會(huì)更新為開(kāi)放狀態(tài)。

假設(shè)KY-P9所在開(kāi)關(guān)拒動(dòng)，上級(jí)KY-P10將在收到1級(jí)閉鎖信號(hào)后延時(shí)20 ms，之后再收到已動(dòng)作信號(hào)后延時(shí)100 ms，即最長(zhǎng)閉鎖120 ms后發(fā)出跳閘命令避開(kāi)故障。

2 工程應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為3層：設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、站控層，如圖2所示。井下中央變電所、采區(qū)變電所和地面變電站內(nèi)的防越級(jí)保護(hù)裝置通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)成防越級(jí)GOOSE網(wǎng)絡(luò)，由井下監(jiān)控分站組成的千兆光纖環(huán)網(wǎng)能保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

圖2 防越級(jí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

該方案的關(guān)鍵技術(shù)是防越級(jí)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)和防越級(jí)配置軟件的設(shè)計(jì)，綜合考慮功能、性能和安裝調(diào)試等情況。防越級(jí)保護(hù)裝置主要進(jìn)行了如下優(yōu)化：

1) GOOSE防越級(jí)信息和后臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)同一以太網(wǎng)共網(wǎng)傳輸，在確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和可靠性的同時(shí)，簡(jiǎn)化了施工。

2) GOOSE防越級(jí)信息和正常運(yùn)行時(shí)的GOOSE心跳報(bào)文包含的一次電力系統(tǒng)的層次架構(gòu)信息，可以發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析使用。

3) 裝置實(shí)時(shí)記錄故障過(guò)程中發(fā)送和接收的GOOSE防越級(jí)信息，包括發(fā)送時(shí)間、接收時(shí)間、故障啟動(dòng)信息、閉鎖信息、閉鎖等級(jí)，并生成防越級(jí)動(dòng)作行為文件，與故障錄波文件一起傳送到監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行分析。

4) 采用精確的通信對(duì)時(shí)，誤差小于2 ms，確保防越級(jí)信息記錄的準(zhǔn)確性。

5) 防越級(jí)定值只需分別設(shè)置一個(gè)或多個(gè)正向上級(jí)和反向上級(jí)IP地址，GOOSE報(bào)文使用的MAC地址按照一定規(guī)律自動(dòng)生成，減少了參數(shù)設(shè)置，也便于識(shí)別裝置和擴(kuò)展系統(tǒng)。

6) 具備GOOSE通信故障報(bào)警功能。防越級(jí)配置軟件安裝在監(jiān)控主機(jī)上，具有以下功能：

(1) 防越級(jí)關(guān)系自動(dòng)配置功能。利用該軟件的圖形模塊繪制一次系統(tǒng)圖，將設(shè)置好IP地址的防越級(jí)保護(hù)裝置關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的開(kāi)關(guān)設(shè)備，可以一鍵自動(dòng)配置每一臺(tái)防越級(jí)保護(hù)裝置的正向上級(jí)和反向上級(jí)，并下載到裝置中。

(2) 一次系統(tǒng)關(guān)系圖自動(dòng)生成功能。根據(jù)接收到的防越級(jí)保護(hù)裝置的GOOSE心跳或防越級(jí)報(bào)文信息，可以分析并繪制出一次系統(tǒng)圖。

(3) 防越級(jí)動(dòng)作分析功能。故障發(fā)生后，可以自動(dòng)獲取防越級(jí)保護(hù)裝置的防越級(jí)動(dòng)作行為文件和故障錄波文件，生成整個(gè)防越級(jí)系統(tǒng)的信息流程圖，從而分析故障發(fā)生的原因和防越級(jí)系統(tǒng)的工作過(guò)程。

3 防越級(jí)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

為了提高防越級(jí)的實(shí)時(shí)性，保護(hù)裝置采用2片基于ARM核MCU的硬件架構(gòu)，如圖3所示。保護(hù)MCU(STM32F407)實(shí)現(xiàn)故障計(jì)算、故障啟動(dòng)判斷、保護(hù)邏輯判斷、故障跳閘等功能，通信MCU(STM32F767)實(shí)現(xiàn)GOOSE報(bào)文收發(fā)、防越級(jí)GOOSE邏輯處理、 防越級(jí)動(dòng)作行為文件生成和管理。

圖3 保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)

3.2 軟件設(shè)計(jì)

保護(hù)MCU和通信MCU程序都采用基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，有利于提高產(chǎn)品的可靠性和可維護(hù)性。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高、對(duì)防越級(jí)級(jí)性能起關(guān)鍵作用的方向電流故障啟動(dòng)判斷模塊、GOOSE報(bào)文處理和邏輯判斷模塊做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提高了防越級(jí)性能。防越級(jí)跳閘程序流程如圖4所示。

圖4 防越級(jí)跳閘程序流程

4 方案驗(yàn)證方法和分析

在專(zhuān)業(yè)動(dòng)模測(cè)試設(shè)備RTDS上搭建了圖1的防越級(jí)系統(tǒng)測(cè)試模型，進(jìn)行了6組用例的防越級(jí)功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。用例1為單電源單分支模型，防越級(jí)不投方向。用例2為單電源多分支模型，防越級(jí)不投方向。用例3為單電源單分支模型，防越級(jí)投方向。用例4為單電源多分支模型，防越級(jí)投方向。用例5為單電源環(huán)網(wǎng)模型，防越級(jí)投方向。用例6為雙電源環(huán)網(wǎng)模型，防越級(jí)投帶方向。從測(cè)試結(jié)果可以看出，該防越級(jí)方案適用于單電源、多電源、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)等各種系統(tǒng)，具有很好的防越級(jí)效果。

表1 防越級(jí)動(dòng)模結(jié)果

5 結(jié)論

從原理分析和動(dòng)模試驗(yàn)結(jié)果的相互驗(yàn)證可知，基于GOOSE網(wǎng)絡(luò)的方向電流閉鎖型防越級(jí)保護(hù)方案可有效解決多電源閉環(huán)運(yùn)行供電系統(tǒng)的越級(jí)跳閘問(wèn)題。通過(guò)防越級(jí)保護(hù)裝置的智能化功能，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)的防越級(jí)保護(hù)系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性高、方案可靠、施工簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于單電源、多電源、開(kāi)閉環(huán)的各種供電系統(tǒng)的防越級(jí)系統(tǒng)部署。