皮志勇，羅皓文，嚴(yán)文潔，廖 玄，張志浩，張?jiān)娐?/p>

(國(guó)網(wǎng)荊門供電公司，湖北 荊門 448000)

供電的連續(xù)性與可靠性，已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要保證。備自投設(shè)備在保障供電質(zhì)量方面獲得很好效果，因此被廣泛應(yīng)用在變電站中。備自投是一種二次裝置，運(yùn)行過(guò)程中，其中一條電源線接入變電站，另一條線的開(kāi)關(guān)則為斷開(kāi)狀態(tài)，準(zhǔn)備隨時(shí)備用。如果電網(wǎng)因某故障斷電，備自投會(huì)及時(shí)啟動(dòng)備用電源開(kāi)關(guān)，減少斷電時(shí)間，保持供電連續(xù)性。而遠(yuǎn)方備自投面臨的主要問(wèn)題是：變電站之間無(wú)法快速可靠的完成數(shù)據(jù)交換。這些數(shù)據(jù)主要包含電壓、電流與開(kāi)關(guān)位置等。由于信息交換不夠及時(shí)，甚至?xí)绣e(cuò)誤信息傳遞，導(dǎo)致備自投的備用開(kāi)關(guān)不能在需要的時(shí)候啟動(dòng)，不但不能保證供電連續(xù)性，還會(huì)出現(xiàn)浪費(fèi)能源現(xiàn)象。隨著綠色理念的深入人心，電力行業(yè)也對(duì)綠色需求格外重視。實(shí)現(xiàn)備自投節(jié)能控制不僅有利于可持續(xù)發(fā)展，更能提升企業(yè)形象。因此，廣大學(xué)者紛紛提出備自投控制策略。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種能適用于多種復(fù)雜區(qū)域的電網(wǎng)主接線形式的備自投控制系統(tǒng)。確定系統(tǒng)構(gòu)成，建立通信架構(gòu)，設(shè)計(jì)邏輯控制方法。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)[2]提出基于數(shù)字通信保護(hù)的備自投控制方法，對(duì)具有上下級(jí)關(guān)系的備自投進(jìn)行信息通信與邏輯判斷，確保迅速響應(yīng)；根據(jù)對(duì)信息利用形式的差異，提出閉鎖式與允許式控制方式，并探究不同方式的動(dòng)作原理，從速度、可靠性等方面分析其性能。但通常情況下電力通信會(huì)產(chǎn)生一定諧波[3]，造成電網(wǎng)污染，減少輸電線的使用壽命，增加額外的電流傳輸損耗，不利于備自投的節(jié)能控制。因此，本文采用通用對(duì)象的變電站事件(GOOSE)的通信方法，對(duì)變電站遞推式遠(yuǎn)方備自投進(jìn)行節(jié)能控制。GOOSE對(duì)于信息傳輸具有實(shí)時(shí)可靠的優(yōu)勢(shì)，其最大特點(diǎn)就是通信連接一經(jīng)確立，在保證充足寬帶情況下，可隨意添加通信連接，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。利用GOOSE通信可減少電纜連接，節(jié)約資源成本，還能有效解決二次回路錯(cuò)誤接觸問(wèn)題，保證二次回路的完好性。此外，使用有源濾波器，實(shí)現(xiàn)諧波信號(hào)抵消，同時(shí)對(duì)GOOSE模塊與備自投設(shè)備進(jìn)行保護(hù)與控制一體化設(shè)計(jì)，避免更多的設(shè)備接入電網(wǎng)，從根源上減少諧波。只有對(duì)諧波進(jìn)行有效控制，才能保證通信質(zhì)量，使備自投做出迅速響應(yīng)，減少電能消耗，滿足節(jié)能控制需求。

1 GOOSE通信技術(shù)

GOOSE通信技術(shù)是IEC6185標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，GOOSE網(wǎng)絡(luò)也是智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)絡(luò)之一。

1.1 GOOSE通信架構(gòu)

GOOSE通信的可靠性取決于GOOSE數(shù)據(jù)包的穩(wěn)定，GOOSE數(shù)據(jù)包的接收邏輯和告警邏輯是GOOSE通信中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。GOOSE數(shù)據(jù)包的接收是否正確是由 GOOSE包發(fā)送的重要參數(shù)決定的。分析GOOSE包的組態(tài)參數(shù)與組態(tài)檔中設(shè)定的資料之間的差別，識(shí)別出正常或不正常的GOOSE報(bào)文，并依據(jù)GOOSE報(bào)文的異常發(fā)送報(bào)警信息，對(duì)GOOSE網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)以GOOSE報(bào)文作為載體進(jìn)行發(fā)送，遵循一定的通信規(guī)則，具有獨(dú)立的通信機(jī)制和通信方式。在組網(wǎng)GOOSE前，必須對(duì)其自身特性及性能進(jìn)行深入的分析。GOOSE通信整體控制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 GOOSE通信整體控制架構(gòu)Fig.1 Overall control architecture of GOOSE communication

在GOOSE的信息傳送中，用戶會(huì)主動(dòng)要求發(fā)送方提供所需要的數(shù)據(jù)，然后由發(fā)送方的控制模塊來(lái)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞，通常情況下，發(fā)送方將發(fā)布數(shù)據(jù)寫到自己的緩沖區(qū)域，然后將其發(fā)送給用戶的緩沖，然后由用戶的控制模塊來(lái)接收。為了保證通信的可靠性，GOOSE通信采用了消息重發(fā)和添加報(bào)文生存期2種方法，以確保用戶可以可靠地收到消息。

1.2 GOOSE通信模型

GOOSE報(bào)文傳送業(yè)務(wù)的抽象模式是通過(guò)發(fā)行商訂戶通信架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它能有效地利用多點(diǎn)傳送業(yè)務(wù)將 GOOSE信息傳送到多個(gè)實(shí)體設(shè)備。它的通信過(guò)程是通過(guò)出版商的控制模塊來(lái)完成的，出版商把要傳送的數(shù)據(jù)信息以數(shù)據(jù)集合的形式填充到發(fā)送方的數(shù)據(jù)緩沖中，訂戶在接收端的數(shù)據(jù)緩沖中讀出數(shù)據(jù)，并且通過(guò)通信系統(tǒng)對(duì)訂戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。數(shù)據(jù)及信息流如圖2所示。

根據(jù)圖2得知，其功能包括通信處理，重構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)，配置參數(shù)等的控制，設(shè)備的總體檢驗(yàn)等。該裝置將GOOSE包從網(wǎng)路端口的數(shù)據(jù)緩沖中讀取，并將其分析為切換值，并將其存儲(chǔ)到“初始的數(shù)據(jù)緩沖”中。配置、參數(shù)修改和維修均通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的人工或通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，存儲(chǔ)在配置參數(shù)區(qū)。裝置按照預(yù)先設(shè)定的配置和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能，并將所生成的裝置的狀況和輸入的標(biāo)識(shí)等放在“裝置的監(jiān)控狀況標(biāo)識(shí)區(qū)域”中，所生成的各種信息被放置到“Soe信息緩沖”中，所發(fā)送的信息被放置到 GOOSE數(shù)據(jù)緩沖中。通信與人機(jī)結(jié)合，從各個(gè)緩沖區(qū)域獲取所需要的資料，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)顯示、控制或傳輸給其他裝置的互動(dòng)。

圖2 數(shù)據(jù)及信息流Fig.2 Data and information flow

2 仿真實(shí)驗(yàn)

本次仿真實(shí)驗(yàn)選取某地區(qū)剛剛建設(shè)完成的變電站為目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)選用的變電站設(shè)備實(shí)體信息采集系統(tǒng)，主要作用是監(jiān)測(cè)110 kV變電站，采用的監(jiān)測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)為國(guó)際通用 IEC 61850規(guī)約通信，獲取變電站設(shè)備實(shí)體信息，獲取其信息流程。

ck=ei′，k+EcJ

(1)

式中，ei′，k為自投節(jié)能控制的特征分量；EcJ為自投節(jié)能控制的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)工業(yè)園區(qū)中變電站與附近用戶的供電需求，實(shí)現(xiàn)電力資源可靠輸出。在該變電站附近還有其余6個(gè)大小不同的子變電站，它們之間的運(yùn)行方式如圖3所示。

圖3 不同變電站之間的運(yùn)行方式Fig.3 Mode of operation between different substations

此變電站已經(jīng)擁有一個(gè)備自投設(shè)備，根據(jù)配置需要，還將選擇一套遠(yuǎn)方備自投裝置，選取過(guò)程如下。

(1)分析變電站電壓等級(jí)，確定遠(yuǎn)方備自投的位置，同時(shí)選取的設(shè)備型號(hào)為PCS-9651D。

(2)分析裝置通道需滿足下述要求：通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)備自投命令發(fā)送，如果通信距離小于30 km，使用專用纖芯，反之通過(guò)2 M通道實(shí)現(xiàn)傳輸。

2.1 整體控制架構(gòu)設(shè)計(jì)

備自投控制離不開(kāi)通信的支持，為提高通信質(zhì)量，采集較為全面的變電站信息，本文利用GOOSE通信方式構(gòu)建控制架構(gòu)。該架構(gòu)中主要包括備自投裝置模塊、開(kāi)關(guān)閉鎖模塊以及諧波抑制模塊。其中，對(duì)于諧波的抑制，利用有源濾波器，其工作原理是：生成和諧波信號(hào)相反的補(bǔ)償信號(hào)，對(duì)諧波進(jìn)行抵消，進(jìn)而達(dá)到抑制目的?？刂萍軜?gòu)的設(shè)計(jì)流程為：通過(guò)智能操作箱實(shí)現(xiàn)GOOSE報(bào)文接受和發(fā)送，然后經(jīng)備自投模塊、開(kāi)關(guān)閉鎖模塊以及有緣濾波器模塊作用傳送給操作后臺(tái)，最后實(shí)現(xiàn)通信。

各子模塊之間具有不同的關(guān)系，諧波抑制模塊之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 GOOSE通信方式整體控制架構(gòu)Fig.4 Overall control architecture of GOOSE communication mode

2.2 GOOSE報(bào)文發(fā)送與接收

(1)報(bào)文發(fā)送。在控制邏輯架構(gòu)中，最關(guān)鍵的是能夠及時(shí)發(fā)送開(kāi)關(guān)的開(kāi)合閘信息。發(fā)送端的主要任務(wù)是構(gòu)建信息集合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)配置。按照通信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，GOOSE通信架構(gòu)在鏈路層必須利用以太網(wǎng)協(xié)議。由于報(bào)文是由應(yīng)用層[4]直接傳輸?shù)芥溌穼覽5]，其信息屬于鏈路層數(shù)據(jù)，因此需結(jié)合報(bào)文規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)完成編碼。在編碼操作中，all Date體現(xiàn)的信息決定了執(zhí)行器下一步的動(dòng)作，屬于GOOSE報(bào)文中的關(guān)鍵內(nèi)容。

(2)報(bào)文接收。通過(guò)IP得到本機(jī)地址與以太網(wǎng)名稱，同時(shí)對(duì)該名稱做一定修飾。將名稱信息發(fā)送給pcap-open[6]，使其打開(kāi)通信會(huì)話。若不能得到有效會(huì)話內(nèi)容，此時(shí)判定為網(wǎng)卡出現(xiàn)工作故障，會(huì)顯示程序錯(cuò)誤并退出會(huì)話。如果獲得關(guān)鍵信息，則接收?qǐng)?bào)文，并解析其內(nèi)容。解析的結(jié)果若合法，則按照?qǐng)?bào)文相關(guān)指令進(jìn)行下一步操作，反之，進(jìn)入下一循環(huán)過(guò)程。報(bào)文接收的詳細(xì)流程如圖5所示。

圖5 報(bào)文接收流程Fig.5 Message receiving flow

2.3 變電站故障定位

適用于變電站的遞推式遠(yuǎn)方備自投系統(tǒng)包括一個(gè)主裝置和多個(gè)子裝置，這些裝置安置在不同位置，它們之間是通過(guò)GOOSE通信架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享[7-8]。其中子裝置將開(kāi)關(guān)量、母線電壓、電流等信息發(fā)送給主裝置，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，主裝置再將關(guān)合閘信息發(fā)送到子裝置。而具體需要利用哪個(gè)子裝置執(zhí)行關(guān)合閘操作，需要對(duì)變電站中存在的故障點(diǎn)進(jìn)行定位，定位過(guò)程如下。

要想獲得故障點(diǎn)的具體位置，必須獲取故障處的電流與電壓。以分布式局部電網(wǎng)為例，如果線路F點(diǎn)出現(xiàn)故障，將線路ij分割成p與q兩部分，由于受到電容效應(yīng)[9]影響，通過(guò)Π型電路模型獲取電流與電壓值。

結(jié)合故障線路首端存在的電壓與電流情況，利用公式(2)計(jì)算出故障點(diǎn)F的電壓UF：

UF=d(α)Ui-b(α)Ii

(2)

式中，Ui與Ii分別為線路起點(diǎn)的電壓值與電流值；α為描述故障點(diǎn)到線路起點(diǎn)的距離占整條線路的比例，也稱其為故障百分比。

當(dāng)有故障出現(xiàn)時(shí)，故障點(diǎn)F的消耗復(fù)功率[10]表達(dá)式如下：

(3)

式中，Z為線路ij的阻抗矩陣；Ysh為線路ij的導(dǎo)納矩陣。

當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)短路時(shí)，通常為電阻短路，此時(shí)會(huì)消耗有功功率。所以可將故障點(diǎn)消耗的無(wú)功功率看作0，也就是對(duì)公式(3)進(jìn)行簡(jiǎn)化，使虛部分等于0，簡(jiǎn)化后的公式如下：

αZIi(IF)*}=0

(4)

式(4)也能夠?qū)懽饔嘘P(guān)α的二階多項(xiàng)式：

X2α2+X1α+X0=0

(5)

(6)

因此，將式(6)當(dāng)作故障定位的通用表達(dá)式，利用下述公式對(duì)式(7)進(jìn)行求解，即可得到故障距離百分比：

(7)

再結(jié)合牛頓迭代法則就能計(jì)算出α1，2的終值，進(jìn)而獲取故障位置。

以上算法可用在單相、三相等不同短路故障定位，與其他方法相比減少計(jì)算量，可在短時(shí)間內(nèi)快速定位。

3 備自投節(jié)能控制實(shí)現(xiàn)設(shè)置

在變電站中，區(qū)域備自投系統(tǒng)分為主站與子站兩部分。其中，主站工作者需要通過(guò)測(cè)試儀對(duì)裝置進(jìn)行GOOSE開(kāi)出矩陣激勵(lì)，也就是模仿當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，所有子裝置發(fā)送到主站的GOOSE信息[11-13]。

利用向量方式表示狀態(tài)序列，同時(shí)將變位規(guī)律具有一致性的GOOSE量編入同一行向量，構(gòu)建如下矩陣：

(8)

式中，T1=(1，0，0，1)與T2=(0，1，1，0)分別表示變電站母線有、無(wú)電壓存在；T3=(0，0，1，1)與T4=(0，1，1，1)分別描述鄰近故障點(diǎn)的開(kāi)關(guān)存在跳位和無(wú)電流現(xiàn)象；T5=(1，1，1，0)代表聯(lián)絡(luò)線中的開(kāi)關(guān)并不存在電流；T6=(1，1，1，1)體現(xiàn)出非故障線路的母線具有電壓。

由此看出，矩陣T就是備自投所需的GOOSE開(kāi)出矩陣。根據(jù)矩陣T每行向量所表示的意義，設(shè)置開(kāi)關(guān)的自動(dòng)操作，本文設(shè)置“1”代表“合”，“0”表示“分”。

除此之外，如果變電站外橋接線出現(xiàn)故障，增加一個(gè)行向量T7=(1，0，0，0)，構(gòu)成下述增廣矩陣：

(9)

而各子站工作者會(huì)仔細(xì)檢查所有開(kāi)關(guān)的響應(yīng)情況，同時(shí)校驗(yàn)備自投的動(dòng)作邏輯與控制回路是否正確。子站人員對(duì)子設(shè)備的終端發(fā)出激勵(lì)，此時(shí)主站人員核實(shí)子站設(shè)備對(duì)激勵(lì)的響應(yīng)是否存在問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)子設(shè)備控制值校驗(yàn)，也可對(duì)GOOSE通信發(fā)出的信息進(jìn)行校驗(yàn)，至此完成備自投節(jié)能控制。此方案不需要多名工作者互相配合，滿足智能化控制要求。此外，此種通信方式也能避免電網(wǎng)中出現(xiàn)大量諧波，通過(guò)精準(zhǔn)的信息傳遞，使備自投設(shè)備開(kāi)關(guān)得到準(zhǔn)確響應(yīng)，減少能源浪費(fèi)，符合節(jié)能要求[14-15]。

整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)控制主站、若干個(gè)子站以及通信設(shè)備構(gòu)成，主站和子站的通道利用程層2 M通道相連。主站和子站在中斷2次后進(jìn)行信息交換[16-18]。該變電站系統(tǒng)的詳細(xì)情況如圖6所示。

圖6 變電站詳細(xì)配置Fig.6 Detailed configuration diagram of substation

結(jié)合該變電站所有信息，利用基于GOOSE通信的控制方法對(duì)電站中的遠(yuǎn)方備自投裝置進(jìn)行控制，首先分析該方法對(duì)諧波的抑制作用[19-20]。本文在控制架構(gòu)中添加了有源濾波器，首先對(duì)該濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流和諧波電流存在的關(guān)系進(jìn)行跟蹤，結(jié)果如圖7所示。

圖7 諧波電流抑制效果Fig.7 Harmonic current suppression effect

由圖7可知，在本文控制方法下，有源濾波器的補(bǔ)償電流與諧波電流的大小與趨勢(shì)非常接近，可對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤。證明該方法能夠有效抑制諧波，減少電流損耗，滿足節(jié)能綠色理念。在變電站中有時(shí)不只出現(xiàn)一個(gè)故障點(diǎn)，利用本文的控制方法分析只有一個(gè)故障點(diǎn)和有多個(gè)故障點(diǎn)的控制性能。將備自投開(kāi)關(guān)相應(yīng)的錯(cuò)誤次數(shù)作為衡量指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同數(shù)量的故障點(diǎn)的控制效果Tab.1 Control effect of different number of fault points

分析表1能夠得出，當(dāng)變電站系統(tǒng)內(nèi)只有1個(gè)故障點(diǎn)時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，響應(yīng)錯(cuò)誤的次數(shù)有所增加，但是只是由2次變成了4次，說(shuō)明在本文方法的控制下，備自投開(kāi)關(guān)均表現(xiàn)出很好的響應(yīng)性能，并且出現(xiàn)響應(yīng)錯(cuò)誤情況的次數(shù)逐漸平穩(wěn)；當(dāng)故障點(diǎn)增多時(shí)，本文方法的響應(yīng)能力雖然有所下降，但是當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)達(dá)到一定時(shí)，響應(yīng)錯(cuò)誤率也不會(huì)繼續(xù)上升，這是因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的GOOSE通信架構(gòu)具有良好的通信能力，能夠?qū)⒐收闲畔?shí)時(shí)傳輸?shù)絺渥酝堆b置，備自投按照信息內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)的準(zhǔn)確控制。

對(duì)此變電站進(jìn)行了為期6個(gè)月的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在本文方法控制下，該變電站產(chǎn)生的線路損耗情況見(jiàn)表2。

表2 線路損耗情況Tab.2 Line loss

根據(jù)表2得知，在6個(gè)月的實(shí)驗(yàn)期間，本文控制方法的線路損耗一直保持在70萬(wàn)kWh以下，主要因?yàn)樵摲椒▽?duì)諧波補(bǔ)償?shù)男Ч芎茫苡行p少電能損失，同時(shí)GOOSE通信架構(gòu)可以保證開(kāi)關(guān)很少出現(xiàn)錯(cuò)誤響應(yīng)現(xiàn)象。因此所提方法可以節(jié)約電能，減少損耗，具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

為順應(yīng)綠色電網(wǎng)發(fā)展需求，減少電網(wǎng)能源損耗，提出基于GOOSE通信的遠(yuǎn)方備自投控制方法。通過(guò)構(gòu)建GOOSE通信架構(gòu)，在變電站系統(tǒng)中設(shè)置有源濾波器，從根本上抑制諧波產(chǎn)生，同時(shí)可靠的通信架構(gòu)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳輸故障信息，使備自投開(kāi)關(guān)獲得迅速響應(yīng)。但是本文利用的有源濾波器的耐壓程度有限，在今后研究中可考慮利用碳化硅等新材料，進(jìn)一步降低控制損耗，提高節(jié)能效果。