基于GOOSE 通信的PSCADA 數(shù)字選跳保護方案

李宇琦，何治新，張 曄，梁小琦，馮志翔，侯 煒，劉永生

0 引言

隨著我國城市化進程加快，城市軌道交通線網越來越密集，對軌道交通供電系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。目前，軌道交通交流供電系統(tǒng)多采用環(huán)網供電方式，常規(guī)的保護方案是配置光纖縱差保護與定時限過流保護，該保護方案的選擇性通過上下級動作延時級差配合實現(xiàn)，速動性較差，已越來越無法適用于目前的環(huán)網供電系統(tǒng)[1]。

圖1 地鐵環(huán)網供電系統(tǒng)示意圖

環(huán)網供電方式下，傳統(tǒng)過流保護的選擇性一般是通過每一級動作延時級差來保證的，以圖1 所示南京地鐵3 號線一個典型的4 級環(huán)網供電分區(qū)為例，末端站（九龍湖站）102 過流保護整定延時為0.55 s，而首端站（宏運大道站）102 過流保護延時已達1.3 s。這還僅僅是環(huán)網只有4 級的情況，有些大環(huán)網多達10 級以上，此時傳統(tǒng)過流保護則不具備速動性。

為滿足交流環(huán)網供電系統(tǒng)對保護速動性的要求，保證系統(tǒng)可靠運行，本文提出一種保護方案—PSCADA 數(shù)字選跳保護方案。該方案將保護裝置接入變電所站控層通信網絡，利用GOOSE 通信技術實現(xiàn)信息共享。裝置通過對所需的共享信息進行邏輯比選后，可實現(xiàn)對故障區(qū)域的準確判斷及快速跳閘切除故障。

1 組網方案及保護原理

1.1 組網方案

PSCADA數(shù)字選跳保護方案采用站控層組網方式，即GOOSE通信與站控層通信共用網絡的組網方式。站控層通信具體選用何種監(jiān)控規(guī)約不影響其中GOOSE通信的可靠性，因此該組網方式下保護裝置間信息快速交換是可靠的[2]。

PSCADA 數(shù)字選跳保護方案典型的組網結構如圖2 所示。

圖2 數(shù)字選跳保護組網結構

圖3 組網通信接口

組網通信接口如圖3 所示。基于增強網絡通信抗干擾能力與提高通信速率的考慮，站內網絡接口優(yōu)先使用100 Mbps多模光纖接口，站間交換機通過1 000 Mbps單模光纖接口進行級聯(lián)，以實現(xiàn)全網GOOSE通信[3]。

1.2 保護原理

通過復用站控層網絡以及利用GOOSE 通信技術，保護裝置可實現(xiàn)信息共享，傳輸與接收站間、站內的保護啟動閉鎖信號以及各類開關量信號。裝置在接收到所需信號并進行邏輯判斷比選后，可判斷出故障區(qū)域，進而實現(xiàn)快速跳閘切除故障。數(shù)字選跳保護邏輯如圖4 所示。

圖4 數(shù)字選跳保護邏輯

對于單電源供電環(huán)網供電系統(tǒng)，任意處發(fā)生故障時，當檢測到故障電流大于數(shù)字選跳動作定值，且未同時接收到來自母線側保護裝置（同母線任意保護裝置）以及環(huán)網對側保護裝置的數(shù)字選跳閉鎖信號，說明故障為區(qū)內故障，數(shù)字選跳保護動作；反之則說明故障為區(qū)外故障，數(shù)字選跳保護閉鎖。

下面分別以變電所環(huán)網電纜、母線和饋線發(fā)生故障為例，簡要分析數(shù)字選跳保護的邏輯原理。這3 種故障基本包含了地鐵交流供電系統(tǒng)常見故障類型。

1.2.1 環(huán)網故障

圖5 為環(huán)網故障示意圖。當K1 點發(fā)生故障時，K1 點上級即左側的環(huán)網進出線保護裝置均會檢測到故障電流，且大于“數(shù)字選跳閉鎖定值、數(shù)字選跳動作定值”（數(shù)字選跳動作定值略大于數(shù)字選跳閉鎖定值），將立刻通過GOOSE 通信以組播方式對外發(fā)送數(shù)字選跳閉鎖信號。

圖5 環(huán)網故障示意圖

S2 所的102，S1 所的102、104 保護裝置會同時接收到各自母線側以及環(huán)網側的數(shù)字選跳閉鎖信號，上述保護裝置將判斷此次故障為區(qū)外故障，閉鎖數(shù)字選跳保護。

而S2 變電所的104 保護裝置僅會接收到來自本所母線側（102 保護裝置）的閉鎖信號，不會接收到環(huán)網對側的閉鎖信號（因環(huán)網對側S3 所102保護裝置基本未檢測到任何電流，不會發(fā)出閉鎖信號），該保護裝置將判斷此次故障為區(qū)內故障，數(shù)字選跳保護經短延時（通常設定為50～100 ms）快速動作出口切除故障。

1.2.2 母線故障

當K2 點發(fā)生短路故障時（圖6），S1 所的102、104 保護裝置會同時接收到各自母線側以及環(huán)網側的數(shù)字選跳閉鎖信號，上述保護裝置將判斷此次故障為區(qū)外故障，閉鎖數(shù)字選跳保護。

而S2 變電所的102 保護裝置僅會接收到來自環(huán)網對側（S1 所104 保護裝置）的閉鎖信號，不會接收到母線側的閉鎖信號（因S2 所104、312、100 保護裝置基本未檢測到任何電流，不會發(fā)出閉鎖信號），該保護裝置將判斷此次故障為區(qū)內故障，數(shù)字選跳保護經短延時（通常設定為50～100 ms）快速動作出口切除故障。

圖6 母線故障示意圖

1.2.3 饋線故障

當K3 點發(fā)生短路故障時（圖7），S2 所的102與S1 所的102、104 保護裝置都會接收到各自母線側及環(huán)網對側的數(shù)字選跳閉鎖信號，上述保護裝置將判斷此次故障為區(qū)外故障，閉鎖數(shù)字選跳保護。

而S2 變電所的312 為供電末端，當312 保護裝置檢測到故障電流即判斷為區(qū)內故障，不需判斷閉鎖信號，由過流保護經短延時（通常設定為50～100 ms）立即動作出口切除故障。

圖7 饋線故障示意圖

2 保護配置方案

PSCADA 數(shù)字選跳保護方案中，通常環(huán)網側電纜配置光纖縱差保護裝置以及線路綜合保護裝置，各個饋線間隔配置饋線綜合保護裝置，母聯(lián)間隔配置母聯(lián)綜合保護裝置，上述各個綜合保護裝置不僅具備過流保護和零序過流保護等傳統(tǒng)保護功能，在此基礎上還增加了本文所述的數(shù)字選跳保護。典型保護配置方案如圖8 所示。

圖8 變電所保護配置

在極端情況下，GOOSE 通信發(fā)生故障時裝置會發(fā)出GOOSE 告警，這時綜合保護裝置不能正常接收/發(fā)送GOOSE 信息，考慮到保護方案的可靠性，避免數(shù)字選跳保護誤動，綜合保護裝置會將GOOSE 告警側對應的數(shù)字選跳保護功能退出，而這些保護裝置的過流保護和零序過流保護仍能正常工作。

3 仿真試驗驗證

3.1 仿真模型及試驗方案

通過搭建RTDS 仿真模型，驗證本文所述PSCADA 數(shù)字選跳保護方案的性能。試驗模擬軌道交通交流供電系統(tǒng)典型供電方式下常見的短路故障，仿真系統(tǒng)模型以及模型參數(shù)主要參照南京地鐵3 號線交流供電系統(tǒng)，并在此基礎上進行精簡，如圖9 所示。其中K1～K3 為故障點，K1 代表牽引所2、3 之間環(huán)網線路上故障，K2 代表牽引所3內35 kV 母線上故障，K3 代表牽引所3 饋線上故障。

圖9 供電系統(tǒng)模型

本次試驗配置2 臺縱差保護裝置、6 臺綜合保護裝置、1 臺交換機，接入6 組CT 以及2 組PT，通過模擬典型故障驗證保護方案的性能。保護配置方案如圖10 所示。

圖10 試驗系統(tǒng)保護配置

縱差保護裝置、綜合保護裝置分別配置于環(huán)網線路兩側斷路器203、301，牽引所3 出線斷路器303、母聯(lián)斷路器300 和饋線斷路器311 分別配置綜合保護裝置。

系統(tǒng)模型的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 R TDS 試驗系統(tǒng)模型參數(shù)

試驗系統(tǒng)配置的保護裝置分別接入站控層交換機，GOOSE 網絡與監(jiān)控103 網絡采用共網方式。試驗系統(tǒng)按圖2 所示組網結構進行組網。

3.2 試驗過程及結果分析

牽引所1 雙母分列運行，斷路器403、404 斷開，牽引所3 通過電源進線301、302 單向供電，模擬牽引所3 發(fā)生K1、K2、K3 三處典型故障，考察各保護裝置的動作情況。測試過程及動作結果如下：

（1）縱差保護通信正常，0 ms 時刻模擬K1點各類型短路故障，203、301 開關縱差保護20 ms動作跳閘切除故障。

（2）縱差保護通信異常，0 ms 時刻模擬K1點各類型短路故障，203、301 開關縱差保護裝置拒動，對應間隔綜合保護裝置的數(shù)字選跳保護50 ms 動作跳閘切除故障。

（3）0 ms 時刻模擬K2 點各類型短路故障，301 開關綜合保護裝置數(shù)字選跳保護50 ms 動作跳閘切除故障。

（4）311 綜合保護裝置GOOSE通信報警，0 ms時刻模擬K2 點各類型短路故障，301 開關綜合保護裝置數(shù)字選跳保護閉鎖，故障由301 過流保護經長延時動作跳閘切除。

（5）0 ms 時刻模擬K3 點各類型短路故障，311 開關綜合保護裝置動作跳閘切除故障，故障發(fā)生時刻311 保護裝置發(fā)送數(shù)字選跳閉鎖信號，301開關數(shù)字選跳保護被閉鎖，因此不會發(fā)生誤動作。

試驗過程以及結果表明：PSCADA 數(shù)字選跳保護方案運行可靠，可快速識別故障區(qū)域進而快速跳閘隔離故障，最快可實現(xiàn)環(huán)網任一點故障50 ms動作跳閘隔離，且不受故障類型影響，保護動作可靠快速。

4 結語

本文所提出的基于GOOSE 通信的PSCADA數(shù)字選跳保護方案利用智能變電所GOOSE 通信技術賦予傳統(tǒng)過流保護以絕對選擇性，大幅提升了保護的速動性。RTDS 試驗結果也驗證了所述方案是一種具有絕對選擇性的快速保護方案，可以很好地解決交流環(huán)網供電方式下保護裝置的選擇性與速動性相互矛盾的問題。