基于GOOSE的供電臂網絡化保護與控制功能研究

李雙才

（中鐵武漢電氣化局集團有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

我國的鐵路建設經過多年的發展，取得了較大的成就。城際鐵路、高速鐵路等鐵路網在全國依次鋪開。我國的城際鐵路、高速鐵路均采用電氣化鐵路牽引供電模式，牽引供電系統發生故障時，會導致機車失去動力電源、列車停運、乘客滯留，嚴重擾亂正常的行車計劃。因此，電氣化鐵路的牽引供電系統必須提供優質、穩定、不間斷的安全供電[1-3]，是鐵路正常運輸保障的前提條件。城際鐵路、高速鐵路的牽引供電系統大多采用220kV 進線電源、全并聯AT 牽引網的供電模式，所內變壓器容量較大，只要發生接觸網接地故障，就會產生很大的短路故障電流，一般達到普速鐵路的2～3 倍，發熱效率達到普速鐵路的4～9 倍，較大地損傷與沖擊變壓器、斷路器、接觸網等一次設備，嚴重地損害一次設備的使用壽命。基于此，城際鐵路、高速鐵路等牽引供電系統需要更快的繼電保護，盡量縮小故障停電范圍。一旦發生接觸網接地故障，為滿足速動性，傳統的繼電保護方案為：首先，綜合自動化系統將變電所的上、下行斷路器跳閘；然后，分區所、AT 所通過失壓保護解列供電臂，通過重合閘保護恢復非故障區段供電。因此，供電臂發生的任何故障，都會造成上、下行斷路器同時跳閘，不僅擴大了停電范圍，導致繼電保護選擇性差，而且增加了斷路器動作次數，使一次設備遭受更多的電沖擊，甚至會對設備造成永久性損傷。

綜上所述，由于傳統保護裝置只能采集裝置安裝點的信息，僅具有單點保護功能，而各保護裝置之間不能交互信息，使得傳統繼電保護方案造成上述不可克服的缺陷。基于IEC61850 標準協議的智能保護裝置，可以直接通過GOOSE 信號，快速交互開關分合閘、保護閉鎖或保護聯跳等指令信息[4-5]，從而使任意智能裝置具有廣域保護功能與控制功能。

本文針對牽引供電系統全并聯AT 網的特點，提出利用既有牽引變電所、分區所、AT 所之間的廣域通道，實現供電臂網絡化保護與控制方案。只要發生接觸網永久性故障，供電臂各裝置之間直接通過GOOSE信號，交互開關分合閘、保護閉鎖或保護聯跳等指令信息，快速退出故障區段，恢復非故障區間供電，縮小停電范圍，在保證繼電保護速動性的同時，滿足了保護的選擇性[6]。

1 傳統的饋線保護不足

因此，圖1 所示的供電臂接觸網發生故障時，傳統的饋線保護裝置保護1QF、2QF 斷路器同時跳閘，停止對上、下行接觸網供電，整個供電臂失壓。同時，同一供電臂的分區所與AT 所綜合自動化系統檢測發現自耦變壓器從有壓變為無壓，綜合自動化系統會分別跳開斷路器3QF、4QF、5QF 和6QF。然后，1QF、2QF斷路器重合閘啟動。假設圖1 所示K 處所在的下行線路發生永久性接觸網故障，1QF 斷路器重合閘失敗，由于上行線路沒有故障，2QF 斷路器重合閘成功，恢復對非故障的上行線路供電。最后，分區所與AT所內的AT2 與AT4 自耦變壓器檢測接觸網有壓，分別合閘4QF 與6QF 斷路器，自耦變壓器投入正常工作。

圖1 全并聯AT 供電方式供電臂示意圖

綜上所述，傳統繼電保護功能存在的缺陷與不足如下。

1.1 保護選擇性不足

接觸網發生故障時，變電所繼電保護會同時跳閘供電臂上、下行斷路器，分區所與AT 所繼電保護會因接觸網失壓跳閘，導致整個供電臂停電。選擇性不足造成的后果是：非故障區段的一次設備承受不必要的電沖擊，斷路器動作次數增加，減少了使用壽命；非故障區段隨故障區段同時跳閘，造成停電范圍擴大。

1.2 保護速動性不足

接觸網發生故障時，傳統繼電保護是通過設置不同的保護定值和時限定值配合實現選擇性，使得保護動作時間處于100～1000ms 之間，延長了保護時限，犧牲了速動性能，嚴重時還會燒損乃至燒斷斷路器、變壓器、避雷器等一次設備與接觸網，使瞬時性故障演變成永久性故障。

1.3 斷路器動作頻繁、不斷沖擊一次設備

經過上述分析，一旦圖1 所示的K 處發生永久性故障，會造成1QF 斷路器2 次跳閘，1 次重合閘；2QF斷 路1 次 跳 閘，1 次 重 合 閘；3QF 與5QF 斷 路 器 各1 次跳閘；4QF 與6QF 斷路器各1 次跳閘、1 次合閘。故障所在的供電臂所有斷路器一共動作11 次，短時間內斷路器動作頻繁，不斷沖擊所內一次設備。

2 基于GOOSE 的供電臂網絡化保護與控制功能研究

廣域保護系統是基于綜合自動化系統發展的新一代繼電保護產品，系統分別在同一供電臂的變電所、分區所、AT 所內設置智能保護裝置，所間智能保護裝置采用圖2 所示的通信結構，各裝置使用最新的IEC61850 標準協議，通過圖2 所示的廣域通道，利用GOOSE 和SV 交 互 信 息。

圖2 廣域級智能保護裝置通信結構示意圖

為了較好地區分故障區段與非故障區段，在判據中引入電流方向。將變電所所內由母線流向線路的保護電流方向定義為正方向，由線路流向母線的則定義為負方向，分區所、AT 所電流方向定義與此相同。接觸網故障時，只有電流正方向啟動的保護才允許出口，電流負方向啟動的保護不允許出口，且通過廣域通道向同一供電臂的變電所智能保護裝置發出保護閉鎖GOOSE 信號。圖1K 處發生接觸網故障時，斷路器1QF、2QF、3QF、5QF 的保護電流從母線流向線路，電流方向為正；斷路器4QF、6QF 的保護電流從線路流向母線，電流方向為負。斷路器1QF、3QF、5QF 保護電流為正方向，保護允許出口，斷路器跳閘；斷路器4QF、6QF 的保護電流為負方向，保護不允許出口，且向同一區段（上行線）斷路器2QF 的保護裝置發送保護閉鎖GOOSE 信號；斷路器2QF 的保護裝置收到同一區間其他裝置發送的保護閉鎖GOOSE 信號，盡管保護電流為正，同樣閉鎖保護出口。因此，K 處發生故障時，下行線路所有斷路器跳閘，停止供電，上行線所有斷路器不動作，正常運營。

下行線退出運行后，為了進一步縮小故障停電范圍，恢復非故障區段的供電，廣域保護裝置采用自愈重構技術，將供電臂區段劃分為L11、L12、L21 及L22四個區間，如圖3 所示的典型供電臂接線圖。當某個區間接觸網發生故障時，通過GOOSE 發出分合閘命令，斷開KT1 或KT2 開關，合閘相應斷路器，恢復非故障區間的供電，僅停止故障區間的供電。

圖3 AT 供電方式典型供電臂接線圖

一旦圖3 中的L12 區段(圖1 中的K 處)接觸網發生永久性故障，同一供電臂的各智能保護裝置會同時跳開變電所213 斷路器、分區所與AT 所的271 斷路器，變電所213 斷路器重合閘失敗，變電所內的智能保護裝置通過電流方向及GOOSE 信號，定位故障所在區段，啟動如下自動控制程序：

第一，變電所內的廣域保護測控裝置通過所間廣域通道給AT 所內的廣域保護測控裝置發送命令，分KT1 開關。第二，變電所內的廣域保護測控裝置合213 斷路器，使非故障的L11 區段恢復供電。

一旦圖3 中的L11 區段接觸網發生永久性故障，變電所內的廣域保護測控裝置通過電流方向及GOOSE 信號，定位故障所在區段，啟動如下自動控制程序：第一，變電所內的廣域保護測控裝置通過所間廣域通道給AT 所內的廣域保護測控裝置發送命令，分KT1 開關。第二，變電所內的廣域保護測控裝置通過所間廣域通道給AT 所內的廣域保護測控裝置發送命令，合271 斷路器。第三，變電所內的廣域保護測控裝置通過所間廣域通道給分區所內的廣域保護測控裝置發送命令，合271 斷路器，使L12 區段恢復供電。

綜上所述，基于GOOSE 的供電臂網絡化保護與控制功能，同時保證了保護的選擇性與速動性。與傳統繼電保護相比，同一條供電臂內所有斷路器僅動作6次，減少了45%的斷路器動作次數，降低了因斷路器動作次數增加對一次設備電沖擊的影響；同時縮小了故障停電范圍，使停電范圍縮小至傳統保護的50%。由于裝置之間能夠通過發送GOOSE 信號，閉鎖同一區段其他裝置的保護出口，各保護裝置的后備保護同時啟動，使保護動作時限不大于20ms，實現全速動的保護功能，快速切除故障線路，將接觸網與變壓器的電沖擊影響降至最低，同時不影響非故障區段的正常運營，減少停電范圍。

3 動態模擬實驗驗證

為了驗證本文所提方案的正確性與有效性，于2021 年6 月28 日在西南交通大學動模實驗室，通過在實時數字仿真系統（RTDS）設置各種運行工況及故障狀態，進行了動態模擬試驗。

模擬供電臂L12 近分區所區段發生永久性T 線故障，同一供電臂內的變電所、分區所與AT 所廣域保護測控裝置及斷路器動作情況如下：

第一，變電所213 斷路器供電臂正向阻抗保護、過電流保護、距離I 段保護出口，213 斷路器跳閘，同時向同一區段的其他智能保護裝置發出供電臂聯跳GOOSE 信號；第二，變電所214 斷路器智能保護裝置收到同一區段其他裝置發出的保護閉鎖GOOSE 信號，所有保護功能不允許出口，均處于閉鎖狀態；第三，分區所271 斷路器智能保護裝置收到變電所213保護裝置發出的供電臂聯跳GOOSE 信號，供電臂聯跳保護出口動作，同時供電臂正向阻抗保護元件動作出口，分區所271 斷路器保護跳閘；第四，分區所272斷路器智能保護裝置檢測該斷路器的保護電流從線路流向母線，為負方向，閉鎖該裝置所有保護，同時生成保護閉鎖的GOOSE 信號，并將該信號發送給同區段的變電所214 斷路器保護裝置；第五，由于故障點位于分區所近端，遠離AT 所，AT 所271 斷路器所有保護功能均未能啟動，但271 斷路器保護裝置收到變電所保護裝置發出的供電臂聯跳GOOSE 信號，AT 所271 斷路器保護裝置的供電臂聯跳保護動作，271 斷路器出口跳閘；第六，AT 所272 斷路器智能保護裝置檢測該斷路器的保護電流從線路流向母線，為負方向，閉鎖該裝置所有保護，同時生成保護閉鎖的GOOSE信號，并將該信號發送給同區段的變電所214 斷路器保護裝置；第七，變電所智能保護裝置啟動自動控制功能，同時通過測距計算，識別出故障區間為L12；第八，變電所智能保護裝置根據判斷出的故障區間，選擇對應的自愈方案；第九，變電所智能保護裝置通過廣域通道，給同一區間內的AT 所智能保護裝置發送KT1 開關分閘GOOSE 指令；第十，AT 所的智能裝置收到GOOSE 指令后，分開KT1 開關，分閘成功后向變電所廣域保護測控裝置發送分閘成功的GOOSE 信號；第十一，變電所廣域保護測控裝置收到分閘KT1開關成功的GOOSE 信號后，合閘213 斷路器，L11 區間恢復供電，將L12 故障區間隔離。

4 結語

本文基于同一供電臂內的所間廣域通道與廣域保護測控裝置，利用裝置之間的GOOSE 聯跳信號與閉鎖信號，研究了全并聯AT 供電方式下的供電臂網絡化保護與控制功能。當牽引網發生接觸網故障時，供電臂相關裝置的保護功能啟動，同時發出GOOSE聯跳信號或閉鎖信號。變電所保護裝置在保護啟動后，如果未收到保護閉鎖信號，則保護出口，同時給同區段的AT 所與分區所保護裝置發送保護聯跳信號；變電所保護裝置收到保護閉鎖信號，閉鎖保護，不出口；分區所與AT 所內的智能保護裝置定位故障區段，給同一區段非故障線路的變電所保護裝置發送保護閉鎖信號；智能保護裝置一旦收到聯跳保護信號，動作出口，快速退出故障線路，保證非故障線路正常供電，在確保保護速動性的同時滿足保護的選擇性。相比傳統保護，供電臂所有斷路器動作次數減少了45%,停電范圍縮小了50%。方法的有效性與正確性得到了動態模擬試驗結果驗證，具有重要的理論意義與應用價值。