楊 亮 馬黨梅
(南京電研電力自動化股份有限公司,江蘇 南京210061)
近年來,數字化變電站技術迅猛發(fā)展,基于面向通用對象的變電站事件(GOOSE)的高速可靠的網絡通信方式日漸成熟,為實現保護之間實現快速通信提供了技術保障。本文提出的區(qū)域保護屬于“面保護”[1]的范疇,在面保護算法[2]的基礎上,重新理解和剖析面保護的算法,本文稱之為“區(qū)域保護算法”。該算法簡化了參數的配置,提高了現場調試與維護的效率。
區(qū)域保護主要是在饋線自動化終端FTU(Feeder Terminal Unit)設備之間來完成。饋線終端FTU之間的數據信息交換是利用光纖網絡的GOOSE方式來傳遞的。FTU一般安裝于饋電線路上,完成對柱上開關或分段開關的保護與監(jiān)控,能夠通過光纖網絡或GPRS無線將實時數據上傳至主站,以實現遙測、遙信、保護、控制以及故障檢測等功能。
將配電網中的每個開關從中間分為左邊和右邊2個區(qū)域,左右2個區(qū)域就將成為區(qū)域保護的閉鎖區(qū)域(Closed Area)或開放區(qū)域(Opened Area)。電流正方向的一般認定方法是電源側流向負荷側。我們認定某一個開關達到故障啟動電流的正方向為開放區(qū)域,故障啟動電流的反方向即閉鎖區(qū)域。運行中對于同一個開關的保護來說,其閉鎖區(qū)域和開放區(qū)域是根據故障電流的方向不同而發(fā)生改變的?,F就圖1中的2個故障點,分別來說明保護動作和閉鎖的基本原理。
圖1 輸電線路開關
CB1、CB2、CB3開關為變電站的饋線開關,裝設有保護,速斷動作時間一般為0.3~0.5 s,而網絡式保護裝置的速斷動作時間一般設置為0.1 s左右。為了方便解說網絡式保護動作和閉鎖過程,只看配網中的開關。
先看故障點左側的開關,FS1開關能感知到故障電流,因此FS1保護啟動。對于FS1開關來說,故障電流在自己的右側,需要向自己的故障電流的反方向側即閉鎖區(qū)域發(fā)送閉鎖命令,在FS1左側的開關CB1不是網絡式保護,雖然開關CB1的保護已經啟動,但由于變電站側開關的速斷時間比FS1開關速斷時間較長,所以FS1開關先動作。
再看FS2的故障電流從左至右,依照原理法則,FS2的左側為開放區(qū)域,右側為閉鎖區(qū)域,需要向自己的故障電流的反方向側(開關右側)即閉鎖區(qū)域發(fā)送閉鎖命令給FS3和FS5。依照此方法FS3發(fā)閉鎖命令給FS4。所以,FS3、FS4、FS5開關都能收到相應的閉鎖命令,保持開關不動。CB1、CB2、CB3由于時限設置較長而不會動作,其最終結果是FS1和FS2 2個開關動作。
先看故障點左側的開關,FS1、FS2 2個開關能夠同時檢測到故障電流的存在,因此FS1、FS2 2個保護都會啟動。對于FS2開關來說,故障發(fā)生在它的右側,它向左側的FS1開關發(fā)閉鎖信號,因此,FS1開關閉鎖。FS2啟動,并且在延時時間內沒收到任何閉鎖信號,故FS2開關動作。對于FS3開關來說,它檢測到的故障電流在自己的左側,則它的開放區(qū)域就在左側,向右側的開關FS4發(fā)送閉鎖命令。而FS3開關在延時時間范圍內沒有收到任何閉鎖命令,所以FS3開關到保護應有的延時后將跳開。同理,FS5開關也將跳開,從而及時準確地找到故障點并切除故障。
無需關心潮流方向和所謂的正方向,保護定值設置更簡單,現場調試工作量和復雜程度也大大降低。只需要關心故障電流的方向性,定義一個虛擬左側和右側,并確定最靠近本開關的左側有哪些開關(對于FS2來說只有FS1一個開關),最靠近本開關的右側有哪些開關(對于FS2來說有FS3和FS5 2個開關)。
GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)是面向通用對象的變電站事件的簡稱,在目前的智能化變電站中廣泛應用。GOOSE報文的發(fā)送和接收分別由publisher(公告式發(fā)布)和subscriber(預定式接收)來執(zhí)行。
對于publisher,GOOSE報文的發(fā)送并不完全按固定時間間隔來進行。在沒有GOOSE事件發(fā)生時,GOOSE報文的發(fā)送間隔相對較長,是按固定時間間隔(T0)來發(fā)送;當發(fā)生事件時,數據發(fā)生了變化,發(fā)送時間間隔就從設置的最小時間間隔(T1)開始,在此階段,發(fā)送時間間隔會逐漸增大,直到事件狀態(tài)穩(wěn)定,GOOSE報文的發(fā)送又變?yōu)楣潭ㄩL時間間隔。工程應用中可以根據快速性的需要對時間間隔T0和T1進行設置。
GOOSE報文發(fā)送過程如圖2所示。
圖2 GOOSE發(fā)送機制
對于一個重發(fā)的GOOSE報文,會在報文中附帶一個time-Allowed ToLive的參數,該參數告知接收方等待下一個重發(fā)的GOOSE報文的最長時間,如果在該時間內,接收方沒有收到重發(fā)的報文,就可以認為是發(fā)生了通訊中斷。
對于GOOSE報文的發(fā)送方,它可能會以組播的方式發(fā)送多個報文,每個報文都是與特定數據相關的,報文頭中包含有不同的目標地址;對于接收方,網絡底層會收到網絡上所有的GOOSE報文,其中包括接收方需要的信息和它不需要的信息,所以需要對報文進行過濾。為了減輕CPU的負擔,這個過濾的任務一般由網絡控制器來完成。
接收方采取訂閱的形式來獲取需要的GOOSE報文,接收方配置了一個GOOSE報文目標地址列表,并對網絡控制器進行設置,網絡控制器收到GOOSE報文后就將報文中的目標地址與目標地址列表中的地址作對比,如果該目標地址包含在地址列表中,那么就認為該GOOSE報文是接收方訂閱的,在CPU從網絡控制器讀取GOOSE報文時將報文傳送給CPU。然后接收方會進一步對GOOSE報文進行解析。
圖1中的開關FS1~FS5在配網中一般是柱上真空斷路器,我們?yōu)槊恳慌_柱上真空斷路器配置一臺智能饋線自動化終端(FTU),開關具備切斷故障電流的能力,FTU具備光纖通信功能,可組建GOOSE通信網絡。
具備區(qū)域保護功能的FTU是南京電研電力自動化股份有限公司自主研發(fā)的一款智能型FTU,是型號為NSA3100HF的配網饋線自動化終端。區(qū)域保護的關鍵是需要快速的通信網絡,所以,我們采用光纖以太網,將這些開關的智能控制器(NSA3100HF)連起來,用GOOSE報文傳遞開關之間的閉鎖信息。如圖3所示。
一般“面保護”現場配置比較復雜,一旦運行方式改變,多臺FTU的配置也需要作相應的改變。區(qū)域保護充分考慮了這個因素,即使運行方式改變,只需要改動相應的開關周圍的FTU配置即可,做到了改動最小,影響最小,只需要修改GOOSE配置部分,GOOSE配置是在FTU組態(tài)軟件中完成的。對于每一個單臺區(qū)域保護來說,都有一個GOOSE訂閱和發(fā)布的配置。所以用組態(tài)工具配置時,只需要關心本區(qū)域保護周圍的保護,確定它們之間的訂閱和發(fā)布就可以了。
圖3 網絡拓撲結構
綜上所述,要想在已經投運的配網終端上實現區(qū)域保護,只需要有網絡并修改智能終端的配置即可。采用區(qū)域保護算法可使智能終端配置簡單,維護方便,判斷故障點準確快速。目前,已經有很多業(yè)內人士在研究將61850通信機制引入配網自動化當中,這其中還有很多需要完善和克服的技術問題。所以,在配網自動化領域還有很多值得研究和探索的技術問題,需要我們不斷學習和鉆研。
[1]劉健,贠保記,崔琪,等.一種快速自愈的分布智能饋線自動化系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(10):62~66
[2]袁欽成.配電網系統(tǒng)故障處理自動化技術綜述[J].電力設備,2007,8(12):1~5