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基于GOOSE機制的城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)繼電保護方案優(yōu)化

2014-06-28 11:43:16吳仕平王漢林呂良君
城市軌道交通研究 2014年11期
關(guān)鍵詞:環(huán)網(wǎng)變電所饋線

吳仕平 王漢林 呂良君

(國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司,210061,南京∥第一作者,工程師)

城市軌道交通供電系統(tǒng)一般采用集中式和分散式2 種供電模式。不管哪種供電模式,35 kV 或10 kV 中壓供電系統(tǒng)將形成大分區(qū)或者小分區(qū)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即:將全線車站變電所劃分到若干個供電分區(qū)內(nèi),每個供電分區(qū)從主變電所(開閉所)引入兩回電源至分區(qū)內(nèi)第一座車站變電所的Ⅰ、Ⅱ段母線,分區(qū)內(nèi)車站變電所間采用環(huán)網(wǎng)電纜將Ⅰ、Ⅱ段母線分別連接在一起,形成開放式環(huán)形供電[1]。目前,這種供電模式下主要的保護配置是“光纖差動保護加過流保護”方案。該方案存在的主要問題是:差動保護的原理決定了其保護范圍的局限性,保護范圍僅是兩側(cè)電流互感器之間的環(huán)網(wǎng)線路,既不能保護斷路器柜故障,又不能作相鄰元件的后備保護。因此,當(dāng)斷路器柜故障或差動保護故障時,只能依賴于過電流保護。而城市軌道交通中壓供電環(huán)網(wǎng)接線的特點決定了過電流保護需要靠延時配合獲取選擇性,其選擇性與中壓環(huán)網(wǎng)中每個環(huán)串的變電所數(shù)量,以及主變電站饋線側(cè)的過電流保護時間的設(shè)定密切相關(guān)。所以當(dāng)采用大環(huán)串方案時,現(xiàn)有的保護方案在選擇性與速動性上不能同時滿足。現(xiàn)有的保護方案主要考慮供電線路發(fā)生故障的情況,而對母線故障的保護欠缺考慮。文獻[2]提出的保護方案在一定程度上能保證保護的選擇性和速動性,但其信號閉鎖機制完全基于傳統(tǒng)的硬接點接線方式,二次接線復(fù)雜,不利于施工和成本的降低。

近年來,隨著IEC 61850 在電力系統(tǒng)的逐步推廣,GOOSE(面向通用對象的變電站事件)成為IEC 61850 的一個全新應(yīng)用。GOOSE 服務(wù)是以高速P2P(Peer-to-Peer)通信為基礎(chǔ),替代了傳統(tǒng)的智能電子設(shè)備(IED)之間硬接線的通信方式,為邏輯節(jié)點間的通信提供了快速且高效可靠的方法[3-4]。為實現(xiàn)控制、保護、信號和通信一體化的多功能綜合保護測控裝置之間的聯(lián)網(wǎng)提供了可靠保證。因此,尋求一種基于GOOSE 機制的中壓環(huán)網(wǎng)保護方案應(yīng)用于城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng),對于城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)的可靠運行至關(guān)重要。

1 基于GOOSE的數(shù)字通信電流保護方案

基于GOOSE 機制的微機保護在一些文獻中又稱之為數(shù)字通信電流保護[5-6]。數(shù)字通信電流保護是基于微機保護裝置間的網(wǎng)絡(luò)通信功能提出的一種新的保護方案,該保護方案是以GOOSE 通信為基礎(chǔ)的,以邏輯閉鎖為核心的網(wǎng)絡(luò)化保護方案。利用GOOSE 通信技術(shù)建立軌道交通供電系統(tǒng)變電站內(nèi)及站間中壓保護裝置間的通信平臺。基于GOOSE的網(wǎng)絡(luò)化保護組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于GOOSE 的網(wǎng)絡(luò)化保護組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

與保護相關(guān)的 GOOSE 信號分為:第 1 類GOOSE 信號、第 2 類 GOOSE 信號、第 3 類 GOOSE信號和第4 類GOOSE 信號。與這4 類信號相關(guān)聯(lián)的保護分別為GOOSE 閉鎖式電流保護、GOOSE 開放式電流保護、GOOSE 開放式失靈保護、GOOSE聯(lián)跳。第1 類GOOSE 信號對保護的作用是閉鎖住電流保護,第2、3、4 類 GOOSE 信號則是啟動相應(yīng)的保護。如圖2所示的K1點故障,故障電流流過4DL 和1DL,圖中虛線箭頭代表第1 類GOOSE信號的傳送方向,實線箭頭代表第3 類GOOSE信號的傳送方向。當(dāng)4DL 斷路器處的故障電流大于啟動定值后,4DL 斷路器的保護裝置立刻向1DL 傳送第 1 類 GOOSE 信號;與此同時 1DL 保護裝置收到4DL 啟動信號后,判定故障為母線區(qū)外故障,1DL 處電流保護被閉鎖。K1點故障由4DL 處配置的保護切除。而如果4DL 斷路器失靈,未能切除故障,4DL 處保護裝置失靈保護啟動后立刻向GOOSE 網(wǎng)廣播第3 類GOOSE 信號,相關(guān)斷路器處保護裝置收到該信號后各自跳開對應(yīng)的斷路器。

2 繼電保護動作分析

為便于分析,這里選取城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)中有代表性的1 個供電分區(qū),如圖3所示。根據(jù)城市軌道交通供電系統(tǒng)的特點,供電故障主要發(fā)生在環(huán)網(wǎng)電纜、母線、饋線等幾個地方(即圖中K1,K2,K3,K4故障點),針對各個故障點,分析各保護之間如何利用基于GOOSE 網(wǎng)絡(luò)機制的數(shù)字通信電流保護實現(xiàn)保護的可靠性、選擇性、靈敏性、速動性。以下分別對各故障點的保護動作行為進行具體分析。

圖2 GOOSE 信號傳遞機制

2.1 環(huán)網(wǎng)線路故障(K1點)

2.1.1 站間光纖差動保護裝置通信正常情況

對于相間故障和小電阻接地系統(tǒng)的接地故障,由差動保護裝置跳開線路兩端進、出線斷路器DL4和DL5,切除故障。對于接地故障,由零序差動保護瞬時切除故障跳閘。

圖3 環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 站間光纖差動保護光纖通信異常(或裝置異常)情況

對于K1點故障來說,如果光纖差動保護光纖通信異?;蛘哐b置異常(如AD 自檢出錯、開入開出板件異常、定值自檢出錯等),DL4處差動保護將被閉鎖。同時發(fā)送第2 類GOOSE 信號給本處的電流后備保護裝置,DL4處的電流后備保護收到此信號后啟動GOOSE 開放式電流保護,經(jīng)延時跳開環(huán)出線斷路器DL4;同理,DL5處的保護也按此原理跳開DL5斷路器。其他環(huán)網(wǎng)進出線的光纖通訊均正常,DL1處、DL2處、DL3處雖然能檢測到故障電流,但沒收到來至DL4處的第2 類GOOSE 信號,均不會動作。

2.1.3 后備保護裝置異常情況

若DL4處電流后備保護裝置異常,則發(fā)送第2類GOOSE 信號至DL3和DL10處保護裝置;K1點故障時,DL3(或DL10)處保護檢測到故障電流同時接收到DL4處第2 類GOOSE 信號,啟動開放式電流保護,動作于各自的斷路器,切除故障。

2.1.4 斷路器失靈情況

變電所2 的DL4處裝置檢測到斷路器失靈后,發(fā)送第3 類GOOSE 信號,DL3(或DL10)處電流保護裝置接收到此信號后啟動GOOSE 開放式失靈保護,跳開環(huán)進線斷路器DL3(或DL10)切除故障。

2.2 饋線故障(K2點)

正常情況下K2點故障時,DL9、DL3同時檢測到故障電流,DL9處饋線保護裝置發(fā)送第1 類GOOSE信號,DL3處的電流裝置收到此閉鎖信號后閉鎖本裝置電流保護。由DL9處饋線電流保護裝置動作,跳開DL9斷路器切除故障,DL3處電流保護不會誤動,有效地區(qū)分了母線故障和饋線故障。

斷路器DL9失靈情況下 K2點故障時,若出現(xiàn)DL9處饋線保護動作但饋線斷路器失靈,饋線保護發(fā)送第 3 類 GOOSE 信號,DL3、DL4和 DL10處電流保護裝置收到此信號后,各自跳開相應(yīng)位置的斷路器。若出現(xiàn)饋線保護裝置異常,DL9處饋線保護發(fā)送第2 類 GOOSE 信號,DL3、DL4和 DL10處電流保護裝置收到此信號后,啟動各自的電流保護,跳開相應(yīng)位置的斷路器。

2.3 正常供電方式下的母線故障(K3點)

正常情況下的對于K3點故障,環(huán)網(wǎng)出線、饋線、母聯(lián)保護均不能檢測到故障電流,但變電所2(即故障所在變電所)的環(huán)網(wǎng)進線DL3處及上級變電所DL1、DL2處保護均能檢測到故障電流,各自發(fā)出第1 類GOOSE 信號,上級變電所的進線DL1、出線DL2處保護相互收到對方的閉鎖信號,保護不會誤動;DL3處保護沒有收到閉鎖信號,閉鎖式過流保護動作,切除母線故障,從而實現(xiàn)母線保護的功能。

環(huán)網(wǎng)進線保護裝置異常情況下環(huán)網(wǎng)進線后備保護裝置(DL3處)異常時,保護無法在原先預(yù)計的時刻切除故障。DL3處后備保護裝置將發(fā)送第2 類GOOSE 信號,通過站間GOOSE 網(wǎng),上級變電所的環(huán)網(wǎng)出線電流保護裝置(DL2處)接收到此信號,其開放式電流保護啟動,經(jīng)延時跳開 DL2,切除母線故障。

斷路器DL3失靈情況下環(huán)進線斷路器DL3拒動,DL3處后備保護裝置將第3 類GOOSE 信號給上級變電所的DL2處環(huán)出線保護裝置,由其跳開斷路器DL2,快速切除故障。

2.4 經(jīng)母聯(lián)供電模式下母線故障(K4點)

正常情況下K4點故障時,只有I 段母線上保護裝置的第1 類GOOSE 信號,而Ⅱ段母線上保護裝置沒有檢測到故障電流,不會發(fā)送第1 類GOOSE 信號;若分段保護裝置判斷到兩段母線上同時有保護裝置發(fā)第1 類GOOSE 信號,則認為是Ⅱ段母線以外的區(qū)域故障,閉鎖電流保護,從而保證了保護選擇性。分段保護利用這一特性來判斷故障出現(xiàn)在K4處。在圖3 中,DL10處保護裝置沒有檢測到Ⅱ段母線上保護裝置的第1 類GOOSE 信號,保護動作跳開斷路器DL10,切除故障。環(huán)網(wǎng)進線DL3即使能檢測到故障電流,但因同時接收到來至DL10處保護裝置發(fā)出的第1 類GOOSE 信號,所以保護不會誤啟動。

分段保護裝置異常時,發(fā)送第2 類GOOSE 信號,供電端來自I 母環(huán)網(wǎng)進線時,進線DL3處后備保護裝置收到此信號后,自動投入開放式電流保護,經(jīng)過延時跳開DL3,切除故障。同理,如果電源端來自Ⅱ段母,則跳開DL7。

斷路器DL10失靈情況下對于K4點發(fā)生的故障,分段保護裝置動作跳閘,如果分段斷路器DL10拒動,DL10處分段保護裝置將廣播發(fā)送第3 類GOOSE 信號給本站I 母、Ⅱ母所有進出線電流保護裝置,由其跳開各自對應(yīng)的斷路器,快速切除故障。

3 RTDS仿真試驗

為了驗證保護方案的動作性能,在實時數(shù)字仿真(Real Time Digital Simulator,簡為RTDS)系統(tǒng)中進行了數(shù)模仿真試驗。該系統(tǒng)采用了先進的Hypersim 平臺,該平臺是加拿大 HYDRO-QUEBEC公司開發(fā)的一種基于并行計算技術(shù)的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng),它提供了大量電力系統(tǒng)元件庫和控制模塊,具有大量的DA、AD(模數(shù)轉(zhuǎn)換芯法)和DIO(數(shù)字輸入輸出)接口,可以同時與多臺裝置相連接進行閉環(huán)測試。

試驗系統(tǒng)采用上述RTDS 系統(tǒng)建模,供電一次,系統(tǒng)模擬仿真如圖3所示環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)。系統(tǒng)主要考慮以下特點:①由于各站之間的環(huán)網(wǎng)電纜距離短、阻抗小,因此數(shù)模試驗系統(tǒng)中環(huán)網(wǎng)電纜各處同類型故障短路電流差別不大;②考慮串行供電級數(shù)較多,數(shù)模試驗系統(tǒng)模擬了4 個變電站間3 級串行供電的情況。

由于采用GOOSE 信號閉鎖機制,保護動作時間的定值不需特別考慮時限逐級配合問題,僅僅考慮GOOSE 信號本身延時,因此,GOOSE 閉鎖式電流保護時限為50 ms,GOOSE 開放式電流保護時限為100 ms,GOOSE 開放式失靈保護考慮到開關(guān)位置返回需要一定延時,取為150 ms。RTDS 的仿真結(jié)果如表1所示。

表1 RTDS 試驗結(jié)果

4 結(jié)語

基于GOOSE 機制的數(shù)字通信電流保護是在傳統(tǒng)的微機過電流保護原理及功能不變的基礎(chǔ)上,通過將站間保護裝置聯(lián)網(wǎng),將保護裝置的采樣信息和動作信息在保護裝置之間通過光纖進行直接快速傳輸,并通過對所轄區(qū)域內(nèi)微機保護裝置的電流保護動作與否進行比選和邏輯判斷,從而準確、快速地判斷出故障區(qū)段,迅速切除故障。其具有原過電流保護裝置的所有基本功能,可有效解決傳統(tǒng)過電流保護級差配合困難的問題,并增加了對母線的保護,是對傳統(tǒng)“光纖縱差保護加過電流保護”方案的進一步優(yōu)化,這種方案可望在城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)繼電保護中廣泛應(yīng)用。

[1]韓連祥,張鋼.城市軌道交通中壓網(wǎng)絡(luò)供電分區(qū)的劃分[J].都市快軌交通,2007,20(4):75.

[2]呂良君,朱臻怡,等.北京地鐵9 線環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)繼電保護方案分析[J].電氣應(yīng)用,2012,31(18):18.

[3]范建忠,馬千里.goose 通信與應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,19(31):85.

[4]Adamiak M,Hunt R,King A,rt al.Application of digital radio for distribution pilot protection and other applications [J].Annual Conference,2008(61):310.

[5]上海申通軌道交通研究咨詢有限公司,中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院.電流選跳技術(shù)在軌道交通中壓網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的研究科研報告[R].上海:上海申通軌道交通研究咨詢有限公司,天津:中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院,2006.

[6]于松偉,楊興山,韓連祥,等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計原理與應(yīng)用[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2008.

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