曹云東, 劉 銳, 侯春光

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電器新技術(shù)與應(yīng)用研究所, 遼寧 沈陽 110870)

0 引 言

在電力系統(tǒng)中,配電網(wǎng)直接面向用戶端。近年來還承接著各種分布式電源、微電網(wǎng)的接入,使得配電網(wǎng)有更高的可靠性[1-4]。其中智能分布式饋線自動化(Feeder Automation,FA)通過對等通信網(wǎng)絡(luò)依靠各個配電開關(guān)處的智能終端設(shè)備互相通信和配合實(shí)現(xiàn)故障定位、故障隔離和供電恢復(fù),整個自愈過程只需數(shù)十秒,成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[5]。GOOSE即面向通用對象的變電站事件,以其優(yōu)良的快速性和可靠性,在智能分布式FA得到廣泛應(yīng)用。但分布式FA涉及不同設(shè)備的通信與數(shù)據(jù)交換,為實(shí)現(xiàn)互操作和互換性,就必然要遵循統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一建模,該通信標(biāo)準(zhǔn)一開始應(yīng)用于變電站自動化[8-9]。因此,將IEC 61850應(yīng)用于智能分布式FA,使分布式終端采用統(tǒng)一的信息模型和配置方法,實(shí)現(xiàn)IED的即插即用和互操作,加速FA的標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)用化[10]。

目前,國內(nèi)外有眾多文獻(xiàn)對智能分布式FA的技術(shù)原理和工程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究與探討。文獻(xiàn)[11]根據(jù)實(shí)時拓?fù)渥R別來實(shí)現(xiàn)分布式FA;文獻(xiàn)[12]的智能分布式應(yīng)用IEC 61850的系統(tǒng)擴(kuò)展模型;文獻(xiàn)[13]擴(kuò)展了SCL模型來描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本文對智能分布式FA自愈過程進(jìn)行介紹后,研究基于GOOSE的信息交互過程,給出工程配置過程,并應(yīng)用示例說明了該方案的有效性。

1 智能分布式FA故障自愈

1.1 智能分布式FA概述

圖1所示為一典型的閉環(huán)結(jié)構(gòu)智能分布式FA系統(tǒng)。其中,CB1～CB2為變電站出線開關(guān),SW1～SW4、SW6～SW8為分段開關(guān),SW5為聯(lián)絡(luò)開關(guān),在SW3與SW4之間存在一條支線,且以上開關(guān)均為斷路器。

將基于GOOSE服務(wù)的智能終端單元(STU)安裝在上述開關(guān)處,在配電網(wǎng)發(fā)生故障時,通過光纖以太網(wǎng)或無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)進(jìn)行對等通信,收集自身和相鄰終端的故障信息,進(jìn)行故障定位,不依賴主站,就地發(fā)送控制指令,實(shí)現(xiàn)智能分布式FA。

1.2 智能分布式FA工作原理

1.2.1 故障定位

為便于描述,將開關(guān)SW的兩側(cè)記為M側(cè)和N側(cè),開關(guān)描述示意圖如圖2所示,對于首開關(guān)和末開關(guān),M側(cè)和N側(cè)有且僅有一側(cè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)配電網(wǎng)為單電源系統(tǒng)時,若M或N側(cè)只有一處有開關(guān)接點(diǎn)發(fā)生故障,則該開關(guān)處于故障區(qū)段內(nèi)。當(dāng)配電網(wǎng)為多電源系統(tǒng)時,判斷故障定位還需加一條:故障接點(diǎn)的功率方向應(yīng)是流入本側(cè)。

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障后,故障點(diǎn)上游節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的智能終端將會檢測到流過本節(jié)點(diǎn)的相電流大于整定定值或零序電流大于整定定值;該電流持續(xù)一段時間后消失,啟動分布式FA功能。此時,相鄰的STU進(jìn)行開關(guān)位置、過流信息等信息的交互,結(jié)合自身監(jiān)控開關(guān)與相鄰開關(guān)的信息進(jìn)行故障定位。如果相鄰STU也采集到過流信息,則該STU所在的節(jié)點(diǎn)之間未發(fā)生故障;反之,則定位故障在該相鄰STU所在的節(jié)點(diǎn)之間,故障定位完成。在判定本區(qū)段故障后,瞬時觸發(fā)“節(jié)點(diǎn)故障”GOOSE輸出信號,該信號隨過流狀態(tài)保持,至少應(yīng)大于300 ms。

1.2.2 故障切除邏輯動作機(jī)制

定位完成后,STU根據(jù)開關(guān)信息:若本節(jié)點(diǎn)是末開關(guān),且相電流大于整定定值或零序電流大于整定定值,M側(cè)和N側(cè)節(jié)點(diǎn)中有且只有一側(cè)的節(jié)點(diǎn)均未發(fā)出“節(jié)點(diǎn)故障”GOOSE信號,則經(jīng)過整定故障切除延時后將本節(jié)點(diǎn)開關(guān)跳閘;若本節(jié)點(diǎn)為末節(jié)點(diǎn),且相電流大于整定定值或零序電流大于整定定值,收到M側(cè)和N側(cè)任一節(jié)點(diǎn)的“節(jié)點(diǎn)故障”GOOSE信號,則經(jīng)過整定延時后將本節(jié)點(diǎn)開關(guān)跳閘。如果開關(guān)在失靈時間內(nèi)本節(jié)點(diǎn)仍未跳閘,則觸發(fā)“開關(guān)拒跳”GOOSE輸出信號。

故障隔離充電完成且本節(jié)點(diǎn)GOOSE通信正常,若本節(jié)點(diǎn)未檢測到故障且收到M側(cè)或N側(cè)有且僅有一個節(jié)點(diǎn)的“節(jié)點(diǎn)故障”GOOSE信號,則經(jīng)過整定延時后,本節(jié)點(diǎn)開關(guān)跳閘。

若在開關(guān)失靈時間內(nèi),開關(guān)由合閘變分閘且無流,則觸發(fā)“故障隔離成功”GOOSE輸出信號;若在開關(guān)失靈時間內(nèi),本節(jié)點(diǎn)開關(guān)仍未跳閘,則觸發(fā)“開關(guān)拒跳”GOOSE輸出信號。

1.2.3 非故障區(qū)域的供電恢復(fù)

配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障后,與電源相連的故障上游區(qū)域通過故障區(qū)域周圍的智能終端控制相應(yīng)的分段開關(guān),即可恢復(fù)與電源相連的上游區(qū)段負(fù)荷的供電,因此配電網(wǎng)供電恢復(fù)的主要考慮是故障下游區(qū)段的健全失電區(qū)域的供電恢復(fù),首要目標(biāo)函數(shù)是盡可能多地恢復(fù)健全失電的區(qū)域供電。

(1)

式中:f——非故障區(qū)域失電負(fù)荷的總量;

n——故障下游區(qū)域饋線段總數(shù);

λi——失電負(fù)荷的權(quán)重系數(shù);

Pi——失電負(fù)荷的大小[14]。

故障隔離成功后,區(qū)域各節(jié)點(diǎn)向兩側(cè)依次轉(zhuǎn)發(fā)“故障隔離成功”GOOSE信號。當(dāng)本節(jié)點(diǎn)供電恢復(fù)充電完成且在電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)單側(cè)失壓后,收到“故障隔離成功”GOOSE信號,則經(jīng)過整定延時后啟動本節(jié)點(diǎn)開關(guān)合閘,完成轉(zhuǎn)供電過程。

對于多聯(lián)絡(luò)配電網(wǎng)絡(luò),通過供電恢復(fù)時限Tset來確定不同聯(lián)絡(luò)開關(guān)的優(yōu)先級[15]?；謴?fù)時限短的聯(lián)絡(luò)開關(guān),優(yōu)先級高,反之則低。

2 智能分布式FA對通信的要求

根據(jù)饋線開關(guān)是否能開斷短路電流,智能分布式FA分為速動型和緩動型。其中:速動型智能分布式FA技術(shù)要求故障發(fā)生之后配電終端之間的信息交互在10 ms內(nèi)完成,使得對通信的要求更高。

在圖1中,假設(shè)F1處發(fā)生永久性故障,可知具體自愈過程:開關(guān)CB1與SW1對應(yīng)的智能終端檢測到故障電流,而與SW1相鄰的SW2對應(yīng)的智能終端未檢測到過流信息,定位出故障在SW1與SW2區(qū)間內(nèi);此時SW1和SW2都是只有一側(cè)的節(jié)點(diǎn)未發(fā)送成功“節(jié)點(diǎn)故障”GOOSE信號,則經(jīng)過整定故障切除延時后動作跳開SW1和SW2;隔離成功之后,SW1和SW2向兩側(cè)依次轉(zhuǎn)發(fā)“故障隔離成功”信號至SW5,SW5收到信號且單側(cè)試壓后啟動合閘,經(jīng)過延時后合閘成功恢復(fù)供電。

因此,智能分布式FA對通信的要求有:相鄰智能終端之間需要快速地進(jìn)行開關(guān)位置、過流信息等信息的交互,實(shí)時性要求高;若采用區(qū)域型智能分布式,代理終端需同時向多個終端發(fā)送數(shù)據(jù);配電網(wǎng)饋線數(shù)量眾多,通信網(wǎng)絡(luò)需靈活配置,可靠擴(kuò)展。

3 基于GOOSE的終端間信息交互

GOOSE的應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元不經(jīng)過TCP/IP協(xié)議,直接通過數(shù)據(jù)鏈路層和物理層進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā),提高了GOOSE服務(wù)的實(shí)時性和可靠性。

GOOSE報文發(fā)送采用心跳報文與變位報文快速重發(fā)相結(jié)合的機(jī)制,該機(jī)制中含兩個重要參數(shù)StNum和SqNum,其中StNum參數(shù)反映的是GOOSE報文中的數(shù)據(jù)值是否與上一幀的報文數(shù)據(jù)值相同;SqNum參數(shù)表征兩者都未發(fā)生變化的時間內(nèi),發(fā)送GOOSE報文的次數(shù)。GOOSE接收分為兩種:單幀接收和雙幀接收,其檢測鏈路中斷依據(jù)的是允許生存時間(Time Allow to Live,TATL)。在智能分布式FA中采用雙幀接收以此來確保接收端安全可靠地確認(rèn)開關(guān)狀態(tài)的變位等重要的GOOSE信息。當(dāng)收到兩幀GOOSE數(shù)據(jù)相同的報文時,才更新數(shù)據(jù)。智能終端將收到的故障信息主動傳輸出去。GOOSE接收機(jī)制基本流程如圖3所示。

4 工程配置

4.1 IEC 61850工程配置

智能分布式FA系統(tǒng)依托GOOSE服務(wù)。這種面向?qū)ο蟮耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。IEC 61850工程配置流程如圖4所示。

首先,根據(jù)SCD模型信息中的終端ICD模型信息,提取對應(yīng)終端對外提供的GOOSE配置信息,以產(chǎn)生該終端的GooseOut數(shù)據(jù)信息(開關(guān)遙信信息、故障信號信息、虛遙信信息等)。再次,根據(jù)SCD模型信息中終端拓?fù)潢P(guān)系,提取此終端需要接收的其他終端的GOOSE數(shù)據(jù)信息,以產(chǎn)生該終端GooseIn數(shù)據(jù)信息,以及終端CID模型信息(包括intAddr對應(yīng)的模型信息)。最后,根據(jù)SCD模型信息中終端拓?fù)潢P(guān)系,配置終端內(nèi)部各開關(guān)之間的拓?fù)潢P(guān)系,以及此終端與其他相鄰終端的拓?fù)潢P(guān)系,以產(chǎn)生最終的終端模型CID。

4.2 智能終端IED配置

依據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)信息建模原則,智能分布式FA系統(tǒng)由配電線路上的各個終端設(shè)備組成。每個終端設(shè)備含SERVER對象、邏輯設(shè)備LD和邏輯節(jié)點(diǎn)LN。

(1) SERVER建模。由于分布式FA采用的是GOOSE服務(wù),其過程層已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,IED需要建模三個服務(wù)訪問點(diǎn):S1(MMS服務(wù))、G1(GOOSE服務(wù))以及M1(采樣值服務(wù)),分別為智能終端間以及與配電網(wǎng)自動化主站之間的通信。

(2) LD建模。依據(jù)邏輯設(shè)備建模原則,一般依據(jù)功能建立公用LD、測量LD、保護(hù)LD、錄波LD等。本文根據(jù)智能分布式FA功能新建專有的LD,名字為“FLISR”,該LD除了固有的LLN0和LPHD兩個邏輯節(jié)點(diǎn),還包含了以下4個LN。

①SFPI(故障指示邏輯節(jié)點(diǎn)):監(jiān)控智能終端的故障信息,將數(shù)據(jù)傳輸給AFSL。

②AFSL(故障區(qū)間定位邏輯節(jié)點(diǎn)):接收SFPI的數(shù)據(jù),判斷出故障區(qū)域,根據(jù)定位結(jié)果啟動AFSI。

③AFSI(故障隔離指示節(jié)點(diǎn)):啟動和完成故障隔離,將隔離結(jié)果啟動ASRC。

④ASRC(供電恢復(fù)控制邏輯節(jié)點(diǎn)):將非故障區(qū)段轉(zhuǎn)供給有足夠的容量裕度的聯(lián)絡(luò)饋線上,完成供電恢復(fù)。

(3) LN的確定。參照IEC 61850-90-6技術(shù)報告對故障指示邏輯節(jié)點(diǎn)SFPI已有詳細(xì)的介紹。AFSL、AFSI以及ASRC的主要數(shù)據(jù)對象列于表1～表3。

表1 AFSL的主要數(shù)據(jù)對象

表2 AFSI的主要數(shù)據(jù)對象

表3 ASRC的主要數(shù)據(jù)對象

5 應(yīng)用示例

圖5所示為某供電公司的配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｔ摼W(wǎng)是一個三電源聯(lián)絡(luò)配電網(wǎng),CB1～CB3為變電站出線開關(guān),SW1～SW4為電纜分接箱,這些開關(guān)均配有相對應(yīng)的智能終端,且所有開關(guān)均為斷路器。

當(dāng)F1發(fā)生永久性故障后,SFRI監(jiān)測各終端故障信息,CB1檢測到故障電流,此時FltLoclnd為ture,但收到SW1未檢測到故障信息;SW1未檢測到故障但收到CB1檢測到故障的信息,其余終端未檢測到故障,也收到相鄰終端未檢測到故障的信息,故判斷出故障在CB1-SW1區(qū)間。此時FltLocStr為false,故障定位過程完成,啟動故障隔離功能。經(jīng)延時后,CB1與SW1跳閘,完成后AFSI.FltsoStr=false,向兩側(cè)發(fā)送“故障隔離成功”GOOSE信號。SW4和SW6根據(jù)ASRC.RsvCap計算出各個饋線的備用容量S4和S6和故障發(fā)生時刻ASRC.DeEnLodCa所測出的故障下游負(fù)荷的容量SL。若S4和S6都大于SL,則終端根據(jù)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的優(yōu)先級來確定合閘開關(guān),完成轉(zhuǎn)供電;若S4和S6都小于SL,則聯(lián)絡(luò)開關(guān)不動作,不執(zhí)行供電恢復(fù)操作;若只有S4大于SL或者只有S6大于SL,則閉合SW4或者SW6,非故障區(qū)域完成供電恢復(fù)。

當(dāng)F2發(fā)生故障時,處理過程與上述基本一致。當(dāng)F3發(fā)生故障時,SW4不動作,不進(jìn)行故障下游的供電恢復(fù)。

6 結(jié) 語

本文對智能分布式FA整個自愈方案進(jìn)行了全面的分析,結(jié)合智能終端間需要快速傳輸信息以及配電網(wǎng)饋線繁多等要求,分析了基于GOOSE服務(wù)的信息交互過程,構(gòu)建智能終端模型,并給出了服務(wù)、邏輯設(shè)備模型,具體分析了用于故障自愈的智能分布式故障定位、隔離以及供電恢復(fù)的邏輯節(jié)點(diǎn),并結(jié)合應(yīng)用示例對該方案進(jìn)行了驗(yàn)證,準(zhǔn)確快速地完成故障自愈,提高了供電可靠性。