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浅谈IEC61850/GOOSE网络选跳保护方案研究

  0引言
  当前,城市轨道交通中压环网系统已普遍采用大分区、大环串方案。大分区方案大幅节省了环网电缆投资,系统接线趋于简洁,便于施工和后期维护。然而该接线方案对系统保护提出了挑战。一般110/35kV主变电所由地区电力部门管辖,电力调度提供的35kV侧母线时间定值较小,大分区接线使得变电所间保护的极差无法正常配合。
  以宁波市轨道交通2号线一期工程为例,线路全长28.35km,正线共设车站22座。全线设主变电所2座,采用B2型车,6辆编组。供电系统采用110/35kV两级电压集中供电方式,中压采用大环串接线方式,正常供电时最大环串带8座车站变电所,根据供电局要求,主变电所110kV馈线电流保护定值时间为1.5s,如采用传统保护方案,只能压缩变电所间的配合级数,牺牲了保护选择性。
  本文将结合IEC61850/GOOSE网络技术,对中压网络保护方案进行深入研究并在实际工程中进行验证,同时也希望对后续工程提供借鉴。
  1IEC61850/GOOSE技术优势
  IEC61850标准由国际电工委员会于2004年颁布,为变电站的通信网络提供了完整的定义,是数字化变电站的通讯基础标准。其中面向通用对象的变电站事件(GOOSE--GenericObjectOrientedSubstationEvent)用于提供快速报文(响应时间小于3ms),可以实现保护之间(水平通信)、保护与监控后台之间(垂直通信)的联闭锁和信息交互,保护之间可直接采用以太网通讯,减少装置间硬接线,提高通讯速率,节省中间环节。
  GOOSE工作在数据链路层,数据包不需要经过传输层和网络层的TCP/IP协议封装,因此GOOSE数据包更小,保护信息在硬件层面即可识别过滤并优先处理,解析速度快。而且GOOSE信息不会占用TCP/IP资源,与网络层和传输层的通信互不干扰。
  为了检测保护装置及通讯通道状态,设定装置间每隔一段时间发送GOOSE数据包。在长时间无事件发生的情况下,数据包发送时间间隔为1s。当事件发生,保护会立即发送GOOSE数据,此时数据包的发送时间间隔自动缩短,直至获得稳定条件。
  同时,保护装置和网络交换机支持IEEE802.1P和IEEE802.1Q(即报文优先级Qos和虚拟局域网VLAN功能)。VLAN功能可以对不同VLAN的数据包进行隔离,Qos功能可以优先传输高优先级的GOOSE包,并确保不会丢失。
  2设计方案
  2.1保护配置
  与传统的地铁系统保护配置一致,进、出线采用差动保护及后备保护,差动主保护与后备保护采用独立的2套保护装置;馈线及母联配置1套保护装置,实现电流保护、变压器保护。
  2.2选跳保护设置原则
  选跳保护设置原则如下:
  (1)主保护不参与GOOSE通讯。
  (2)考虑的故障类型:差动保护失效、后备保护失效、母线故障、电缆故障、馈线故障、断路器失灵、GOOSE通道异常。
  (3)当本开关和上一级开关之间的GOOSE通道异常时,不考虑失灵保护同时动作的情况。
  2.3选跳功能
  (1)正常情况下:GOOSE线路选跳保护作为差动保护的后备保护,以时间极差与主保护配合;GOOSE母线选跳保护构成母线主保护;GOOSE母联选跳做为母联开关闭合时的主保护;馈线过流为馈线断路器的主保护,馈线GOOSE选跳保护用于闭锁GOOSE母线选跳,不动作于跳闸。
  (2)差动装置或差动通道异常。REF620收到差动装置或差动通道异常信号后,GOOSE线路选跳保护自动减少延时,将GOOSE线路选跳保护变为线路的主保护。同时,加投一段带延时的过流保护作为后备保护,保证主后备保护的格局,提高可靠性。
  (3)GOOSE通道异常。REF620在判断出GOOSE通道异常时,立即关闭GOOSE选跳保护,同时加投一段带延时的过流保护作为线路或者母线的后备保护。保证在GOOSE通道异常情况下依然可以在经过延时后切除故障。
  馈线保护装置的GOOSE通道异常时会联动关闭上级进出线GOOSE母线选跳保护。不影响过流保护的动作。
  (4)失灵保护配置。所有开关都配置失灵保护,开关失灵由开关动作的保护装置判断,通过GOOSE通道联跳上级开关。
  差动保护的失灵动作信号由硬接线传递给本开关的后备保护,再由后备保护利用GOOSE通道联跳上一级开关。
  (5)总后备过流保护。进线、出线、母联都配置带延时的总后备过流保护,总后备过流保护作为整个工程的最后底线,将在极端情况下(如多个意外情况同时发生在一个回路上)动作。这时,故障电流流过的所有开关将在延时后无选择性的跳闸,具体配置及定时设置。
  2.4GOOSE网络拓扑
  (1)为保证安全,主保护不参与GOOSE通讯,通过硬接线向柜内后备保护传递信息(差动动作、差动异常、通道异常、失灵启动)。
  (2)采用IEC61850协议为基础规约。各车站变电站内部REF620采用RJ45的超五类双绞线与交换机星形连接,构成站内网络。各站的网络交换机采用单模光纤(与差动光缆同缆不同芯)相互连接,从而构成整个供电分区的物理链路,保护装置可以通过GOOSE实现互联互通。
  3功能验证与试验
  2015年3月,宁波2号线一期工程进行了35kV系统短路试验。试验专门对GOOSE选跳功能进行了验证,试验地点选在外滩大桥站,单相试验电流超过600A,馈线柜保护速断动作,进线柜保护收到馈线过流闭锁信号和线路对侧过流闭锁信号,且参与试验供电的丽园南路站、云霞路站、宁波火车站、城隍庙站、鼓楼站的进出线柜保护均收到相应的GOOSE线路对侧过流闭锁信号和同母线过流闭锁信号(夏禹主变电所35kV馈线电流保护未设置GOOSE选跳功能)。
  4结论与建议
  IEC61850/GOOSE网络技术能够实现地铁大分区中压环网电流选跳保护功能,故障判别准确、速率快。
  采用该技术对网络通信设备要求较高,尤其是站内交换机,是水平通信和垂直通信关键节点。后续工程若采用该技术,建议水平通信与垂直通信分开设置,提高系统可靠性。为安全起见,主变电所35kV进线、母联、馈线均未采用IEC61850/GOOSE网络选跳保护功能,建议待该保护技术成熟后,再进行全系统推广。