配网自动化区域保护算法的研究与应用

杨 亮 马党梅

（南京电研电力自动化股份有限公司，江苏 南京210061）

0 引言

近年来，数字化变电站技术迅猛发展，基于面向通用对象的变电站事件（GOOSE）的高速可靠的网络通信方式日渐成熟，为实现保护之间实现快速通信提供了技术保障。本文提出的区域保护属于“面保护”［1］的范畴，在面保护算法［2］的基础上，重新理解和剖析面保护的算法，本文称之为“区域保护算法”。该算法简化了参数的配置，提高了现场调试与维护的效率。

区域保护主要是在馈线自动化终端FTU（Feeder Terminal Unit）设备之间来完成。馈线终端FTU之间的数据信息交换是利用光纤网络的GOOSE方式来传递的。FTU一般安装于馈电线路上，完成对柱上开关或分段开关的保护与监控，能够通过光纤网络或GPRS无线将实时数据上传至主站，以实现遥测、遥信、保护、控制以及故障检测等功能。

1 区域保护的基本原理

将配电网中的每个开关从中间分为左边和右边2个区域，左右2个区域就将成为区域保护的闭锁区域（Closed Area）或开放区域（Opened Area）。电流正方向的一般认定方法是电源侧流向负荷侧。我们认定某一个开关达到故障启动电流的正方向为开放区域，故障启动电流的反方向即闭锁区域。运行中对于同一个开关的保护来说，其闭锁区域和开放区域是根据故障电流的方向不同而发生改变的。现就图1中的2个故障点，分别来说明保护动作和闭锁的基本原理。

图1 输电线路开关

1．1 故障发生在图中A点位置

CB1、CB2、CB3开关为变电站的馈线开关，装设有保护，速断动作时间一般为0．3～0．5 s，而网络式保护装置的速断动作时间一般设置为0．1 s左右。为了方便解说网络式保护动作和闭锁过程，只看配网中的开关。

先看故障点左侧的开关，FS1开关能感知到故障电流，因此FS1保护启动。对于FS1开关来说，故障电流在自己的右侧，需要向自己的故障电流的反方向侧即闭锁区域发送闭锁命令，在FS1左侧的开关CB1不是网络式保护，虽然开关CB1的保护已经启动，但由于变电站侧开关的速断时间比FS1开关速断时间较长，所以FS1开关先动作。

再看FS2的故障电流从左至右，依照原理法则，FS2的左侧为开放区域，右侧为闭锁区域，需要向自己的故障电流的反方向侧（开关右侧）即闭锁区域发送闭锁命令给FS3和FS5。依照此方法FS3发闭锁命令给FS4。所以，FS3、FS4、FS5开关都能收到相应的闭锁命令，保持开关不动。CB1、CB2、CB3由于时限设置较长而不会动作，其最终结果是FS1和FS2 2个开关动作。

1．2 故障发生在图中B点位置

先看故障点左侧的开关，FS1、FS2 2个开关能够同时检测到故障电流的存在，因此FS1、FS2 2个保护都会启动。对于FS2开关来说，故障发生在它的右侧，它向左侧的FS1开关发闭锁信号，因此，FS1开关闭锁。FS2启动，并且在延时时间内没收到任何闭锁信号，故FS2开关动作。对于FS3开关来说，它检测到的故障电流在自己的左侧，则它的开放区域就在左侧，向右侧的开关FS4发送闭锁命令。而FS3开关在延时时间范围内没有收到任何闭锁命令，所以FS3开关到保护应有的延时后将跳开。同理，FS5开关也将跳开，从而及时准确地找到故障点并切除故障。

1．3 区域保护算法小结

无需关心潮流方向和所谓的正方向，保护定值设置更简单，现场调试工作量和复杂程度也大大降低。只需要关心故障电流的方向性，定义一个虚拟左侧和右侧，并确定最靠近本开关的左侧有哪些开关（对于FS2来说只有FS1一个开关），最靠近本开关的右侧有哪些开关（对于FS2来说有FS3和FS5 2个开关）。

2 GOOSE的通信机制

GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）是面向通用对象的变电站事件的简称，在目前的智能化变电站中广泛应用。GOOSE报文的发送和接收分别由publisher（公告式发布）和subscriber（预定式接收）来执行。

2．1 GOOSE报文发送时间间隔

对于publisher，GOOSE报文的发送并不完全按固定时间间隔来进行。在没有GOOSE事件发生时，GOOSE报文的发送间隔相对较长，是按固定时间间隔（T0）来发送；当发生事件时，数据发生了变化，发送时间间隔就从设置的最小时间间隔（T1）开始，在此阶段，发送时间间隔会逐渐增大，直到事件状态稳定，GOOSE报文的发送又变为固定长时间间隔。工程应用中可以根据快速性的需要对时间间隔T0和T1进行设置。

GOOSE报文发送过程如图2所示。

图2 GOOSE发送机制

2．2 报文接收方对通讯中断的检测

对于一个重发的GOOSE报文，会在报文中附带一个time－Allowed ToLive的参数，该参数告知接收方等待下一个重发的GOOSE报文的最长时间，如果在该时间内，接收方没有收到重发的报文，就可以认为是发生了通讯中断。

2．3 报文过滤机制

对于GOOSE报文的发送方，它可能会以组播的方式发送多个报文，每个报文都是与特定数据相关的，报文头中包含有不同的目标地址；对于接收方，网络底层会收到网络上所有的GOOSE报文，其中包括接收方需要的信息和它不需要的信息，所以需要对报文进行过滤。为了减轻CPU的负担，这个过滤的任务一般由网络控制器来完成。

接收方采取订阅的形式来获取需要的GOOSE报文，接收方配置了一个GOOSE报文目标地址列表，并对网络控制器进行设置，网络控制器收到GOOSE报文后就将报文中的目标地址与目标地址列表中的地址作对比，如果该目标地址包含在地址列表中，那么就认为该GOOSE报文是接收方订阅的，在CPU从网络控制器读取GOOSE报文时将报文传送给CPU。然后接收方会进一步对GOOSE报文进行解析。

3 配电网中的应用实例

图1中的开关FS1～FS5在配网中一般是柱上真空断路器，我们为每一台柱上真空断路器配置一台智能馈线自动化终端（FTU），开关具备切断故障电流的能力，FTU具备光纤通信功能，可组建GOOSE通信网络。

具备区域保护功能的FTU是南京电研电力自动化股份有限公司自主研发的一款智能型FTU，是型号为NSA3100HF的配网馈线自动化终端。区域保护的关键是需要快速的通信网络，所以，我们采用光纤以太网，将这些开关的智能控制器（NSA3100HF）连起来，用GOOSE报文传递开关之间的闭锁信息。如图3所示。

4 区域保护工程应用配置组态

一般“面保护”现场配置比较复杂，一旦运行方式改变，多台FTU的配置也需要作相应的改变。区域保护充分考虑了这个因素，即使运行方式改变，只需要改动相应的开关周围的FTU配置即可，做到了改动最小，影响最小，只需要修改GOOSE配置部分，GOOSE配置是在FTU组态软件中完成的。对于每一个单台区域保护来说，都有一个GOOSE订阅和发布的配置。所以用组态工具配置时，只需要关心本区域保护周围的保护，确定它们之间的订阅和发布就可以了。

图3 网络拓扑结构

5 结语

综上所述，要想在已经投运的配网终端上实现区域保护，只需要有网络并修改智能终端的配置即可。采用区域保护算法可使智能终端配置简单，维护方便，判断故障点准确快速。目前，已经有很多业内人士在研究将61850通信机制引入配网自动化当中，这其中还有很多需要完善和克服的技术问题。所以，在配网自动化领域还有很多值得研究和探索的技术问题，需要我们不断学习和钻研。

［1］刘健，贠保记，崔琪，等．一种快速自愈的分布智能馈线自动化系统［J］．电力系统自动化，2010，34（10）：62～66

［2］袁钦成．配电网系统故障处理自动化技术综述［J］．电力设备，2007，8（12）：1～5