GOOSE信号闭锁在煤矿供电系统防越级跳闸中的应用

姚福强，柏 猛，杜兆文（山东科技大学电气信息系，济南 250031）

GOOSE信号闭锁在煤矿供电系统防越级跳闸中的应用

姚福强，柏 猛，杜兆文
（山东科技大学电气信息系，济南 250031）

摘要：针对煤矿井下供电系统在短路故障时出现越级跳闸的问题，在煤矿井下现有微机综保装置和高速安全监控网络的基础上，设计了基于GOOSE通信的闭锁模块。利用GOOSE通信机制的实时性和可靠性，当发生短路故障时在供电系统上下级线路综保装置间传送闭锁信号，可以快速准确地确定故障点位置。测试表明GOOSE信号闭锁模块在短路故障时能释放距故障点最近综保装置的跳闸信号，满足继电保护选择性，有效防止越级跳闸现象。

关键词：煤矿；供电系统；短路故障；GOOSE通信；越级跳闸；闭锁模块

煤矿井下供电系统为单侧电源双（多）回辐射状电网，通常采用6/10 kV穿越多级变（配）电所。由于各级变电站间距离较近，供电线路较短，电缆线路阻抗较小，造成各级变电站母线处短路电流差异较小，各级开关的电流速断保护范围难以整定；由于煤矿电源进线电流保护的动作时限整定值较小，使得井下供电线路上下级保护难以通过动作时限整定来保证选择性。因此当下级线路发生短路故障时，多个上级开关的电流会大于其速断保护整定值，出现上级开关越级跳闸现象，造成煤矿井下供电系统大面积停电，给煤矿安全生产造成严重威胁。

为了尽可能避免越级跳闸现象，研究人员提出了多种解决方案。文献［1］采用牺牲保护速动性来提高选择性的方法。井下各级变电所进线保护取消瞬时电流速断保护，各开关Ⅱ段保护采用与相邻出线的Ⅱ段相配合原则整定，提高了保护的选择性，但对于出线线路较短、运行方式变化较大的情况下仍不能可靠解决越级跳闸现象。文献［2］提出了基于上下级保护间电气信号闭锁的方案，原理比较简单，但是由于闭锁信号电缆较多，接线关系复杂，变电站间需要沿供电电缆远距离平行架设信号电缆，易受干扰，难以保证电气闭锁信号的可靠性，在实际应用中很难达到预期效果。文献［3-5］提出了采用RS-485、CAN总线通信的闭锁方案，都需要在变电站设置专用监控分站对闭锁信号集中处理和中转，时延长，难以满足闭锁保护实时性要求。文献［6］提出了在煤矿供电系统中采用光纤纵联差动保护防越级跳闸方案，但该方案需要在变电站间架设专用光纤通道，采用新型微机综保装置，这对于新建矿井可行，但对于已建矿井来说改造成本太高，难以推广。

上述方案的核心思想是在短路故障时由供电线路下游保护向上游保护发出闭锁信号，避免越级跳闸现象，但是由于闭锁信号传输原因导致不能可靠工作。基于闭锁原理，本文提出了基于面向通用对象的变电站事件GOOSE（generic object oriented substation event）通信闭锁的解决方案。

1 基于GOOSE信号闭锁防越级跳闸解决方案

利用井下安全监控系统的千兆工业以太环网和供电系统现有线路综保装置，将数字化变电站中用于传送实时跳闸信号和间隔闭锁信号的GOOSE通信技术用于传送闭锁信号，实现供电线路下游保护对上游保护跳闸信号的纵向闭锁控制，可有效防止越级跳闸现象［7-8］。

1.1 GOOSE通信机制特点

GOOSE是电力系统数字变电站通信标准IEC61850提供的快速报文通信机制，在数字化变电站中主要用于传送实时跳闸信号和间隔闭锁信号，为保证信息传输的实时性和可靠性，GOOSE通信采用了以下几种重要措施。①GOOSE通信采用了特殊的报文传输映射方式，只使用了OSI 7层传输协议的4层，在应用层定义了专门的协议数据单元PDU（protocol data unit），经过表示层ANS.1编码后，不经TCP/IP协议，直接映射到数据链路层和物理层，有效避免通信堆栈产生的传输延迟。②在数据链路层采用IEC802.1Q协议，提供报文传输的优先级服务，保证其实时性。③通过虚拟局域网配置，将所有采用GOOSE通信的IDE端口划分到一个虚拟局域网VLAN（virtual local area network）中，IED发布的组播包只能在VLAN内部端口转发，节约带宽，有益于GOOSE实时通信。

GOOSE信息交换基于发布者/订阅者通信机制，支持多个通信节点之间的点对点直接通信，尤其适合于数据流量大且实时性要求高的数据通信。发布者采用多播方式发送报文，当发生故障时，GOOSE数据集变化触发快速变位发送，并利用重发机制应对数据包丢失问题，并通过状态变化次数、重发序号和报文存活时间等参数保证通信的可靠性［9-11］。

IEC61850要求GOOSE信号通信延迟应小于4 ms。文献［9-10］对GOOSE通信延迟时间进行了精确测定，结果表明变电站内传输延迟时间小于2 ms。由于井下各变电站间工业以太网需通过交换机连接，考虑到交换机的交换延迟和可能的数据堵塞，GOOSE通信最大延迟小于10 ms［11］，满足继电保护信号闭锁的实时性要求。

1.2 基于GOOSE信号闭锁防越级跳闸原理

1.2.1 GOOSE信号闭锁原理

图1为某煤矿井下2级变电站供电网络GOOSE闭锁原理示意。P01～P39为各线路微机综保装置，B01～B39为基于GOOSE通信的信号闭锁模块，为上下级保护间建立通信联系，综保装置的跳闸输出信号经闭锁模块输出至断路器跳闸机构。

图1 GOOSE闭锁原理示意Fig.1 Diagram of blocking principle based on GOOSE

各段母线所有出线综保装置（如P31和P37）通过其信号闭锁模块向本变电站电源进线综保装置（如P21）提供闭锁信号，构成简易分段母线闭锁保护。若分段断路器（如23断路器）在合闸状态，则两段母线所有出线保护的闭锁信号须同时传送给两段母线电源进线的综保装置，并对其进行闭锁；若分段断路器处于分闸状态，则各段母线出线保护只需对本段母线电源进线综保装置提供闭锁信号，闭锁逻辑如图2所示。上下级变电站间供电线路的下游保护（如P21）向上游保护（如P11）提供闭锁信号，构成线路闭锁保护。

GOOSE信号闭锁模块的闭锁逻辑如图3所示。由于GOOSE通信的最大延迟小于10 ms，闭锁模块检测到保护跳闸信号后向上游保护发送闭锁信号，同时对跳闸信号闭锁10 ms以接收下游保护的闭锁信号。若10 ms内收到下游保护的闭锁信号，则认为是保护区外故障，继续闭锁保护跳闸信号输出；若在10 ms内没有收到下游保护的闭锁信号，则认为是保护区内故障，10 ms后输出跳闸信号。

图2 分段母线进线保护闭锁逻辑示意Fig.2 Logic diagram of inlet relay blocking of sectionalized bus

图3 GOOSE信号闭锁逻辑Fig.3 Blocking logic based on GOOSE signal

1.2.2 GOOSE信号闭锁实例分析

如图1所示，变电站分列运行，分段断路器03 和23处于断开状态。

若采区变电所31#出线上d1点发生相间短路故障，故障电流大于保护P31、P21和P11的Ⅰ段保护定值，3个保护均瞬时输出跳闸信号，闭锁模块B31向B21、B21向B11、B11向B01发送闭锁信号，10 ms内闭锁模块B21和B11分别收到B31和B21闭锁信号而继续闭锁其保护的跳闸输出，而B31闭锁模块无闭锁信号而开放P31的跳闸输出信号，断开31断路器解除故障，从而保证了保护的选择性。若31断路器失灵拒动，B31开放跳闸输出后延时一段时间没有收到31断路器跳闸动作信号，则由B31向B21发出解除闭锁信号，B21开放P21跳闸输出使断路器21动作切除故障。闭锁模块继电器动作时间一般为20 ms左右，煤矿井下常用6/10 kV真空断路器的分闸时间一般为50～60 ms，考虑动作时间分散性及不同型号断路器的差别，延时时间可在100～120 ms间选择。

若采区变电所Ⅰ段母线d2点发生短路故障，保护P21和P11瞬时动作，其闭锁模块B21和B11分别向上游闭锁模块B11和B01发送闭锁信号，而I段母线各出线保护均不动作，都不会向B21发送闭锁信号，因而B21闭锁模块10 ms后判断为区内I段母线故障而开放P21跳闸输出；B11闭锁模块收到B21的闭锁信号而判断为线路外故障，继续闭锁P11跳闸输出，保证选择性。

其他线路发生短路故障时闭锁原理基本相同。

2 GOOSE信号闭锁模块设计及GOOSE通信配置

2.1 GOOSE信号闭锁模块设计

GOOSE闭锁模块由中央处理单元、通信单元、开关量输入/输出单元、电源单元组成，接线如图4所示。

图4 闭锁模块连接示意Fig.4 Connection diagram of blocking module

中央处理单元采用ATMEL公司的32位高速微控制器AT91SAM7X128，集成一个10/100 M自适应以太网控制器，支持IEEE802.1Q虚拟局域网和优先级处理标签帧，便于实现GOOSE配置及高速通信；集成一个CAN2.0控制器及两个通用异步收发器，添加简单接口芯片即可实现CAN总线通信和RS-485通信，大大简化通信单元的硬件设计，方便与具有不同通信接口的综保装置通信。

开关量输入/输出单元采用光电隔离装置，提高模块的抗干扰能力。通过DI1输入并检测综保装置跳闸信号，通过DI2检测断路器跳闸机构动作信号，可判断断路器工作状态。闭锁触点k2采用继电器常闭触点，正常工作时触点打开可闭锁跳闸信号输出，当闭锁模块故障时触点自动闭合，不影响跳闸信号正常输出；k3触点是为了防止k1跳闸脉冲持续时间过短而导致因闭锁延时而无跳闸输出。

具有“GOOSE闭锁控制”的“投入/退出”选择功能。供电网络最末端保护的闭锁模块（如图1中B31～B39）没有下游保护闭锁，可解除其对跳闸信号的闭锁控制，只需在检测到跳闸信号时向上游闭锁模块发送闭锁信号即可。因此对于供电网络末端保护的闭锁模块，退出其“GOOSE闭锁控制”，使k2触点闭合，直接开放k1跳闸信号输出。

通信单元具有RS-485、CAN总线和以太网通信接口。闭锁模块通过RS-485或CAN总线与综保装置通信，读取综保装置运行数据。通过以太网GOOSE通信发送/接收闭锁信号；通过以太网MMS通信与监控主机构成供电监控系统，向监控主机发送从综保装置读取的运行数据；当闭锁模块故障或网络故障与监控主机失联时，由监控主机报警以便及时检修处理，不考虑GOOSE通信故障时出现短路故障的闭锁保护问题。

工作电源取自微机综保装置，通过DC-DC模块实现不同电源的变换和隔离。

模块集成度较高，体积较小适于安装在各种微机综保装置内部，满足防爆电气设备的要求。

2.2 GOOSE网络结构及通信配置

国家电网关于智能变电站设计规范中规定：35 kV及以下变电站宜采用间隔层、站控层两层一网结构，不需设置独立的GOOSE网络，GOOSE报文和MMS报文共网运行［8，12］。GOOSE通信机制要求通信网络能够支持VLAN划分、报文优先级选择和MAC地址识别来满足其通信的实时性。

现在多数煤矿井下已建设千兆工业以太环网并连接各变电站，设备性能完全满足GOOSE通信要求，各GOOSE闭锁模块可通过交换机接入通信网络。网络结构示意如图5所示。

图5 GOOSE通信网络结构示意Fig.5 Schematic of network structure in GOOSE communication

GOOSE通信基于发布者/订阅者通信机制。发布者需要控制报文的心跳间隔、变化间隔、MAC地址、VLAN地址及优先级等；订阅者需要了解所需GOOSE信号闭锁报文的发布者编号APPid等信息才能有效接收［13］。因此需要为GOOSE通信划分专用VLAN，配置每个闭锁模块的MAC地址、VLAN地址、优先级、以太网类型、心跳间隔等通用信息。根据闭锁模块在供电网络中的闭锁逻辑，设置其需接收闭锁信号的发布者地址，以便对接收的报文进行过滤。所有配置参数可通过RS-485通信或网络通信由上位机配置软件设置。

3 实验测试

为测试GOOSE闭锁方案的可靠性，搭建了图6所示测试系统。3台交换机纵向连接，各接1台闭锁模块，继电保护测试仪电流输出串接入3台综保装置，综保装置的跳闸输出和闭锁模块的跳闸输出分别接入继电保护测试仪的开关量输入端。退出1#闭锁模块的“GOOSE闭锁控制”，投入2#、3#模块的“GOOSE闭锁控制”，3台综保装置的电流I段保护都设置为3.0 A，调整继电保护测试仪输出电流，检查各综保装置和闭锁模块的动作情况。

图6 测试系统示意Fig.6 Schematic of test system

表1记录了各综保装置和闭锁模块在不同电流时的跳闸动作情况。可以看出，当电流小于整定值时，综保装置和闭锁模块均无跳闸信号；当电流大于整定值时，3个综保装置均输出跳闸信号，不同综保装置跳闸信号输出时间稍有差别，这与继电器动作特性有关。若继电器动作时间差别较大，需适当延长闭锁模块的闭锁时间T。

表1 综保装置与闭锁模块跳闸动作顺序Tab.1 Tripping time of protection devices and blocking modules ms

1#闭锁模块由于退出“GOOSE闭锁控制”，k2触点闭合开放1#综保跳闸输出，因此1#闭锁模块跳闸输出时刻与1#综保相同。2#、3#闭锁模块由于分别收到1#、2#闭锁模块的闭锁信号而保持对2#、3#综保跳闸输出的闭锁。由于各闭锁模块的DI2未接入断路器跳闸机构动作反馈信号，1#闭锁模块在1#综保跳闸100 ms后认为断路器拒动，向2#闭锁模块发出解除闭锁信号，2#闭锁模块随即开放跳闸输出，在170 ms时刻左右输出跳闸信号。同样2#闭锁模块发出跳闸信号100 ms后未收到跳闸机构动作反馈信号，认为开关拒动而解除对3#闭锁模块的闭锁，3#闭锁模块在300 ms时刻左右输出跳闸信号。由此可见，基于GOOSE信号闭锁的方案能够有效防止越级跳闸现象发生。

4 结语

本文分析了煤矿井下供电系统越级跳闸的原因和现有解决方案的优缺点，基于GOOSE通信的实时性和可靠性，对基于GOOSE信号闭锁的防越级跳闸方案进行了研究，设计了适用于现有各种微机综保装置的GOOSE闭锁模块，并通过实验测试验证了该方案的可靠性。与其他防越方案相比，本方案利用煤矿井下供电系统的综保装置和监控网络，简单可靠，施工方便，符合井下电气设备改造规程要求。

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姚福强（1972—），男，硕士，副教授，研究方向为煤矿供电系统监控及矿山机电设备自动化。Email：yaofq001@163.com

柏 猛（1981—），男，博士，讲师，研究方向为电力系统自动化、机器人控制。Email：baimeng06@163.com

杜兆文（1964—），男，学士，副教授，研究方向为电力系统继电保护、电力系统自动化。Email：duzhw_2005@163.com

中图分类号：TD611

文献标志码：A

文章编号：1003-8930（2016）07-0037-05

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.07.007

作者简介：

收稿日期：2015-03-24；修回日期：2016-01-04

基金项目：山东省高等学校优秀青年教师国内访问学者资助项目；山东省自然科学基金资助项目（ZR2011FQ022，ZR2012FQ018）

Application of GOOSE Blocking to Anti-override Trip of Power System in Coal Mine

YAO Fuqiang，BAI Meng，DU Zhaowen
（Department of Electrical and Information，Shandong University of Sicence and Technology，Jinan 250031，China）

Abstract：For the problem of override trip in coal mine power system，a kind of signal blocking module based on gener⁃ic object oriented substation event（GOOSE）communication is designed on the basis of the existing microcomputer re⁃lay protection devices and high speed safety monitoring network.By taking the advantage of the reliability and rapidity of GOOSE communication，the blocking signal can be transferred between the relay protection devices in the case of short-circuit fault，and the fault location can be detected quickly and accurately.Test results show that the blocking modules can release the tripping control signal from the nearest relay protection device.The proposed method can satis⁃fy the requirement of selectivity and avoid the override trip effectively.

Key words：coal mine；power sysytem；short-circuit fault；generic object oriented substation event（GOOSE）communi⁃cation；override trip；blocking module