基于GOOSE的智能分布式FA故障自愈研究*

曹云东, 刘 锐, 侯春光

(沈阳工业大学 电器新技术与应用研究所, 辽宁 沈阳 110870)

0 引 言

在电力系统中,配电网直接面向用户端。近年来还承接着各种分布式电源、微电网的接入,使得配电网有更高的可靠性[1-4]。其中智能分布式馈线自动化(Feeder Automation,FA)通过对等通信网络依靠各个配电开关处的智能终端设备互相通信和配合实现故障定位、故障隔离和供电恢复,整个自愈过程只需数十秒,成为国内外研究热点[5]。GOOSE即面向通用对象的变电站事件,以其优良的快速性和可靠性,在智能分布式FA得到广泛应用。但分布式FA涉及不同设备的通信与数据交换,为实现互操作和互换性,就必然要遵循统一的通信标准。IEC 61850标准面向对象的数据进行统一建模,该通信标准一开始应用于变电站自动化[8-9]。因此,将IEC 61850应用于智能分布式FA,使分布式终端采用统一的信息模型和配置方法,实现IED的即插即用和互操作,加速FA的标准化和实用化[10]。

目前,国内外有众多文献对智能分布式FA的技术原理和工程实现进行了研究与探讨。文献[11]根据实时拓扑识别来实现分布式FA;文献[12]的智能分布式应用IEC 61850的系统扩展模型;文献[13]扩展了SCL模型来描述网络拓扑结构。

本文对智能分布式FA自愈过程进行介绍后,研究基于GOOSE的信息交互过程,给出工程配置过程,并应用示例说明了该方案的有效性。

1 智能分布式FA故障自愈

1.1 智能分布式FA概述

图1所示为一典型的闭环结构智能分布式FA系统。其中,CB1～CB2为变电站出线开关,SW1～SW4、SW6～SW8为分段开关,SW5为联络开关,在SW3与SW4之间存在一条支线,且以上开关均为断路器。

将基于GOOSE服务的智能终端单元(STU)安装在上述开关处,在配电网发生故障时,通过光纤以太网或无源光网络(EPON)进行对等通信,收集自身和相邻终端的故障信息,进行故障定位,不依赖主站,就地发送控制指令,实现智能分布式FA。

1.2 智能分布式FA工作原理

1.2.1 故障定位

为便于描述,将开关SW的两侧记为M侧和N侧,开关描述示意图如图2所示,对于首开关和末开关,M侧和N侧有且仅有一侧节点。当配电网为单电源系统时,若M或N侧只有一处有开关接点发生故障,则该开关处于故障区段内。当配电网为多电源系统时,判断故障定位还需加一条:故障接点的功率方向应是流入本侧。

当配电网发生故障后,故障点上游节点对应的智能终端将会检测到流过本节点的相电流大于整定定值或零序电流大于整定定值;该电流持续一段时间后消失,启动分布式FA功能。此时,相邻的STU进行开关位置、过流信息等信息的交互,结合自身监控开关与相邻开关的信息进行故障定位。如果相邻STU也采集到过流信息,则该STU所在的节点之间未发生故障;反之,则定位故障在该相邻STU所在的节点之间,故障定位完成。在判定本区段故障后,瞬时触发“节点故障”GOOSE输出信号,该信号随过流状态保持,至少应大于300 ms。

1.2.2 故障切除逻辑动作机制

定位完成后,STU根据开关信息:若本节点是末开关,且相电流大于整定定值或零序电流大于整定定值,M侧和N侧节点中有且只有一侧的节点均未发出“节点故障”GOOSE信号,则经过整定故障切除延时后将本节点开关跳闸;若本节点为末节点,且相电流大于整定定值或零序电流大于整定定值,收到M侧和N侧任一节点的“节点故障”GOOSE信号,则经过整定延时后将本节点开关跳闸。如果开关在失灵时间内本节点仍未跳闸,则触发“开关拒跳”GOOSE输出信号。

故障隔离充电完成且本节点GOOSE通信正常,若本节点未检测到故障且收到M侧或N侧有且仅有一个节点的“节点故障”GOOSE信号,则经过整定延时后,本节点开关跳闸。

若在开关失灵时间内,开关由合闸变分闸且无流,则触发“故障隔离成功”GOOSE输出信号;若在开关失灵时间内,本节点开关仍未跳闸,则触发“开关拒跳”GOOSE输出信号。

1.2.3 非故障区域的供电恢复

配电网系统发生故障后,与电源相连的故障上游区域通过故障区域周围的智能终端控制相应的分段开关,即可恢复与电源相连的上游区段负荷的供电,因此配电网供电恢复的主要考虑是故障下游区段的健全失电区域的供电恢复,首要目标函数是尽可能多地恢复健全失电的区域供电。

(1)

式中:f——非故障区域失电负荷的总量;

n——故障下游区域馈线段总数;

λi——失电负荷的权重系数;

Pi——失电负荷的大小[14]。

故障隔离成功后,区域各节点向两侧依次转发“故障隔离成功”GOOSE信号。当本节点供电恢复充电完成且在电源侧和负荷侧单侧失压后,收到“故障隔离成功”GOOSE信号,则经过整定延时后启动本节点开关合闸,完成转供电过程。

对于多联络配电网络,通过供电恢复时限Tset来确定不同联络开关的优先级[15]。恢复时限短的联络开关,优先级高,反之则低。

2 智能分布式FA对通信的要求

根据馈线开关是否能开断短路电流,智能分布式FA分为速动型和缓动型。其中:速动型智能分布式FA技术要求故障发生之后配电终端之间的信息交互在10 ms内完成,使得对通信的要求更高。

在图1中,假设F1处发生永久性故障,可知具体自愈过程:开关CB1与SW1对应的智能终端检测到故障电流,而与SW1相邻的SW2对应的智能终端未检测到过流信息,定位出故障在SW1与SW2区间内;此时SW1和SW2都是只有一侧的节点未发送成功“节点故障”GOOSE信号,则经过整定故障切除延时后动作跳开SW1和SW2;隔离成功之后,SW1和SW2向两侧依次转发“故障隔离成功”信号至SW5,SW5收到信号且单侧试压后启动合闸,经过延时后合闸成功恢复供电。

因此,智能分布式FA对通信的要求有:相邻智能终端之间需要快速地进行开关位置、过流信息等信息的交互,实时性要求高;若采用区域型智能分布式,代理终端需同时向多个终端发送数据;配电网馈线数量众多,通信网络需灵活配置,可靠扩展。

3 基于GOOSE的终端间信息交互

GOOSE的应用层协议数据单元不经过TCP/IP协议,直接通过数据链路层和物理层进行数据收发,提高了GOOSE服务的实时性和可靠性。

GOOSE报文发送采用心跳报文与变位报文快速重发相结合的机制,该机制中含两个重要参数StNum和SqNum,其中StNum参数反映的是GOOSE报文中的数据值是否与上一帧的报文数据值相同;SqNum参数表征两者都未发生变化的时间内,发送GOOSE报文的次数。GOOSE接收分为两种:单帧接收和双帧接收,其检测链路中断依据的是允许生存时间(Time Allow to Live,TATL)。在智能分布式FA中采用双帧接收以此来确保接收端安全可靠地确认开关状态的变位等重要的GOOSE信息。当收到两帧GOOSE数据相同的报文时,才更新数据。智能终端将收到的故障信息主动传输出去。GOOSE接收机制基本流程如图3所示。

4 工程配置

4.1 IEC 61850工程配置

智能分布式FA系统依托GOOSE服务。这种面向对象的通信网络提高了系统的可靠性和可扩展性。IEC 61850工程配置流程如图4所示。

首先,根据SCD模型信息中的终端ICD模型信息,提取对应终端对外提供的GOOSE配置信息,以产生该终端的GooseOut数据信息(开关遥信信息、故障信号信息、虚遥信信息等)。再次,根据SCD模型信息中终端拓扑关系,提取此终端需要接收的其他终端的GOOSE数据信息,以产生该终端GooseIn数据信息,以及终端CID模型信息(包括intAddr对应的模型信息)。最后,根据SCD模型信息中终端拓扑关系,配置终端内部各开关之间的拓扑关系,以及此终端与其他相邻终端的拓扑关系,以产生最终的终端模型CID。

4.2 智能终端IED配置

依据IEC 61850标准信息建模原则,智能分布式FA系统由配电线路上的各个终端设备组成。每个终端设备含SERVER对象、逻辑设备LD和逻辑节点LN。

(1) SERVER建模。由于分布式FA采用的是GOOSE服务,其过程层已实现数字化,IED需要建模三个服务访问点:S1(MMS服务)、G1(GOOSE服务)以及M1(采样值服务),分别为智能终端间以及与配电网自动化主站之间的通信。

(2) LD建模。依据逻辑设备建模原则,一般依据功能建立公用LD、测量LD、保护LD、录波LD等。本文根据智能分布式FA功能新建专有的LD,名字为“FLISR”,该LD除了固有的LLN0和LPHD两个逻辑节点,还包含了以下4个LN。

①SFPI(故障指示逻辑节点):监控智能终端的故障信息,将数据传输给AFSL。

②AFSL(故障区间定位逻辑节点):接收SFPI的数据,判断出故障区域,根据定位结果启动AFSI。

③AFSI(故障隔离指示节点):启动和完成故障隔离,将隔离结果启动ASRC。

④ASRC(供电恢复控制逻辑节点):将非故障区段转供给有足够的容量裕度的联络馈线上,完成供电恢复。

(3) LN的确定。参照IEC 61850-90-6技术报告对故障指示逻辑节点SFPI已有详细的介绍。AFSL、AFSI以及ASRC的主要数据对象列于表1～表3。

表1 AFSL的主要数据对象

表2 AFSI的主要数据对象

表3 ASRC的主要数据对象

5 应用示例

图5所示为某供电公司的配电网络拓扑。该网是一个三电源联络配电网,CB1～CB3为变电站出线开关,SW1～SW4为电缆分接箱,这些开关均配有相对应的智能终端,且所有开关均为断路器。

当F1发生永久性故障后,SFRI监测各终端故障信息,CB1检测到故障电流,此时FltLoclnd为ture,但收到SW1未检测到故障信息;SW1未检测到故障但收到CB1检测到故障的信息,其余终端未检测到故障,也收到相邻终端未检测到故障的信息,故判断出故障在CB1-SW1区间。此时FltLocStr为false,故障定位过程完成,启动故障隔离功能。经延时后,CB1与SW1跳闸,完成后AFSI.FltsoStr=false,向两侧发送“故障隔离成功”GOOSE信号。SW4和SW6根据ASRC.RsvCap计算出各个馈线的备用容量S4和S6和故障发生时刻ASRC.DeEnLodCa所测出的故障下游负荷的容量SL。若S4和S6都大于SL,则终端根据联络开关的优先级来确定合闸开关,完成转供电;若S4和S6都小于SL,则联络开关不动作,不执行供电恢复操作;若只有S4大于SL或者只有S6大于SL,则闭合SW4或者SW6,非故障区域完成供电恢复。

当F2发生故障时,处理过程与上述基本一致。当F3发生故障时,SW4不动作,不进行故障下游的供电恢复。

6 结 语

本文对智能分布式FA整个自愈方案进行了全面的分析,结合智能终端间需要快速传输信息以及配电网馈线繁多等要求,分析了基于GOOSE服务的信息交互过程,构建智能终端模型,并给出了服务、逻辑设备模型,具体分析了用于故障自愈的智能分布式故障定位、隔离以及供电恢复的逻辑节点,并结合应用示例对该方案进行了验证,准确快速地完成故障自愈,提高了供电可靠性。