IEC61850/GOOSE网络选跳保护方案研究

吕文博

IEC61850/GOOSE网络选跳保护方案研究

吕文博

结合数字化变电站技术，在保护配置、选跳功能、网络拓扑等方面对IEC 61850/GOOSE网络选跳保护做了深入研究。通过工程实践和短路试验，该保护方案的合理性和可行性得到了证实，并对后续工程提出了合理化建议。

城市轨道交通；IEC61850/GOOSE；电流选跳保护；短路试验

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110/35 kV主变电所由地区电力部门管辖，电力调度提供的35 kV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28.35 km，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110/35 kV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110 kV馈线电流保护定值时间为1.5 s，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。

1 IEC61850/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--Generic Object Oriented Substation Event）用于提供快速报文（响应时间小于3 ms），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。

如图1所示，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。

图1 IEC61850分层体系示意图

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1 s。如图2所示，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。

图2 GOOSE数据包传输时间变化示意图

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详见表1。

2.4 GOOSE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，网络结构见图3。

表1 中压保护配置及定值表

图3 GOOSE网络拓扑结构示意图

3 功能验证与试验

2015年3月，宁波2号线一期工程进行了35 kV系统短路试验（图4）。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600 A，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35 kV馈线电流保护未设置GOOSE选跳功能）。

图4 短路试验示意图

具体试验如下：

图5为外滩大桥站馈线柜A25_MDT1故障记录以及录波显示，馈线柜速断动作，动作电流为634.9 A。

图5 外滩大桥馈线柜故障记录以及录波图

图6为外滩大桥站进线柜A25_MI1故障记录以及录波显示，GOOSE启动但未动作。

图6 外滩大桥进线柜故障记录以及录波图

图7为丽园南路站进线柜A15_MI1故障记录以及录波显示，GOOSE启动但未动作。

图7 丽园南路站进线柜故障记录以及录波图

试验结论：试验结果完全符合预期效果，GOOSE联闭锁迅速、可靠，选跳准确到位。

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35 kV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。

Combined with the digital substation technology, this paper makes a deep research with the selection of tripping protection for IEC 61850/GOOSE network in terms of configuration, function, network structure. The rationality and feasibility of the protection scheme have been verified via engineering practice and short circuit test, and rational proposals for the engineering in the future are put forward.

Urban rail transit; IEC61850/GOOSE; selection of current tripping protection; short-circuit test

U228.2

：B

：1007-936X(2016)03-0047-04

2015-09-12

吕文博. 中铁电气化勘测设计研究院有限公司，工程师，电话：13685859332。