基于GOOSE 通信的弧光保护方案

王 杰，侯 炜，陈 俊，牛洪海

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

0 引言

10～35 kV 中低压开关柜实现负荷投切，和工业企业用电以及民用供电息息相关，其重要性不言而喻。成套开关柜在变电站以及厂矿企业中都有大量应用。中低压开关柜结构紧凑，绝缘性能比高压电气设备差，加上操作频繁及其他外部原因，开关柜短路故障时有发生。故障电弧引发强光、强热和爆炸对工作人员以及设备都会造成很大危害。弧光保护以柜内发生故障时的弧光检测为依据，同时结合故障电流判据，发生故障时能快速切除故障。由于其具有快速性、不需级差配合等优点，弧光保护被广泛用于成套低压开关柜中[1]。

本文介绍了几种常见的弧光保护方案，指出现有保护方案的一些问题。在此基础上，提出一种基于GOOSE（通用面向对象变电站事件）通信技术[2]的中低压开关柜弧光保护方案，该方法可以实现母线区以及间隔区的弧光保护。较传统的间隔区弧光保护，该方案可以实现开关柜断路器与TA（电流互感器）之间发生弧光故障的死区保护；弧光信号传输光纤敷设在柜内，大大减少弧光信号传输光纤敷设成本；使用GOOSE 网络传递信号可以较少使用电缆敷设，因此该方法有益于工程推广。

1 弧光保护方案以及存在的问题

1.1 母线区弧光保护方案

在中低压系统中，开关柜是中低压母线的载体。在多数情况下，中低压母线并未配置专用的母线保护。弧光保护最初是作为母线快速保护而被运用于中低压系统[3]。为明确母线区弧光保护的保护范围，有必要对开关柜的结构有明确的了解。国内使用较多的低压开关柜为铠装式金属封闭开关柜，柜体分为仪表室、母线室、断路器室、电缆室等。

如图1 所示，若短路故障发生在母线室，则属于母线区故障，需切开整个母线段的进线或分段开关才可以隔离故障；若故障发生在断路器室，故障发生的位置可能有以下2 种情况：若弧光短路故障发生在开关机构下触头，则断开本间隔开关即可隔离故障；若弧光短路故障发生在开关柜上触头，需切除本母线进线或分段开关才能切除故障。为防止开关柜上触头故障，断开本间隔开关无法及时隔离故障而导致故障范围继续扩大，本文认为将断路器室的弧光信号也归为母线区更加合理。因此将在母线室和断路器室安装的传感器（图1 中的①号和②号传感器）采集到的信号归为母线区弧光信号。当母线区发生弧光故障时，弧光保护装置需切除母线进线或分段开关才能隔离故障。母线弧光保护方案是弧光保护方案中最常见，也是使用最广泛的保护方案。如图2所示，弧光保护装置采集母线区弧光信号和所有进线侧电流。发生弧光故障时，保护装置根据发生故障位置选择跳开进线开关或分段开关来隔离故障，达到母线快速保护的目的。

图1 KYN-28 开关柜结构

图2 母线区弧光保护方案

1.2 间隔区弧光保护方案

据统计，中低压开关柜电缆室三相电缆接头也是短路故障的高发区域，例如图1 中③号传感器监视的区域。与母线区不同，由于该区域位于断路器下方，在发生弧光故障时，只需跳开本间隔开关便可隔离弧光故障。若跳开母线进线或者分段开关会导致停电范围扩大，属于越级跳闸。近些年来，国内有些学者或二次设备供应商提出将弧光保护功能融合在各间隔区综合保护装置当中，形成间隔区弧光保护解决方案。例如带弧光保护功能的线路保护、带弧光保护功能的电抗器保护以及带弧光保护功能的电动机保护等。如图3 所示，间隔区弧光保护的范围为断路器下方的本间隔电缆室弧光短路故障。间隔区弧光保护以电缆室的弧光传感器（图1 中的③号传感器）采集到的弧光信号为主判据，并以本间隔负荷电流为辅助判据来判断本间隔是否发生弧光故障。间隔区弧光保护装置同样以弧光信号和工频变化量的电气量为判据，可实现快速跳闸，响应速度较常规保护可以提高数十毫秒。

图3 间隔区弧光保护方案

1.3 现有弧光保护方案的若干问题

弧光保护在中低压系统的应用，实现了开关柜内短路故障的快速隔离，因此降低了开关柜由于弧光故障引发柜体烧毁的风险。但在弧光保护检修、运维过程中，也暴露了一些问题，主要有以下几个方面。

1）现有弧光保护方案的保护范围都比较片面，不能完全覆盖中低压开关柜整个柜体：母线区弧光保护方案只保护开关柜的母线区；间隔区弧光保护方案只保护开关柜的间隔区，2 种方案保护范围都不能完整覆盖开关柜柜体。

2）母线弧光保护弧光传输光纤敷设工作量较大。由于母线弧光保护一般情况按照母线段配置，一段母线配置一套弧光保护。本母线段所有开关柜安装的弧光传感器都需通过弧光传输光纤将信号传输给弧光保护装置，因此施工过程中，难免跨屏柜敷设弧光传输光纤。假如母线段开关柜数量较多，开关柜距离弧光保护装置较远，随之弧光传输光纤敷设距离也较远，导致光纤敷设工作量较大。在实际施工过程中，为尽量减小远距离敷设光纤的问题和扩大保护装置的接入容量，会使用弧光扩展单元。弧光扩展单元通过就地采集弧光信号，并通过光纤将弧光信号传输给弧光保护装置，在一定程度上减小了光纤远距离敷设的问题，但是跨屏柜敷设光纤的问题没有根本解决。

3）间隔区弧光保护的死区问题。间隔区弧光保护依据电缆室采集到的弧光信号，结合本间隔TA 采集到的电流作为辅助判据，切除间隔区的弧光故障：即保护装置采集到间隔区弧光故障信号，同时本间隔TA 采集到的弧光故障电流大于设定的门槛定值，保护装置动作跳开本间隔开关。假如弧光故障点发生在断路器与TA 之间的死区位置（图1 中的f1），间隔区弧光保护采集到弧光信号，但因为本间隔TA 采集不到故障电流而导致弧光保护拒动。

2 基于GOOSE 通信的中低压系统弧光保护方案

2.1 基于GOOSE 通信的弧光保护方法

综合以上所述，本文提出了一种基于GOOSE网络的弧光保护方法。

2.1.1 方案拓扑介绍

借鉴智能变电站中的成熟技术，组建间隔层综合保护装置和弧光保护装置共有的GOOSE 网络实现各装置的信号传递[4-5]。间隔层综合保护装置实时采集本间隔母线区和间隔区的弧光信号，并通过GOOSE 网络传递给弧光保护装置；弧光保护装置结合各个间隔的弧光信号、电流辅助判据进行逻辑判断，以选择跳开进线开关、分段开关或各间隔的开关。弧光保护装置最后发出GOOSE跳令，并通过GOOSE 网络传递给各间隔层综合保护装置执行各个开关的跳闸。

如图4 所示，以单母分段主接线为例说明该方案的实现方式。该系统由双进线、馈线以及分段等间隔组成。为简化系统组成，若有电容器、电抗器等间隔，在此不再列举，可参考馈线保护方案处理。各间隔的综合保护装置安装于各中低压开关柜，用于各配电间隔的保护。各综合保护装置除常规的保护功能外，还具备弧光信号采集以及信号处理的能力。

图4 基于GOOSE 网络的弧光保护系统

与间隔区弧光保护方案不同，该方案中的间隔区综合保护装置不仅采集本间隔电缆室的弧光信号，还采集母线区，即开关柜母线室以及断路器室的弧光信号。各间隔保护装置首先将采集到的弧光信号进行分类以区分属于间隔区还是母线区弧光信号。

通过组建间隔层所有综合保护装置和弧光保护装置共有的GOOSE 网络，弧光保护装置可以接收间隔层综合保护装置实时发送的弧光GOOSE动作信号，通过预先设定的控制策略选择性跳开开关，实现最小范围隔离故障。

图5 中，当间隔保护装置接收到弧光保护装置的GOOSE 跳闸信号，快速断开相应的开关以隔离故障。具体地，当进线间隔接收到弧光保护装置的跳闸命令，快速跳开进线开关；当分段保护间隔接收到弧光保护装置的跳闸命令，快速跳开分段开关；当馈线保护间隔接收到弧光保护装置的跳闸命令，快速跳开相应的馈线[6-7]。

图5 过程层GOOSE 网络信息交换

2.1.2 GOOSE 通信的可行性和可靠性分析

在智能变电站中，GOOSE 信号是组播发送的，所有智能设备都会收到相关数据，经过网卡的过滤传送给应用模块。目前智能变电站一个间隔的GOOSE 流量不会超过0.1 MB/s，按照每个变电站30 个间隔计算，整个变电站负载不会超过5 MB/s。如果使用千兆交换机，过程层网络的负载不会超过1%，这个流量负载交给交换机处理很轻松。另外工程中还可以通过合理的网络拓扑、VLAN（虚拟局域网）划分和QoS（服务质量）配置等方法，减少背景报文流量，提高数据处理能力和速率[8-9]。

根据国家电网有限公司智能变电站设计规范，过程层网络宜采用星型结构，交换机级联一般不超过2 级。过程层数据经过一台交换机的存储转发延时一般不会超过10 μs，因此延时最大为20 μs。智能设备网卡接受并处理数据后送至CPU（中央处理器）板卡的时间不超过2 ms。经过多次测试，过程层数据从发送到接收延时最大不超过4 ms，平均为3 ms 延时[10-11]。因此根据如图5 所示的GOOSE 网络信息交换，间隔区保护装置发送弧光GOOSE 信号并接收弧光保护装置的跳闸信号，延时为6 ms 左右。加上CPU 运算时间和继电器出口时间，从发生弧光故障到保护装置动作出口时间为12 ms 左右，满足弧光保护装置国家标准和行业标准的相关要求。

此外，GOOSE 信息网络有高效成熟的断链监测机制。当发生装置失电、GOOSE 板卡损坏、光纤断裂、交换机端口松动等一系列故障时，智能设备接收端在连续数倍GOOSE 心跳时间内未接收到正确的GOOSE 报文，会报出GOOSE 断链报警信号。此时退出相弧光保护功能，待故障恢复且报警信号消失后，弧光保护再投入使用[12]。

2.1.3 弧光保护动作逻辑

弧光保护装置以接收到间隔层综合保护装置发出的弧光GOOSE 动作信号为依据，同时结合采集到的进线电流作为闭锁信号，按照预先设定的控制策略，在发生弧光短路故障时快速响应，弧光保护装置的动作逻辑如图6 所示。

在图6 中，为实现弧光保护速动性，电气量判据除了幅值判据外，还加入了工频变化量判据实现故障电气量的快速判别。弧光保护动作延时一般为0，即发生弧光故障时速断跳开相关开关。电流闭锁定值一般躲过最大负荷电流，取1.5～2 倍最大负荷电流[13]。

图6 弧光保护动作逻辑

弧光保护装置在发生故障时应在数毫秒内做出响应，以减少短路弧光对设备和人员造成的伤害。倘若开关机构失灵无法及时跳开，需要及时跳开上一级的开关来确保故障可靠隔离。本文设计了弧光失灵保护逻辑来达到这一目的。

弧光保护动作后，立即触发弧光失灵保护，弧光失灵保护实时判断故障电流是否大于设定的故障失灵电流：

式中：Ifmax为最大故障相电流；Ibf为弧光保护失灵电流定值，建议取2 倍额定电流以上。

此外还可以选择是否投入开关位置判据。弧光失灵保护动作逻辑如图7 所示。

图7 弧光失灵保护动作逻辑

2.2 基于GOOSE 通信的弧光保护策略

如上所述，弧光保护需依据故障点发生的位置切除不同的开关，以便在隔离故障的同时，尽量缩小停电范围。在开关发生失灵时，又需要及时跳开上一级的开关确保故障可靠隔离。因此弧光保护控制方案显得尤为重要。本文根据常见的单母分段系统主接线对弧光保护的控制策略进行分析[14-15]。

图8 为35 kV 单母分段系统主接线，有2 台主变，2 段母线各有2 条进线。本文模拟不同的故障点，并对弧光保护的动作逻辑进行分析，表1 列举了各个故障点在各种运行方式下的控制策略。表1 中：F1 表示主变馈出线间隔区弧光短路故障；F2 和F3 表示母线区弧光短路故障；F4 表示进线间隔区弧光短路故障；Stage1 表示第一时限；Stage2 表示第二时限（开关失灵）。

图8 35 kV 系统弧光保护控制策略

表1 35 kV 系统弧光保护控制策略

图9 为10 kV 单母分段系统主接线，有2 条进线和2 台35 kV/10 kV 主变，通过模拟不同故障点来分析10 kV 系统弧光保护常用的控制策略。表2 给出不同故障点在不同运行方式下的控制策略。

表2 10 kV 系统弧光保护策略

图9 10 kV 系统弧光保护策略

3 基于GOOSE 通信的弧光保护方案创新性及优势

本文介绍了基于GOOSE 通信的弧光保护方案，该方案通过组建过程层GOOSE 网实现信号传递，与现有的弧光保护方案相比有以下优势。

1）保护范围更全面。原有的母线区弧光保护方案以及间隔区弧光保护方案只是对中低压开关柜的部分区域进行保护，不能完整覆盖开关柜整体。本文介绍的方案中，各间隔综合保护装置采集本间隔母线区及间隔区弧光信号，通过GOOSE网络传递给弧光保护装置，保护范围涉及开关柜母线区及间隔区，实现开关柜的全面覆盖，因此该方案保护范围更全面。

2）弧光信号光纤敷设工作量大大降低。原有的母线区弧光保护方案，需要将所有中低压开关柜的弧光信号接至弧光保护装置，弧光信号光纤会出现跨屏柜敷设，工作量较大。本文介绍的方案通过组建过程层综合保护装置和弧光保护装置共有的GOOSE 网络。通过各间隔的综合保护装置就地采集本间隔的弧光信号，并通过GOOSE 网传递给弧光保护装置，弧光光纤不再跨屏敷设，因此工程量大大降低。

3）如上所述，间隔区弧光保护方案存在死区问题。但是本文所述方案与间隔区弧光保护方案的不同点在于，间隔区弧光保护方案以本间隔TA 采集的电流做为辅助判据，因此有可能在死区发生故障但采集不到故障电流导致保护拒动。而本文所述方案的弧光保护以整个中低压母线的进线电流作为辅助判据，因此不论故障发生在母线区、间隔区还是死区，故障电流都能反映至中低压的进线电流。所以当间隔区死区发生故障时，弧光保护装置采集到进线电流大于定值，结合弧光信号，弧光保护能及时向间隔区综合保护装置发出GOOSE 跳令，及时跳开故障间隔。

4）根据以上弧光保护控制策略介绍，本文的弧光保护方案阐述了弧光故障时在保证有效切除弧光故障的前提下，尽可能缩小停电范围；在发生开关失灵或者拒动情况下，弧光失灵保护又能及时跳开上一级开关以确保故障彻底隔离，因此该方案更合理、更完善。

4 结语

本文总结了几种常见的中低压弧光保护控制方案，并指出现有保护方案的不足。在此基础上，提出一种基于GOOSE 通信的弧光保护方案。该方案可实现中低压系统母线区和间隔区的无死区保护。数字化技术的使用避免了弧光采集光纤的跨屏敷设，使得工程施工量大大降低。文中所述弧光保护方案已经在马来西亚电网公司TNB 公司拿到入网许可，即将在2021 年底投入使用，因此该方案有较好的推广应用前景。