基于GOOSE通信的变电站递推式远方备自投节能控制方法

皮志勇，罗皓文，严文洁，廖 玄，张志浩，张诗曼

(国网荆门供电公司，湖北 荆门 448000)

供电的连续性与可靠性，已经成为经济发展的必要保证。备自投设备在保障供电质量方面获得很好效果，因此被广泛应用在变电站中。备自投是一种二次装置，运行过程中，其中一条电源线接入变电站，另一条线的开关则为断开状态，准备随时备用。如果电网因某故障断电，备自投会及时启动备用电源开关，减少断电时间，保持供电连续性。而远方备自投面临的主要问题是：变电站之间无法快速可靠的完成数据交换。这些数据主要包含电压、电流与开关位置等。由于信息交换不够及时，甚至会有错误信息传递，导致备自投的备用开关不能在需要的时候启动，不但不能保证供电连续性，还会出现浪费能源现象。随着绿色理念的深入人心，电力行业也对绿色需求格外重视。实现备自投节能控制不仅有利于可持续发展，更能提升企业形象。因此，广大学者纷纷提出备自投控制策略。文献[1]设计了一种能适用于多种复杂区域的电网主接线形式的备自投控制系统。确定系统构成，建立通信架构，设计逻辑控制方法。并通过实验验证了该系统的可靠性。文献[2]提出基于数字通信保护的备自投控制方法，对具有上下级关系的备自投进行信息通信与逻辑判断，确保迅速响应；根据对信息利用形式的差异，提出闭锁式与允许式控制方式，并探究不同方式的动作原理，从速度、可靠性等方面分析其性能。但通常情况下电力通信会产生一定谐波[3]，造成电网污染，减少输电线的使用寿命，增加额外的电流传输损耗，不利于备自投的节能控制。因此，本文采用通用对象的变电站事件(GOOSE)的通信方法，对变电站递推式远方备自投进行节能控制。GOOSE对于信息传输具有实时可靠的优势，其最大特点就是通信连接一经确立，在保证充足宽带情况下，可随意添加通信连接，具有较强的扩展性。利用GOOSE通信可减少电缆连接，节约资源成本，还能有效解决二次回路错误接触问题，保证二次回路的完好性。此外，使用有源滤波器，实现谐波信号抵消，同时对GOOSE模块与备自投设备进行保护与控制一体化设计，避免更多的设备接入电网，从根源上减少谐波。只有对谐波进行有效控制，才能保证通信质量，使备自投做出迅速响应，减少电能消耗，满足节能控制需求。

1 GOOSE通信技术

GOOSE通信技术是IEC6185标准的重要组成部分，GOOSE网络也是智能变电站通信网络的核心网络之一。

1.1 GOOSE通信架构

GOOSE通信的可靠性取决于GOOSE数据包的稳定，GOOSE数据包的接收逻辑和告警逻辑是GOOSE通信中的一个重要环节。GOOSE数据包的接收是否正确是由 GOOSE包发送的重要参数决定的。分析GOOSE包的组态参数与组态档中设定的资料之间的差别，识别出正常或不正常的GOOSE报文，并依据GOOSE报文的异常发送报警信息，对GOOSE网络中的数据以GOOSE报文作为载体进行发送，遵循一定的通信规则，具有独立的通信机制和通信方式。在组网GOOSE前，必须对其自身特性及性能进行深入的分析。GOOSE通信整体控制架构如图1所示。

图1 GOOSE通信整体控制架构Fig.1 Overall control architecture of GOOSE communication

在GOOSE的信息传送中，用户会主动要求发送方提供所需要的数据，然后由发送方的控制模块来控制整个网络的信息传递，通常情况下，发送方将发布数据写到自己的缓冲区域，然后将其发送给用户的缓冲，然后由用户的控制模块来接收。为了保证通信的可靠性，GOOSE通信采用了消息重发和添加报文生存期2种方法，以确保用户可以可靠地收到消息。

1.2 GOOSE通信模型

GOOSE报文传送业务的抽象模式是通过发行商订户通信架构来实现的，它能有效地利用多点传送业务将 GOOSE信息传送到多个实体设备。它的通信过程是通过出版商的控制模块来完成的，出版商把要传送的数据信息以数据集合的形式填充到发送方的数据缓冲中，订户在接收端的数据缓冲中读出数据，并且通过通信系统对订户的数据进行更新。数据及信息流如图2所示。

根据图2得知，其功能包括通信处理，重构功能实现，配置参数等的控制，设备的总体检验等。该装置将GOOSE包从网路端口的数据缓冲中读取，并将其分析为切换值，并将其存储到“初始的数据缓冲”中。配置、参数修改和维修均通过现场的人工或通信来实现，存储在配置参数区。装置按照预先设定的配置和参数，实现了相应的功能，并将所生成的装置的状况和输入的标识等放在“装置的监控状况标识区域”中，所生成的各种信息被放置到“Soe信息缓冲”中，所发送的信息被放置到 GOOSE数据缓冲中。通信与人机结合，从各个缓冲区域获取所需要的资料，实现现场显示、控制或传输给其他装置的互动。

图2 数据及信息流Fig.2 Data and information flow

2 仿真实验

本次仿真实验选取某地区刚刚建设完成的变电站为目标，实验选用的变电站设备实体信息采集系统，主要作用是监测110 kV变电站，采用的监测通信网络为国际通用 IEC 61850规约通信，获取变电站设备实体信息，获取其信息流程。

ck=ei′，k+EcJ

(1)

式中，ei′，k为自投节能控制的特征分量；EcJ为自投节能控制的数据节点。

通过工业园区中变电站与附近用户的供电需求，实现电力资源可靠输出。在该变电站附近还有其余6个大小不同的子变电站，它们之间的运行方式如图3所示。

图3 不同变电站之间的运行方式Fig.3 Mode of operation between different substations

此变电站已经拥有一个备自投设备，根据配置需要，还将选择一套远方备自投装置，选取过程如下。

(1)分析变电站电压等级，确定远方备自投的位置，同时选取的设备型号为PCS-9651D。

(2)分析装置通道需满足下述要求：通过光纤实现备自投命令发送，如果通信距离小于30 km，使用专用纤芯，反之通过2 M通道实现传输。

2.1 整体控制架构设计

备自投控制离不开通信的支持，为提高通信质量，采集较为全面的变电站信息，本文利用GOOSE通信方式构建控制架构。该架构中主要包括备自投装置模块、开关闭锁模块以及谐波抑制模块。其中，对于谐波的抑制，利用有源滤波器，其工作原理是：生成和谐波信号相反的补偿信号，对谐波进行抵消，进而达到抑制目的。控制架构的设计流程为：通过智能操作箱实现GOOSE报文接受和发送，然后经备自投模块、开关闭锁模块以及有缘滤波器模块作用传送给操作后台，最后实现通信。

各子模块之间具有不同的关系，谐波抑制模块之间的关系如图4所示。

图4 GOOSE通信方式整体控制架构Fig.4 Overall control architecture of GOOSE communication mode

2.2 GOOSE报文发送与接收

(1)报文发送。在控制逻辑架构中，最关键的是能够及时发送开关的开合闸信息。发送端的主要任务是构建信息集合，同时实现对应配置。按照通信相关标准，GOOSE通信架构在链路层必须利用以太网协议。由于报文是由应用层[4]直接传输到链路层[5]，其信息属于链路层数据，因此需结合报文规范与标准完成编码。在编码操作中，all Date体现的信息决定了执行器下一步的动作，属于GOOSE报文中的关键内容。

(2)报文接收。通过IP得到本机地址与以太网名称，同时对该名称做一定修饰。将名称信息发送给pcap-open[6]，使其打开通信会话。若不能得到有效会话内容，此时判定为网卡出现工作故障，会显示程序错误并退出会话。如果获得关键信息，则接收报文，并解析其内容。解析的结果若合法，则按照报文相关指令进行下一步操作，反之，进入下一循环过程。报文接收的详细流程如图5所示。

图5 报文接收流程Fig.5 Message receiving flow

2.3 变电站故障定位

适用于变电站的递推式远方备自投系统包括一个主装置和多个子装置，这些装置安置在不同位置，它们之间是通过GOOSE通信架构实现数据共享[7-8]。其中子装置将开关量、母线电压、电流等信息发送给主装置，经过仔细分析，主装置再将关合闸信息发送到子装置。而具体需要利用哪个子装置执行关合闸操作，需要对变电站中存在的故障点进行定位，定位过程如下。

要想获得故障点的具体位置，必须获取故障处的电流与电压。以分布式局部电网为例，如果线路F点出现故障，将线路ij分割成p与q两部分，由于受到电容效应[9]影响，通过Π型电路模型获取电流与电压值。

结合故障线路首端存在的电压与电流情况，利用公式(2)计算出故障点F的电压UF：

UF=d(α)Ui-b(α)Ii

(2)

式中，Ui与Ii分别为线路起点的电压值与电流值；α为描述故障点到线路起点的距离占整条线路的比例，也称其为故障百分比。

当有故障出现时，故障点F的消耗复功率[10]表达式如下：

(3)

式中，Z为线路ij的阻抗矩阵；Ysh为线路ij的导纳矩阵。

当发生电网短路时，通常为电阻短路，此时会消耗有功功率。所以可将故障点消耗的无功功率看作0，也就是对公式(3)进行简化，使虚部分等于0，简化后的公式如下：

αZIi(IF)*}=0

(4)

式(4)也能够写作有关α的二阶多项式：

X2α2+X1α+X0=0

(5)

(6)

因此，将式(6)当作故障定位的通用表达式，利用下述公式对式(7)进行求解，即可得到故障距离百分比：

(7)

再结合牛顿迭代法则就能计算出α1，2的终值，进而获取故障位置。

以上算法可用在单相、三相等不同短路故障定位，与其他方法相比减少计算量，可在短时间内快速定位。

3 备自投节能控制实现设置

在变电站中，区域备自投系统分为主站与子站两部分。其中，主站工作者需要通过测试仪对装置进行GOOSE开出矩阵激励，也就是模仿当故障发生时，所有子装置发送到主站的GOOSE信息[11-13]。

利用向量方式表示状态序列，同时将变位规律具有一致性的GOOSE量编入同一行向量，构建如下矩阵：

(8)

式中，T1=(1，0，0，1)与T2=(0，1，1，0)分别表示变电站母线有、无电压存在；T3=(0，0，1，1)与T4=(0，1，1，1)分别描述邻近故障点的开关存在跳位和无电流现象；T5=(1，1，1，0)代表联络线中的开关并不存在电流；T6=(1，1，1，1)体现出非故障线路的母线具有电压。

由此看出，矩阵T就是备自投所需的GOOSE开出矩阵。根据矩阵T每行向量所表示的意义，设置开关的自动操作，本文设置“1”代表“合”，“0”表示“分”。

除此之外，如果变电站外桥接线出现故障，增加一个行向量T7=(1，0，0，0)，构成下述增广矩阵：

(9)

而各子站工作者会仔细检查所有开关的响应情况，同时校验备自投的动作逻辑与控制回路是否正确。子站人员对子设备的终端发出激励，此时主站人员核实子站设备对激励的响应是否存在问题，实现子设备控制值校验，也可对GOOSE通信发出的信息进行校验，至此完成备自投节能控制。此方案不需要多名工作者互相配合，满足智能化控制要求。此外，此种通信方式也能避免电网中出现大量谐波，通过精准的信息传递，使备自投设备开关得到准确响应，减少能源浪费，符合节能要求[14-15]。

整个系统由一个控制主站、若干个子站以及通信设备构成，主站和子站的通道利用程层2 M通道相连。主站和子站在中断2次后进行信息交换[16-18]。该变电站系统的详细情况如图6所示。

图6 变电站详细配置Fig.6 Detailed configuration diagram of substation

结合该变电站所有信息，利用基于GOOSE通信的控制方法对电站中的远方备自投装置进行控制，首先分析该方法对谐波的抑制作用[19-20]。本文在控制架构中添加了有源滤波器，首先对该滤波器产生的补偿电流和谐波电流存在的关系进行跟踪，结果如图7所示。

图7 谐波电流抑制效果Fig.7 Harmonic current suppression effect

由图7可知，在本文控制方法下，有源滤波器的补偿电流与谐波电流的大小与趋势非常接近，可对其进行准确跟踪。证明该方法能够有效抑制谐波，减少电流损耗，满足节能绿色理念。在变电站中有时不只出现一个故障点，利用本文的控制方法分析只有一个故障点和有多个故障点的控制性能。将备自投开关相应的错误次数作为衡量指标，统计结果见表1。

表1 不同数量的故障点的控制效果Tab.1 Control effect of different number of fault points

分析表1能够得出，当变电站系统内只有1个故障点时，随着实验次数的增加，响应错误的次数有所增加，但是只是由2次变成了4次，说明在本文方法的控制下，备自投开关均表现出很好的响应性能，并且出现响应错误情况的次数逐渐平稳；当故障点增多时，本文方法的响应能力虽然有所下降，但是当实验次数达到一定时，响应错误率也不会继续上升，这是因为本文设计的GOOSE通信架构具有良好的通信能力，能够将故障信息实时传输到备自投装置，备自投按照信息内容实现对开关的准确控制。

对此变电站进行了为期6个月的实时监测，在本文方法控制下，该变电站产生的线路损耗情况见表2。

表2 线路损耗情况Tab.2 Line loss

根据表2得知，在6个月的实验期间，本文控制方法的线路损耗一直保持在70万kWh以下，主要因为该方法对谐波补偿的效果很好，能有效减少电能损失，同时GOOSE通信架构可以保证开关很少出现错误响应现象。因此所提方法可以节约电能，减少损耗，具有广泛的应用前景。

4 结论

为顺应绿色电网发展需求，减少电网能源损耗，提出基于GOOSE通信的远方备自投控制方法。通过构建GOOSE通信架构，在变电站系统中设置有源滤波器，从根本上抑制谐波产生，同时可靠的通信架构可以实时准确传输故障信息，使备自投开关获得迅速响应。但是本文利用的有源滤波器的耐压程度有限，在今后研究中可考虑利用碳化硅等新材料，进一步降低控制损耗，提高节能效果。