基于GOOSE机制的配电网继电保护方案优化

基于GOOSE机制的配电网继电保护方案优化
针对目前配电网继电保护存在的问题，提供了基于GOOSE（面向通用对象的变电站事件）机制的配电网的继电保护方案，有效地解决了传统过流保护级差配合困难的问题。

该方案是以GOOSE光纤以太网为基础，闭锁逻辑为核心的数字通信电流保护。

将GOOSE信号进行分类，并对配电网供电系统各种可能出现的故障进行动作行为分析。

最后，通过RTDS（动态数字仿真系统）仿真试验，证明该方案在各种故障情况下，都能保证继电保护的选择性、速动性、灵敏性和可靠性。

标签：配电网;面向通用对象的变电站事件;继电保护
地区配电网在线路串联多级开闭站、箱开、箱变、配电室（简称串连多级）一次结构下，这种供电模式下主要的保护配置是“光纤差动保护+过流保护”方案。

主要存在以下问题：差动保护的原理决定了其保护范围的局限性，保护范围仅是两侧电流互感器之间的线路，它既不能保护断路器柜故障，又不能作相邻元件的后备保护。

因此，当断路器柜故障或差动保护故障时，只能依赖于过电流保护。

1基于GOOSE的数字通信电流保护方案
基于GOOSE机制的微机保护在一些文献中又称之为数字通信电流保护[5-6]，数字通信电流保护是基于微机保护装置间的网络通信功能提出的一种新的保护方案，该保护方案是以GOOSE通信为基础的，以逻辑闭锁为核心的网络化保护方案，利用GOOSE通信技术建立配电网供电系统开闭站内及站间中压保护装置间的通信平台。

基于GOOSE的网络化保护组网结构如图1所示
与保护相关的GOOSE信号分为：第1类GOOSE信号、第2类GOOSE信号、第3类GOOSE信号和第4类GOOSE信号，与这4类信号相关联的保护分别为：GOOSE闭锁式电流保护、GOOSE开放式电流保护、GOOSE开放式失灵保护、GOOSE联跳;第1类GOOSE信号对保护的作用是闭锁住电流保护，第2、3、4类GOOSE信号则是启动相应的保护;如图2所示的K1点故障，故障电流流过4DL和1DL，图中虚线箭头代表第1类GOOSE信号的传送方向，实线箭头代表第3类GOOSE信号的传送方向。

当4DL断路器处的故障电流大于启动定值后，4DL断路器的保护装置立刻向1DL传送第1类GOOSE信号;与此同时1DL 保护装置收到4DL启动信号后，判定故障为母线区外故障，1DL处电流保护被闭锁。

K1点故障由4DL处配置的保护切除。

而如果4DL断路器失灵，未能切除故障，4DL处保护装置失灵保护启动后立刻向GOOSE网广播第3类GOOSE 信号，相关断路器处保护装置收到该信号后各自跳开对应的断路器。

2继电保护动作分析
便于分析，这里选取配电网环网供配电系统中有代表性的1个供电分区，如圖3所示，根据城区配电网供电系统的特点，供电故障主要发生在环网电缆、母
线、馈线等几个地方（即图中k1，k2，k3，k4故障点），针对各个故障点，分析各保护之间如何利用基于GOOSE网络机制的数字通信电流保护实现保护的可靠性、选择性、灵敏性、速动性，以下分别对各故障点的保护动作行为进行具体分析：
2.1环网线路故障（K1点）
2.1.1站间光纤差动保护装置通讯正常情况
对于相间故障和小电阻接地系统的接地故障，由差动保护装置跳开线路两端进、出线断路器DL4和DL5，切除故障。

对于接地故障，由零序差动保护瞬时切除故障跳闸。

2.1.2站间光纤差动保护光纤通讯异常（或装置异常）情况
对于K1点故障来说，如果光纤差动保护光纤通讯异常或者装置异常（如AD自检出错、开入开出板件异常、定值自检出错等），DL4处差动保护将被闭锁。

同时发送第2类GOOSE信号给本处的电流后备保护装置，DL4处的电流后备保护收到此信号后启动GOOSE开放式电流保护，经延时跳开环出线断路器DL4，同理，DL5处的保护也按此原理跳开DL5断路器。

其他环网进出线的光纤通讯均正常，DL1处、DL2处、DL3处虽然能检测到故障电流，但没收到来至DL4处的第2类GOOSE信号，均不会动作。

2.1.3后备保护装置异常情况
若DL4处电流后备保护装置异常，则发送第2类GOOSE信号至DL3和DL10处保护装置，K1点故障时，DL3（或DL10）处保护检测到故障电流同时接收到DL4处第2类GOOSE信号，启动开放式电流保护，动作于各自的断路器，切除故障。

2.1.4断路器失灵情况
开闭站2的DL4处装置检测到断路器失灵后，发送第3类GOOSE信号，DL3（或DL10）处电流保护装置接收到此信号后启动GOOSE开放式失灵保护，跳开环进线断路器DL3（或DL10）切除故障。

2.2馈线故障（K2点）
2.2.1正常情况
K2点故障时，DL9、DL3同时检测到故障电流，DL9处馈线保护装置发送第1类GOOSE信号，DL3处的电流装置收到此闭锁信号后闭锁本装置电流保护，由DL9处馈线电流保护装置动作，跳开DL9断路器切除故障，DL3处电流保护不会误动，有效的区分了母线故障和馈线故障;
2.2.2断路器DL9失灵情况
K2点故障时，若出现DL9处馈线保护动作但馈线断路器失灵，馈线保护发送第3类GOOSE信号，DL3、DL4和DL10处电流保护装置收到此信号后，各自跳开相应位置的断路器。

若出现馈线保护装置装置异常，DL9处馈线保护发送第2类GOOSE信号，DL3、DL4和DL10处电流保护装置收到此信号，启动各自的电流保护，跳开相应位置的断路器。

2.3正常供电方式下的母线故障（K3点）
2.3.1正常情况
对于K3点故障，环网出线、馈线、母联保护均不能检测到故障电流，但开闭站2（即故障所在开闭站）的环网进线DL3处及上级开闭站DL1、DL2处保护均能检测到故障电流，各自发出第1类GOOSE信号，上级开闭站的进线DL1、出线DL2处保护相互收到对方的闭锁信号，保护不会误动，DL3处保护没有收到闭锁信号，闭锁式过流保护动作，切除母线故障，从而实现母线保护的功能。

2.3.2 环网进线保护装置异常情况
环网进线后备保护装置（DL3处）异常时，保护无法在原先预计的时刻切除故障。

DL3处后备保护装置将发送第2类GOOSE信号，通过站间GOOSE网，上级开闭站的环网出线电流保护装置（DL2处）接收到此信号，其开放式电流保护启动，经延时跳开DL2切除母线故障。

2.3.3 断路器DL3失灵情况
环进线断路器DL3拒动，DL3处后备保护装置将第3类GOOSE信号给上级开闭站的DL2处环出线保护装置，由其跳开断路器DL2，快速切除故障。

2.4经母联供电模式下母线故障（K4点）
2.4.1正常情况
在K4处故障时：只有I段母线上保护装置的第1类GOOSE信号，而II段母线上保护装置没有检测到故障电流，不会发送第1类GOOSE信号，若分段保护装置判到两段母线上同时有保护装置发第1类GOOSE信号，则认为是II段母线以外的区域故障，闭锁电流保护，从而保证了保护选择性。

分段保护利用这一特性来判断故障出现在K4处。

在图3中，DL10处保护装置没有检测到II段母线上保护裝置的第1类GOOSE信号，保护动作跳开断路器DL10切除故障，环网进线DL3即使能检测到故障电流，但同时接收到来至DL10处保护装置发出的第1类GOOSE信号，保护不会误启动。

2.4.2 分段保护装置异常情况
分段保护装置异常时，发送第2类GOOSE信号，供电端来自I母环网进线时，进线DL3处后备保护装置收到此信号后，自动投入开放式电流保护，经过延时跳开DL3，切除故障。

同理，如果电源端来自II母，则跳开DL7。

2.4.3断路器DL10失灵情况
对于K4点发生的故障，分段保护装置动作跳闸，如果分段断路器DL10拒动，DL10处分段保护装置将广播发送第3类GOOSE信号给本站I母、II母所有进出线电流保护装置，由其跳开各自对应的断路器，快速切除故障。

结语
基于GOOSE机制的数字通信电流保护是在传统的微机过电流保护原理及功能不变的基础上，通过将站间保护装置联网，将保护装置的采样信息和动作信息在保护装置之间通过光纤进行直接快速传输，并通过对所辖区域内微机保护装置的电流保护动作与否进行比选和逻辑判断，从而准确、快速的判断出故障区段，迅速切除故障。

其具有原过电流保护装置的所有基本功能，可有效解决传统过电流保护级差配合困难的问题，并增加了对母线的保护，是对传统“光纤纵差保护+过电流保护”方案的进一步优化，这种方案必将在配电网供电系统继电保护中广泛应用。