基于GOOSE 通信的弧光保護方案

王 杰，侯 煒，陳 俊，牛洪海

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

10～35 kV 中低壓開關柜實現負荷投切，和工業企業用電以及民用供電息息相關，其重要性不言而喻。成套開關柜在變電站以及廠礦企業中都有大量應用。中低壓開關柜結構緊湊，絕緣性能比高壓電氣設備差，加上操作頻繁及其他外部原因，開關柜短路故障時有發生。故障電弧引發強光、強熱和爆炸對工作人員以及設備都會造成很大危害?；」獗Ｗo以柜內發生故障時的弧光檢測為依據，同時結合故障電流判據，發生故障時能快速切除故障。由于其具有快速性、不需級差配合等優點，弧光保護被廣泛用于成套低壓開關柜中[1]。

本文介紹了幾種常見的弧光保護方案，指出現有保護方案的一些問題。在此基礎上，提出一種基于GOOSE（通用面向對象變電站事件）通信技術[2]的中低壓開關柜弧光保護方案，該方法可以實現母線區以及間隔區的弧光保護。較傳統的間隔區弧光保護，該方案可以實現開關柜斷路器與TA（電流互感器）之間發生弧光故障的死區保護；弧光信號傳輸光纖敷設在柜內，大大減少弧光信號傳輸光纖敷設成本；使用GOOSE 網絡傳遞信號可以較少使用電纜敷設，因此該方法有益于工程推廣。

1 弧光保護方案以及存在的問題

1.1 母線區弧光保護方案

在中低壓系統中，開關柜是中低壓母線的載體。在多數情況下，中低壓母線并未配置專用的母線保護?；」獗Ｗo最初是作為母線快速保護而被運用于中低壓系統[3]。為明確母線區弧光保護的保護范圍，有必要對開關柜的結構有明確的了解。國內使用較多的低壓開關柜為鎧裝式金屬封閉開關柜，柜體分為儀表室、母線室、斷路器室、電纜室等。

如圖1 所示，若短路故障發生在母線室，則屬于母線區故障，需切開整個母線段的進線或分段開關才可以隔離故障；若故障發生在斷路器室，故障發生的位置可能有以下2 種情況：若弧光短路故障發生在開關機構下觸頭，則斷開本間隔開關即可隔離故障；若弧光短路故障發生在開關柜上觸頭，需切除本母線進線或分段開關才能切除故障。為防止開關柜上觸頭故障，斷開本間隔開關無法及時隔離故障而導致故障范圍繼續擴大，本文認為將斷路器室的弧光信號也歸為母線區更加合理。因此將在母線室和斷路器室安裝的傳感器（圖1 中的①號和②號傳感器）采集到的信號歸為母線區弧光信號。當母線區發生弧光故障時，弧光保護裝置需切除母線進線或分段開關才能隔離故障。母線弧光保護方案是弧光保護方案中最常見，也是使用最廣泛的保護方案。如圖2所示，弧光保護裝置采集母線區弧光信號和所有進線側電流。發生弧光故障時，保護裝置根據發生故障位置選擇跳開進線開關或分段開關來隔離故障，達到母線快速保護的目的。

圖1 KYN-28 開關柜結構

圖2 母線區弧光保護方案

1.2 間隔區弧光保護方案

據統計，中低壓開關柜電纜室三相電纜接頭也是短路故障的高發區域，例如圖1 中③號傳感器監視的區域。與母線區不同，由于該區域位于斷路器下方，在發生弧光故障時，只需跳開本間隔開關便可隔離弧光故障。若跳開母線進線或者分段開關會導致停電范圍擴大，屬于越級跳閘。近些年來，國內有些學者或二次設備供應商提出將弧光保護功能融合在各間隔區綜合保護裝置當中，形成間隔區弧光保護解決方案。例如帶弧光保護功能的線路保護、帶弧光保護功能的電抗器保護以及帶弧光保護功能的電動機保護等。如圖3 所示，間隔區弧光保護的范圍為斷路器下方的本間隔電纜室弧光短路故障。間隔區弧光保護以電纜室的弧光傳感器（圖1 中的③號傳感器）采集到的弧光信號為主判據，并以本間隔負荷電流為輔助判據來判斷本間隔是否發生弧光故障。間隔區弧光保護裝置同樣以弧光信號和工頻變化量的電氣量為判據，可實現快速跳閘，響應速度較常規保護可以提高數十毫秒。

圖3 間隔區弧光保護方案

1.3 現有弧光保護方案的若干問題

弧光保護在中低壓系統的應用，實現了開關柜內短路故障的快速隔離，因此降低了開關柜由于弧光故障引發柜體燒毀的風險。但在弧光保護檢修、運維過程中，也暴露了一些問題，主要有以下幾個方面。

1）現有弧光保護方案的保護范圍都比較片面，不能完全覆蓋中低壓開關柜整個柜體：母線區弧光保護方案只保護開關柜的母線區；間隔區弧光保護方案只保護開關柜的間隔區，2 種方案保護范圍都不能完整覆蓋開關柜柜體。

2）母線弧光保護弧光傳輸光纖敷設工作量較大。由于母線弧光保護一般情況按照母線段配置，一段母線配置一套弧光保護。本母線段所有開關柜安裝的弧光傳感器都需通過弧光傳輸光纖將信號傳輸給弧光保護裝置，因此施工過程中，難免跨屏柜敷設弧光傳輸光纖。假如母線段開關柜數量較多，開關柜距離弧光保護裝置較遠，隨之弧光傳輸光纖敷設距離也較遠，導致光纖敷設工作量較大。在實際施工過程中，為盡量減小遠距離敷設光纖的問題和擴大保護裝置的接入容量，會使用弧光擴展單元?；」鈹U展單元通過就地采集弧光信號，并通過光纖將弧光信號傳輸給弧光保護裝置，在一定程度上減小了光纖遠距離敷設的問題，但是跨屏柜敷設光纖的問題沒有根本解決。

3）間隔區弧光保護的死區問題。間隔區弧光保護依據電纜室采集到的弧光信號，結合本間隔TA 采集到的電流作為輔助判據，切除間隔區的弧光故障：即保護裝置采集到間隔區弧光故障信號，同時本間隔TA 采集到的弧光故障電流大于設定的門檻定值，保護裝置動作跳開本間隔開關。假如弧光故障點發生在斷路器與TA 之間的死區位置（圖1 中的f1），間隔區弧光保護采集到弧光信號，但因為本間隔TA 采集不到故障電流而導致弧光保護拒動。

2 基于GOOSE 通信的中低壓系統弧光保護方案

2.1 基于GOOSE 通信的弧光保護方法

綜合以上所述，本文提出了一種基于GOOSE網絡的弧光保護方法。

2.1.1 方案拓撲介紹

借鑒智能變電站中的成熟技術，組建間隔層綜合保護裝置和弧光保護裝置共有的GOOSE 網絡實現各裝置的信號傳遞[4-5]。間隔層綜合保護裝置實時采集本間隔母線區和間隔區的弧光信號，并通過GOOSE 網絡傳遞給弧光保護裝置；弧光保護裝置結合各個間隔的弧光信號、電流輔助判據進行邏輯判斷，以選擇跳開進線開關、分段開關或各間隔的開關?；」獗Ｗo裝置最后發出GOOSE跳令，并通過GOOSE 網絡傳遞給各間隔層綜合保護裝置執行各個開關的跳閘。

如圖4 所示，以單母分段主接線為例說明該方案的實現方式。該系統由雙進線、饋線以及分段等間隔組成。為簡化系統組成，若有電容器、電抗器等間隔，在此不再列舉，可參考饋線保護方案處理。各間隔的綜合保護裝置安裝于各中低壓開關柜，用于各配電間隔的保護。各綜合保護裝置除常規的保護功能外，還具備弧光信號采集以及信號處理的能力。

圖4 基于GOOSE 網絡的弧光保護系統

與間隔區弧光保護方案不同，該方案中的間隔區綜合保護裝置不僅采集本間隔電纜室的弧光信號，還采集母線區，即開關柜母線室以及斷路器室的弧光信號。各間隔保護裝置首先將采集到的弧光信號進行分類以區分屬于間隔區還是母線區弧光信號。

通過組建間隔層所有綜合保護裝置和弧光保護裝置共有的GOOSE 網絡，弧光保護裝置可以接收間隔層綜合保護裝置實時發送的弧光GOOSE動作信號，通過預先設定的控制策略選擇性跳開開關，實現最小范圍隔離故障。

圖5 中，當間隔保護裝置接收到弧光保護裝置的GOOSE 跳閘信號，快速斷開相應的開關以隔離故障。具體地，當進線間隔接收到弧光保護裝置的跳閘命令，快速跳開進線開關；當分段保護間隔接收到弧光保護裝置的跳閘命令，快速跳開分段開關；當饋線保護間隔接收到弧光保護裝置的跳閘命令，快速跳開相應的饋線[6-7]。

圖5 過程層GOOSE 網絡信息交換

2.1.2 GOOSE 通信的可行性和可靠性分析

在智能變電站中，GOOSE 信號是組播發送的，所有智能設備都會收到相關數據，經過網卡的過濾傳送給應用模塊。目前智能變電站一個間隔的GOOSE 流量不會超過0.1 MB/s，按照每個變電站30 個間隔計算，整個變電站負載不會超過5 MB/s。如果使用千兆交換機，過程層網絡的負載不會超過1%，這個流量負載交給交換機處理很輕松。另外工程中還可以通過合理的網絡拓撲、VLAN（虛擬局域網）劃分和QoS（服務質量）配置等方法，減少背景報文流量，提高數據處理能力和速率[8-9]。

根據國家電網有限公司智能變電站設計規范，過程層網絡宜采用星型結構，交換機級聯一般不超過2 級。過程層數據經過一臺交換機的存儲轉發延時一般不會超過10 μs，因此延時最大為20 μs。智能設備網卡接受并處理數據后送至CPU（中央處理器）板卡的時間不超過2 ms。經過多次測試，過程層數據從發送到接收延時最大不超過4 ms，平均為3 ms 延時[10-11]。因此根據如圖5 所示的GOOSE 網絡信息交換，間隔區保護裝置發送弧光GOOSE 信號并接收弧光保護裝置的跳閘信號，延時為6 ms 左右。加上CPU 運算時間和繼電器出口時間，從發生弧光故障到保護裝置動作出口時間為12 ms 左右，滿足弧光保護裝置國家標準和行業標準的相關要求。

此外，GOOSE 信息網絡有高效成熟的斷鏈監測機制。當發生裝置失電、GOOSE 板卡損壞、光纖斷裂、交換機端口松動等一系列故障時，智能設備接收端在連續數倍GOOSE 心跳時間內未接收到正確的GOOSE 報文，會報出GOOSE 斷鏈報警信號。此時退出相弧光保護功能，待故障恢復且報警信號消失后，弧光保護再投入使用[12]。

2.1.3 弧光保護動作邏輯

弧光保護裝置以接收到間隔層綜合保護裝置發出的弧光GOOSE 動作信號為依據，同時結合采集到的進線電流作為閉鎖信號，按照預先設定的控制策略，在發生弧光短路故障時快速響應，弧光保護裝置的動作邏輯如圖6 所示。

在圖6 中，為實現弧光保護速動性，電氣量判據除了幅值判據外，還加入了工頻變化量判據實現故障電氣量的快速判別?；」獗Ｗo動作延時一般為0，即發生弧光故障時速斷跳開相關開關。電流閉鎖定值一般躲過最大負荷電流，取1.5～2 倍最大負荷電流[13]。

圖6 弧光保護動作邏輯

弧光保護裝置在發生故障時應在數毫秒內做出響應，以減少短路弧光對設備和人員造成的傷害。倘若開關機構失靈無法及時跳開，需要及時跳開上一級的開關來確保故障可靠隔離。本文設計了弧光失靈保護邏輯來達到這一目的。

弧光保護動作后，立即觸發弧光失靈保護，弧光失靈保護實時判斷故障電流是否大于設定的故障失靈電流：

式中：Ifmax為最大故障相電流；Ibf為弧光保護失靈電流定值，建議取2 倍額定電流以上。

此外還可以選擇是否投入開關位置判據?；」馐ъ`保護動作邏輯如圖7 所示。

圖7 弧光失靈保護動作邏輯

2.2 基于GOOSE 通信的弧光保護策略

如上所述，弧光保護需依據故障點發生的位置切除不同的開關，以便在隔離故障的同時，盡量縮小停電范圍。在開關發生失靈時，又需要及時跳開上一級的開關確保故障可靠隔離。因此弧光保護控制方案顯得尤為重要。本文根據常見的單母分段系統主接線對弧光保護的控制策略進行分析[14-15]。

圖8 為35 kV 單母分段系統主接線，有2 臺主變，2 段母線各有2 條進線。本文模擬不同的故障點，并對弧光保護的動作邏輯進行分析，表1 列舉了各個故障點在各種運行方式下的控制策略。表1 中：F1 表示主變饋出線間隔區弧光短路故障；F2 和F3 表示母線區弧光短路故障；F4 表示進線間隔區弧光短路故障；Stage1 表示第一時限；Stage2 表示第二時限（開關失靈）。

圖8 35 kV 系統弧光保護控制策略

表1 35 kV 系統弧光保護控制策略

圖9 為10 kV 單母分段系統主接線，有2 條進線和2 臺35 kV/10 kV 主變，通過模擬不同故障點來分析10 kV 系統弧光保護常用的控制策略。表2 給出不同故障點在不同運行方式下的控制策略。

表2 10 kV 系統弧光保護策略

圖9 10 kV 系統弧光保護策略

3 基于GOOSE 通信的弧光保護方案創新性及優勢

本文介紹了基于GOOSE 通信的弧光保護方案，該方案通過組建過程層GOOSE 網實現信號傳遞，與現有的弧光保護方案相比有以下優勢。

1）保護范圍更全面。原有的母線區弧光保護方案以及間隔區弧光保護方案只是對中低壓開關柜的部分區域進行保護，不能完整覆蓋開關柜整體。本文介紹的方案中，各間隔綜合保護裝置采集本間隔母線區及間隔區弧光信號，通過GOOSE網絡傳遞給弧光保護裝置，保護范圍涉及開關柜母線區及間隔區，實現開關柜的全面覆蓋，因此該方案保護范圍更全面。

2）弧光信號光纖敷設工作量大大降低。原有的母線區弧光保護方案，需要將所有中低壓開關柜的弧光信號接至弧光保護裝置，弧光信號光纖會出現跨屏柜敷設，工作量較大。本文介紹的方案通過組建過程層綜合保護裝置和弧光保護裝置共有的GOOSE 網絡。通過各間隔的綜合保護裝置就地采集本間隔的弧光信號，并通過GOOSE 網傳遞給弧光保護裝置，弧光光纖不再跨屏敷設，因此工程量大大降低。

3）如上所述，間隔區弧光保護方案存在死區問題。但是本文所述方案與間隔區弧光保護方案的不同點在于，間隔區弧光保護方案以本間隔TA 采集的電流做為輔助判據，因此有可能在死區發生故障但采集不到故障電流導致保護拒動。而本文所述方案的弧光保護以整個中低壓母線的進線電流作為輔助判據，因此不論故障發生在母線區、間隔區還是死區，故障電流都能反映至中低壓的進線電流。所以當間隔區死區發生故障時，弧光保護裝置采集到進線電流大于定值，結合弧光信號，弧光保護能及時向間隔區綜合保護裝置發出GOOSE 跳令，及時跳開故障間隔。

4）根據以上弧光保護控制策略介紹，本文的弧光保護方案闡述了弧光故障時在保證有效切除弧光故障的前提下，盡可能縮小停電范圍；在發生開關失靈或者拒動情況下，弧光失靈保護又能及時跳開上一級開關以確保故障徹底隔離，因此該方案更合理、更完善。

4 結語

本文總結了幾種常見的中低壓弧光保護控制方案，并指出現有保護方案的不足。在此基礎上，提出一種基于GOOSE 通信的弧光保護方案。該方案可實現中低壓系統母線區和間隔區的無死區保護。數字化技術的使用避免了弧光采集光纖的跨屏敷設，使得工程施工量大大降低。文中所述弧光保護方案已經在馬來西亞電網公司TNB 公司拿到入網許可，即將在2021 年底投入使用，因此該方案有較好的推廣應用前景。