基于GOOSE通信的變電站遞推式遠方備自投節(jié)能控制方法

皮志勇，羅皓文，嚴文潔，廖 玄，張志浩，張詩曼

(國網(wǎng)荊門供電公司，湖北 荊門 448000)

供電的連續(xù)性與可靠性，已經(jīng)成為經(jīng)濟發(fā)展的必要保證。備自投設(shè)備在保障供電質(zhì)量方面獲得很好效果，因此被廣泛應(yīng)用在變電站中。備自投是一種二次裝置，運行過程中，其中一條電源線接入變電站，另一條線的開關(guān)則為斷開狀態(tài)，準備隨時備用。如果電網(wǎng)因某故障斷電，備自投會及時啟動備用電源開關(guān)，減少斷電時間，保持供電連續(xù)性。而遠方備自投面臨的主要問題是：變電站之間無法快速可靠的完成數(shù)據(jù)交換。這些數(shù)據(jù)主要包含電壓、電流與開關(guān)位置等。由于信息交換不夠及時，甚至?xí)绣e誤信息傳遞，導(dǎo)致備自投的備用開關(guān)不能在需要的時候啟動，不但不能保證供電連續(xù)性，還會出現(xiàn)浪費能源現(xiàn)象。隨著綠色理念的深入人心，電力行業(yè)也對綠色需求格外重視。實現(xiàn)備自投節(jié)能控制不僅有利于可持續(xù)發(fā)展，更能提升企業(yè)形象。因此，廣大學(xué)者紛紛提出備自投控制策略。文獻[1]設(shè)計了一種能適用于多種復(fù)雜區(qū)域的電網(wǎng)主接線形式的備自投控制系統(tǒng)。確定系統(tǒng)構(gòu)成，建立通信架構(gòu)，設(shè)計邏輯控制方法。并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的可靠性。文獻[2]提出基于數(shù)字通信保護的備自投控制方法，對具有上下級關(guān)系的備自投進行信息通信與邏輯判斷，確保迅速響應(yīng)；根據(jù)對信息利用形式的差異，提出閉鎖式與允許式控制方式，并探究不同方式的動作原理，從速度、可靠性等方面分析其性能。但通常情況下電力通信會產(chǎn)生一定諧波[3]，造成電網(wǎng)污染，減少輸電線的使用壽命，增加額外的電流傳輸損耗，不利于備自投的節(jié)能控制。因此，本文采用通用對象的變電站事件(GOOSE)的通信方法，對變電站遞推式遠方備自投進行節(jié)能控制。GOOSE對于信息傳輸具有實時可靠的優(yōu)勢，其最大特點就是通信連接一經(jīng)確立，在保證充足寬帶情況下，可隨意添加通信連接，具有較強的擴展性。利用GOOSE通信可減少電纜連接，節(jié)約資源成本，還能有效解決二次回路錯誤接觸問題，保證二次回路的完好性。此外，使用有源濾波器，實現(xiàn)諧波信號抵消，同時對GOOSE模塊與備自投設(shè)備進行保護與控制一體化設(shè)計，避免更多的設(shè)備接入電網(wǎng)，從根源上減少諧波。只有對諧波進行有效控制，才能保證通信質(zhì)量，使備自投做出迅速響應(yīng)，減少電能消耗，滿足節(jié)能控制需求。

1 GOOSE通信技術(shù)

GOOSE通信技術(shù)是IEC6185標準的重要組成部分，GOOSE網(wǎng)絡(luò)也是智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)絡(luò)之一。

1.1 GOOSE通信架構(gòu)

GOOSE通信的可靠性取決于GOOSE數(shù)據(jù)包的穩(wěn)定，GOOSE數(shù)據(jù)包的接收邏輯和告警邏輯是GOOSE通信中的一個重要環(huán)節(jié)。GOOSE數(shù)據(jù)包的接收是否正確是由 GOOSE包發(fā)送的重要參數(shù)決定的。分析GOOSE包的組態(tài)參數(shù)與組態(tài)檔中設(shè)定的資料之間的差別，識別出正?；虿徽５腉OOSE報文，并依據(jù)GOOSE報文的異常發(fā)送報警信息，對GOOSE網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)以GOOSE報文作為載體進行發(fā)送，遵循一定的通信規(guī)則，具有獨立的通信機制和通信方式。在組網(wǎng)GOOSE前，必須對其自身特性及性能進行深入的分析。GOOSE通信整體控制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 GOOSE通信整體控制架構(gòu)Fig.1 Overall control architecture of GOOSE communication

在GOOSE的信息傳送中，用戶會主動要求發(fā)送方提供所需要的數(shù)據(jù)，然后由發(fā)送方的控制模塊來控制整個網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞，通常情況下，發(fā)送方將發(fā)布數(shù)據(jù)寫到自己的緩沖區(qū)域，然后將其發(fā)送給用戶的緩沖，然后由用戶的控制模塊來接收。為了保證通信的可靠性，GOOSE通信采用了消息重發(fā)和添加報文生存期2種方法，以確保用戶可以可靠地收到消息。

1.2 GOOSE通信模型

GOOSE報文傳送業(yè)務(wù)的抽象模式是通過發(fā)行商訂戶通信架構(gòu)來實現(xiàn)的，它能有效地利用多點傳送業(yè)務(wù)將 GOOSE信息傳送到多個實體設(shè)備。它的通信過程是通過出版商的控制模塊來完成的，出版商把要傳送的數(shù)據(jù)信息以數(shù)據(jù)集合的形式填充到發(fā)送方的數(shù)據(jù)緩沖中，訂戶在接收端的數(shù)據(jù)緩沖中讀出數(shù)據(jù)，并且通過通信系統(tǒng)對訂戶的數(shù)據(jù)進行更新。數(shù)據(jù)及信息流如圖2所示。

根據(jù)圖2得知，其功能包括通信處理，重構(gòu)功能實現(xiàn)，配置參數(shù)等的控制，設(shè)備的總體檢驗等。該裝置將GOOSE包從網(wǎng)路端口的數(shù)據(jù)緩沖中讀取，并將其分析為切換值，并將其存儲到“初始的數(shù)據(jù)緩沖”中。配置、參數(shù)修改和維修均通過現(xiàn)場的人工或通信來實現(xiàn)，存儲在配置參數(shù)區(qū)。裝置按照預(yù)先設(shè)定的配置和參數(shù)，實現(xiàn)了相應(yīng)的功能，并將所生成的裝置的狀況和輸入的標識等放在“裝置的監(jiān)控狀況標識區(qū)域”中，所生成的各種信息被放置到“Soe信息緩沖”中，所發(fā)送的信息被放置到 GOOSE數(shù)據(jù)緩沖中。通信與人機結(jié)合，從各個緩沖區(qū)域獲取所需要的資料，實現(xiàn)現(xiàn)場顯示、控制或傳輸給其他裝置的互動。

圖2 數(shù)據(jù)及信息流Fig.2 Data and information flow

2 仿真實驗

本次仿真實驗選取某地區(qū)剛剛建設(shè)完成的變電站為目標，實驗選用的變電站設(shè)備實體信息采集系統(tǒng)，主要作用是監(jiān)測110 kV變電站，采用的監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)為國際通用 IEC 61850規(guī)約通信，獲取變電站設(shè)備實體信息，獲取其信息流程。

ck=ei′，k+EcJ

(1)

式中，ei′，k為自投節(jié)能控制的特征分量；EcJ為自投節(jié)能控制的數(shù)據(jù)節(jié)點。

通過工業(yè)園區(qū)中變電站與附近用戶的供電需求，實現(xiàn)電力資源可靠輸出。在該變電站附近還有其余6個大小不同的子變電站，它們之間的運行方式如圖3所示。

圖3 不同變電站之間的運行方式Fig.3 Mode of operation between different substations

此變電站已經(jīng)擁有一個備自投設(shè)備，根據(jù)配置需要，還將選擇一套遠方備自投裝置，選取過程如下。

(1)分析變電站電壓等級，確定遠方備自投的位置，同時選取的設(shè)備型號為PCS-9651D。

(2)分析裝置通道需滿足下述要求：通過光纖實現(xiàn)備自投命令發(fā)送，如果通信距離小于30 km，使用專用纖芯，反之通過2 M通道實現(xiàn)傳輸。

2.1 整體控制架構(gòu)設(shè)計

備自投控制離不開通信的支持，為提高通信質(zhì)量，采集較為全面的變電站信息，本文利用GOOSE通信方式構(gòu)建控制架構(gòu)。該架構(gòu)中主要包括備自投裝置模塊、開關(guān)閉鎖模塊以及諧波抑制模塊。其中，對于諧波的抑制，利用有源濾波器，其工作原理是：生成和諧波信號相反的補償信號，對諧波進行抵消，進而達到抑制目的?？刂萍軜?gòu)的設(shè)計流程為：通過智能操作箱實現(xiàn)GOOSE報文接受和發(fā)送，然后經(jīng)備自投模塊、開關(guān)閉鎖模塊以及有緣濾波器模塊作用傳送給操作后臺，最后實現(xiàn)通信。

各子模塊之間具有不同的關(guān)系，諧波抑制模塊之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 GOOSE通信方式整體控制架構(gòu)Fig.4 Overall control architecture of GOOSE communication mode

2.2 GOOSE報文發(fā)送與接收

(1)報文發(fā)送。在控制邏輯架構(gòu)中，最關(guān)鍵的是能夠及時發(fā)送開關(guān)的開合閘信息。發(fā)送端的主要任務(wù)是構(gòu)建信息集合，同時實現(xiàn)對應(yīng)配置。按照通信相關(guān)標準，GOOSE通信架構(gòu)在鏈路層必須利用以太網(wǎng)協(xié)議。由于報文是由應(yīng)用層[4]直接傳輸?shù)芥溌穼覽5]，其信息屬于鏈路層數(shù)據(jù)，因此需結(jié)合報文規(guī)范與標準完成編碼。在編碼操作中，all Date體現(xiàn)的信息決定了執(zhí)行器下一步的動作，屬于GOOSE報文中的關(guān)鍵內(nèi)容。

(2)報文接收。通過IP得到本機地址與以太網(wǎng)名稱，同時對該名稱做一定修飾。將名稱信息發(fā)送給pcap-open[6]，使其打開通信會話。若不能得到有效會話內(nèi)容，此時判定為網(wǎng)卡出現(xiàn)工作故障，會顯示程序錯誤并退出會話。如果獲得關(guān)鍵信息，則接收報文，并解析其內(nèi)容。解析的結(jié)果若合法，則按照報文相關(guān)指令進行下一步操作，反之，進入下一循環(huán)過程。報文接收的詳細流程如圖5所示。

圖5 報文接收流程Fig.5 Message receiving flow

2.3 變電站故障定位

適用于變電站的遞推式遠方備自投系統(tǒng)包括一個主裝置和多個子裝置，這些裝置安置在不同位置，它們之間是通過GOOSE通信架構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享[7-8]。其中子裝置將開關(guān)量、母線電壓、電流等信息發(fā)送給主裝置，經(jīng)過仔細分析，主裝置再將關(guān)合閘信息發(fā)送到子裝置。而具體需要利用哪個子裝置執(zhí)行關(guān)合閘操作，需要對變電站中存在的故障點進行定位，定位過程如下。

要想獲得故障點的具體位置，必須獲取故障處的電流與電壓。以分布式局部電網(wǎng)為例，如果線路F點出現(xiàn)故障，將線路ij分割成p與q兩部分，由于受到電容效應(yīng)[9]影響，通過Π型電路模型獲取電流與電壓值。

結(jié)合故障線路首端存在的電壓與電流情況，利用公式(2)計算出故障點F的電壓UF：

UF=d(α)Ui-b(α)Ii

(2)

式中，Ui與Ii分別為線路起點的電壓值與電流值；α為描述故障點到線路起點的距離占整條線路的比例，也稱其為故障百分比。

當(dāng)有故障出現(xiàn)時，故障點F的消耗復(fù)功率[10]表達式如下：

(3)

式中，Z為線路ij的阻抗矩陣；Ysh為線路ij的導(dǎo)納矩陣。

當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)短路時，通常為電阻短路，此時會消耗有功功率。所以可將故障點消耗的無功功率看作0，也就是對公式(3)進行簡化，使虛部分等于0，簡化后的公式如下：

αZIi(IF)*}=0

(4)

式(4)也能夠?qū)懽饔嘘P(guān)α的二階多項式：

X2α2+X1α+X0=0

(5)

(6)

因此，將式(6)當(dāng)作故障定位的通用表達式，利用下述公式對式(7)進行求解，即可得到故障距離百分比：

(7)

再結(jié)合牛頓迭代法則就能計算出α1，2的終值，進而獲取故障位置。

以上算法可用在單相、三相等不同短路故障定位，與其他方法相比減少計算量，可在短時間內(nèi)快速定位。

3 備自投節(jié)能控制實現(xiàn)設(shè)置

在變電站中，區(qū)域備自投系統(tǒng)分為主站與子站兩部分。其中，主站工作者需要通過測試儀對裝置進行GOOSE開出矩陣激勵，也就是模仿當(dāng)故障發(fā)生時，所有子裝置發(fā)送到主站的GOOSE信息[11-13]。

利用向量方式表示狀態(tài)序列，同時將變位規(guī)律具有一致性的GOOSE量編入同一行向量，構(gòu)建如下矩陣：

(8)

式中，T1=(1，0，0，1)與T2=(0，1，1，0)分別表示變電站母線有、無電壓存在；T3=(0，0，1，1)與T4=(0，1，1，1)分別描述鄰近故障點的開關(guān)存在跳位和無電流現(xiàn)象；T5=(1，1，1，0)代表聯(lián)絡(luò)線中的開關(guān)并不存在電流；T6=(1，1，1，1)體現(xiàn)出非故障線路的母線具有電壓。

由此看出，矩陣T就是備自投所需的GOOSE開出矩陣。根據(jù)矩陣T每行向量所表示的意義，設(shè)置開關(guān)的自動操作，本文設(shè)置“1”代表“合”，“0”表示“分”。

除此之外，如果變電站外橋接線出現(xiàn)故障，增加一個行向量T7=(1，0，0，0)，構(gòu)成下述增廣矩陣：

(9)

而各子站工作者會仔細檢查所有開關(guān)的響應(yīng)情況，同時校驗備自投的動作邏輯與控制回路是否正確。子站人員對子設(shè)備的終端發(fā)出激勵，此時主站人員核實子站設(shè)備對激勵的響應(yīng)是否存在問題，實現(xiàn)子設(shè)備控制值校驗，也可對GOOSE通信發(fā)出的信息進行校驗，至此完成備自投節(jié)能控制。此方案不需要多名工作者互相配合，滿足智能化控制要求。此外，此種通信方式也能避免電網(wǎng)中出現(xiàn)大量諧波，通過精準的信息傳遞，使備自投設(shè)備開關(guān)得到準確響應(yīng)，減少能源浪費，符合節(jié)能要求[14-15]。

整個系統(tǒng)由一個控制主站、若干個子站以及通信設(shè)備構(gòu)成，主站和子站的通道利用程層2 M通道相連。主站和子站在中斷2次后進行信息交換[16-18]。該變電站系統(tǒng)的詳細情況如圖6所示。

圖6 變電站詳細配置Fig.6 Detailed configuration diagram of substation

結(jié)合該變電站所有信息，利用基于GOOSE通信的控制方法對電站中的遠方備自投裝置進行控制，首先分析該方法對諧波的抑制作用[19-20]。本文在控制架構(gòu)中添加了有源濾波器，首先對該濾波器產(chǎn)生的補償電流和諧波電流存在的關(guān)系進行跟蹤，結(jié)果如圖7所示。

圖7 諧波電流抑制效果Fig.7 Harmonic current suppression effect

由圖7可知，在本文控制方法下，有源濾波器的補償電流與諧波電流的大小與趨勢非常接近，可對其進行準確跟蹤。證明該方法能夠有效抑制諧波，減少電流損耗，滿足節(jié)能綠色理念。在變電站中有時不只出現(xiàn)一個故障點，利用本文的控制方法分析只有一個故障點和有多個故障點的控制性能。將備自投開關(guān)相應(yīng)的錯誤次數(shù)作為衡量指標，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 不同數(shù)量的故障點的控制效果Tab.1 Control effect of different number of fault points

分析表1能夠得出，當(dāng)變電站系統(tǒng)內(nèi)只有1個故障點時，隨著實驗次數(shù)的增加，響應(yīng)錯誤的次數(shù)有所增加，但是只是由2次變成了4次，說明在本文方法的控制下，備自投開關(guān)均表現(xiàn)出很好的響應(yīng)性能，并且出現(xiàn)響應(yīng)錯誤情況的次數(shù)逐漸平穩(wěn)；當(dāng)故障點增多時，本文方法的響應(yīng)能力雖然有所下降，但是當(dāng)實驗次數(shù)達到一定時，響應(yīng)錯誤率也不會繼續(xù)上升，這是因為本文設(shè)計的GOOSE通信架構(gòu)具有良好的通信能力，能夠?qū)⒐收闲畔崟r傳輸?shù)絺渥酝堆b置，備自投按照信息內(nèi)容實現(xiàn)對開關(guān)的準確控制。

對此變電站進行了為期6個月的實時監(jiān)測，在本文方法控制下，該變電站產(chǎn)生的線路損耗情況見表2。

表2 線路損耗情況Tab.2 Line loss

根據(jù)表2得知，在6個月的實驗期間，本文控制方法的線路損耗一直保持在70萬kWh以下，主要因為該方法對諧波補償?shù)男Ч芎?，能有效減少電能損失，同時GOOSE通信架構(gòu)可以保證開關(guān)很少出現(xiàn)錯誤響應(yīng)現(xiàn)象。因此所提方法可以節(jié)約電能，減少損耗，具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

為順應(yīng)綠色電網(wǎng)發(fā)展需求，減少電網(wǎng)能源損耗，提出基于GOOSE通信的遠方備自投控制方法。通過構(gòu)建GOOSE通信架構(gòu)，在變電站系統(tǒng)中設(shè)置有源濾波器，從根本上抑制諧波產(chǎn)生，同時可靠的通信架構(gòu)可以實時準確傳輸故障信息，使備自投開關(guān)獲得迅速響應(yīng)。但是本文利用的有源濾波器的耐壓程度有限，在今后研究中可考慮利用碳化硅等新材料，進一步降低控制損耗，提高節(jié)能效果。