一种基于GOOSE的煤矿电网分布式网络保护方法与流程

本发明涉及煤矿供电系统保护技术，尤其涉及一种基于GOOSE的分布式网络保护方法。

背景技术：

我国煤矿供电系统大多是多级辐射状供电模式，井下环境复杂，环境潮湿、空间狭窄，而且含有易燃易爆的瓦斯气体，这对井下电气设备安全可靠的工作构成了威胁，因此井下发生供电事故的几率很大。煤矿常见的供电故障有短路与接地故障，且普遍存在短路越级跳闸和接地无选择性跳闸现象。

目前的煤矿供电系统的继电保护级数较多，动作时限余地小，电力系统给煤矿电网的电源进线的保护时限值一般都不大，按照一般的时限阶梯原则，下级保护的时限应比上级保护的时限少0.5或0.7秒，由于煤矿电网线路的级数较多，因此继电保护的选择性很难保障。

而且继电保护的整定方法不统一，继电保护整定值的确定上往往是结合电网运行实际依靠经验来确定。但是随着煤炭企业内部供电系统的形成，电网结构复杂，电压等级增多，按照经验值整定的继电保护装置就显得不可靠了，其主要缺陷是容易使继电保护装置失去选择性，容易造成越级跳闸现象。

另外，国内现有保护装置大多按照装置功能设计不同的硬件平台，保护功能固定、单一，保护装置多样，造成硬件资源的浪费和重复工作，也不利于保护装置硬件的标准化和保护的软件化配置。井下保护装置大多分布式布置，保护为就地式配置，尚无法实现远程的集成配置功能。现有保护装置大多基于装置本身采集的故障信息来实现继电保护，这种方式控制简单，易于实现，但可用故障信息单一，许多基于信息融合的保护原理无法应用。且各开关间彼此独立，无法通信，配合困难，继电保护的选择性难以得到保证。

随着智能变电站的深入研究和全面建设，基于网络传输式的继电保护技术开始推广应用。保护装置间通过GOOSE网对等交换开关量和模拟量故障信息，实现信息共享，并将基于信息融合的保护原理加以结合和应用，实现煤矿电网的分布式网络保护。采用GOOSE网互传模拟量和开关量故障信息，将GOOSE信号作为内在逻辑输入参与逻辑判断，保护可靠性、选择性和速动性较高。利用智能变电站技术，开关支持保护功能就地配置，同时也可实现保护功能的SCL远程化配置，在调度端即可对现场的保护装置进行保护功能配置，在有效的提高了工作效率的同时，能够保证配置的准确性与一致性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是设计一种保护方案，需要适应于煤矿井下多级供电系统，保护方案在速动性、可靠性和选择性方面应较传统继电保护方案具有显著优势，可有效解决煤矿供电线路越级跳闸事故和无选择性跳闸事故。该保护方案还应采用目前先进的智能变电站GOOSE保护技术。

为了解决上述问题，设计一种基于GOOSE的分布式网络保护技术，包括分布式网络线路保护、分布式网络母线保护、分布式网络差动保护和分布式网络接地保护，其特征在于分布式配置的保护装置通过GOOSE网络进行信息共享，根据保护逻辑对网络GOOSE信号等输入信号进行处理和逻辑判断，输出相应保护GOOSE信号，实现分布式的网络保护功能。

具体保护技术如下：1.SCL远程配置工具，可以根据各保护装置的不同的保护功能需求进行相应的SCL设备配置，例如对于线路差动保护、母线保护、线路阶段式电流保护、线路接地保护等煤矿电网常见保护，设计相应的保护动作逻辑，将包含相应的保护逻辑的SCL配置文件通过SCL远程配置工具从调度端统一配置到现场的保护器中，而不必在现场进行配置，并可在调度端根据其配置情况对功能应用实时更新。

2. 分布式网络线路保护仍然采用过电流判据原理，采用电流突变量方式启动，其保护逻辑为，保护启动后，开关将启动信息以GOOSE方式发送至上级开关，同时接收下级开关上传的GOOSE信息，并进行逻辑判断，决定是否需要进行跳闸，考虑到下级开关有失灵的可能，因此下级开关GOOSE信号包括线路保护启动GOOSE信号和下级开关GOOSE失灵联跳信号，与原有逻辑判断不同的是，下级开关的GOOSE信号也作为逻辑输入进行故障判断。

3. 分布式网络母线保护配置在进线开关中，线路发生短路故障时，进线和馈线智能开关均检测到过电流，其保护逻辑为，进线和馈线智能开关功率方向元件判断故障位于正方向，因此馈线智能开关会向进线开关保护装置发送母线保护不启动GOOSE信号，母线故障时，馈线智能开关则检测到故障位于反方向，不发送母线保护不启动GOOSE信号，同时，考虑到下级开关有失灵的可能，因此母线保护逻辑中也将GOOSE失灵联跳信号作为逻辑输入。

4. 分布式网络接地保护技术，可以在同一开关中实现多信息，多判据的接地保护，单相接地保护由同一母线段上的所有馈线智能开关和进线智能开关共同完成，其保护逻辑为，发生接地故障后，各智能开关保护装置通过GOOSE网共享所有支路的模拟量和开关量故障信息，每个智能开关保护装置中有独立的接地保护算法，独立判断本支路是否发生故障，并决定是否需要动作于跳闸。

5. 分布式网络差动保护分为分布式网络线路纵联差动保护和分布式网络变压器差动保护，通过线路两端的智能开关配合完成，线路纵联差动保护逻辑为两端智能开关线路纵联保护启动后，检测功率方向，判断故障方向，并将结果以GOOSE报文形式发送到线路对侧开关，各智能开关将GOOSE信号作为逻辑输入判断是否需要跳闸；变压器差动保护也通过两侧智能开关配合完成，通过GOOSE传输开关量或模拟量，其保护逻辑为故障发生后，变压器保护启动，智能开关判断故障方向，若故障发生在区外，低压侧智能开关保护装置向高压侧开关发送GOOSE防跳信号，若变压器故障，低压侧智能开关保护装置则不发送这种信号，则变压器两侧开关跳闸，切除故障变压器。

本发明的有益效果是：各分布式配置的保护装置的控制功能软件化、模块化设计，根据煤矿电网的不同保护功能需要进行相应的软件配置，设计相应的保护动作逻辑，将包含保护动作逻辑的配置文件配置到智能开关的保护装置中，可实现不同的保护功能，而不需要对硬件进行更换和改造，因此节约成本也实现了硬件的标准化和功能的软件化。利用智能变电站技术，智能开关支持保护功能就地配置，同时也可实现保护功能的SCL远程化配置，可在调度端对现场各保护装置进行集中配置，在有效的提高了工作效率的同时，能够保证配置的准确性与一致性。基于GOOSE的分布式网络保护技术遵循IEC 61850协议，智能开关的保护装置间通过GOOSE网络通信，对等交换数据，能够有效的实现信息实时共享，并将基于信息融合的保护原理加以结合和应用，实现煤矿电网的分布式网络保护。采用GOOSE网互传模拟量和开关量故障信息，将GOOSE信号作为内在逻辑输入参与逻辑判断，保护选择性和速动性较高。智能开关保护装置在支持分布式网络保护的同时，也具备就地保护功能，若线路发生通信故障，就地保护发挥作用，及时准确的切除故障。通过智能开关的保护装置，分布式网络保护技术最终能够有效的实现煤矿继电保护的可靠性、速动性、选择性和灵敏性，解决煤矿电网中常见的越级跳闸和接地故障无选择性问题。

附图说明

图1为本发明的技术方案主视图。

图2为保护功能远程配置过程示意图。

图3为煤矿电网运行方式和功率方向示意图。

图4为分布式网络线路保护动作逻辑图。

图5为分布式网络母线保护动作逻辑图。

图6为分布式网络单相接地保护动作逻辑图。

图7为分布式网络单相接地保护算法流程图。

图8为分布式网络差动保护的线路纵联差动保护动作逻辑图。

图9为分布式网络差动保护的变压器差动保护动作逻辑图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的基于GOOSE的分布式网络保护方案是建立在各分布式配置的保护装置通过GOOSE网络进行信息交互的基础上的，各保护装置支持IEC61850协议，对应于各个保护间隔分布式配置，接入GOOSE+采样值SV网络，获取网络中GOOSE信号和各间隔电压、电流等采样值，根据保护装置内部的保护逻辑输出GOOSE信号，实现分布式网络保护；此技术构造了新型的保护逻辑，将包含保护启动、开关闭锁、失灵、跳闸等信息的GOOSE信号作为内在逻辑输入参与逻辑判断，事先通过SCL配置工具将新型保护逻辑配置于分布式配置的保护装置中。基于GOOSE的分布式网络保护方案主要包括线路保护、母线保护、接地保护和差动保护。

如图2所示，根据保护器所需实现的保护控制功能，设计出相应的保护逻辑，将保护逻辑通过SCL配置工具生成配置文件，将包含相应的保护逻辑的配置文件通过SCL远程配置工具配置到保护器中，保护器根据保护逻辑对网络GOOSE信号等输入信号进行处理和逻辑判断，输出相应保护GOOSE信号，实现保护功能，SCL远程配置功能可以实现在调度端将保护功能统一配置到现场的各保护装置中。

如图3所示，为煤矿电网变电所的运行方式以及功率方向示意图，主接线方式为单母线分段接线方式，分为35kV I段母线和35kV II段母线，3DL和4DL为35kV I段母线和II段母线的进线断路器，运行时母联断路器5DL处于分位，功率方向如箭头所示。

如图4所示，分布式网络线路保护仍然采用过电流判据原理，采用电流突变量方式启动，保护启动后，开关将启动信息以GOOSE方式发送至上级开关，同时接收下级开关上传的GOOSE信息，并进行逻辑判断，决定是否需要进行跳闸，考虑到下级开关有失灵的可能；因此下级开关GOOSE信号包括线路保护启动GOOSE信号和下级开关GOOSE失灵联跳信号；故障时，若下级开关没有上传开关启动GOOSE信号或者下级开关上传了开关失灵联跳GOOSE信号，则本级开关跳闸，切除故障线路，与原有逻辑判断不同的是，下级开关的GOOSE信号也作为逻辑输入进行故障判断。以图3中发生K2短路故障为例，此时馈线断路器8DL流过的相电流大于过流保护定值并且电压满足复压条件后，接入GOOSE+采样值SV网的保护装置保护启动，保护装置将启动信息以GOOSE报文发送至上级开关保护装置，后在定值整定的延时时间内如果没有收到下级任意一个开关发送的“启动GOOSE信号”则判断为线路故障，延时一定时间后跳闸；若开关失灵，则将向上级开关保护装置上传开关失灵GOOSE信号，失灵GOOSE信号参与逻辑判断，延时后跳闸，切断故障线路。

如图5所示，分布式网络母线保护配置在进线开关保护装置中，线路发生短路故障时，进线和馈线智能开关均检测到过电流，进线和馈线智能开关功率方向元件判断故障位于正方向，因此馈线智能开关保护装置会向进线开关保护装置发送“母线保护不启动GOOSE信号”；母线故障时，馈线智能开关保护装置则检测到故障位于反方向，不发送“母线保护不启动GOOSE信号”，同时，考虑到下级开关有失灵的可能，因此母线保护逻辑中也将GOOSE失灵联跳信号作为逻辑输入。图3中35kV及以下电压等级配电网中母线通常不装设专用保护，一般通过变压器后备保护来实现，以发生K1母线短路故障为例，进线开关3DL的保护装置检测到过电流，且故障功率方向位于正方向；各馈线智能开关6DL、7DL、8DL、9DL和10DL的保护装置则检测到功率方向位于反方向，不发送“母线保护不启动GOOSE信号”，则3DL延时后跳闸；若3DL开关失灵，则将失灵GOOSE信号上传至1DL保护装置，开关1DL延时后跳闸。

如图6所示为分布式网络单相接地保护动作逻辑图，可以在同一开关中实现多信息、多判据的接地保护，单相接地保护由同一母线段上的所有馈线智能开关和进线智能开关共同完成，发生接地故障后，各智能开关保护装置通过GOOSE网共享所有支路的模拟量和开关量故障信息，每个智能开关保护装置中有独立的接地保护算法，独立判断本支路是否发生故障，并决定是否需要动作于跳闸；如图7所示为保护装置内的接地保护流程图，各支路开关保护装置获取GOOSE+采样值SV网络中本间隔的采样值SV报文，提取零序电压值，若超过整定零序电压值，且判断不是虚幻接地，则启动接地保护程序，通过 GOOSE+采样值SV网络获得本支路网络零序电流和零序电压故障信息，并收集其他支路的GOOSE故障信息，通过接地保护算法模块对这些信息进行处理，判断出故障线路，并最终发出跳闸和告警信号，跳开故障支路。以图3的K3故障为例，此时各智能开关保护装置通过GOOSE网共享所有支路的模拟量和开关量故障信息，开关6DL、7DL、8DL、9DL和10DL的保护装置采样本支路网络零序电流和零序电压故障信息，并收集其他支路的GOOSE故障信息，通过接地保护算法模块对这些信息进行处理，判断出开关10DL所在的线路发生故障，开关10DL跳闸切除故障线路。

如图8所示为分布式网络差动保护的线路纵联差动保护动作逻辑图，线路纵联差动保护通过线路两端的智能开关配合完成，两端智能开关保护装置的线路纵联保护启动后，检测功率方向，判断故障方向，并将开关启动的GOOSE信号和流过开关的功率方向的GOOSE信号发送到线路对侧开关，各智能开关保护装置将GOOSE信号作为逻辑输入判断是否需要跳闸。

如图9所示为分布式网络差动保护的变压器差动保护动作逻辑图，两侧智能开关的保护装置通过GOOSE传输开关量或模拟量，故障发生后，变压器保护启动，智能开关判断故障方向，若故障发生在区外，低压侧智能开关向高压侧开关发送GOOSE防跳信号；若变压器故障，低压侧智能开关则不发送这种信号。以图3为例，变压器1#内部发生K5故障，此时变压器两侧的开关1DL和3DL的保护装置通过GOOSE＋采样值SV网络获到了故障信息，并根据流过两开关的功率方向相反判断出故障发生在区内，则两开关的保护装置输出跳闸GOOSE信号使得开关1DL和3DL跳闸，将变压器1#从线路中切除。