魏 巍 嚴(yán) 偉 沈全榮

(南京南瑞繼保電氣有限公司 南京211102)

隨著國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵35 kV供電系統(tǒng)傳統(tǒng)光纖差動(dòng)保護(hù)方案的局限性越來越明顯，特別是對(duì)于大環(huán)網(wǎng)供電方式，傳統(tǒng)的保護(hù)方案無法適用［1-2］。

針對(duì)這一需求，設(shè)計(jì)單位和部分廠家先后提出了“網(wǎng)絡(luò)選跳”保護(hù)等一些新型保護(hù)方法［3］。這些保護(hù)方法的核心是利用通信方式來實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置間的邏輯聯(lián)鎖，從而對(duì)故障進(jìn)行選擇和切除。因此，通信網(wǎng)絡(luò)和保護(hù)裝置的可靠性就成為此類方法能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵［4］。

數(shù)字電流保護(hù)作為網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)方法的一種，在保護(hù)邏輯、通信網(wǎng)絡(luò)、硬件設(shè)計(jì)等方面都針對(duì)地鐵的需求進(jìn)行了優(yōu)化，使裝置的整體可靠性得到了很大的提升。

1 保護(hù)組網(wǎng)技術(shù)

以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的智能變電站技術(shù)已經(jīng)在我國電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其先進(jìn)性和可靠性得到了充分的驗(yàn)證。面向通用對(duì)象的變電站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)網(wǎng)絡(luò)作為智能變電站的過程層通信技術(shù)，主要用來實(shí)現(xiàn)變電站的間隔閉鎖和傳送實(shí)時(shí)跳閘信號(hào)的功能，以替代傳統(tǒng)智能裝置之間的硬接線。為了對(duì)GOOSE網(wǎng)絡(luò)的通信狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)立了GOOSE斷鏈檢測機(jī)制［5］，如圖1所示。

圖1 GOOSE斷鏈檢測機(jī)制

GOOSE斷鏈檢測以報(bào)文的重發(fā)為基礎(chǔ)。在圖1中，當(dāng)開關(guān)量信號(hào)變位等新事件發(fā)生后，GOOSE報(bào)文進(jìn)入高速重發(fā)階段，之后重發(fā)周期逐級(jí)放大直至進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的最大重發(fā)周期;重發(fā)的每幀GOOSE報(bào)文含有重發(fā)間隔信息，當(dāng)接收裝置在2倍重發(fā)間隔時(shí)間內(nèi)未收到新的GOOSE報(bào)文，則判斷為GOOSE網(wǎng)斷鏈。因此，考慮到GOOSE通信技術(shù)可靠性和實(shí)時(shí)自檢能力，選用GOOSE網(wǎng)絡(luò)作為地鐵數(shù)字電流保護(hù)的組網(wǎng)協(xié)議是可行的。

由于地鐵行業(yè)內(nèi)智能變電站技術(shù)尚未廣泛使用，也沒有形成相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，考慮到電網(wǎng)行業(yè)在該領(lǐng)域已經(jīng)積累了較多的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，所以筆者根據(jù)重要性等同的原則，借鑒了國家電網(wǎng)的一些成熟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。國家電網(wǎng)公司Q/GDW441—2010《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中要求，過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)、站控層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)完全獨(dú)立配置，且110kV過程層網(wǎng)絡(luò)宜按雙網(wǎng)配置。雖然地鐵供電系統(tǒng)的電壓等級(jí)是35 kV，但是其可靠性要求并不低于電力系統(tǒng)中的110kV變電所，所以數(shù)字電流保護(hù)按照110kV系統(tǒng)的要求配置了GOOSE網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GOOSE組網(wǎng)方案

GOOSE網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于地鐵數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立組建，且采用全光纖100 Mbit/s冗余雙網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)地鐵變電站設(shè)置2臺(tái)GOOSE交換機(jī)，分別組建GOOSE A網(wǎng)和GOOSE B網(wǎng)，并通過交換機(jī)“跨站級(jí)聯(lián)”的方式，實(shí)現(xiàn)一個(gè)供電分區(qū)內(nèi)所有35 kV變電所GOOSE網(wǎng)絡(luò)的貫通。每臺(tái)保護(hù)裝置提供完全獨(dú)立的A/B兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口來分別接入網(wǎng)絡(luò)，并通過GOOSE通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)供電分區(qū)內(nèi)所有保護(hù)裝置間聯(lián)閉鎖信息的快速傳遞。

2 數(shù)字電流保護(hù)邏輯

數(shù)字電流保護(hù)邏輯由閉鎖信號(hào)邏輯和跳閘邏輯兩部分組成。通過閉鎖信號(hào)邏輯和跳閘邏輯的結(jié)合，數(shù)字電流保護(hù)可以對(duì)地鐵35 kV系統(tǒng)的母線和環(huán)網(wǎng)電纜提供具有絕對(duì)選擇性的快速化保護(hù)。

數(shù)字電流閉鎖信號(hào)邏輯如圖3所示。

圖3 數(shù)字電流保護(hù)閉鎖邏輯

當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，如果故障相電流Ⅰp大于閉鎖定值Ⅰbs，經(jīng)整定延時(shí)后，保護(hù)裝置通過專用GOOSE網(wǎng)絡(luò)廣播故障相閉鎖信號(hào)。閉鎖定值Ⅰbs按照1.2倍的最大負(fù)荷電流整定。

數(shù)字電流保護(hù)跳閘邏輯如圖4所示。

如果故障相電流Ⅰp大于數(shù)字電流保護(hù)定值Ⅰtrip，且在延時(shí)定值時(shí)間內(nèi)通過GOOSE60的同時(shí)接收到了左右兩側(cè)相鄰保護(hù)裝置發(fā)送的故障相閉鎖信號(hào)，則判定為區(qū)外故障;否則判定為區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)跳閘。跳閘定值Ⅰtrip根據(jù)故障電流整定［6-7］。

圖4 數(shù)字電流保護(hù)跳閘邏輯

結(jié)合圖5進(jìn)行說明:K1故障發(fā)生后，6DL(6DL為斷路器編號(hào)，其他斷路器命名類似)故障電流大于數(shù)字電流保護(hù)定值，數(shù)字電流保護(hù)啟動(dòng);6DL左側(cè)相鄰的2DL的故障電流必定大于數(shù)字電流閉鎖定值，2DL立刻通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)向相鄰的6DL發(fā)送閉鎖信號(hào)。6DL保護(hù)裝置接收到2DL發(fā)送的閉鎖信號(hào)后，排除K1故障在2DL和6DL區(qū)間內(nèi)的可能性。

圖5 地鐵35kV供電系統(tǒng)故障

由于地鐵是單電源供電方式，K1發(fā)生故障時(shí)，6DL右側(cè)相鄰的7DL、10DL和13DL電流均為極小值，因此6DL不會(huì)接收到由它們?nèi)我庖粋€(gè)發(fā)送的右側(cè)GOOSE閉鎖信號(hào)。根據(jù)圖2所示的邏輯，6DL保護(hù)裝置判定K1點(diǎn)故障在其右側(cè)保護(hù)區(qū)內(nèi)，從而經(jīng)過整定延時(shí)保護(hù)快速動(dòng)作切除故障。

環(huán)網(wǎng)K2點(diǎn)故障為2DL右側(cè)區(qū)內(nèi)故障。左側(cè)相鄰斷路器為1DL、5DL、11DL，右側(cè)相鄰斷路器為6DL。具體保護(hù)動(dòng)作邏輯與K1點(diǎn)故障時(shí)6DL的邏輯相同，不再詳細(xì)說明。

3 硬件系統(tǒng)的研制

3.1 雙核處理器架構(gòu)

目前，在地鐵行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的同類保護(hù)產(chǎn)品普遍為單處理器架構(gòu)，其保護(hù)功能和通信功能由單一處理器實(shí)現(xiàn)。對(duì)于此類處理器架構(gòu)，通信功能一旦受到外加干擾，其保護(hù)功能也會(huì)受到影響［8］。為了解決這一問題，數(shù)字電流保護(hù)采用了成熟可靠的雙核處理器架構(gòu)，如圖6所示。

圖6 保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)

保護(hù)功能由獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processing，DSP)實(shí)現(xiàn)，通信、液晶顯示、對(duì)時(shí)等功能由獨(dú)立的中央處理器(central processing unit，CPU)實(shí)現(xiàn)。DSP處理器由于其特有的哈佛結(jié)構(gòu)、超流水線等特性，能夠快速可靠地完成保護(hù)采樣、保護(hù)算法的計(jì)算，并獨(dú)立驅(qū)動(dòng)跳閘繼電器，完成保護(hù)功能;CPU與保護(hù)DSP間采用內(nèi)部集成電路總線(inter-integrated circuit，I2C)連接，即使CPU完全停止工作，也不會(huì)影響保護(hù)DSP獨(dú)立完成保護(hù)功能。

3.2 雙AD冗余采樣技術(shù)

國內(nèi)地鐵交流保護(hù)普遍安裝在箱式氣體絕緣全封閉組合電器(cubicle type gas insulated switchgear，CGIS)開關(guān)柜內(nèi)，而C-GIS開關(guān)柜的柜體較小，保護(hù)裝置與斷路器等操作機(jī)構(gòu)的安裝距離非常近，這就要求地鐵保護(hù)裝置在強(qiáng)電磁干擾的影響下仍然能夠可靠工作［9］。為了滿足這一需求，避免電磁干擾導(dǎo)致的誤動(dòng)，數(shù)字電流保護(hù)采用了雙模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，AD)冗余采樣技術(shù)，如圖7所示。

圖7 雙AD冗余采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

每一路交流采樣信號(hào)都利用2路獨(dú)立的低通濾波電路和2路獨(dú)立的AD轉(zhuǎn)換器分別采樣。主回路的采樣結(jié)果C1(主AD輸出的內(nèi)碼值)用于保護(hù)元件的計(jì)算，從回路的采樣結(jié)果C2(從AD輸出的內(nèi)碼值)用于啟動(dòng)元件的計(jì)算，兩個(gè)回路并行工作。一旦兩路采樣的偏差大于預(yù)設(shè)的最大偏差量ΔC，則保護(hù)裝置立刻閉鎖，并發(fā)出采樣異常的告警信息。雙AD采樣技術(shù)的應(yīng)用，使保護(hù)裝置采樣回路的抗干擾能力顯著提高，能夠更好地滿足地鐵交流保護(hù)產(chǎn)品的技術(shù)要求。

3.3 三防處理技術(shù)

如果地鐵線路的35 kV 變電站設(shè)置于地下，在建設(shè)期間運(yùn)行環(huán)境是特別潮濕的。即便繼電保護(hù)裝置按照GB/T 2423 4—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)通過了型式試驗(yàn)，仍然不能滿足地鐵行業(yè)要求。目前在國內(nèi)地鐵線路建設(shè)調(diào)試期間，保護(hù)裝置插件的損壞率通常達(dá)到了20%以上;更危險(xiǎn)的是一些受到了潛在損傷的插件，將給地鐵線路的長期穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。為了解決這一問題，數(shù)字電流保護(hù)首次采用了印制電路板(printed circuit board，PCB)三防處理技術(shù)。

三防處理是通過在PCB表面噴涂三防漆來實(shí)現(xiàn)的。三防漆在芯片表面固化后形成一層透明保護(hù)膜，可以有效提升電子設(shè)備的防潮、防腐蝕、防霉的能力。

杭州地鐵、南京地鐵等多條線路的建設(shè)實(shí)踐證明，三防處理可以有效地提升地鐵適應(yīng)潮濕環(huán)境的能力，使現(xiàn)場插件因潮濕導(dǎo)致的損壞率降到了1%以下。

4 系統(tǒng)測試

4.1 GOOSE網(wǎng)絡(luò)測試

試驗(yàn)利用Smartbits網(wǎng)絡(luò)測試儀，外加90 Mbit/s的廣播報(bào)文干擾時(shí)的測試數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 GOOSE傳送延時(shí)測試 周期

表1中的1周期代表測試裝置的1個(gè)中斷周期，絕對(duì)時(shí)間等于1.666 ms。試驗(yàn)進(jìn)行了5組共500次試驗(yàn)，被測試裝置間GOOSE通信的平均延時(shí)不大于1.83個(gè)中斷周期(約為3 ms)。GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性得到了驗(yàn)證。

4.2 RTDS試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)字電流保護(hù)方案的性能，采用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)(real time digital simulator，RTDS)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)［10-12］。仿真系統(tǒng)模擬了圖5中K1和K2點(diǎn)的故障，保護(hù)裝置的數(shù)字電流閉鎖元件定值為2.8 A，延時(shí)5 ms;數(shù)字電流保護(hù)元件定值為3.5 A，延時(shí)50 ms。故障試驗(yàn)的記錄如表2所示。

表2 RTDS試驗(yàn)記錄

由表2可知，對(duì)于母線故障和環(huán)網(wǎng)電纜故障，數(shù)字電流保護(hù)都具備良好的選擇性，并在(50±5)ms內(nèi)快速動(dòng)作出口。

5 應(yīng)用情況

2010年12月，數(shù)字電流保護(hù)在南京地鐵2號(hào)線學(xué)則路站和仙林中心站順利投入運(yùn)行。2012年12月起，同類保護(hù)產(chǎn)品又先后在南京地鐵3、6和10號(hào)線的部分變電站投入運(yùn)行。目前的總投運(yùn)數(shù)已經(jīng)超過350臺(tái)，并多次在各類型故障中正確動(dòng)作，數(shù)字電流保護(hù)的性能得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。

6 結(jié)語

本文介紹了一種基于IEC 61850技術(shù)的數(shù)字電流保護(hù)方法的研制與應(yīng)用情況。利用GOOSE網(wǎng)絡(luò)，在傳遞保護(hù)裝置間傳遞聯(lián)閉鎖信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的快速切除和隔離。為了提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用數(shù)字電流保護(hù)方法，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面采取了一些有針對(duì)性的措施，RTDS仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證。

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