王 宇，史澤兵，郝后堂，李肖博

基于IEC 61850的軌道交通直流饋線保護裝置研制

王 宇，史澤兵，郝后堂，李肖博

針對軌道交通直流供電系統(tǒng)的特點及變電站將走向數(shù)字化、智能化的發(fā)展趨勢，在研究國內(nèi)外軌道交通直流饋線保護及IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計一套基于IEC 61850的軌道交通直流饋線保護裝置方案，并針對該方案給出了裝置的軟、硬件設(shè)計及IEC 61850功能實現(xiàn)。

軌道交通直流供電系統(tǒng)；直流饋線保護；IEC 61850

0 引言

目前世界上約有130多個城市修建了地鐵，總長度達到了五千多公里。發(fā)達國家的地鐵及其他城市軌道交通方式每年承擔(dān)了城市旅客總運輸量的60%～87%[1]。隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市交通量的增長，城市軌道交通作為一種高速、安全、可靠、準(zhǔn)時、舒適、便捷、環(huán)保等優(yōu)點的交通運輸工具，在國內(nèi)得到了越來越多的應(yīng)用。我國規(guī)劃建設(shè)的軌道交通網(wǎng)絡(luò)總里程超過5 000 km，總投資預(yù)算超過8000億元[2]。

目前，國外廠家依靠其雄厚的技術(shù)實力幾乎占據(jù)了整個國內(nèi)城市軌道交通市場，如ADTRANS公司的DCP106、SHCHRON公司的SEPCOS和SIEMENS公司的DPU96等產(chǎn)品在國內(nèi)已有多年運行經(jīng)驗。相反，我國在軌道交通直流供電系統(tǒng)方面的理論及應(yīng)用研究尚處于起步階段，軌道交通直流饋線保護裝置在直流牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用尚屬空白，對軌道交通直流供電系統(tǒng)的保護基本上都依靠國外的技術(shù)和設(shè)備，例如深圳地鐵采用的是ADTRANS公司的DCP106、廣州地鐵采用的是SIEMENS公司的DPU96、南京地鐵采用的是SHCHRON公司的SEPCOS等。所以，打破國外公司的技術(shù)壟斷、開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軌道交通直流饋線保護裝置具有十分重要的意義。

1 方案設(shè)計

根據(jù)軌道交通直流系統(tǒng)特點，軌道交通直流饋線保護系統(tǒng)方案如圖1。

圖1 軌道交通直流饋線保護方案圖

在直流饋線保護系統(tǒng)方案中，CPU為系統(tǒng)的核心，由高性能的ARM處理器及DSP（數(shù)字信號處理器）處理器組成。ARM處理器運行高穩(wěn)定性的實時操作系統(tǒng)，主要負責(zé)實現(xiàn)人機界面、后臺通訊、文件記錄等功能；DSP處理器則主要完成開入開出控制、采樣控制、保護算法與邏輯判斷等功能。

CPU具有以下對外接口：

（1）支持3路百兆以太網(wǎng)接口，用于監(jiān)控、保信的通訊；

（2）支持通過光串接口與隔離放大器通訊；

（3）支持差分校時或24 V硬接點校時，可通過板件上的跳線配置；

（4）支持串行打印接口；

（5）支持一路廠家專用的調(diào)試網(wǎng)口，該網(wǎng)口通過人機接口插件引出。

監(jiān)控系統(tǒng)、保信子站是后臺監(jiān)控系統(tǒng)，具有測量監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、分析統(tǒng)計、操作控制、防誤閉鎖、告警處理、保護管理、報表打印、遠動轉(zhuǎn)發(fā)、系統(tǒng)接入、系統(tǒng)維護、同步對時等功能。

隔離放大器與分壓器模塊一同用于電氣隔離和電流及電壓測量[3]。隔離放大器通過分流器測量饋線電流，通過分壓器測量饋線電壓，經(jīng)電氣隔離、放大后采用IEC60044-8協(xié)議的形式通過光串口送給中央處理單元。

液晶、鍵盤完成軌道交通直流饋線保護裝置人機交互。

分流器為饋線電流采集單元，采用10-8?級電阻以保證不影響回路正常運行。

分壓器為饋線電壓采集單元，采用極大電阻與極小電阻分壓方法以保證不影響回路正常運行。

2 硬件設(shè)計

2.1 中央處理器

該系統(tǒng)饋線保護采用的OMAP-L138X系列CPU，是TI公司推出的新一代低功耗雙核處理器，內(nèi)部集成了375 / 456 MHz ARM926EJ-S RISC MPU及375 / 456MHz C674x浮點VLIW DSP，具有強大豐富的外設(shè)資源，高效的緩沖機制，低功耗設(shè)計等優(yōu)點，兩顆CPU各司其職，可滿足系統(tǒng)的非實時多任務(wù)及實時高強度數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用需求。

ARM926主要完成通信、調(diào)試、打印、界面、錄波存儲、記錄存儲、配置解析等功能。

DSP主要完成采樣數(shù)據(jù)接收、采樣（開入）、開出、保護邏輯、對時等功能。

2.2 跳閘出口

在直流系統(tǒng)運行過程中，當(dāng)下級用電設(shè)備出現(xiàn)短路故障時，經(jīng)常引起上一級直流斷路器的越級跳閘，從而引起其他饋電線路的斷電事故，進而引起變電站一次設(shè)備如高壓開關(guān)、變壓器、電容器等的事故。為防止因直流斷路器及其他直流保護電器動作特性不匹配帶來的隱患，國家電網(wǎng)公司對于新裝和運行中的直流保護跳閘出口時間有嚴格要求，要求硬件出口速度控制在1 ms以內(nèi)，為了滿足以上要求，出口繼電器采用光繼電器模式。

2.3 分流器

分流器變比設(shè)計為4 000 A / 60 mV，串入饋線電路，負責(zé)將大電流轉(zhuǎn)換成0～300 mV的電壓信號以供隔離放大器采樣。

在系統(tǒng)中，選用的饋線電纜的橫截面積S為4 mm2，單線長度為1.0 m，正負極總長為2 m。由電阻計算式R = ρL / S可以得電纜線電阻值大約0.86×10-2?，因此分流器的電阻值為1.5×10-8??？梢钥闯鲭娎|線的電阻值與分流電阻值之間有大約2×106倍的關(guān)系，因此即使電纜線在裝置側(cè)發(fā)生最壞情況（短路），電纜的分流也只有0.5×10-6，不會對現(xiàn)有測量及保護產(chǎn)生大的影響。

在串入分流器后，回路正常運行時，饋線電纜電阻較大，與分流器的電阻值不在同一個數(shù)量級，不會對現(xiàn)有的測量及保護產(chǎn)生大的影響。

在串入分流器后，回路發(fā)生斷路時，斷路電阻無窮大，與分流器的電阻值不在同一個數(shù)量級，不會對現(xiàn)有的測量及保護產(chǎn)生大的影響。

2.4 分壓器

分壓器變比設(shè)計為3 000 V / 60 mV，并入饋線電路，負責(zé)將大電壓轉(zhuǎn)換成0～300 mV的電壓信號以供隔離放大器采樣。為了滿足以上變比，分壓器中分壓電阻選擇2 M?電阻，采樣電阻選擇40 ?電阻。

分壓器并入回路，如果正常運行，假設(shè)饋線回路額定電壓為3 000 V，此時流過分壓器回路的電流為1.5 mA，相較于饋線回路102數(shù)量級電流，分壓回路產(chǎn)生的電流可以忽略不計，不會對實際運行產(chǎn)生影響。

分壓器并入回路，如果分壓器回路斷路，此時內(nèi)阻無窮大，不會對實際運行產(chǎn)生影響。

分壓器并入回路，如果分壓器回路短路，此時通過分壓器回路的電流將會超過102數(shù)量級，會對實際運行產(chǎn)生影響。為了避免該情況發(fā)生，在設(shè)計分壓器回路時串入一個熔斷器，在分壓器回路短路時立刻熔斷，以保證實際運行不受影響。

2.5 隔離放大器

隔離放大器是整個系統(tǒng)中負責(zé)采樣的部分，精度及穩(wěn)定性至關(guān)重要。該系統(tǒng)的隔離放大器采用FPGA+AD隔離芯片實現(xiàn)直流量采樣。為了保證采樣精度，在硬件上選用精度高達16位的高精度AD采樣芯片，同時具備軟硬件配合的零漂和增益自動處理功能。

在軟件上采用過采樣的處理方法，以高于直流饋線保護要求采樣率4倍的頻率進行采樣，同時在隔離放大器內(nèi)完成采樣數(shù)據(jù)的初次濾波，具體策略為：4點數(shù)據(jù)求取平均值，以平均值作為采樣值發(fā)送給軌道交通直流饋線保護裝置。

為了實現(xiàn)一、二次系統(tǒng)的有效電氣隔離，隔離放大器采用塑料外殼，與軌道交通直流饋線保護裝置采用光纖進行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議采用IEC 60044-8，傳輸頻率2 000 Hz，每個中斷傳輸5個點數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

軌道交通直流饋線保護系統(tǒng)主要用于城市軌道交通750 V / 1 500 V / 3 000 V及其他直流供電系統(tǒng)中，要求在系統(tǒng)發(fā)生故障時快速、準(zhǔn)確的切除故障，同時要避免誤動。通常，軌道交通直流保護裝置安裝在牽引變電所的饋線柜中，主要配置有：最大電流保護、過流保護、電流增量保護、電流變化率保護、熱過負荷保護、低電壓保護、過電壓保護、雙邊聯(lián)跳等[4]。據(jù)統(tǒng)計，線路發(fā)生瞬時性故障的概率占60%～90%，為了提高直流供電系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低因故障引起的斷網(wǎng)時間，裝置還需配置自動重合閘。為了保證在自動重合閘不合于故障，需配置線路測試功能。

中央處理器的中斷間隔為0.5 ms，在中斷內(nèi)完成數(shù)據(jù)接收、計算、邏輯判斷等功能，軟件流程見圖2。

3.1 電流增量及上升率

直流供電系統(tǒng)短路時，故障電流上升速度快、故障電流大，有別于交流供電系統(tǒng)。而電流增量及上升率能很好地反應(yīng)直流供電系統(tǒng)的這2個特點，因此常作為直流供電系統(tǒng)的主保護。主要保護范圍是接觸網(wǎng)距變電所的中、近端，也能切除不在大電流脫扣保護范圍之內(nèi)的較小的遠端短路故障[5]。

圖2 軟件流程圖

電流增量保護就是測量電流的增加量，在電流增量保護模式下，比較電流測量值與基準(zhǔn)電流之間的電流差值。由于基準(zhǔn)電流是個動態(tài)值，若電流斜率小于di/dt的最小值，則當(dāng)前電流值就成為新的基值。當(dāng)電流差值超過設(shè)定的整定值，即觸發(fā)報警；若超過整定值并持續(xù)時間超過整定的延時時，發(fā)出跳閘信號，使斷路器跳閘。電流增量保護是一種用于快速切除近端接觸網(wǎng)短路故障的電子保護裝置，為了防止電流增量保護受干擾誤動的可能，還需附加延時時間、短路電流上升率（di/dt）等條件。電流增量保護主要針對近、中端距離的非金屬性短路故障，設(shè)2段保護。電流增量保護邏輯見圖3。

圖3 電流增量保護邏輯圖

電流上升率保護就是測量電流的變化率di/dt，在電流上升率保護模式下，比較電流的變化率di/dt與整定值。當(dāng)電流的變化率di/dt持續(xù)超過整定值，該保護起動；當(dāng)起動后的di/dt時間超過所設(shè)置的延時整定值時，斷路器跳閘。電流上升率保護主要針對中、遠端距離的短路故障，設(shè)兩段保護。電流上升率保護邏輯見圖4。

圖4 電流上升率保護邏輯圖

3.2 線路檢測

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)在運行過程中，若發(fā)生短路故障，直流斷路器將跳閘以切除故障，當(dāng)故障消失時，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行，此時需要將斷路器合閘。由于直流斷路器的特性，如果在未判定故障是否已經(jīng)消除前盲目合閘斷路器，則有可能將斷路器主觸頭燒壞，或損壞整流器元件，因此在斷路器重新跳閘之前，應(yīng)對線路是否恢復(fù)正常進行測試，若測試結(jié)果表明發(fā)生的是瞬時故障，則保護裝置發(fā)出重合閘命令，斷路器自動重合閘，否則測定為系統(tǒng)發(fā)生永久性故障，斷路器不再進行重合閘。采用帶有線路自動測試裝置的自動重合閘可以避免由于瞬時故障對系統(tǒng)帶來的不利影響[6]。

線路測試原理如圖5所示。

圖5 線路測試圖

在線路測試時，Kt閉合，此時可算出：

當(dāng)測得線路電阻Rre＞Rset時，則線路檢測通過，可以合閘。當(dāng)測得線路電阻Rre不滿足線路檢測通過的條件，則不允許合閘。

4 IEC 61850功能

IEC 61850是國際電工委員會TC57工作組制定的《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，為基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一國際標(biāo)準(zhǔn)。信息和服務(wù)模型是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的核心[7]。

IEC 61850作為制定電力系統(tǒng)遠動無縫通信系統(tǒng)基礎(chǔ)，能大幅度改善信息技術(shù)和自動化技術(shù)的設(shè)備數(shù)據(jù)集成，減少工程量、現(xiàn)場驗收、運行、監(jiān)視、診斷和維護等費用，節(jié)約大量時間，增加了自動化系統(tǒng)使用期間的靈活性。它解決了變電站自動化系統(tǒng)產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換問題，為不同廠商的智能電子設(shè)備實現(xiàn)互操作和系統(tǒng)無縫集成提供了有效的途徑[8]。采用該標(biāo)準(zhǔn)還可使變電站自動化設(shè)備具有自描述、自診斷和即插即用（Plug and Play）的特性，極大地方便了系統(tǒng)的集成，降低了變電站自動化系統(tǒng)的工程費用。代表了變電站自動化技術(shù)未來的發(fā)展方向[9]。

該系列裝置通過以太網(wǎng)方式支持IEC61850中服務(wù)器端功能，具體的通信服務(wù)功能描述如下。

（1）關(guān)聯(lián)。使用Associate（關(guān)聯(lián)）、Abort（異常中止）和Release（釋放）服務(wù)。

支持同時與不少于12個客戶端建立連接。

（2）目錄類服務(wù)。GetServerDirectory（服務(wù)器目錄）、GetLogicalDeviceDirectory（邏輯設(shè)備目錄）、Get LogicalNodeDirectory（邏輯節(jié)點目錄）、GetDataDirectory（讀數(shù)據(jù)目錄）、GetDataDefinition（讀數(shù)據(jù)定義）。

（3）數(shù)據(jù)集。支持GetDataSetDirectory（讀數(shù)據(jù)集定義）和GetDataSetValues（讀數(shù)據(jù)集值）服務(wù)不要求支持創(chuàng)建數(shù)據(jù)集（CreateDataSet）、刪除數(shù)據(jù)集（DeleteDataSet）。

（4）取代。測控裝置支持該功能，可方便用于現(xiàn)場調(diào)試。

（5）定值組控制。支持SelectActiveSG（選擇激活定值組）、SelectEditSG（選擇編輯定值組）、SetSGValuess（設(shè)置定值組值）、ConfirmEditSGValues（確認編輯定值組值）、GetSGValues（讀定值組值）和GetSGCBValues（讀定值組控制塊值）服務(wù)。

定值更改嚴格控制流程，在使用GetSGValues和SetSGValuess服務(wù)讀編輯組定值和更改定值之前，客戶端應(yīng)調(diào)用SelectEditSG服務(wù)選擇編輯組定值；否則，服務(wù)器應(yīng)對這2種服務(wù)返回錯誤。

該系列裝置的IED只定義了一個SGCB，定值組切換時整體切換。

（6）報告。支持Report（報告）、GetBRCBValues（讀緩存報告控制塊值）、SetBRCBValues（設(shè)置緩存報告控制塊值）、GetURCBValues（讀非緩存報告控制塊值）、SetURCBValues（設(shè)置非緩存報告控制塊值）服務(wù)。

數(shù)據(jù)集在SCD文件中定義，不支持數(shù)據(jù)集動態(tài)創(chuàng)建和修改。

支持IntgPd和GI[10]。支持客戶端設(shè)置OptFlds和Trgop。至少支持12個實例。

（7）日志。本系列裝置可選擇實現(xiàn)本功能。

（8）控制。使用SelectWithValue （帶值的選擇）、Cancel（取消）和Operate（操作）服務(wù)。

開關(guān)刀閘遙控使用sbo-with-enhenced security方式。

裝置復(fù)歸使用Direct control with normal security方式。

控制操作時應(yīng)初始化相關(guān)參數(shù)（ctlModel等）。

（9）GOOSE。裝置接收方會嚴格檢查AppID、Ref、DataSet等參數(shù)是否匹配。

GoCB自動使能，裝置上電就開始發(fā)送GOOSE報文。

GOOSE接收裝置通過檢測T0時間間隔的定時報文監(jiān)測GOOSE中斷告警，并會通過報告通知客戶端。

（10）時間。支持SNTP校時和硬節(jié)點校時結(jié)合或互為備用的方式；在備用方式下，優(yōu)先使用硬結(jié)點校時方式；在硬節(jié)點校時故障時，啟用SNTP校時。

支持IEEE1588對時方式。

（11）文件。支持GetFile（讀文件）和GetFileAttributeValues（讀文件屬性值）服務(wù)。

GetFileAttributeValues（讀文件屬性值）支持“*”和“*.*”方式，不應(yīng)要求客戶端指定目錄名。

錄波完成時，生成COMTADE格式的錄波文件，通過錄波報告通知客戶端。錄波文件存儲于COMTRADE文件目錄中。

支持客戶端以目錄和時間段2種方式調(diào)取錄波文件列表。

5 結(jié)語

本文對軌道交通直流供電系統(tǒng)中饋線保護進行了研究，給出軌道交通直流饋線保護系統(tǒng)方案。根據(jù)該方案研制的樣機已通過國家權(quán)威檢測機構(gòu)的型式試驗認證。

目前，該保護裝置已在工程現(xiàn)場實際運行，效果良好。

[1] 孟飛. 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)饋線保護研究[D]．華東交通大學(xué)，2012．

[2] 胡俊. 軌道交通牽引供電系統(tǒng)直流母線保護的研究與設(shè)計[D]. 北京交通大學(xué)，2011.

[3] 王軍，楊海英，李鋼，等. 地鐵牽引變電所直流保護隔離放大器的研制[J]. 城市軌道交通研究，2008，11（8）：43-46.

[4] 張宏荃，張杭，裴軍. 地鐵直流饋線微機保護裝置的研制[J]. 低壓電器，2009，（11）：17-20.

[5] 黃海浪. 大連地鐵直流牽引供電系統(tǒng)保護配置及整定研究[J]. 城市軌道交通研究，2013，16（3）：93-96.

[6] 曹莉. 城軌交通直流牽引饋線DDL保護及其功能分析[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2008，4（4）：21.

[7] 朱永利，王德文，王艷. 基于IEC 61850的電力遠動通信建模方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2009，33（21）：72-75.

[8] 王德文，邸劍，張長明. 變電站狀態(tài)監(jiān)測IED的IEC 61850信息建模與實現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2012，36（3）：81-85.

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[10] 章堅民，蔣世挺，金乃正，等. 基于IEC 61850的變電站電能量采集終端的建模與實現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2010，34（11）：67-71.

With regard to characteristics of DC power supply system for rail transportation, a trend of substation is developing to be more digitalized and intellectualized, on basis of study of rail transportation DC feeder protection abroad and overseas and standard of IEC 61850, a set of IEC 61850 based scheme for DC feeder protection device for rail transportation is formulated, and design of soft, hard wares as well as realization of IEC 61850 functions are offered with regard to the scheme.

DC power supply system of rail transportation; DC feeder protection; IEC 61850

U231.8

B

1007-936X(2015)02-0035-05

2014-08-21

王 宇.國電南瑞科技股份有限公司深圳分公司，工程師，電話：13632666681；史澤兵，郝后堂.國電南瑞科技股份有限公司深圳分公司，高級工程師；李肖博.國電南瑞科技股份有限公司深圳分公司，工程師。

科研項目：國網(wǎng)電力科學(xué)研究院、南京南瑞集團公司2011年科研項目。