馮劍冰，王化宗，謝金蓮

1 地鐵直流供電系統(tǒng)概述

地鐵直流供電系統(tǒng)從33 kV中壓系統(tǒng)的整流變引入電源，33 kV交流電經(jīng)整流機(jī)組降壓及整流后輸出1 500 V直流電，經(jīng)斷路器和上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)經(jīng)接觸網(wǎng)為地鐵車(chē)輛供電，實(shí)現(xiàn)直流牽引。圖1為地鐵直流供電網(wǎng)絡(luò)示意圖。正常運(yùn)行時(shí)，正線(xiàn)采用雙邊供電方式，牽引所饋出4路1 500 V電源，分別接到上下行接觸網(wǎng)，與相鄰牽引變電所構(gòu)成小雙邊供電；而當(dāng)正線(xiàn)任一座牽引變電所解列時(shí)，由相鄰的兩座牽引變電所越區(qū)構(gòu)成大雙邊供電，如B站解列時(shí)，2113、2124縱聯(lián)隔離開(kāi)關(guān)閉合，實(shí)現(xiàn)越區(qū)供電。

圖1 地鐵直流供電網(wǎng)絡(luò)示意圖

在雙邊供電方式下，當(dāng)故障發(fā)生在遠(yuǎn)端時(shí)，距離故障點(diǎn)較遠(yuǎn)的開(kāi)關(guān)檢測(cè)的故障電流較小，保護(hù)有可能不動(dòng)作。為避免向故障線(xiàn)路供電，直流饋線(xiàn)配置了雙邊聯(lián)跳功能，即當(dāng)一個(gè)所的直流饋線(xiàn)斷路器因某些保護(hù)跳閘的同時(shí)會(huì)發(fā)出聯(lián)跳指令，使為同一供電區(qū)供電的直流饋線(xiàn)斷路器跳閘。為此，在地鐵直流供電系統(tǒng)中，如何在保證可靠性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)、聯(lián)跳具有重要的研究意義。

2 現(xiàn)有直流供電系統(tǒng)保護(hù)方案

目前，地鐵直流供電系統(tǒng)直流開(kāi)關(guān)保護(hù)多通過(guò)采用多芯控制電纜傳輸開(kāi)關(guān)量信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)。雖然通過(guò)多芯電纜傳輸聯(lián)跳、保護(hù)等電信號(hào)的方式比較成熟，但也存在一些問(wèn)題：（1）站間控制電纜長(zhǎng)距離敷設(shè)易受電磁干擾，存在保護(hù)誤動(dòng)的可能；（2）對(duì)電纜的硬接線(xiàn)回路無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，無(wú)法有效避免斷線(xiàn)或接觸不良的情況；（3）電纜的施工布線(xiàn)工作量大，經(jīng)濟(jì)成本高。

為了解決以上問(wèn)題，本文介紹一種基于高可用性無(wú)縫環(huán)網(wǎng)協(xié)議（HSR）的地鐵直流供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)方案，采用GOOSE信號(hào)傳輸直流開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置間的聯(lián)跳信息，相較于傳統(tǒng)的硬接線(xiàn)方式具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3 基于HSR的地鐵直流供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地鐵直流供電系統(tǒng)中參與網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)的設(shè)備主要為直流繼電保護(hù)裝置。具備雙連接節(jié)點(diǎn)的直流繼電保護(hù)裝置通過(guò)裝置FPGA板上的光纖端口A和光纖端口B進(jìn)行首尾相連，構(gòu)建所內(nèi)的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于所間及跨所保護(hù)裝置的信息共享則通過(guò)環(huán)網(wǎng)冗余盒實(shí)現(xiàn)。

和傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式相比，該組網(wǎng)方案利用裝置本身的通信光口、環(huán)網(wǎng)冗余盒、光纖組建了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一規(guī)約，實(shí)現(xiàn)裝置之間的信息交互和共享；利用通信方式代替了傳統(tǒng)電纜硬接線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了直流繼電保護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)和快速聯(lián)跳，且支持?jǐn)?shù)據(jù)冗余傳輸及無(wú)縫切換，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體可靠性。基于GOOSE信號(hào)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，還可利用軟件配置實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能?？绛h(huán)光電冗余盒Quadbox模式如圖2所示。

圖2 跨環(huán)光電冗余盒Quadbox模式示意圖

3.2 關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備研制

地鐵直流供電系統(tǒng)的支持HSR協(xié)議的保護(hù)裝置原理框圖如圖3所示。設(shè)備研制關(guān)鍵在于采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯FPGA實(shí)現(xiàn)HSR冗余網(wǎng)絡(luò)通信功能，主要包括鏈路路由控制模塊、HSR模塊、配置數(shù)據(jù)解析模塊等。

圖3 基于HSR協(xié)議的保護(hù)裝置原理框圖

GOOSE報(bào)文通過(guò)光纖端口A和光纖端口B經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)入到FPGA，F(xiàn)PGA內(nèi)部的HSR模塊只接收最先到達(dá)的報(bào)文，對(duì)報(bào)文進(jìn)行HSR標(biāo)識(shí)的丟棄，再經(jīng)緩存和封裝后傳輸給CPU主板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。GOOSE報(bào)文由FPGA通過(guò)40pin接口傳給CPU主板，CPU主板根據(jù)報(bào)文內(nèi)容完成相應(yīng)信息的處理，將GOOSE信息參與到保護(hù)邏輯方程中，實(shí)現(xiàn)保護(hù)跳閘、聯(lián)跳與閉鎖。

當(dāng)保護(hù)裝置的GOOSE信息發(fā)生變化時(shí)，CPU主板通過(guò)40pin接口將信息傳給FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)HSR模塊將報(bào)文添加HSR標(biāo)識(shí)再?gòu)?fù)制為2份完全相同的報(bào)文，通過(guò)光纖端口A、端口B發(fā)送。

保護(hù)裝置的2個(gè)端口同時(shí)發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的2路傳輸，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。目的接收裝置基于HSR模塊的丟棄算法處理重復(fù)報(bào)文，選取首先到達(dá)的數(shù)據(jù)幀，丟棄后到達(dá)的數(shù)據(jù)幀，避免了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的形成。

為滿(mǎn)足HSR環(huán)與環(huán)間的信息交互需求，研制了環(huán)網(wǎng)冗余裝置。該環(huán)網(wǎng)冗余盒集成了Redbox和Quadbox功能，可實(shí)現(xiàn)單節(jié)點(diǎn)設(shè)備接入冗余網(wǎng)絡(luò)和HSR環(huán)間通信的功能，根據(jù)配置程序?qū)崿F(xiàn)不同應(yīng)用功能的切換，其硬件原理框圖如圖4所示。

圖4 環(huán)網(wǎng)冗余盒硬件原理框圖

裝置通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)HSR功能，配置了4個(gè)電口和4個(gè)光口，電口和光口的使用可根據(jù)配置程序定義。裝置參數(shù)的配置與工作模式的選擇等人機(jī)交互配置工作由ARM板中的CPU芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。CPU主要負(fù)責(zé)解析變電所配置描述文件（SCD）、環(huán)網(wǎng)通信裝置功能判斷、配置數(shù)據(jù)生成、配置數(shù)據(jù)組幀發(fā)送、配置響應(yīng)幀判斷等，而FPGA則負(fù)責(zé)網(wǎng)口數(shù)據(jù)判斷及組幀上送、配置解析、冗余控制等。

3.3 系統(tǒng)工作原理

基于HSR的地鐵直流供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)方案是基于GOOSE光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸原理，采用GOOSE光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬接線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)全所及全線(xiàn)的信息共享。

具備雙連接節(jié)點(diǎn)的保護(hù)裝置通過(guò)自帶的HSR光纖端口A和端口B以首尾相連的方式組建環(huán)網(wǎng),環(huán)與環(huán)之間通過(guò)環(huán)網(wǎng)冗余盒Quadbox實(shí)現(xiàn)信息的交互。同時(shí)，為防止2個(gè)環(huán)間的單點(diǎn)故障造成環(huán)之間的通信中斷，采用2個(gè)Quadboxes來(lái)保證通信的可靠性。2個(gè)環(huán)網(wǎng)冗余盒QuadBoxes通過(guò)以太網(wǎng)連接，組建并行耦合環(huán)。對(duì)于所內(nèi)的HSR環(huán)，2個(gè)環(huán)網(wǎng)冗余盒QuadBoxes分別通過(guò)光纖接口Mac0、Mac1與HSR環(huán)連接，實(shí)現(xiàn)HSR環(huán)間的信息交互。對(duì)于相鄰所間及跨所的信息交互，則通過(guò)光纖接口Mac2、Mac3連接，通過(guò)環(huán)網(wǎng)裝置接收、過(guò)濾、轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)內(nèi)信息的方式實(shí)現(xiàn)全線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)功能。

3.4 測(cè)試效果

在實(shí)驗(yàn)室搭建測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行功能驗(yàn)證。分別在小雙邊供電和大雙邊供電情況下，模擬圖1中A站直流饋線(xiàn)213開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，驗(yàn)證互操作的可靠性。為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可靠性，分別模擬以下3種情況下數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋?/p>

（1）QuadboxA和QuadboxB正常運(yùn)行情況下數(shù)據(jù)傳輸性能。測(cè)試記錄如表1、表2所示。（2）QuadboxA正常運(yùn)行，QuadboxB故障情 況下數(shù)據(jù)傳輸性能。測(cè)試記錄如表3、表4所示。

表1 小雙邊供電下的測(cè)試記錄

表2 大雙邊供電下的測(cè)試記錄

表3 小雙邊供電下的測(cè)試記錄

表4 大雙邊供電下的測(cè)試記錄

（3）QuadboxB正常運(yùn)行，QuadboxA故障情 況下數(shù)據(jù)傳輸性能。測(cè)試記錄如表5、表6所示。

表5 小雙邊供電下的測(cè)試記錄

表6 大雙邊供電下的測(cè)試記錄

3.5 測(cè)試結(jié)論

采用基于HSR的地鐵直流供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)方案，利用環(huán)網(wǎng)裝置接收、過(guò)濾、轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)內(nèi)信息的方式實(shí)現(xiàn)全線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)以及聯(lián)跳功能，實(shí)現(xiàn)了所內(nèi)及所間數(shù)據(jù)的快速傳輸和共享，實(shí)現(xiàn)了通信冗余的同時(shí)保證了協(xié)議的一致性。與傳統(tǒng)的保護(hù)方案對(duì)比，該方案在保證可靠性的同時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間更短。

4 結(jié)語(yǔ)

基于HSR的地鐵直流供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)方案實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)發(fā)生單節(jié)點(diǎn)故障情況下的無(wú)縫切換，滿(mǎn)足地鐵供電系統(tǒng)對(duì)信息傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性的要求，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。