馮劍冰 鄭淳淳 謝金蓮 劉禹興 賴沛鑫 余 龍

(1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院,510641,廣州; 2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司,511430,廣州;3.廣州白云電器設(shè)備股份有限公司,510460,廣州∥第一作者,高級工程師)

0 引言

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)方案(以下簡稱“現(xiàn)有保護(hù)方案”)實(shí)現(xiàn)了變電所內(nèi)保護(hù)裝置間的信息交互,基于交換機(jī)組建的雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。變電所間保護(hù)裝置間的信息交互則通過電纜硬接線和中間繼電器傳輸保護(hù)聯(lián)跳、閉鎖等電信號的方案來實(shí)現(xiàn)?；陔娎|硬接線和中間繼電器的所間信息傳輸方案比較成熟[1],其二次回路簡單,然而卻存在無法實(shí)時監(jiān)測二次回路狀態(tài)、控制電纜長距離傳輸易受電磁干擾[2]而導(dǎo)致保護(hù)誤動等不足,影響了供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

隨著地鐵供電系統(tǒng)智能化的發(fā)展,對供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。區(qū)域保護(hù)、長距離供電及故障定位等需求凸顯,現(xiàn)有單體保護(hù)裝置配置的保護(hù)功能已無法滿足當(dāng)前需求。隨著IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)在城市軌道交通智能化變電站的推廣應(yīng)用,探索實(shí)現(xiàn)廣域的信息共享方式,實(shí)現(xiàn)廣域的保護(hù)功能,對提高供電系統(tǒng)的可靠性、靈敏性以及運(yùn)維的智能化水平具有重要的意義。

本文對基于GOOSE(面向通用對象的變電站事件)通信技術(shù)的直流牽引供電系統(tǒng)跨所域網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)方案(以下簡稱“GOOSE跨所域保護(hù)方案”)進(jìn)行研究,通過基于GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了高速的信息共享,在滿足原有保護(hù)、閉鎖功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)功能的擴(kuò)展。

1 方案架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 GOOSE跨所域保護(hù)方案的架構(gòu)

直流牽引供電系統(tǒng)跨所傳輸?shù)男畔ūＷo(hù)聯(lián)跳信息、上網(wǎng)隔離開關(guān)與縱聯(lián)隔離開關(guān)的閉鎖信息。目前所間裝置的信息交互主要涉及到間隔層的設(shè)備。為保證信息傳輸?shù)膶?shí)時性與安全性,以及工程應(yīng)用的便捷性,需合理配置間隔層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[3]。

跨所數(shù)據(jù)傳輸量是影響傳輸實(shí)時性的重要因素。大量數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸會占用網(wǎng)絡(luò)資源,降低數(shù)據(jù)處理的實(shí)時性,目前多采用劃分VLAN(虛擬局域網(wǎng))隔離數(shù)據(jù)的方式,該方式存在工程配置復(fù)雜、難以維護(hù)的缺點(diǎn)。

針對工程應(yīng)用的便捷性需求,GOOSE跨所域保護(hù)方案采用光纖點(diǎn)對點(diǎn)的間隔層組網(wǎng)模式,變電所間裝置通過獨(dú)立光纖通道直連。為增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性,保護(hù)聯(lián)跳信息、閉鎖信息分別由直流保護(hù)裝置和測控裝置來傳輸。GOOSE跨所域保護(hù)方案的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注:A_2113、A_2114為A變電站測控裝置編號;A_211為A變電站直流饋線211回路的直流保護(hù)裝置編號;余類同。

如圖1所示:直流饋線每個間隔均配置了具備數(shù)字化GOOSE功能的直流保護(hù)裝置,以完成本間隔的故障保護(hù);同一供電區(qū)間的2臺直流保護(hù)裝置通過基于GOOSE通信的獨(dú)立光纖通道直連,以實(shí)現(xiàn)所間保護(hù)聯(lián)跳信息的共享;每個牽引變電所配置2臺具備數(shù)字化GOOSE通信功能的測控裝置,分別完成對左右接觸網(wǎng)上網(wǎng)隔離開關(guān)和縱聯(lián)隔離開關(guān)位置信息的采集[4],通過獨(dú)立的光纖通道將本站的信息傳輸給鄰站,實(shí)現(xiàn)閉鎖信息共享;牽引變電所內(nèi)的直流保護(hù)裝置與測控裝置通過原有的所內(nèi)GOOSE網(wǎng)絡(luò)來交換開關(guān)位置及跳閘命令等信息。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

GOOSE跨所域保護(hù)方案通過GOOSE光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬接線,建立了直流牽引供電系統(tǒng)的連接通道,實(shí)現(xiàn)了廣域信息的共享。其關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在于擴(kuò)展了直流保護(hù)裝置和測控裝置的邏輯節(jié)點(diǎn)。

直流保護(hù)裝置和測控裝置各配置3個光口,其中2個光口與牽引變電所內(nèi)的GOOSE網(wǎng)絡(luò)相連,1個光口與相鄰所的相關(guān)裝置直連。在原有支持IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)的通信裝置基礎(chǔ)上,基于IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)采用SCL(變電站配置描述語言)建模,增設(shè)PSCH(保護(hù)聯(lián)跳信息邏輯節(jié)點(diǎn))、CILO(閉鎖信息邏輯節(jié)點(diǎn))、RTPC(通道監(jiān)視信息邏輯節(jié)點(diǎn)),以及各邏輯節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的通信數(shù)據(jù)集。通過對原邏輯節(jié)點(diǎn)包含的物理功能進(jìn)行研究,結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用需求,對邏輯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展,建立GOOSE跨所域保護(hù)方案的完整信息模型。其中:RTPC定義了通信信道方面的監(jiān)視信息(如通道的誤碼率及幀錯誤率等),實(shí)現(xiàn)對通道異常的報警;PSCH定義了保護(hù)聯(lián)跳的信息;CILO定義了聯(lián)閉鎖的信息。

GOOSE跨所域保護(hù)方案引入間隔層五防的概念,通過測控裝置的自定義編程邏輯控制閉鎖節(jié)點(diǎn)輸出,并將閉鎖節(jié)點(diǎn)串聯(lián)在開關(guān)的控制回路中,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對上網(wǎng)隔離開關(guān)與縱聯(lián)隔離開關(guān)的閉鎖與聯(lián)鎖功能[5]。

2 GOOSE跨所域保護(hù)方案的功能實(shí)現(xiàn)

2.1 直流數(shù)字通信過電流保護(hù)功能

當(dāng)直流供電系統(tǒng)發(fā)生區(qū)間短路時,同一供電區(qū)間的直流保護(hù)裝置流向短路點(diǎn)的電流方向一致。基于這一原理,GOOSE跨所域保護(hù)方案擴(kuò)展了直流數(shù)字通信過電流保護(hù)功能。擴(kuò)展后的直流數(shù)字通信過電流保護(hù)功能可有效解決某區(qū)間發(fā)生短路故障引起相鄰牽引變電所饋線發(fā)生保護(hù)動作從而導(dǎo)致正線大范圍停電的難題。

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)區(qū)間短路時的電流狀態(tài)如圖2所示,當(dāng)發(fā)生k1點(diǎn)短路故障時,直流保護(hù)裝置A_214、B_212、B_214、C_212均感應(yīng)到故障電流Ik1,其中流過A_214、B_214及C_212的故障電流方向是流入接觸網(wǎng),流過B_212的故障電流方向是從接觸網(wǎng)流出。若A_214和B_212的兩側(cè)電流方向不一致,則可判斷出故障點(diǎn)不在該區(qū)間內(nèi),直流保護(hù)裝置由此閉鎖過電流保護(hù)、電流增量ΔI保護(hù)、電流上升率di/dt保護(hù)等相關(guān)保護(hù)功能,保護(hù)不動作;若B_214和C_212的兩側(cè)電流方向一致,則可判斷出故障點(diǎn)在該區(qū)間內(nèi),直流保護(hù)裝置由此開放過電流保護(hù)、電流增量ΔI保護(hù)、電流上升率di/dt保護(hù)等相關(guān)保護(hù)功能,保護(hù)動作。直流數(shù)字通信過電流保護(hù)邏輯如圖3所示。

圖2 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)區(qū)間短路時的電流狀態(tài)示意圖

圖3 直流數(shù)字通信過電流保護(hù)邏輯

2.2 雙邊聯(lián)跳保護(hù)功能

直流牽引供電系統(tǒng)的雙邊聯(lián)跳功能按供電模式不同可分小雙邊模式和大雙邊模式。本文以左邊接觸網(wǎng)為例對不同模式下的雙邊聯(lián)跳保護(hù)流程進(jìn)行說明。

在小雙邊模式下,直流保護(hù)裝置的信息交互方式與直流數(shù)字通信過電流保護(hù)的信息交互方式類似,均基于變電所間的同一供電分區(qū)直流保護(hù)裝置獨(dú)立光纖通道來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示,當(dāng)接觸網(wǎng)區(qū)間故障事故發(fā)生點(diǎn)(k2點(diǎn))靠近A變電所時,在A_213檢測到故障信息,且B_211未能檢測到故障信息或檢測到的故障信息不能啟動保護(hù)動作的情況下,保護(hù)聯(lián)跳信息傳輸?shù)穆窂饺缦?A_213動作后向B變電所發(fā)送保護(hù)聯(lián)跳信息,B_211接收到保護(hù)聯(lián)跳信息后動作,跳開斷路器。

在大雙邊模式下,所間直流保護(hù)裝置與牽引變電所內(nèi)直流保護(hù)裝置通過信息轉(zhuǎn)發(fā)的方式來實(shí)現(xiàn)信息交互。如圖2所示,當(dāng)接觸網(wǎng)區(qū)間故障事故發(fā)生點(diǎn)(k2點(diǎn))靠近A變電所時,在A_213檢測到故障信息,且C_211未能檢測到故障信息的情況下,保護(hù)聯(lián)跳信息傳輸?shù)穆窂饺缦? A_213監(jiān)測到故障電流跳開斷路器,并通過直連光纖將保護(hù)聯(lián)跳信息發(fā)送給B_211; B_213與B_211通過所內(nèi)GOOSE交換機(jī)進(jìn)行信息交互,將保護(hù)聯(lián)跳信息傳遞給到B_213; B_213再通過直連光纖將保護(hù)聯(lián)跳信息傳遞給到C_211直流保護(hù)裝置;C_211接收到聯(lián)跳信息后動作,跳開斷路器。

2.3 接觸網(wǎng)隔離開關(guān)閉鎖功能

隔離開關(guān)柜裝置如圖4所示。如圖4所示,接觸網(wǎng)隔離開關(guān)閉鎖功能通過變電所間的測控裝置與變電所內(nèi)測控裝置進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)的方式來實(shí)現(xiàn)。測控裝置A_2113與B_2113通過變電所間的光纖直連,B_2124與C_2124通過變電所間的光纖直連;A_2124將采集到的開關(guān)位置信息發(fā)送到A變電所的所內(nèi)GOOSE網(wǎng)絡(luò);A_2113從所內(nèi)的GOOSE網(wǎng)絡(luò)接收到A_2124采集的位置信息后,與本身采集的位置信息通過變電所間的通道發(fā)送到B_2113;B_2113將A變電所的位置信息發(fā)送到B變電所的所內(nèi)GOOSE網(wǎng)絡(luò);B_2124測控裝置從所內(nèi)的GOOSE網(wǎng)絡(luò)可接收到A變電所全部聯(lián)閉鎖所需要的隔離開關(guān)位置信息;類似的,測控裝置B_2124與C_2124的光纖將C變電所的隔離開關(guān)位置信息送到B變電所,至此B變電所可以接收到A變電所與C變電所的所有隔離開關(guān)位置信息。

注:201、202等為變電所中的直流進(jìn)線回路;211—214為變電所中的直流饋線回路;2113及2114為越區(qū)隔離開關(guān)。

3 保護(hù)方案的功能可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證GOOSE跨所域保護(hù)方案各功能的可靠性,在實(shí)驗(yàn)室搭建了網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)試驗(yàn)平臺進(jìn)行模擬驗(yàn)證。模擬故障短路點(diǎn)的示意圖如圖5所示。

圖5 模擬故障短路點(diǎn)示意圖

3.1 數(shù)字通信的過電流保護(hù)功能驗(yàn)證

如圖5所示,通過模擬直流供電系統(tǒng)區(qū)間(k3點(diǎn))發(fā)生故障,驗(yàn)證直流數(shù)字通信過電流保護(hù)動作的可靠性。

試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果如下:流過A_214與B_212的故障電流方向不一致時,直流保護(hù)裝置能可靠閉鎖A_214和B_212的過電流保護(hù),直流保護(hù)裝置不動作;流過B_214與C_212的故障電流方向一致時,直流保護(hù)裝置動作,跳開斷路器。

3.2 雙邊聯(lián)跳保護(hù)功能驗(yàn)證

如圖5所示,通過模擬直流饋線(k4點(diǎn))發(fā)生故障,驗(yàn)證雙邊聯(lián)跳的可靠性。

試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果如下:在小雙邊模式下,當(dāng)k4點(diǎn)發(fā)生過流故障后,A_213動作,并通過與B_211直連的GOOSE網(wǎng)絡(luò)將保護(hù)聯(lián)跳信息傳輸給B_211,在20 ms內(nèi)完成了保護(hù)聯(lián)跳;在大雙邊模式下,當(dāng)k4點(diǎn)發(fā)生過流故障后,A_213動作,并通過B_211與B_213將保護(hù)聯(lián)跳信息傳輸給C_211,在20 ms內(nèi)完成了保護(hù)聯(lián)跳。

3.3 縱聯(lián)隔離開關(guān)合閘閉鎖功能驗(yàn)證

通過試驗(yàn)?zāi)M來驗(yàn)證縱聯(lián)隔離開關(guān)合閘閉鎖的可靠性。

當(dāng)A_213、A_2113、B_211、B_213、C_211、C_2113等任一裝置對應(yīng)回路的開關(guān)在合位時,B_2113的控制閉鎖節(jié)點(diǎn)打開,B_2113縱聯(lián)隔離開關(guān)不能合閘。由模擬結(jié)果可知,GOOSE跨所域保護(hù)方案能可靠地閉鎖縱聯(lián)隔離開關(guān)的合閘。

4 結(jié)語

直流牽引供電系統(tǒng)按IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)要求建設(shè),構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)及閉鎖功能,其繼電保護(hù)等二次設(shè)備間的連接由光纖通信連接替代了傳統(tǒng)的電纜連接。變電所間的聯(lián)跳保護(hù)信息及閉鎖信息通過GOOSE光纖交換,可以有效地解決傳統(tǒng)硬接線方式存在的斷線、接觸不良導(dǎo)致的保護(hù)拒動、傳輸過程損耗及繼電器不匹配等問題,能滿足地鐵供電系統(tǒng)對信息傳輸實(shí)時性和可靠性的要求,同時還擴(kuò)展了區(qū)間網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)功能,為實(shí)現(xiàn)直流牽引供電系統(tǒng)跨所域的高級應(yīng)用功能提供了又一可選方案。