劉雅杰 謝金蓮 賴沛鑫 王文浩 招康杰 余 龍

(1. 廣州市揚新技術(shù)研究有限責(zé)任公司, 510540, 廣州; 2. 廣州白云電器設(shè)備股份有限公司, 510460, 廣州∥第一作者, 助理工程師)

由于存在保護時間級差問題,傳統(tǒng)地鐵供電系統(tǒng)的繼電保護方案正被網(wǎng)絡(luò)化保護方案逐漸取代?；贗EC 61850:2004的GOOSE(面向通用對象的變電站事件)通信技術(shù)被逐漸用于地鐵供電系統(tǒng)的繼電保護方案中。GOOSE通信技術(shù)采用光纖通信的方式,利用光信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜硬接線,其不但提高了繼電保護性能,擴展了繼電保護功能,還提高了信息傳輸?shù)目垢蓴_與抗腐蝕能力。此外,GOOSE通信技術(shù)的應(yīng)用不但能夠降低現(xiàn)場布線的復(fù)雜程度,還能夠減少工程成本投入[1-2]。

現(xiàn)階段,地鐵變電站站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化繼電保護方案一般采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),為了保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性,主要通過投入雙倍的交換機組建雙星型網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)冗余功能。站間的繼電保護方案大多是通過光纖或電纜硬接線以點對點的方式直連?，F(xiàn)階段的繼電保護方案解決了站內(nèi)的數(shù)據(jù)共享問題,但依托交換機組網(wǎng)存在組網(wǎng)復(fù)雜、故障概率增大、運維工作量增加及延時不確定等問題。此外,站間點對點的直連模式還存在信息交互能力差等問題。

國際電工標準委員會IEC SC65委員會第15工作組推出了IEC 62439:2008標準,其中IEC 62439-3:2010中的HSR(高可用性無縫環(huán))協(xié)議為變電站提供了高可靠性組網(wǎng)解決方案。目前,國外已在變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中應(yīng)用了HSR,國內(nèi)雖然也做了相關(guān)研究[3],但由于國內(nèi)外應(yīng)用場景的差異,其在軌道交通行業(yè)的研究較少。

鑒于此,本文通過分析現(xiàn)有的地鐵供電系統(tǒng)繼電保護方案,結(jié)合繼電保護產(chǎn)品,提出一種基于HSR的地鐵供電系統(tǒng)跨站網(wǎng)絡(luò)化保護方案,以解決目前地鐵供電系統(tǒng)繼電保護網(wǎng)絡(luò)化存在的不足。

1 地鐵供電系統(tǒng)繼電保護裝置現(xiàn)狀概述

地鐵供電系統(tǒng)繼電保護組網(wǎng)示意圖如圖1所示。為了保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性,站內(nèi)主要通過投入雙倍交換機組建雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即通過網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余。通過交換機組建的雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解決了站內(nèi)數(shù)據(jù)的共享問題,但需配置雙重設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)冗余功能,增加了設(shè)備的投資和現(xiàn)場的組網(wǎng)復(fù)雜度,相應(yīng)設(shè)備的故障概率、運維工作量等都會有所增加。此外,交換機采用帶避撞的載波偵聽多路接入機制,其交換機信息傳遞延時具有無法預(yù)測的隨機性。

注:N表示第N根饋線。

站間保護裝置的信息交互(如目前站間35 kV中壓交流系統(tǒng)的數(shù)字過流保護)將裝置通過光纖以點對點的方式直連,站間直流裝置間的信息交互則多是通過電纜硬接線或繼電器實現(xiàn)[4]。繼電器和電纜硬接線都沒有實時監(jiān)控的功能,繼電器使用時間過長會導(dǎo)致觸點吸合動作不可靠,電纜硬接線易受電磁干擾,且存在電纜硬接線虛接、斷裂進而導(dǎo)致裝置繼電保護動作拒跳、誤跳的隱患。這為供電系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性帶來了極大的不確定性。此外,點對點模式易導(dǎo)致站間信息交互能力差,不能實現(xiàn)全線的數(shù)據(jù)共享,不利于地鐵智能化高級應(yīng)用功能的開展(如故障分析、故障定位、系統(tǒng)自愈等)。

2 HSR概況

HSR可實現(xiàn)單節(jié)點故障時的無縫切換,能真正實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊的零丟包、零切換,具有優(yōu)異的故障恢復(fù)性能。HSR結(jié)構(gòu)及原理示意圖如圖2所示。

注:CPU為中央處理器;SAN為單連接節(jié)點設(shè)備;“×”表示數(shù)據(jù)在此節(jié)點無法流通。

一個簡單的HSR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由多個DANH(雙連接交換節(jié)點)設(shè)備構(gòu)成,每個節(jié)點有2個環(huán)網(wǎng)接入端口,以全雙工鏈路連接工作[5]。當(dāng)源DANH需要發(fā)送報文時,先在報文中加入HSR標簽并復(fù)制2份,分別通過裝置的2個端口沿環(huán)網(wǎng)兩個方向分別發(fā)送,目標DANH會在不同時間的不同端口接收到2個重復(fù)的報文。使用丟棄算法,目標節(jié)點在接收到其中一份先到達的報文后會移除HSR標簽并送到高層協(xié)議,同時丟棄下一個接收到的重復(fù)報文。對于不是目標節(jié)點所需的報文,將其從另一端口轉(zhuǎn)發(fā)給下一個節(jié)點。

HSR采用節(jié)點冗余技術(shù),在鏈路層上能夠?qū)崿F(xiàn)報文的“雙發(fā)雙收”,源節(jié)點信息通過2個不同路徑進行傳輸,可以在不增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的基礎(chǔ)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余,實現(xiàn)真正意義上的無縫切換,同時也擺脫了對交換機的依賴。采用HSR技術(shù)組網(wǎng)具有工程費用較低、組網(wǎng)簡單、施工便利等優(yōu)點。

HSR單個環(huán)網(wǎng)接入設(shè)備數(shù)量有限,因此HSR適合在二次設(shè)備數(shù)量不多的工程場合應(yīng)用[6]。現(xiàn)有繼電保護裝置的數(shù)據(jù)處理能力非常強大,完全具備處理小規(guī)模HSR環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。地鐵供電系統(tǒng)主要包括35 kV中壓供電系統(tǒng)和DC 1 500 V直流牽引系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)化保護涉及35 kV交流保護裝置和DC 1 500 V直流保護裝置。按常規(guī)配置來看,交直流保護裝置分別分布在不同房間,高壓開關(guān)柜室的35 kV交流保護裝置包括進線保護裝置、出線保護裝置、母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)保護裝置、整流變保護裝置和動力變保護裝置。直流開關(guān)柜室的DC1 500 V直流保護裝置包括直流進線保護裝置、直流饋線保護裝置和負極柜保護裝置。這些裝置雖然種類較多,但每個設(shè)備房中的保護設(shè)備數(shù)量較少,適用于HSR環(huán)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。

3 基于HSR的跨站網(wǎng)絡(luò)化保護方案

3.1 組網(wǎng)方案

基于HSR的地鐵供電系統(tǒng)跨站網(wǎng)絡(luò)化保護組網(wǎng)方案示意圖如圖3所示。站內(nèi)同一設(shè)備房內(nèi)的繼電保護裝置(支持HSR的雙節(jié)點設(shè)備)可通過裝置自帶的2個光纖端口以首尾相連的方式組建環(huán)網(wǎng),并完成冗余網(wǎng)絡(luò)的搭建。對于不支持HSR的繼電保護裝置或其他智能設(shè)備,則可通過環(huán)網(wǎng)冗余盒裝置的任一光纖接口(以下簡稱“光口”)接入,實現(xiàn)與HSR的信息交互。環(huán)與環(huán)之間通過環(huán)網(wǎng)冗余盒的Quadbox功能來實現(xiàn)信息的交互。同時,為防止2個環(huán)間的單點故障造成環(huán)之間的通信中斷,采用2個環(huán)網(wǎng)冗余盒組網(wǎng)來保證通信的可靠性。其中,這2個環(huán)網(wǎng)冗余盒通過以太網(wǎng)連接電口,組建并行耦合環(huán)。對于站內(nèi)不同設(shè)備房的HSR,2個環(huán)網(wǎng)冗余盒分別通過光口Mac0、Mac1與HSR連接,實現(xiàn)HSR環(huán)間的信息交互。對于相鄰站間及跨站的信息交互,則通過光口Mac2、Mac3連接,通過環(huán)網(wǎng)冗余盒接收、過濾、轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)內(nèi)信息的方式實現(xiàn)跨站的信息交互。

注:Redbox指環(huán)網(wǎng)冗余盒的單節(jié)點功能。

目前,在地鐵行進地區(qū),35 kV中壓交流側(cè)繼電保護與1 500 V直流側(cè)繼電保護之間仍存在兩者界限分明的情況,兩者之間尚沒有網(wǎng)絡(luò)連接。而通過上述組網(wǎng)方案可以將交流側(cè)和直流側(cè)間的繼電保護裝置構(gòu)成信息聯(lián)系,打破以往交直流側(cè)繼電保護信息流動界限分明的狀況。通過此組網(wǎng)方式可以實現(xiàn)全線各站的數(shù)據(jù)流動,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,為未來更多的地鐵智能化高級應(yīng)用功能的開展奠定基礎(chǔ)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備

3.2.1 繼電保護裝置

繼電保護裝置的研制要點在于采用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)來實現(xiàn)HSR雙網(wǎng)冗余通信。FPGA板卡模塊通過數(shù)據(jù)總線與IEC 61850通信板卡構(gòu)成數(shù)據(jù)聯(lián)系,IEC 61850通信板卡對外擴展兩路傳輸速率為100 Mibit/s的光纖端口E和F。同一GOOSE報文在不同時間通過光纖端口E和F傳送至IEC 61850通信板卡的數(shù)據(jù)模塊,后經(jīng)數(shù)據(jù)總線送至FPGA芯片模塊。由于丟棄算法的作用,FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模塊只接收最先到達的GOOSE報文,對其進行HSR標識的丟棄,后經(jīng)報文封裝由40針管腳傳給CPU主板,再由CPU主板根據(jù)報文的內(nèi)容完成相應(yīng)的操作,避免了在繼電保護裝置中形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

當(dāng)繼電保護裝置發(fā)送GOOSE報文時,FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模塊將報文添加HSR標識,再復(fù)制為2份完全相同的報文,通過光纖端口E和F發(fā)送出去。對于不是繼電保護裝置自身需要的報文,則從其中一個端口輸入,從另一端口轉(zhuǎn)發(fā)。

每個繼電保護裝置可以通過自身的2個光口以“手拉手”的模式首尾串接成環(huán),完成站內(nèi)同一設(shè)備房冗余網(wǎng)絡(luò)的搭建,實現(xiàn)環(huán)內(nèi)的信息交互與共享。

3.2.2 環(huán)網(wǎng)冗余盒裝置

環(huán)網(wǎng)冗余盒的數(shù)據(jù)處理機制與繼電保護裝置的數(shù)據(jù)處理機制相同,只需將繼電保護裝置的FPGA、IEC 61850通信板卡及其外圍電路進行擴展,即可研制出環(huán)網(wǎng)冗余盒裝置。該環(huán)網(wǎng)冗余盒裝置主要由內(nèi)部核心芯片模塊(如FPGA)和外部接口模塊組成。內(nèi)部核心芯片模塊能夠完成配置參數(shù)、選擇工作模式及實現(xiàn)HSR功能。外部接口模塊包括4個光口和2個電口(標準接口數(shù)量,可擴展),電口和光口的使用可根據(jù)配置程序來定義,用于在實際工作模式中實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)冗余盒的Redbox或Quadbox功能。

HSR通過環(huán)網(wǎng)冗余盒在Quadbox模式下實現(xiàn)信息共享,而對于不支持HSR的設(shè)備,則通過Redbox模式實現(xiàn)與HSR環(huán)間的信息共享。對于不支持HSR的單節(jié)點設(shè)備、站內(nèi)不同設(shè)備房的HSR及站間的信息交互均可通過設(shè)置環(huán)網(wǎng)冗余盒裝置的數(shù)據(jù)流向來實現(xiàn)。

在本環(huán)接收端建立MAC(媒體存取控制)地址接收過濾表,即預(yù)設(shè)將要接收數(shù)據(jù)的MAC地址,以表明該數(shù)據(jù)是從對環(huán)過來的數(shù)據(jù),再用作本環(huán)環(huán)間發(fā)送數(shù)據(jù)的過濾條件,進而防止從對環(huán)進入的數(shù)據(jù)再從本環(huán)返給對環(huán)的現(xiàn)象,有效避免了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的產(chǎn)生。

4 試驗驗證

本文通過在實驗室搭建測試平臺來模擬地鐵同一線路相鄰3個變電站間保護裝置的數(shù)據(jù)流動,驗證HSR組網(wǎng)方案的網(wǎng)絡(luò)通信可靠性和實時性。HSR組網(wǎng)測試示意圖如圖4所示。該測試平臺由變電站A、B、C組成,按常規(guī)的正線牽引降壓變電所來計,每個站里有高壓開關(guān)柜室和直流開關(guān)柜室。直流開關(guān)柜室的DC 1 500 V直流保護裝置共有7臺,包括2臺進線保護裝置、4臺饋線保護裝置和1臺負極柜保護裝置。變電站A的213A開關(guān)保護裝置、變電站B的211B開關(guān)保護裝置、變電站B的213B開關(guān)保護裝置和變電站C的211C開關(guān)保護裝置間存在GOOSE信息交互。

注:n表示第n個交流保護裝置;FIG為負極柜的標號;路徑2的信息數(shù)據(jù)流向是非正常狀態(tài)的信息數(shù)據(jù)流向(Quadbox4和Quadbox6的跨站光纖故障)。

4.1 網(wǎng)絡(luò)可靠性

基于HSR的工作原理,環(huán)內(nèi)每臺繼電保護裝置的報文被復(fù)制成2份,并通過繼電保護裝置的2個光口在不同方向進行傳輸,環(huán)間及站間各繼電保護裝置的數(shù)據(jù)信息通過2臺冗余盒組成的并行耦合環(huán)的兩路通道進行傳輸。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任一元件或鏈路故障致使某個方向阻塞時,報文均能沿另一個方向傳遞至目的地址。例如,在變電站A的開關(guān)213A保護裝置發(fā)送GOOSE報文給變電站B直流開關(guān)柜室的開關(guān)211B保護裝置過程中,路徑3和路徑4是報文傳輸?shù)?條路徑,當(dāng)任一路徑出現(xiàn)斷點不通時,能從另一路徑進行報文流動,充分保證了GOOSE報文傳遞的可靠性。由于HSR組網(wǎng)方案采用不同的路徑傳遞相同的報文,因此HSR不需要像環(huán)形拓撲一樣進行RSTP(快速生成樹協(xié)議)計算,完全避免了網(wǎng)絡(luò)切換時間和數(shù)據(jù)丟包風(fēng)險[2]。因此,通過HSR組網(wǎng)具有不亞于雙星型網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

4.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸實時性

通過模擬直流牽引供電系統(tǒng)的不同模式來驗證所提方案的網(wǎng)絡(luò)傳輸實時性,直流牽引供電系統(tǒng)示意圖如圖5所示。正常運行時,正線采用雙邊供電方式,牽引所饋出4路1 500 V電源,分別接觸上下行接觸網(wǎng),與相鄰牽引變電所構(gòu)成雙邊供電。例如,變電站A直流開關(guān)柜室的開關(guān)213A和變電站B直流開關(guān)柜室的開關(guān)211B共同為第一區(qū)域供電,變電站B直流開關(guān)柜室的開關(guān)213B、和變電站C直流開關(guān)柜室的開關(guān)211C共同為第二分區(qū)供電。當(dāng)正線任一座牽引變電所解列時,由相鄰的兩座牽引變電所越區(qū)構(gòu)成大雙邊供電。例如,變電站B解列時,2113、2124縱聯(lián)隔離開關(guān)閉合,變電站A的開關(guān)213A和變電站C的開關(guān)211C實現(xiàn)越區(qū)供電。

注:圖中數(shù)字均表示開關(guān)單元。

數(shù)據(jù)傳輸延時t的計算公式為:

t=ta+tb+tc

(1)

式中:

ta——報文發(fā)送時,繼電保護裝置通信處理器的處理時間;

tc——報文接收時,繼電保護裝置通信處理器的處理時間,該時間為固定時間,與裝置的硬件配置相關(guān);

tb——網(wǎng)絡(luò)傳輸延時,一般計算數(shù)據(jù)延時只考慮tb。

相比于交換機的存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式,HSR通過直通轉(zhuǎn)發(fā)模式傳遞數(shù)據(jù)包,能夠有效減少數(shù)據(jù)傳輸延時。節(jié)點接收到MAC幀頭即開始轉(zhuǎn)發(fā)幀,發(fā)送的最大幀長度為1 530 B,傳輸速率為100 Mibit/s,每個節(jié)點最大數(shù)據(jù)傳輸延時為123 μs;信號在光纜中的傳輸延時為2/3倍光速,即1 000 m的光纜傳輸延時約為5 μs,可以忽略不計[7]。

1)在雙邊供電模式下,模擬變電站A的開關(guān)213A過流保護動作,同時聯(lián)跳變電站B直流開關(guān)柜室的開關(guān)211B,變電站A的開關(guān)213A和變電站B的開關(guān)211B間通過GOOSE進行信息交互。

路徑3經(jīng)過3臺繼電保護裝置和2臺冗余盒,此路徑經(jīng)過的裝置最少,即傳輸延時最小。路徑4經(jīng)過11臺繼電保護裝置和2臺環(huán)網(wǎng)冗余盒,此路徑經(jīng)過的裝置數(shù)最多,即傳輸延時最大。雙邊供電模式下,變電站A的開關(guān)213A過流保護和變電站B的開關(guān)211B保護聯(lián)跳測試記錄如表1所示。由表1可知,繼電保護裝置動作正常,滿足實時性和可靠性要求。

表1 雙邊供電模式下變電站A的開關(guān)213A過流保護和變電站B的開關(guān)211B保護聯(lián)跳測試記錄

2) 在大雙邊供電模式下,模擬變電站A的開關(guān)213A過流保護動作,同時聯(lián)跳變電站C的開關(guān)211C,變電站A的開關(guān)213A和變電站C的開關(guān)211C間通過GOOSE進行信息交互。

路徑1經(jīng)過3臺繼電保護裝置和3臺冗余盒,此路徑經(jīng)過的裝置最少,即傳輸延時最小;路徑2經(jīng)過18臺繼電保護裝置和5臺冗余盒,此路徑經(jīng)過的裝置數(shù)最多,即傳輸延時最大。大雙邊供電模式下,變電站A的開關(guān)213A過流保護和變電站C的開關(guān)211C保護聯(lián)跳測試記錄如表2所示。由表2可知,繼電保護裝置動作正常,滿足實時性和可靠性要求。

表2 大雙邊供電模式下變電站A的開關(guān)213A過流保護和變電站C的開關(guān)211C保護聯(lián)跳測試記錄

5 經(jīng)濟效益

采用基于HSR的地鐵供電系統(tǒng)跨站網(wǎng)絡(luò)化保護方案,同一設(shè)備房利用繼電保護裝置自身光口以“手拉手”模式組建冗余網(wǎng)絡(luò),站內(nèi)及站間的不同設(shè)備房則通過冗余盒裝置完成信息交互。相比于現(xiàn)階段為了網(wǎng)絡(luò)可靠性而采用的地鐵供電系統(tǒng)站內(nèi)雙倍交換機組建雙星型冗余網(wǎng)絡(luò)方案,所提保護方案省去了交換機的使用,使得變電站內(nèi)裝置數(shù)量減少,故障概率降低,運維工作量減少。此外,所提保護方案中所有繼電保護裝置不必將光纖匯總至交換機處接線,減少了現(xiàn)場布線的復(fù)雜度,使得工程前期成本和后期運維費用大大降低,其經(jīng)濟效益可觀。

6 結(jié)語

本文提出一種基于HSR的地鐵供電系統(tǒng)跨站網(wǎng)絡(luò)化保護方案,并給出了具體的組網(wǎng)方案。HSR網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)在地鐵供電系統(tǒng)繼電保護網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單節(jié)點故障情況下的無縫切換,滿足地鐵供電系統(tǒng)對信息傳輸實時性和可靠性的要求,同時其前期工程成本和后期運維成本都能夠大大降低,具有一定的推廣應(yīng)用價值,可為地鐵供電系統(tǒng)繼電保護跨站網(wǎng)絡(luò)化保護提供參考。