基于GOOSE機制的城市軌道交通中壓環網繼電保護方案優化

吳仕平 王漢林 呂良君

(國電南瑞南京控制系統有限公司，210061，南京∥第一作者，工程師)

城市軌道交通供電系統一般采用集中式和分散式2 種供電模式。不管哪種供電模式，35 kV 或10 kV 中壓供電系統將形成大分區或者小分區的網絡結構，即:將全線車站變電所劃分到若干個供電分區內，每個供電分區從主變電所(開閉所)引入兩回電源至分區內第一座車站變電所的Ⅰ、Ⅱ段母線，分區內車站變電所間采用環網電纜將Ⅰ、Ⅱ段母線分別連接在一起，形成開放式環形供電［1］。目前，這種供電模式下主要的保護配置是“光纖差動保護加過流保護”方案。該方案存在的主要問題是:差動保護的原理決定了其保護范圍的局限性，保護范圍僅是兩側電流互感器之間的環網線路，既不能保護斷路器柜故障，又不能作相鄰元件的后備保護。因此，當斷路器柜故障或差動保護故障時，只能依賴于過電流保護。而城市軌道交通中壓供電環網接線的特點決定了過電流保護需要靠延時配合獲取選擇性，其選擇性與中壓環網中每個環串的變電所數量，以及主變電站饋線側的過電流保護時間的設定密切相關。所以當采用大環串方案時，現有的保護方案在選擇性與速動性上不能同時滿足。現有的保護方案主要考慮供電線路發生故障的情況，而對母線故障的保護欠缺考慮。文獻［2］提出的保護方案在一定程度上能保證保護的選擇性和速動性，但其信號閉鎖機制完全基于傳統的硬接點接線方式，二次接線復雜，不利于施工和成本的降低。

近年來，隨著IEC 61850 在電力系統的逐步推廣，GOOSE(面向通用對象的變電站事件)成為IEC 61850 的一個全新應用。GOOSE 服務是以高速P2P(Peer-to-Peer)通信為基礎，替代了傳統的智能電子設備(IED)之間硬接線的通信方式，為邏輯節點間的通信提供了快速且高效可靠的方法［3-4］。為實現控制、保護、信號和通信一體化的多功能綜合保護測控裝置之間的聯網提供了可靠保證。因此，尋求一種基于GOOSE 機制的中壓環網保護方案應用于城市軌道交通中壓環網供電系統，對于城市軌道交通中壓環網供電系統的可靠運行至關重要。

1 基于GOOSE的數字通信電流保護方案

基于GOOSE 機制的微機保護在一些文獻中又稱之為數字通信電流保護［5-6］。數字通信電流保護是基于微機保護裝置間的網絡通信功能提出的一種新的保護方案，該保護方案是以GOOSE 通信為基礎的，以邏輯閉鎖為核心的網絡化保護方案。利用GOOSE 通信技術建立軌道交通供電系統變電站內及站間中壓保護裝置間的通信平臺。基于GOOSE的網絡化保護組網結構如圖1所示。

圖1 基于GOOSE 的網絡化保護組網結構

與保護相關的 GOOSE 信號分為:第 1 類GOOSE 信號、第 2 類 GOOSE 信號、第 3 類 GOOSE信號和第4 類GOOSE 信號。與這4 類信號相關聯的保護分別為GOOSE 閉鎖式電流保護、GOOSE 開放式電流保護、GOOSE 開放式失靈保護、GOOSE聯跳。第1 類GOOSE 信號對保護的作用是閉鎖住電流保護，第2、3、4 類 GOOSE 信號則是啟動相應的保護。如圖2所示的K1點故障，故障電流流過4DL 和1DL，圖中虛線箭頭代表第1 類GOOSE信號的傳送方向，實線箭頭代表第3 類GOOSE信號的傳送方向。當4DL 斷路器處的故障電流大于啟動定值后，4DL 斷路器的保護裝置立刻向1DL 傳送第 1 類 GOOSE 信號;與此同時 1DL 保護裝置收到4DL 啟動信號后，判定故障為母線區外故障，1DL 處電流保護被閉鎖。K1點故障由4DL 處配置的保護切除。而如果4DL 斷路器失靈，未能切除故障，4DL 處保護裝置失靈保護啟動后立刻向GOOSE 網廣播第3 類GOOSE 信號，相關斷路器處保護裝置收到該信號后各自跳開對應的斷路器。

2 繼電保護動作分析

為便于分析，這里選取城市軌道交通中壓環網供配電系統中有代表性的1 個供電分區，如圖3所示。根據城市軌道交通供電系統的特點，供電故障主要發生在環網電纜、母線、饋線等幾個地方(即圖中K1，K2，K3，K4故障點)，針對各個故障點，分析各保護之間如何利用基于GOOSE 網絡機制的數字通信電流保護實現保護的可靠性、選擇性、靈敏性、速動性。以下分別對各故障點的保護動作行為進行具體分析。

圖2 GOOSE 信號傳遞機制

2.1 環網線路故障(K1點)

2.1.1 站間光纖差動保護裝置通信正常情況

對于相間故障和小電阻接地系統的接地故障，由差動保護裝置跳開線路兩端進、出線斷路器DL4和DL5，切除故障。對于接地故障，由零序差動保護瞬時切除故障跳閘。

圖3 環網供電系統結構圖

2.1.2 站間光纖差動保護光纖通信異常(或裝置異常)情況

對于K1點故障來說，如果光纖差動保護光纖通信異常或者裝置異常(如AD 自檢出錯、開入開出板件異常、定值自檢出錯等)，DL4處差動保護將被閉鎖。同時發送第2 類GOOSE 信號給本處的電流后備保護裝置，DL4處的電流后備保護收到此信號后啟動GOOSE 開放式電流保護，經延時跳開環出線斷路器DL4;同理，DL5處的保護也按此原理跳開DL5斷路器。其他環網進出線的光纖通訊均正常，DL1處、DL2處、DL3處雖然能檢測到故障電流，但沒收到來至DL4處的第2 類GOOSE 信號，均不會動作。

2.1.3 后備保護裝置異常情況

若DL4處電流后備保護裝置異常，則發送第2類GOOSE 信號至DL3和DL10處保護裝置;K1點故障時，DL3(或DL10)處保護檢測到故障電流同時接收到DL4處第2 類GOOSE 信號，啟動開放式電流保護，動作于各自的斷路器，切除故障。

2.1.4 斷路器失靈情況

變電所2 的DL4處裝置檢測到斷路器失靈后，發送第3 類GOOSE 信號，DL3(或DL10)處電流保護裝置接收到此信號后啟動GOOSE 開放式失靈保護，跳開環進線斷路器DL3(或DL10)切除故障。

2.2 饋線故障(K2點)

正常情況下K2點故障時，DL9、DL3同時檢測到故障電流，DL9處饋線保護裝置發送第1 類GOOSE信號，DL3處的電流裝置收到此閉鎖信號后閉鎖本裝置電流保護。由DL9處饋線電流保護裝置動作，跳開DL9斷路器切除故障，DL3處電流保護不會誤動，有效地區分了母線故障和饋線故障。

斷路器DL9失靈情況下 K2點故障時，若出現DL9處饋線保護動作但饋線斷路器失靈，饋線保護發送第 3 類 GOOSE 信號，DL3、DL4和 DL10處電流保護裝置收到此信號后，各自跳開相應位置的斷路器。若出現饋線保護裝置異常，DL9處饋線保護發送第2 類 GOOSE 信號，DL3、DL4和 DL10處電流保護裝置收到此信號后，啟動各自的電流保護，跳開相應位置的斷路器。

2.3 正常供電方式下的母線故障(K3點)

正常情況下的對于K3點故障，環網出線、饋線、母聯保護均不能檢測到故障電流，但變電所2(即故障所在變電所)的環網進線DL3處及上級變電所DL1、DL2處保護均能檢測到故障電流，各自發出第1 類GOOSE 信號，上級變電所的進線DL1、出線DL2處保護相互收到對方的閉鎖信號，保護不會誤動;DL3處保護沒有收到閉鎖信號，閉鎖式過流保護動作，切除母線故障，從而實現母線保護的功能。

環網進線保護裝置異常情況下環網進線后備保護裝置(DL3處)異常時，保護無法在原先預計的時刻切除故障。DL3處后備保護裝置將發送第2 類GOOSE 信號，通過站間GOOSE 網，上級變電所的環網出線電流保護裝置(DL2處)接收到此信號，其開放式電流保護啟動，經延時跳開 DL2，切除母線故障。

斷路器DL3失靈情況下環進線斷路器DL3拒動，DL3處后備保護裝置將第3 類GOOSE 信號給上級變電所的DL2處環出線保護裝置，由其跳開斷路器DL2，快速切除故障。

2.4 經母聯供電模式下母線故障(K4點)

正常情況下K4點故障時，只有I 段母線上保護裝置的第1 類GOOSE 信號，而Ⅱ段母線上保護裝置沒有檢測到故障電流，不會發送第1 類GOOSE 信號;若分段保護裝置判斷到兩段母線上同時有保護裝置發第1 類GOOSE 信號，則認為是Ⅱ段母線以外的區域故障，閉鎖電流保護，從而保證了保護選擇性。分段保護利用這一特性來判斷故障出現在K4處。在圖3 中，DL10處保護裝置沒有檢測到Ⅱ段母線上保護裝置的第1 類GOOSE 信號，保護動作跳開斷路器DL10，切除故障。環網進線DL3即使能檢測到故障電流，但因同時接收到來至DL10處保護裝置發出的第1 類GOOSE 信號，所以保護不會誤啟動。

分段保護裝置異常時，發送第2 類GOOSE 信號，供電端來自I 母環網進線時，進線DL3處后備保護裝置收到此信號后，自動投入開放式電流保護，經過延時跳開DL3，切除故障。同理，如果電源端來自Ⅱ段母，則跳開DL7。

斷路器DL10失靈情況下對于K4點發生的故障，分段保護裝置動作跳閘，如果分段斷路器DL10拒動，DL10處分段保護裝置將廣播發送第3 類GOOSE 信號給本站I 母、Ⅱ母所有進出線電流保護裝置，由其跳開各自對應的斷路器，快速切除故障。

3 RTDS仿真試驗

為了驗證保護方案的動作性能，在實時數字仿真(Real Time Digital Simulator，簡為RTDS)系統中進行了數模仿真試驗。該系統采用了先進的Hypersim 平臺，該平臺是加拿大 HYDRO-QUEBEC公司開發的一種基于并行計算技術的電力系統全數字實時仿真系統，它提供了大量電力系統元件庫和控制模塊，具有大量的DA、AD(模數轉換芯法)和DIO(數字輸入輸出)接口，可以同時與多臺裝置相連接進行閉環測試。

試驗系統采用上述RTDS 系統建模，供電一次，系統模擬仿真如圖3所示環網供電系統。系統主要考慮以下特點:①由于各站之間的環網電纜距離短、阻抗小，因此數模試驗系統中環網電纜各處同類型故障短路電流差別不大;②考慮串行供電級數較多，數模試驗系統模擬了4 個變電站間3 級串行供電的情況。

由于采用GOOSE 信號閉鎖機制，保護動作時間的定值不需特別考慮時限逐級配合問題，僅僅考慮GOOSE 信號本身延時，因此，GOOSE 閉鎖式電流保護時限為50 ms，GOOSE 開放式電流保護時限為100 ms，GOOSE 開放式失靈保護考慮到開關位置返回需要一定延時，取為150 ms。RTDS 的仿真結果如表1所示。

表1 RTDS 試驗結果

4 結語

基于GOOSE 機制的數字通信電流保護是在傳統的微機過電流保護原理及功能不變的基礎上，通過將站間保護裝置聯網，將保護裝置的采樣信息和動作信息在保護裝置之間通過光纖進行直接快速傳輸，并通過對所轄區域內微機保護裝置的電流保護動作與否進行比選和邏輯判斷，從而準確、快速地判斷出故障區段，迅速切除故障。其具有原過電流保護裝置的所有基本功能，可有效解決傳統過電流保護級差配合困難的問題，并增加了對母線的保護，是對傳統“光纖縱差保護加過電流保護”方案的進一步優化，這種方案可望在城市軌道交通中壓環網供電系統繼電保護中廣泛應用。

［1］韓連祥，張鋼.城市軌道交通中壓網絡供電分區的劃分［J］.都市快軌交通，2007，20(4):75.

［2］呂良君，朱臻怡，等.北京地鐵9 線環網供電系統繼電保護方案分析［J］.電氣應用，2012，31(18):18.

［3］范建忠，馬千里.goose 通信與應用［J］.電力系統自動化，2007，19(31):85.

［4］Adamiak M，Hunt R，King A，rt al.Application of digital radio for distribution pilot protection and other applications ［J］.Annual Conference，2008(61):310.

［5］上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，中鐵電氣化勘測設計研究院.電流選跳技術在軌道交通中壓網絡中應用的研究科研報告［R］.上海:上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，天津:中鐵電氣化勘測設計研究院，2006.

［6］于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統設計原理與應用［M］.成都:西南交通大學出版社，2008.