城市軌道交通中壓環網繼電保護方案的優化設計

中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063

摘要 目前，城市軌道交通供電系統中壓環網繼電保護方案中，一般采用光纖差動+過電流保護方案，該保護方案在實際應用中存在著開關柜柜間二次接線較多，連線較復雜等困難。對此，本文基于IEC 61850通信協議，對數字通信電流保護方案進行了研究，對原過電流保護方案進行了優化。

關鍵詞：城市軌道交通；中壓環網；繼電保護方案；

1 引言

目前，我國城市軌道交通建設正處于快速發展階段。近年，已建或在建的城市軌道交通中，如上海、南京、廣州、無錫、蘇州、徐州等城軌線路的供電系統，均采用了110kV/35kV集中供電方式，網絡形式上則選擇為環網網絡，繼電保護方案采用光纖縱差+過電流保護方案。由于電纜造價昂貴且地下空間緊張，為了節省電纜敷設空間和電纜投資，近年來在環網供電方案中，逐步采用了大分區供電方式。為了解決大分區供電方案中，傳統過電流保護時間級差不夠的問題，各保護廠家提出了各自改進的過電流保護方案，此類方案一般通過硬接線在保護裝置之間實現閉鎖，可以適應目前大分區供電的運行方式。但是由于采用了大量的電流元件閉鎖，造成柜間二次連線較多，使得現場安裝調試時周期較長，運營后檢修維護工作量較大。針對此類問題，本文研究了一種基于IEC61850的數字通信過電流保護方案，該方案通過邏輯編程以及通信網絡方式實現對故障點的自動查找和快速切除。同時，該方案采用通信方式，減少了大量二次連接線及繼電器，使保護的可靠性及速動性得到了提升。

2 基于IEC61850數字通信過電流保護原理

2.1 保護原理

2.1.1 組網方案

GOOSE通信是IEC61850標準中為滿足對變電站自動化快速報文需求建立的通信機制，能夠實現對智能電子裝置間的信息傳遞，信息傳輸成功率高。數字通信電流保護方案中，對GOOSE通信機制進行了充分應用，在該網絡中，該通信方式能夠對傳統接線方式中閉鎖信號、跳閘命令以及開關位置的硬接線方式進行替代，能夠很好的滿足繼電保護方案對實時性、安全性以及可靠性的基本要求。同時，為了進一步確保數字通信方式運行的可靠性，本方案采用了A、B雙網絡配置，并以光纖作為通信介質。

2.1.2 進出線及母線開關保護邏輯

數字通信電流保護方案基本原理建立在過電流保護基礎上，通過比較相關開關電流大小情況以及收到的閉鎖信號情況，進行邏輯分析，最終確定保護動作出口。進、出線保護出口邏輯方面，當開關柜保護裝置測得的電流有效值大于整定值時，如果在一定時間內沒有收到母線側閉鎖信號，或者沒有接收到環網側閉鎖信號，則會判定產生了區內故障，并跳閘出口，否則就會判定為產生了區外故障。母線側閉鎖信號，指從本段母線側相鄰開關所發出的閉鎖信號；環網側閉鎖信號，指從網絡接收對側環網開關發出的閉鎖信號。母聯開關保護出口邏輯上，同進、出線開關保護邏輯有相似的特點，同時環網對母線側閉鎖信號會根據實際情況，將其判定為I段母線側閉鎖信號或II段母線側閉鎖信號。零序過電流的保護邏輯同過電流保護邏輯基本相同，不再贅述。

2.2 整定計算

假設主所出口保護允許最長時限為1.2s，環網進、出線過電流保護設置，可分為三段：I段保護，時限為0.6s，各保護裝置及通信設施均正常工作，正常情況下閉鎖，當故障發生時，相鄰保護裝置解除其閉鎖信號后，該段保護動作；II段保護，時限為0.8s，該段保護為I段電流保護的后備保護，正常情況下閉鎖，當發生通信故障或者某臺保護裝置退出后，啟動II段保護；III段保護，為永久開放，時限為1s，當故障發生后，I段、II段均未動作時，III保護無選擇性動作。在系統中，母聯開關同各級進、出線所具有的電流保護相互之間無時限配合，而是通過保護邏輯的應用對故障進行自動判斷，以滿足保護選擇性要求。饋線開關保護共設置兩段，均無閉鎖，其中I段為電流速斷保護，時限為0.1s，II段為過流保護，其時為0.3s，能夠同進、出線過流I段保護進行良好的配合。

2.3 不同故障情況的保護動作分析

根據故障類型的不同，本節對不同開關保護動作情況進行了分析。針對我國某城市地鐵線路的供電分區內不同類型故障，進行了保護動作分析，如下圖所示：

圖1 不同故障情況下的保護動作分析

2.3.1 環網電纜故障

當系統D1點位置出現故障時，A所的1#、2#開關與B所的3#、4#開關均流過故障電流，而其他位置則無故障電流。當B所4#開關保護的電流值達到整定值時，會被C站變電所5#開關的閉鎖信號解鎖，而其他流過故障電流開關則會被相鄰開關閉鎖信號閉鎖。對此，可以確定在D1位置發生故障，4#開關啟動過電流I段保護。

2.3.2 饋線故障

當D2位置發生故障時，A所的1#、2#開關、B所的3#、4#開關以及C所的5#開關會流過故障電流，而其他位置則無故障電流。在流過故障電流的進出線開關位置，均被相鄰開關閉鎖信號實現閉鎖，而只有C所的開關L在流過故障電流的情況下無閉鎖信號。對此，可以確定在D2位置發生故障，開關L啟動過電流保護。

2.3.3 母線故障

當系統在D3位置發生故障時，A所的1#、2#開關、B所的3#、4#開關以及C所的5#開關會流過故障電流，而其他位置則無故障電流。當C所5#開關的電流保護值達到整定值時，會被6#開關的閉鎖信號解鎖，而其他具有故障電流經過的開關則會被相鄰開關閉鎖信號閉鎖。對此，可以確定在D3位置發生故障，5#開關啟動過電流I段保護。

2.4 保護裝置故障對保護影響

當該系統通信發生故障時，由于該保護通信網以雙網冗余的方式實現配置，在其中一個發生故障問題之后則會自動由另一個無故障的網絡承擔通信功能。當雙網全部發生故障問題，或者站內某一臺保護裝置退出時，則該站進、出線保護裝置過電流保護I段退出，開放過流保護II段繼續運行，以此保證系統能夠對故障進行及時、可靠的切除。不考慮通信保護全部故障的情況下，站內同時還有保護裝置退出的情況。

3 結束語

綜上所述，數字通信電流保護方案通過引入GOOSE服務，其良好的實時性、安全性以及可靠性可以較好的滿足環網大分區供電繼電保護的運行要求。本文對基于IEC61850 GOOSE服務的城軌中壓環網繼電保護方案進行了一定的設計與優化，該方案采用數字通信方式，減少大量的柜間二次連線，為建設城市軌道交通數字化變電站奠定了基礎，具有較好的應用效果以及良好的應用前景。

參考文獻

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