適用于德黑蘭地鐵的數字化線路保護測控裝置方案設計

趙黎明 隨新鮮 何淑旭 傅兆隆 高 蕾

（1.北方國際合作股份有限公司，北京 100040；2.南京國電南自軌道交通工程有限公司，江蘇 南京 210032）

伊朗德黑蘭地鐵項目中，對地鐵中壓供電系統的穩定性和持續性具有嚴格的要求。目前，在后備電流保護中加入數字化通信電流保護功能是一種很好的方案設計，可以解決常規保護不能滿足選擇性、速動性的問題[1]。通信電流保護采用IEC61850規約，通過GOOSE通信網絡數據傳輸保護啟動、聯跳閉鎖、開關的位置等信號，實現選擇性跳閘或保護閉鎖功能[2]。GOOSE通信中斷將直接影響閉鎖信號的傳遞，導致數字通信過流保護誤動作[3]。因此，通信中斷時需將通信過流保護功能實時閉鎖。為了提高業主滿意度，增強公司保護測控產品在國際城市軌道交通工程中的競爭力，文章開發一套數字化線路保護測控裝置，可以很好地解決后備過流保護裝置的速動性問題，提供一種新型變電站GOOSE數據通信中斷檢測方法。

1 總體方案設計

數字化線路保護測控裝置作為供電系統的間隔層設備，全面支持IEC61850規約，根據裝置類型可以分為線路保護裝置、變壓器保護裝置以及母聯備自投裝置[4]。線路保護裝置一般用于變電所進出線側，變壓器（動力變或整流變）保護裝置用于變電所饋線側，母聯備自投裝置用于變電所的母聯側。各個車站變電所組成站間專用光纖GOOSE網，通信帶寬100 Mbps，每個車站變電所配置1臺GOOSE交換機。為了便于接收保護裝置的動作報文和錄波文件，配置所有保護裝置公用的103監控網絡和監控后臺機以及控制中心調度系統，通信介質為雙絞線，通信帶寬為100 Mbps。

數字化線路保護測控裝置方案設計如圖1所示。

圖1 數字化線路保護測控裝置方案設計

軌道交通環網供電系統在出現各種運行方式故障如電纜故障、母線故障、變壓器饋線故障等情況下，數字通信保護裝置能夠滿足保護的選擇性、速動性、靈敏性、可靠性的要求。在地鐵環網供電系統的裝置實際運行過程中，環網進出線保護裝置可以投入過流、數字通信過流、失靈保護；電源進線僅投入過流保護；母聯保護裝置投入備自投、過流、數字通信過流、失靈保護；變壓器保護裝置投入過流、失靈等保護。

過流保護啟動后，系統中的保護測控裝置均會上送“過流啟動”GOOSE信號，通過不同裝置的邏輯編程功能，對進出線、饋線及同一母線上所有相關保護測控裝置的電流保護動作與否進行比選，快速判別故障區域，實現故障區域內的開關跳閘或開關聯跳，快速切除故障線路。

保護測控裝置通過常規的穩態時通信檢測和保護啟動時實時通信檢測相結合的模式，可以及時、準確地檢測裝置間通信狀態。IEC61850規定，GOOSE信號網絡通信延時應小于4 ms，考慮裝置保護邏輯任務一般間隔約5 ms，判斷過程包括2個GOOSE信號傳輸過程，最大延時為2倍的9 ms，即實時通信檢測方案判斷通信中斷所需時間不大于18 ms，預留一定的時間裕度，可以設置通信檢測等待時間為30 ms。通信過流保護的延時時間大于通信檢測等待時間，才能閉鎖通信過流保護，避免保護誤動作。

保護啟動時的實時通信檢測方案用時短，通信過流保護動作時間可以整定至50 ms或更短時間，滿足保護的速動性要求，為通信過流保護取代常規的光纖電流差動保護提供技術基礎。這種數字化保護通信中斷檢測方案可以滿足GOOSE通信中斷檢測的快速性、準確性的要求，穩態時不會增加網絡負荷，是一種簡單、快速、適用性強的檢測方案。

2 關鍵技術

數字化線路保護測控裝置基于數字通信電流保護方案設計。通過GOOSE通信網對故障區域進行自適應邏輯判別，實現系統故障快速定位和快速切除。在數字通信異常的情況下，裝置能夠快速診斷GOOSE通信中斷狀態，正確實施閉鎖數字通信過流保護功能，有效降低GOOSE網絡負荷。

2.1 數字通信電流保護

系統中的保護裝置在過流保護啟動后均會上送“過流啟動”GOOSE信號，通過邏輯編程功能，對相關聯的對側、進出線、饋線及同一母線上的相關裝置電流保護動作進行比選，智能判斷故障區域，實現故障區域內的開關跳閘或開關聯跳，快速切除故障線路。

環網進出線保護裝置一般投入數字通信過流保護、過流Ⅰ段（Ⅱ段）保護、失靈保護等壓板；母聯保護裝置一般投入數字通信過流保護、備自投、過流Ⅰ段（或Ⅱ段）保護、失靈保護等壓板；變壓器保護裝置一般投入過流Ⅰ段（Ⅱ段）保護、失靈保護等壓板。裝置的數字通信過流保護動作時間定值遠小于過流Ⅰ段（或Ⅱ段）保護時間定值，一般設置ms級，但通信過流保護的延時時間應大于通信檢測等待時間。

（1）GOOSE通信網正常運行。進出線保護裝置對電纜發生故障的邏輯編程原則為本線路裝置過電流保護啟動，相鄰變電所同一線路裝置的過電流保護未啟動，本線路保護裝置因電纜故障跳本線路開關，并聯跳相鄰變電所同一線路開關。母聯備自投裝置對母線故障的邏輯編程原則為本線路裝置的過電流保護啟動，本變電所同一母線上其他所有裝置的過電流保護均未啟動，本線路保護裝置因母線故障跳本線路上所有開關，并聯跳相鄰變電所同一線路開關。

（2）數字通信異常故障處理。上述電纜故障及母線故障的動作邏輯是在與相關開關保護裝置的數字通信正常的情況下。裝置檢測到與相關裝置數字通信中斷時，數字通信保護自動退出。

（3）裝置發聯跳對側開關時GOOSE通信中斷的處理。保護裝置發GOOSE信號聯跳對側開關是建立在和對側開關GOOSE通信正常的情況下，GOOSE通信中斷則無法跳開對側開關，此時可以借助光纖差動裝置的光纖通道實現開關的聯跳。

2.2 支持GOOSE開入開出功能

GOOSE通信網可以監視上級開關及下級開關的保護動作情況。通過GOOSE的開入開出配置建立各裝置間的GOOSE聯系，裝置可以發出聯跳對側開關、聯跳進出線開關、失靈動作等信號以及實現啟動備自投的開出信號，完成數字化線路保護控制功能。相關線路開關的信息根據工程由GOOSE配置文件靈活配置。

2.3 數字化保護通信中斷檢測方案

保護裝置通過常規的穩態時通信檢測方案和保護啟動時的實時通信檢測方案相結合的模式，穩態時觀察2倍重傳報文時間間隔內是否收到GOOSE信號，判斷是否通信中斷；保護啟動時，通過傳遞保護啟動GOOSE信號及接收相關保護裝置的反饋GOOSE信號判斷是否通信中斷，及時準確地檢測裝置間通信狀態，在通信中斷時能夠正確閉鎖通信過流保護，避免保護誤動作。

3 系統實施案例

實施案例采用大環網供電方式的地鐵35 kV供電系統。系統中串聯7個車站變電所（牽引/降壓混合變電所、降壓所）。其中，5個變電所為單段母線和1個環網開關，2個變電所為兩段母線以及母線分段開關和饋線開關。變電所1～7中的101、102及103為變電所的進出線，其后備保護配置為需要說明。變電所1和變電所7的101為電源進線，后備保護裝置僅投入過流Ⅱ段保護，不投入數字通信過流保護，其余進出線的后備保護裝置均投入過流Ⅱ段保護及數字通信過流保護功能，能夠保證過流保護可靠啟動。系統在每個車站變電所內和所間組成專用光纖GOOSE網，便于接收保護裝置的動作報文和錄波文件。系統配置保護裝置公用的103監控網絡和監控后臺系統。

微機保護設備和通信設備列表如表1所示。

表1 微機保護設備和通信設備列表 單位：臺

變電所的進出線后備保護配置線路保護裝置；變電所的母聯保護配置備用電源自投裝置；變電所的饋線配置變壓器保護裝置。

所有裝置數字通信正常，變電所4的環網聯絡開關103斷開，母聯開關100斷開，其他開關閉合。

地鐵供電系統結構如圖2所示。

圖2 地鐵供電系統結構

（1）電纜發生故障時（K1故障點），變電所1的進線101、出線103，變電所2的進線101、出線103均產生過電流，啟動過電流保護。根據數字通信過流功能原理，只有相鄰變電所同一線路裝置的過電流保護未啟動才滿足數字通信過流電纜故障跳閘的條件。僅變電所2的出線103保護裝置發生數字通信電纜故障動作時，跳開103。103發出電纜故障跳閘的GOOSE開出信號，對側開關即變電所3的進線101開關通過GOOSE配置啟動GOOSE對側過流開入信號，實現對側開關聯跳動作；變電所3的101被聯跳后發啟動備自投開出信號，母聯開關100接收到101啟動備投信號，檢測Ⅰ母失壓，Ⅱ母有壓，合上母聯開關100。

（2）母線發生故障時（K2故障點），變電所1的進線101、出線103，變電所2的進線101、出線103以及變電所3的進線101均產生過電流且過電流保護啟動。根據數字通信過流功能原理，啟動相鄰變電所同一線路裝置的過電流保護，不滿足數字通信過流電纜故障跳閘的條件；本變電所同一母線上其他所有裝置的過電流保護均未啟動時，滿足數字通信過流母線故障跳閘的條件。變電所3的101后備保護裝置可以發生通信過流母線故障動作，跳開101。101發出母線故障跳閘的GOOSE開出信號，其同母線出線開關即變電所3的出線103通過GOOSE配置啟動GOOSE出線過流開入信號，聯跳103開關；同樣地，變電所3的饋線111保護裝置被101發出母線故障聯跳，跳開111開關，實現母線同側的所有開關聯跳，有效地避免故障事故擴大，保證供電系統安全運行。

裝置間的通信檢測采用常規與新型實時檢測相結合的方式來實現。以變電所2的101開關與饋線111的通信過程說明通信中斷的檢測過程。沒有變位的穩態情況時，101保護裝置以T0間隔（沒有事件發生時重傳報文時間間隔）接收到111裝置發送的GOOSE信息，如果2倍的T0間隔時間還未收到GOOSE信息則判斷為101與111裝置通信中斷，裝置發告警信息，閉鎖通信過流保護；101過電流保護啟動后101發保護啟動GOOSE信號，111接收到101的保護啟動GOOSE信號后則發送接收反饋GOOSE信號，101在預設的通信檢測等待時間內接收到111的反饋信號就判定和111通信正常，如果未收到111的反饋信號則判定為與111的通信中斷，實時閉鎖101的通信過流保護。采用這種保護啟動時的實時檢測方案，可以快速檢測裝置間的通信狀態；沒有變位時，穩態發送間隔時間T0按照常規方式整定，減少GOOSE帶寬占用，改善網絡通信狀態。

4 結語

文章提出的數字化線路保護測控裝置間可通過過程層的GOOSE通信規約通信實現信息交換，傳遞跳閘及保護閉鎖信息。數字化線路保護測控裝置通過常規的穩態時通信檢測方案和保護啟動時的實時通信檢測方案相結合的模式可以及時、準確地檢測到裝置間通信狀態，滿足GOOSE通信中斷檢測的快速性、準確性的要求，在穩態時未增加網絡負荷，能夠按照數字通信保護方案準確動作。