基于GOOSE(面向通用對象的變電站事件)通信技術的直流牽引供電系統跨所域網絡化保護方案

馮劍冰 鄭淳淳 謝金蓮 劉禹興 賴沛鑫 余 龍

(1.華南理工大學電力學院,510641,廣州; 2.廣州地鐵集團有限公司,511430,廣州;3.廣州白云電器設備股份有限公司,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現有的網絡化保護方案(以下簡稱“現有保護方案”)實現了變電所內保護裝置間的信息交互,基于交換機組建的雙星型網絡結構。變電所間保護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聯跳、閉鎖等電信號的方案來實現。基于電纜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,然而卻存在無法實時監測二次回路狀態、控制電纜長距離傳輸易受電磁干擾[2]而導致保護誤動等不足,影響了供電系統的可靠性和穩定性。

隨著地鐵供電系統智能化的發展,對供電系統的可靠性和穩定性提出了更高的要求。區域保護、長距離供電及故障定位等需求凸顯,現有單體保護裝置配置的保護功能已無法滿足當前需求。隨著IEC 61850系列標準在城市軌道交通智能化變電站的推廣應用,探索實現廣域的信息共享方式,實現廣域的保護功能,對提高供電系統的可靠性、靈敏性以及運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)通信技術的直流牽引供電系統跨所域網絡化保護方案(以下簡稱“GOOSE跨所域保護方案”)進行研究,通過基于GOOSE通信網絡的系統設計,實現了高速的信息共享,在滿足原有保護、閉鎖功能的基礎上進行了網絡化保護功能的擴展。

1 方案架構及關鍵技術

1.1 GOOSE跨所域保護方案的架構

直流牽引供電系統跨所傳輸的信息包括保護聯跳信息、上網隔離開關與縱聯隔離開關的閉鎖信息。目前所間裝置的信息交互主要涉及到間隔層的設備。為保證信息傳輸的實時性與安全性,以及工程應用的便捷性,需合理配置間隔層組網結構[3]。

跨所數據傳輸量是影響傳輸實時性的重要因素。大量數據在網絡中傳輸會占用網絡資源,降低數據處理的實時性,目前多采用劃分VLAN(虛擬局域網)隔離數據的方式,該方式存在工程配置復雜、難以維護的缺點。

針對工程應用的便捷性需求,GOOSE跨所域保護方案采用光纖點對點的間隔層組網模式,變電所間裝置通過獨立光纖通道直連。為增強系統的可靠性,保護聯跳信息、閉鎖信息分別由直流保護裝置和測控裝置來傳輸。GOOSE跨所域保護方案的組網結構如圖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字化GOOSE功能的直流保護裝置,以完成本間隔的故障保護;同一供電區間的2臺直流保護裝置通過基于GOOSE通信的獨立光纖通道直連,以實現所間保護聯跳信息的共享;每個牽引變電所配置2臺具備數字化GOOSE通信功能的測控裝置,分別完成對左右接觸網上網隔離開關和縱聯隔離開關位置信息的采集[4],通過獨立的光纖通道將本站的信息傳輸給鄰站,實現閉鎖信息共享;牽引變電所內的直流保護裝置與測控裝置通過原有的所內GOOSE網絡來交換開關位置及跳閘命令等信息。

1.2 關鍵技術

GOOSE跨所域保護方案通過GOOSE光纖代替傳統的硬接線,建立了直流牽引供電系統的連接通道,實現了廣域信息的共享。其關鍵技術點在于擴展了直流保護裝置和測控裝置的邏輯節點。

直流保護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的GOOSE網絡相連,1個光口與相鄰所的相關裝置直連。在原有支持IEC 61850系列標準的通信裝置基礎上,基于IEC 61850系列標準采用SCL(變電站配置描述語言)建模,增設PSCH(保護聯跳信息邏輯節點)、CILO(閉鎖信息邏輯節點)、RTPC(通道監視信息邏輯節點),以及各邏輯節點對應的通信數據集。通過對原邏輯節點包含的物理功能進行研究,結合實際工程應用需求,對邏輯節點進行擴展,建立GOOSE跨所域保護方案的完整信息模型。其中:RTPC定義了通信信道方面的監視信息(如通道的誤碼率及幀錯誤率等),實現對通道異常的報警;PSCH定義了保護聯跳的信息;CILO定義了聯閉鎖的信息。

GOOSE跨所域保護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點輸出,并將閉鎖節點串聯在開關的控制回路中,進而實現對上網隔離開關與縱聯隔離開關的閉鎖與聯鎖功能[5]。

2 GOOSE跨所域保護方案的功能實現

2.1 直流數字通信過電流保護功能

當直流供電系統發生區間短路時,同一供電區間的直流保護裝置流向短路點的電流方向一致。基于這一原理,GOOSE跨所域保護方案擴展了直流數字通信過電流保護功能。擴展后的直流數字通信過電流保護功能可有效解決某區間發生短路故障引起相鄰牽引變電所饋線發生保護動作從而導致正線大范圍停電的難題。

地鐵直流牽引供電系統區間短路時的電流狀態如圖2所示,當發生k1點短路故障時,直流保護裝置A_214、B_212、B_214、C_212均感應到故障電流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,流過B_212的故障電流方向是從接觸網流出。若A_214和B_212的兩側電流方向不一致,則可判斷出故障點不在該區間內,直流保護裝置由此閉鎖過電流保護、電流增量ΔI保護、電流上升率di/dt保護等相關保護功能,保護不動作;若B_214和C_212的兩側電流方向一致,則可判斷出故障點在該區間內,直流保護裝置由此開放過電流保護、電流增量ΔI保護、電流上升率di/dt保護等相關保護功能,保護動作。直流數字通信過電流保護邏輯如圖3所示。

圖2 地鐵直流牽引供電系統區間短路時的電流狀態示意圖

圖3 直流數字通信過電流保護邏輯

2.2 雙邊聯跳保護功能

直流牽引供電系統的雙邊聯跳功能按供電模式不同可分小雙邊模式和大雙邊模式。本文以左邊接觸網為例對不同模式下的雙邊聯跳保護流程進行說明。

在小雙邊模式下,直流保護裝置的信息交互方式與直流數字通信過電流保護的信息交互方式類似,均基于變電所間的同一供電分區直流保護裝置獨立光纖通道來實現。如圖2所示,當接觸網區間故障事故發生點(k2點)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動作的情況下,保護聯跳信息傳輸的路徑如下:A_213動作后向B變電所發送保護聯跳信息,B_211接收到保護聯跳信息后動作,跳開斷路器。

在大雙邊模式下,所間直流保護裝置與牽引變電所內直流保護裝置通過信息轉發的方式來實現信息交互。如圖2所示,當接觸網區間故障事故發生點(k2點)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,保護聯跳信息傳輸的路徑如下: A_213監測到故障電流跳開斷路器,并通過直連光纖將保護聯跳信息發送給B_211; B_213與B_211通過所內GOOSE交換機進行信息交互,將保護聯跳信息傳遞給到B_213; B_213再通過直連光纖將保護聯跳信息傳遞給到C_211直流保護裝置;C_211接收到聯跳信息后動作,跳開斷路器。

2.3 接觸網隔離開關閉鎖功能

隔離開關柜裝置如圖4所示。如圖4所示,接觸網隔離開關閉鎖功能通過變電所間的測控裝置與變電所內測控裝置進行信息轉發的方式來實現。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將采集到的開關位置信息發送到A變電所的所內GOOSE網絡;A_2113從所內的GOOSE網絡接收到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送到B_2113;B_2113將A變電所的位置信息發送到B變電所的所內GOOSE網絡;B_2124測控裝置從所內的GOOSE網絡可接收到A變電所全部聯閉鎖所需要的隔離開關位置信息;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位置信息。

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

3 保護方案的功能可靠性驗證

為驗證GOOSE跨所域保護方案各功能的可靠性,在實驗室搭建了網絡化保護試驗平臺進行模擬驗證。模擬故障短路點的示意圖如圖5所示。

圖5 模擬故障短路點示意圖

3.1 數字通信的過電流保護功能驗證

如圖5所示,通過模擬直流供電系統區間(k3點)發生故障,驗證直流數字通信過電流保護動作的可靠性。

試驗模擬結果如下:流過A_214與B_212的故障電流方向不一致時,直流保護裝置能可靠閉鎖A_214和B_212的過電流保護,直流保護裝置不動作;流過B_214與C_212的故障電流方向一致時,直流保護裝置動作,跳開斷路器。

3.2 雙邊聯跳保護功能驗證

如圖5所示,通過模擬直流饋線(k4點)發生故障,驗證雙邊聯跳的可靠性。

試驗模擬結果如下:在小雙邊模式下,當k4點發生過流故障后,A_213動作,并通過與B_211直連的GOOSE網絡將保護聯跳信息傳輸給B_211,在20 ms內完成了保護聯跳;在大雙邊模式下,當k4點發生過流故障后,A_213動作,并通過B_211與B_213將保護聯跳信息傳輸給C_211,在20 ms內完成了保護聯跳。

3.3 縱聯隔離開關合閘閉鎖功能驗證

通過試驗模擬來驗證縱聯隔離開關合閘閉鎖的可靠性。

當A_213、A_2113、B_211、B_213、C_211、C_2113等任一裝置對應回路的開關在合位時,B_2113的控制閉鎖節點打開,B_2113縱聯隔離開關不能合閘。由模擬結果可知,GOOSE跨所域保護方案能可靠地閉鎖縱聯隔離開關的合閘。

4 結語

直流牽引供電系統按IEC 61850系列標準要求建設,構建了網絡化保護及閉鎖功能,其繼電保護等二次設備間的連接由光纖通信連接替代了傳統的電纜連接。變電所間的聯跳保護信息及閉鎖信息通過GOOSE光纖交換,可以有效地解決傳統硬接線方式存在的斷線、接觸不良導致的保護拒動、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對信息傳輸實時性和可靠性的要求,同時還擴展了區間網絡化保護功能,為實現直流牽引供電系統跨所域的高級應用功能提供了又一可選方案。