基于HSR的地鐵供電系統跨站網絡化保護方案

劉雅杰 謝金蓮 賴沛鑫 王文浩 招康杰 余 龍

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

由于存在保護時間級差問題,傳統地鐵供電系統的繼電保護方案正被網絡化保護方案逐漸取代。基于IEC 61850:2004的GOOSE(面向通用對象的變電站事件)通信技術被逐漸用于地鐵供電系統的繼電保護方案中。GOOSE通信技術采用光纖通信的方式,利用光信號代替傳統電纜硬接線,其不但提高了繼電保護性能,擴展了繼電保護功能,還提高了信息傳輸的抗干擾與抗腐蝕能力。此外,GOOSE通信技術的應用不但能夠降低現場布線的復雜程度,還能夠減少工程成本投入[1-2]。

現階段,地鐵變電站站內網絡化繼電保護方案一般采用星型網絡結構,為了保證網絡的可靠性,主要通過投入雙倍的交換機組建雙星型網絡來實現冗余功能。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。現階段的繼電保護方案解決了站內的數據共享問題,但依托交換機組網存在組網復雜、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)協議為變電站提供了高可靠性組網解決方案。目前,國外已在變電站內部網絡組網中應用了HSR,國內雖然也做了相關研究[3],但由于國內外應用場景的差異,其在軌道交通行業的研究較少。

鑒于此,本文通過分析現有的地鐵供電系統繼電保護方案,結合繼電保護產品,提出一種基于HSR的地鐵供電系統跨站網絡化保護方案,以解決目前地鐵供電系統繼電保護網絡化存在的不足。

1 地鐵供電系統繼電保護裝置現狀概述

地鐵供電系統繼電保護組網示意圖如圖1所示。為了保證網絡的可靠性,站內主要通過投入雙倍交換機組建雙星型網絡結構,即通過網絡拓撲結構實現網絡冗余。通過交換機組建的雙星型網絡結構解決了站內數據的共享問題,但需配置雙重設備與網絡才能實現冗余功能,增加了設備的投資和現場的組網復雜度,相應設備的故障概率、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中壓交流系統的數字過流保護)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[4]。繼電器和電纜硬接線都沒有實時監控的功能,繼電器使用時間過長會導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、斷裂進而導致裝置繼電保護動作拒跳、誤跳的隱患。這為供電系統運行的可靠性和穩定性帶來了極大的不確定性。此外,點對點模式易導致站間信息交互能力差,不能實現全線的數據共享,不利于地鐵智能化高級應用功能的開展(如故障分析、故障定位、系統自愈等)。

2 HSR概況

HSR可實現單節點故障時的無縫切換,能真正實現網絡通訊的零丟包、零切換,具有優異的故障恢復性能。HSR結構及原理示意圖如圖2所示。

注:CPU為中央處理器;SAN為單連接節點設備;“×”表示數據在此節點無法流通。

一個簡單的HSR網絡結構由多個DANH(雙連接交換節點)設備構成,每個節點有2個環網接入端口,以全雙工鏈路連接工作[5]。當源DANH需要發送報文時,先在報文中加入HSR標簽并復制2份,分別通過裝置的2個端口沿環網兩個方向分別發送,目標DANH會在不同時間的不同端口接收到2個重復的報文。使用丟棄算法,目標節點在接收到其中一份先到達的報文后會移除HSR標簽并送到高層協議,同時丟棄下一個接收到的重復報文。對于不是目標節點所需的報文,將其從另一端口轉發給下一個節點。

HSR采用節點冗余技術,在鏈路層上能夠實現報文的“雙發雙收”,源節點信息通過2個不同路徑進行傳輸,可以在不增加網絡設備的基礎上實現網絡冗余,實現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技術組網具有工程費用較低、組網簡單、施工便利等優點。

HSR單個環網接入設備數量有限,因此HSR適合在二次設備數量不多的工程場合應用[6]。現有繼電保護裝置的數據處理能力非常強大,完全具備處理小規模HSR環網數據傳輸的能力。地鐵供電系統主要包括35 kV中壓供電系統和DC 1 500 V直流牽引系統,網絡化保護涉及35 kV交流保護裝置和DC 1 500 V直流保護裝置。按常規配置來看,交直流保護裝置分別分布在不同房間,高壓開關柜室的35 kV交流保護裝置包括進線保護裝置、出線保護裝置、母線聯絡開關保護裝置、整流變保護裝置和動力變保護裝置。直流開關柜室的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,但每個設備房中的保護設備數量較少,適用于HSR環網技術的應用。

3 基于HSR的跨站網絡化保護方案

3.1 組網方案

基于HSR的地鐵供電系統跨站網絡化保護組網方案示意圖如圖3所示。站內同一設備房內的繼電保護裝置(支持HSR的雙節點設備)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網,并完成冗余網絡的搭建。對于不支持HSR的繼電保護裝置或其他智能設備,則可通過環網冗余盒裝置的任一光纖接口(以下簡稱“光口”)接入,實現與HSR的信息交互。環與環之間通過環網冗余盒的Quadbox功能來實現信息的交互。同時,為防止2個環間的單點故障造成環之間的通信中斷,采用2個環網冗余盒組網來保證通信的可靠性。其中,這2個環網冗余盒通過以太網連接電口,組建并行耦合環。對于站內不同設備房的HSR,2個環網冗余盒分別通過光口Mac0、Mac1與HSR連接,實現HSR環間的信息交互。對于相鄰站間及跨站的信息交互,則通過光口Mac2、Mac3連接,通過環網冗余盒接收、過濾、轉發環內信息的方式實現跨站的信息交互。

注:Redbox指環網冗余盒的單節點功能。

目前,在地鐵行進地區,35 kV中壓交流側繼電保護與1 500 V直流側繼電保護之間仍存在兩者界限分明的情況,兩者之間尚沒有網絡連接。而通過上述組網方案可以將交流側和直流側間的繼電保護裝置構成信息聯系,打破以往交直流側繼電保護信息流動界限分明的狀況。通過此組網方式可以實現全線各站的數據流動,實現數據共享,為未來更多的地鐵智能化高級應用功能的開展奠定基礎。

3.2 關鍵技術與設備

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(現場可編程門陣列)來實現HSR雙網冗余通信。FPGA板卡模塊通過數據總線與IEC 61850通信板卡構成數據聯系,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通信板卡的數據模塊,后經數據總線送至FPGA芯片模塊。由于丟棄算法的作用,FPGA內部數據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,后經報文封裝由40針管腳傳給CPU主板,再由CPU主板根據報文的內容完成相應的操作,避免了在繼電保護裝置中形成網絡風暴。

當繼電保護裝置發送GOOSE報文時,FPGA內部數據處理模塊將報文添加HSR標識,再復制為2份完全相同的報文,通過光纖端口E和F發送出去。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,從另一端口轉發。

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,完成站內同一設備房冗余網絡的搭建,實現環內的信息交互與共享。

3.2.2 環網冗余盒裝置

環網冗余盒的數據處理機制與繼電保護裝置的數據處理機制相同,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,即可研制出環網冗余盒裝置。該環網冗余盒裝置主要由內部核心芯片模塊(如FPGA)和外部接口模塊組成。內部核心芯片模塊能夠完成配置參數、選擇工作模式及實現HSR功能。外部接口模塊包括4個光口和2個電口(標準接口數量,可擴展),電口和光口的使用可根據配置程序來定義,用于在實際工作模式中實現環網冗余盒的Redbox或Quadbox功能。

HSR通過環網冗余盒在Quadbox模式下實現信息共享,而對于不支持HSR的設備,則通過Redbox模式實現與HSR環間的信息共享。對于不支持HSR的單節點設備、站內不同設備房的HSR及站間的信息交互均可通過設置環網冗余盒裝置的數據流向來實現。

在本環接收端建立MAC(媒體存取控制)地址接收過濾表,即預設將要接收數據的MAC地址,以表明該數據是從對環過來的數據,再用作本環環間發送數據的過濾條件,進而防止從對環進入的數據再從本環返給對環的現象,有效避免了網絡風暴的產生。

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據流動,驗證HSR組網方案的網絡通信可靠性和實時性。HSR組網測試示意圖如圖4所示。該測試平臺由變電站A、B、C組成,按常規的正線牽引降壓變電所來計,每個站里有高壓開關柜室和直流開關柜室。直流開關柜室的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開關保護裝置、變電站B的211B開關保護裝置、變電站B的213B開關保護裝置和變電站C的211C開關保護裝置間存在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的信息數據流向是非正常狀態的信息數據流向(Quadbox4和Quadbox6的跨站光纖故障)。

4.1 網絡可靠性

基于HSR的工作原理,環內每臺繼電保護裝置的報文被復制成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,環間及站間各繼電保護裝置的數據信息通過2臺冗余盒組成的并行耦合環的兩路通道進行傳輸。當網絡內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213A保護裝置發送GOOSE報文給變電站B直流開關柜室的開關211B保護裝置過程中,路徑3和路徑4是報文傳輸的2條路徑,當任一路徑出現斷點不通時,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組網方案采用不同的路徑傳遞相同的報文,因此HSR不需要像環形拓撲一樣進行RSTP(快速生成樹協議)計算,完全避免了網絡切換時間和數據丟包風險[2]。因此,通過HSR組網具有不亞于雙星型網絡的可靠性。

4.2 網絡傳輸實時性

通過模擬直流牽引供電系統的不同模式來驗證所提方案的網絡傳輸實時性,直流牽引供電系統示意圖如圖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,與相鄰牽引變電所構成雙邊供電。例如,變電站A直流開關柜室的開關213A和變電站B直流開關柜室的開關211B共同為第一區域供電,變電站B直流開關柜室的開關213B、和變電站C直流開關柜室的開關211C共同為第二分區供電。當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構成大雙邊供電。例如,變電站B解列時,2113、2124縱聯隔離開關閉合,變電站A的開關213A和變電站C的開關211C實現越區供電。

注:圖中數字均表示開關單元。

數據傳輸延時t的計算公式為:

t=ta+tb+tc

(1)

式中:

ta——報文發送時,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;

tb——網絡傳輸延時,一般計算數據延時只考慮tb。

相比于交換機的存儲轉發模式,HSR通過直通轉發模式傳遞數據包,能夠有效減少數據傳輸延時。節點接收到MAC幀頭即開始轉發幀,發送的最大幀長度為1 530 B,傳輸速率為100 Mibit/s,每個節點最大數據傳輸延時為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213A過流保護動作,同時聯跳變電站B直流開關柜室的開關211B,變電站A的開關213A和變電站B的開關211B間通過GOOSE進行信息交互。

路徑3經過3臺繼電保護裝置和2臺冗余盒,此路徑經過的裝置最少,即傳輸延時最小。路徑4經過11臺繼電保護裝置和2臺環網冗余盒,此路徑經過的裝置數最多,即傳輸延時最大。雙邊供電模式下,變電站A的開關213A過流保護和變電站B的開關211B保護聯跳測試記錄如表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213A過流保護和變電站B的開關211B保護聯跳測試記錄

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

路徑1經過3臺繼電保護裝置和3臺冗余盒,此路徑經過的裝置最少,即傳輸延時最小;路徑2經過18臺繼電保護裝置和5臺冗余盒,此路徑經過的裝置數最多,即傳輸延時最大。大雙邊供電模式下,變電站A的開關213A過流保護和變電站C的開關211C保護聯跳測試記錄如表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213A過流保護和變電站C的開關211C保護聯跳測試記錄

5 經濟效益

采用基于HSR的地鐵供電系統跨站網絡化保護方案,同一設備房利用繼電保護裝置自身光口以“手拉手”模式組建冗余網絡,站內及站間的不同設備房則通過冗余盒裝置完成信息交互。相比于現階段為了網絡可靠性而采用的地鐵供電系統站內雙倍交換機組建雙星型冗余網絡方案,所提保護方案省去了交換機的使用,使得變電站內裝置數量減少,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,減少了現場布線的復雜度,使得工程前期成本和后期運維費用大大降低,其經濟效益可觀。

6 結語

本文提出一種基于HSR的地鐵供電系統跨站網絡化保護方案,并給出了具體的組網方案。HSR網絡能夠實現在地鐵供電系統繼電保護網絡發生單節點故障情況下的無縫切換,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,具有一定的推廣應用價值,可為地鐵供電系統繼電保護跨站網絡化保護提供參考。