GOOSE全面智能電流選跳在城軌供電系統(tǒng)中的應用

趙　勤　王軍平　曹　捷

(1.寧波市軌道交通集團有限公司　浙江寧波　315100；　2.廈門ABB開關(guān)有限公司　福建廈門　361000)

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GOOSE全面智能電流選跳在城軌供電系統(tǒng)中的應用

趙勤1王軍平1曹捷2

(1.寧波市軌道交通集團有限公司浙江寧波315100；2.廈門ABB開關(guān)有限公司福建廈門361000)

摘要針對目前城市軌道交通大分區(qū)供電方式，對硬接線選跳方案、串行通信電流選跳方案和IEC61850/GOOSE電流選跳保護方案進行分析，提出基于 GOOSE(面向通用對象的變電站事件) 機制的全面智能選跳保護方案，有效地提升電流選跳保護的整體可靠性。基于IEC61850/GOOSE的全面智能電流選跳方案具有引入電流突變量解決固有延時較長的問題，全面通信信道自檢，不正常運行時觸發(fā)預案等特點，使35kV供電系統(tǒng)的所有保護裝置都參與電流選跳。它分為母線電流、線路電流、饋線電流、母聯(lián)電流等選跳保護，使城市軌道交通的整個35 kV供電系統(tǒng)的保護無盲區(qū)，既實現(xiàn)時效性又可以保證保護的選擇性。電流突變量技術(shù)使得供電系統(tǒng)電流選跳功能的固有延時縮短40 ms，更加快速地消除故障，大大減少對于設備的傷害；GOOSE通道監(jiān)視功能可以實時監(jiān)視GOOSE網(wǎng)絡通信的狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)流量的分析;基于GOOSE的全面智能電流選跳方案可為城市軌道交通35 kV大環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)運行的可靠性提供保障。

關(guān)鍵詞城市軌道交通；電流突變量；通道監(jiān)測；全面選跳；供電系統(tǒng)

目前，國內(nèi)城市軌道交通迎來了新一輪的建設高潮。早期的城市軌道交通35 kV供電系統(tǒng)方案普遍采用光纖差動保護加后備過流保護的方式，其解決選擇性問題的局限性越來越明顯。隨著城市軌道交通大環(huán) 網(wǎng)供電方式的普遍使用，這種方式已經(jīng)不能滿足供電系統(tǒng)運行的可靠性要求[1]。

近幾年各系統(tǒng)商提出了一些電流選跳方案解決傳統(tǒng)后備保護級差的問題。它是基于微機保護裝置間的信息交互提出的一種保護方案，利用保護裝置之間的通信或者硬接線傳遞信息，實現(xiàn)信息共享[2]。通過對保護裝置進行邏輯編程，從而對城市軌道交通站內(nèi)及站間保護裝置的電流保護動作與否進行比選，邏輯判斷，快速判別故障，實現(xiàn)選擇性地快速切除故障的方法[3]。

1目前使用的電流選跳保護方案

電流選跳保護方案的關(guān)鍵是保護信息交互方式，目前城市軌道交通保護信息交互方式分為3種。

1) 使用硬接線方式實現(xiàn)保護裝置之間的信息交互。由于受到硬接線傳遞信號距離的影響，這種方式主要用于本站內(nèi)信息傳遞。使用硬接線讓同一個站內(nèi)的進線、出線、饋線保護之間實現(xiàn)信息的交互，從而定位故障。

2) 使用串行通信方式實現(xiàn)保護裝置之間的信息交互。由于串行通信隨著接入裝置的數(shù)量增加會導致效率降低，這種方案一般會用硬接線作為補充。在各站進線和聯(lián)絡線保護之間使用光纖串行信號實現(xiàn)信息交互，在站內(nèi)進線和出線之間使用硬接線實現(xiàn)信息交互。

3) 使用IEC61850/GOOSE實現(xiàn)保護裝置之間的信息交互。隨著智能電網(wǎng)應用的普及，IEC61850也被廣泛使用。這種方案是以IEC61850/GOOSE為基礎，實現(xiàn)全線各站所有的信息交互保護。

1.1硬接線選跳保護特點

硬接線選跳保護方案一般使用光纖差動保護為主保護，以硬接線選跳代替后備過流的一種后備保護方案。這種方案在一定程度上解決了過流保護的級差問題，而且使用硬接線的方式讓同一站內(nèi)的進線、出線、饋線、母聯(lián)之間可以進行信息交互。此方案出現(xiàn)較早，硬接線的物理形態(tài)穩(wěn)定，方便調(diào)試，但是由于硬接線本身的缺陷也導致了一些不足：

1) 硬接線傳遞信息受距離限制，不能在站間進行信息交互，站間電纜主要依靠光纖差動來保護；

2) 依靠硬接線傳遞信息，受保護I/O口數(shù)量限制，不可能做到全面的選跳，還需要級差配合的保護作為后備；

3) 保護裝置的二進制輸入和輸出均會產(chǎn)生延時，導致這種電流選跳的固有延時一般較長，普遍都超過80～90 ms；

4) 硬接線傳遞信號高電平為1，低電平為0，當硬接線松動不能有效傳遞信號時，裝置不能自行判斷。

1.2串行通信電流選跳保護特點

串行通信電流選跳保護方案以光纖差動保護為主保護，以選跳保護為后備保護。這種方案以光纖連接站間進線和出線保護裝置，以硬接線連接站內(nèi)進線和出線保護裝置，相互傳遞信息，實現(xiàn)了站間電纜與站內(nèi)母線的靈敏性和選擇性的兼顧，但是串行通信和硬接線的缺陷也導致了一些不足：

1) 受到串行協(xié)議接入裝置數(shù)量和硬接線傳輸距離的限制，只能在站間的進線和出線之間使用串行光纖的方式傳遞信息，站內(nèi)進出線之間仍以硬接線傳遞信息。裝置之間配置復雜，不能實現(xiàn)全面的選跳配合；

2) 使用硬接線實現(xiàn)保護之間信息交互的部分，依然存在上述硬接線的不足，諸如受保護裝置I/O口數(shù)量限制，固有延時較長，不能進行通道檢測等；

3) 串行光纖通道雖然可以自檢，但是和光纖差動保護范圍重疊，實際上只有當差動保護拒動或者光纖差動保護退出時才能起到作用，而且起到的作用也有限。

1.3IEC61850/GOOSE電流選跳保護特點

IEC61850/GOOSE電流選跳保護使用光纖差動為主保護，以基于IEC61850設計的保護為后備保護，以GOOSE為媒介實現(xiàn)保護裝置之間的信息交互。這種方案要求所有的后備保護裝置都必須接入以太網(wǎng)，以太網(wǎng)交換機成為保護體系的一部分，網(wǎng)絡的重要程度就大幅度提高[4]。由此也產(chǎn)生了一些不足：

1) 參與電流選跳的保護裝置以GOOSE為媒介，這些保護都必須接入以太網(wǎng)，這樣以太網(wǎng)交換機就成為保護的一部分，以太網(wǎng)交換機的作用非常重要。有的方案采用雙網(wǎng)配置來降低風險，但是也增加了保護方案的投資；

2) 雙網(wǎng)方案是用來提高MMS通信可靠性的，GOOSE是橫向通信，當一臺裝置的A網(wǎng)出現(xiàn)問題，勢必全線保護切到B網(wǎng)，當B網(wǎng)也出現(xiàn)問題時將不能有效解決，所以雙網(wǎng)并不是提升GOOSE網(wǎng)絡安全性的最佳方案；

3) 當裝置故障時沒有考慮檢測方案，可能導致保護誤動；

4) 在過流保護基礎上使用延時方式等待對側(cè)保護信號，電流選跳保護固有延時一般較長，約60～70 ms。

2全面智能電流選跳保護方案

根據(jù)以上論述，各種電流選跳保護方案都存在一些不足，相比較而言采用GOOSE網(wǎng)絡實現(xiàn)的電流選跳方案具有一定優(yōu)勢。以寧波軌道交通2號線使用的全面GOOSE智能選跳方案為例介紹[5-9]如何提高GOOSE電流選跳方案通信網(wǎng)絡的安全性，形成一套全面的GOOSE智能選跳方案。

寧波軌道交通2號線采用IEC61850協(xié)議為基礎規(guī)約，各個分站內(nèi)部的保護裝置采用RJ45的超五類雙絞線接入站內(nèi)網(wǎng)絡交換機，網(wǎng)絡交換機之間使用單模光纖相互鏈接。這樣整個35 kV供電系統(tǒng)的所有后備保護裝置都通過電接口或者光接口的以太網(wǎng)鏈接在一起。采用光纖差動保護作為環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡線的主保護，不參與通信，通過硬接線將保護信號輸入同一開關(guān)柜的后備保護裝置(差動保護動作、差動保護異常、差動通道異常、失靈啟動信號)，這些信號將作為后備保護啟動選跳功能的觸發(fā)信號，形式如圖1所示。

圖1　全面智能選跳保護示意

圖2　母線電流選跳保護示意

圖3　線路電流選跳保護示意

該方案特別增加GOOSE通道狀況實時監(jiān)視功能，當GOOSE通道出現(xiàn)異常時可以將涉及GOOSE選跳系統(tǒng)的保護直接退出，同時加投一段200 ms延時的過流保護；同樣采集到差動保護或者差動通道故障時,后備保護將立刻投入一段200 ms延時的過流保護。使用這種方法可以有效解決通道故障的問題。由于通道是實時監(jiān)視的，當通道恢復(正?；謴突蛘吒鼡Q硬件恢復)后，保護裝置可以立即判斷通道已正常的情況，自動退出加投保護，然后投入原來設定的GOOSE選跳保護，同時解除報警。

3全面智能電流選跳保護特點

3.1引入電流突變量，解決固有延時長的問題

ABB REF620保護使用電流突變量作為電流選跳保護的閉鎖條件，有效減少電流選跳保護的固有延時。一般電流突變量保護出口固有延時為5 ms，GOOSE傳遞信號的延時為3 ms,相對一般過流保護的固有延時是非常短的?？紤]到選擇性，這種方案一般在電流保護的基礎上增加10 ms延時，整個電流選跳保護的固有延時也僅僅為40 ms左右。

3.2全面通信信道自檢，不正常運行時觸發(fā)預案

ABB REF620保護具有對GOOSE通道實時監(jiān)視的功能，通道兩端的裝置通過GOOSE發(fā)送的信息可以知道GOOSE通道的狀態(tài)，GOOSE信息是實時傳遞的，GOOSE通道也是實時監(jiān)視的。當一臺裝置和多臺裝置建立GOOSE通道時，這些通道也實現(xiàn)了實時監(jiān)視。

當監(jiān)視的通道出現(xiàn)異常時，裝置會立刻察覺，然后關(guān)閉這個GOOSE通道的電流選跳保護，加投一段200 ms延時的過流保護，同時會發(fā)出告警信號提示運行人員。

3.3全面智能電流選跳保護

基于GOOSE通道的便利，本方案建立全面的數(shù)字電流選跳保護，最大的特點是讓35 kV供電系統(tǒng)的所有保護裝置都參與電流選跳，分為母線電流選跳保護、線路電流選跳保護、饋線電流選跳保護、母聯(lián)電流選跳保護。由于零序保護方案與電流選跳保護方案相同，此處將不再重復描述。

3.3.1母線電流選跳保護

如圖2所示，母線電流選跳保護可以迅速判斷來自母線的故障。在母線故障情況下，保護5和6之間的母線電流選跳動作，經(jīng)過10 ms延時切除故障；當保護5和6的通道出現(xiàn)故障時，可以使用保護5或者6加投的過流保護，經(jīng)過200 ms延時切除故障。

3.3.2線路電流選跳保護

如圖3所示，站間線路的主保護是光纖差動保護，線路電流選跳保護作為后備保護。

在差動保護正常情況下，線路故障由保護2和5之間的差動保護負責切除故障，當差動保護拒動時，由保護2和5之間線路的電流選跳保護，經(jīng)過200 ms延時切除故障。如果此時差動保護或差動通道出現(xiàn)故障，保護2和5之間的GOOSE線路電流選跳保護自動將200 ms延時減少為10 ms，同時加投一段200 ms的過流作為后備保護，所以此時應該由GOOSE電流選跳保護經(jīng)過10 ms延時切除故障。如果GOOSE電流選跳保護拒動，則保護裝置加投過流經(jīng)過200 ms延時再次動作，切除故障。

圖4　饋線電流選跳保護示意

圖5　母聯(lián)電流選跳保護示意

3.3.3饋線電流選跳保護

當饋線發(fā)生故障時，饋線保護15會發(fā)出信號閉鎖周圍保護5和6，由保護15切除故障來保證選擇性，如圖4所示。

3.3.4母聯(lián)電流選跳保護

當站間線路故障、站內(nèi)備自投啟動、母聯(lián)斷路器合閘時，發(fā)生母線故障，母聯(lián)保護19的電流選跳保護啟動，閉鎖周圍所有進出線保護，由保護19經(jīng)過10 ms延時動作，切除故障，如圖5所示。

3.4完善的備自投方案

傳統(tǒng)的城市軌道交通35 kV供電系統(tǒng)保護有兩套啟動備自投的方案，差動保護動作啟動備自投或低電壓啟動備自投。由于低電壓啟動備自投涉及級差配合，很少使用，多數(shù)的城市軌道交通使用差動保護啟動備自投方案。

如果使用全面智能電流選跳保護，電纜線路發(fā)生故障時，使用差動保護動作啟動備自投，上級變電所母線出現(xiàn)故障時，使用母線電流選跳保護動作啟動備自投。

使用上述方案可以有效解決備自投延時投入的缺陷，快速啟動并且投入備用線路。

3.5全面GOOSE通道監(jiān)視

GOOSE智能選跳保護方案使用IEC61850/GOOSE作為保護裝置之間的信息媒介，使用信息共享的方式把大分區(qū)各站劃分成一個個很小的區(qū)間，可以不經(jīng)過延時迅速定位故障。GOOSE智 能 選 跳 方 案 不 僅 解 決了大分區(qū)供電方式下保護選擇 性 的 要 求，而 且 其 高效性和安全性，進一步提高了運行人員的工作效率，解決了保護接線的二次巡檢問題。

如圖6所示，GOOSE在線分析工具可以監(jiān)視保護裝置之間的GOOSE信道，并把這些信道形成拓撲圖。拓撲圖不僅可以顯示裝置之間的閉鎖關(guān)系，還可以顯示是由哪個裝置發(fā)出的信號，由哪幾個裝置接收的信號。

當其中一個通道出現(xiàn)故障時，拓撲圖相應的信道就會變色顯示。運營人員根據(jù)變色提示可以非常清楚地知道是哪個通道出現(xiàn)了故障。

雙擊報警線，GOOSE在線分析工具就可以給出具體通信層面的技術(shù)分析，如圖7所示。運營人員基本可以判斷出故障類型，為檢修提供依據(jù)。

4方案驗證

本方案于2014年3月在開普實驗室通過了全套試驗。除了驗證GOOSE電流選跳正常運行、GOOSE通道異常、差動異常情況下的54種邏輯類型外，還進行了保護裝置和交換機整體方案的EMC試驗，證明了方案的可靠性與完整性。

通道檢測實驗證明，REF620的GOOSE通道檢測功能每次都能在1.7 s左右準確判斷通道故障，同時在1.7 s左右準確判斷通道恢復。

圖6　GOOSE在線分析工具

圖7　GOOSE具體通信技術(shù)分析

5結(jié)語

寧波軌道交通2號線在送電前成功地完成了現(xiàn)場實際工況的動態(tài)故障測試。項目已在2015年3月順利投入運行。全面GOOSE智能電流選跳保護方案可以提升城市軌道交通35 kV供電系統(tǒng)的可靠性，使全站保護無盲區(qū)，可以有效解決GOOSE通信網(wǎng)絡對于保

護系統(tǒng)安全性的問題；采用全面GOOSE水平通信技術(shù)，減少二次導線的使用，從而減少運行人員維護工作量。全面GOOSE智能電流選跳保護方案在城市軌道交通供電系統(tǒng)中具有很好的推廣應用價值，可為城市軌道交通的安全運行保駕護航。

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(編輯：王艷菊)

Application of GOOSE Comprehensive Intelligent Current Selective Tripping Solution in Urban Rail Transit Power Supply System

Zhao Qin1Wang Junping1Cao Jie2

(1.Ningbo Rail Transit Group Co., Ltd., Ningbo 315100;2. ABB Xiamen Low Voltage Equipment Co., Ltd., Xiamen 361000)

Abstract:Aiming at the big area power supply mode of urban rail transit, the paper analyzes the different current selective tripping solutions of hard wired connection, serial communication and IEC61850/GOOSE, and proposes a solution based on GOOSE (Generic objects oriented substation event) mechanism of comprehensive intelligent selective tripping solution, which effectively improves the overall reliability of current selective tripping protection solution. A comprehensive intelligent current selective tripping solution based on IEC61850/GOOSE introduces the current mutation quantity, and solves the problem of long delay; it has the completely self-test communication channel and can trigger the plan when abnormal operation occurs, etc. It includes all the protection units of 35kV power supply system into the current selective tripping. They are bus bar current selective tripping protection, circuit current selective tripping protection, feeder current selective tripping protection, bus coupler current selective tripping protection. It can ensure there is no blind area of protection of 35kV power supply system of urban rail transit, and the timeliness and selectiveness of protection. Meanwhile, it can reduce the delay of current selective tripping of power supply system to 40ms by adopting the current mutation quantity technique, improve rapid removal of faults, and reduce damages to equipment significantly. GOOSE channel monitoring function ensures real-time monitoring of the status of GOOSE network communication, and analyzes the data flow. GOOSE-based comprehensive intelligent current selective tripping solution guarantees the reliability of 35kV large ring power supply system of urban rail transit.

Key words:urban rail transit; current mutation quantity; channel monitoring; comprehensive selective tripping; power supply system

doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2016.03.022

收稿日期:2016-03-14修回日期: 2016-04-15

作者簡介:趙勤，男，本科，教授級高級工程師，副總經(jīng)理，供電專業(yè)，13857866655@163.com

中圖分類號U231.8

文獻標志碼A

文章編號1672-6073(2016)03-0098-05