基于GOOSE通信技術的地鐵隔離開關數字聯(lián)鎖方案

何治新，馮志翔，高宇膺，周 丹，李宇琦，劉永生，徐起陽

0 引言

隨著城市化進程的發(fā)展，城市人口不斷增加，規(guī)模不斷擴大，對城市交通系統(tǒng)提出了更高的要求。地鐵作為一種現代化運輸方式，具有快速、運量大、節(jié)省地面空間等優(yōu)點，在許多城市得到快速發(fā)展。為保障地鐵穩(wěn)定可靠運行，地鐵直流牽引供電系統(tǒng)采取合理的運行方式運行至關重要。

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)在運行中需要對上網隔離開關及越區(qū)隔離開關進行控制，實現多種直流供電方式。由于隔離開關不具備滅弧能力，為使其安全地完成分合閘操作，隔離開關的控制需要與相鄰的隔離開關以及斷路器位置相關聯(lián)，因此隔離開關與上網相應的直流饋線斷路器位置存在聯(lián)鎖關系。對于越區(qū)隔離開關，除了與本站上網隔離開關位置存在聯(lián)鎖關系之外，還與相鄰兩站的上網隔離開關位置以及供電區(qū)段內其他越區(qū)隔離開關位置存在聯(lián)鎖關系[1]。

本文將對地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中隔離開關聯(lián)鎖功能的現有實現方式進行分析，在此基礎上探討研究利用數字化通信技術實現聯(lián)鎖功能的方法與應用，提出基于GOOSE通信的地鐵隔離開關聯(lián)鎖方案。

1 隔離開關聯(lián)鎖方案技術現狀

地鐵直流供電系統(tǒng)隔離開關的聯(lián)鎖需要通過對相關聯(lián)的直流斷路器與隔離開關位置進行邏輯判斷來實現。因此，采集相關聯(lián)的開關位置，并將其接入或送入閉鎖邏輯判斷回路，是隔離開關進行防誤閉鎖判斷、實現聯(lián)鎖功能的前提。

圖1給出了包含3個牽引變電所（A、B、D）的地鐵直流牽引供電系統(tǒng)示意圖。傳統(tǒng)的隔離開關聯(lián)鎖大多是利用硬接線將所需要的開關位置引接到上網隔離開關控制柜，采取在柜內安裝閉鎖繼電器的方式[2]，隔離開關的聯(lián)鎖利用直流斷路器、隔離開關等設備的輔助接點，在二次電氣控制回路通過繼電器形成“與”和“或”的邏輯關系，根據邏輯關系的輸出結果對隔離開關操作電源回路的接通與斷開進行控制，從而達到對一次設備控制聯(lián)鎖的目的。

為實現上網隔離開關和越區(qū)隔離開關的聯(lián)鎖功能，當聯(lián)鎖邏輯較復雜時，繼電器數量通常較多。

圖1 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)示意圖

對于圖1中2111、2131、2121、2141上網隔離開關，其邏輯控制需要獲取所在饋線的斷路器位置。上網隔離開關2111的控制邏輯如圖2所示。

對于2113、2124上網隔離開關，其邏輯控制涉及到相鄰所的4個開關，對于一個牽引所的2個越區(qū)隔離開關就涉及到相鄰所8個開關。越區(qū)隔離開關2113的控制邏輯如圖3所示。

圖2 上網隔離開關2111控制邏輯

圖3 越區(qū)隔離開關2113控制邏輯

傳統(tǒng)的隔離開關控制需要依賴大量的控制電纜及繼電器構成電氣聯(lián)鎖回路，特別是越區(qū)隔離開關的控制需要獲取較遠距離的相鄰牽引所的位置信息，該方案存在以下風險：

（1）通道狀態(tài)無法實時監(jiān)測。現有聯(lián)鎖設備位置信號采用電信號傳遞，信號的傳遞需要通過電纜實現。電纜通道異常通常難以被及時發(fā)現，存在開關位置信號無法傳遞的風險，特別是越區(qū)隔離開關聯(lián)鎖判斷需要相鄰牽引所內的開關位置信息，信號傳輸距離遠，只能通過定期巡檢來降低風險。

（2）隔離開關聯(lián)鎖設備通常置于地下，然而地下環(huán)境濕度較大，聯(lián)鎖設備中的繼電器和輔助觸點的耐腐蝕能力較差，使得隔離開關聯(lián)鎖設備損壞率較高。

（3）隔離開關聯(lián)鎖設備是通過輔助接點在二次電氣控制回路中有條件地連接實現聯(lián)鎖邏輯，其二次接線多且復雜，為設備檢修帶來極大困難。

（4）相鄰牽引所之間開關位置信息通過電信號傳遞，電信號傳遞的距離有限且抗干擾能力差，加之城市軌道交通中牽引變電所之間距離較長、地下環(huán)境電磁干擾大，導致電信號傳遞的穩(wěn)定性較差，容易引起數據接收錯誤。

通過上文分析，傳統(tǒng)地鐵直流隔離開關聯(lián)鎖方案在實際應用時可靠性、實時性較差，將導致安裝施工以及后期運營維護難度較大。針對該問題，提出基于GOOSE通信技術的直流隔離開關數字聯(lián)鎖方案。

2 數字聯(lián)鎖方案

隨著網絡通信技術的不斷發(fā)展，特別是光纖通信技術發(fā)展日趨成熟，十多年來基于IEC 61850標準的數字化變電站大面積鋪開建設，其運行穩(wěn)定可靠性得到了充分驗證。在地鐵交流供電系統(tǒng)中，光纖差動保護以及基于數字化GOOSE通信的數字電流保護等技術也已大量應用，無論是系統(tǒng)的穩(wěn)定性還是實時性都達到了一個全新的高度，這為通過數字化GOOSE通信技術實現隔離開關聯(lián)鎖功能提供了技術保障。

2.1 所間傳輸無纜化

通過上文可知，實現隔離開關聯(lián)鎖功能，首先應能夠可靠地獲取所需的本所以及相鄰所開關位置信號。通過在每個牽引所配置具備數字化GOOSE功能的智能測控裝置，完成對本所各類所需開關位置信息的采集，將各所智能測控裝置分別接入所內GOOSE通信交換機，利用牽引所區(qū)間光纜將各所的交換機級聯(lián)完成GOOSE通信組網，裝置通過GOOSE通信網絡，利用GOOSE通信技術即可實現所間開關位置信息的交互共享[3]。

典型GOOSE通信組網結構如圖4所示。

圖4 牽引所典型GOOSE通信組網結構

2.2 邏輯聯(lián)鎖虛擬化

智能測控裝置獲取本所和相鄰所的開關位置信息后，在裝置內部將開關量信息進行邏輯組合，其邏輯如圖5所示，其中鄰所開關位置通過GOOSE通信傳遞給本所智能測控裝置。圖6為智能測控裝置控制回路示意圖，其中1907、1908和2010、2011分別為合閘、分閘閉鎖接點，將這些閉鎖接點串聯(lián)在隔離開關的控制回路中，通過邏輯判斷控制閉鎖接點分合。當智能測控裝置判斷閉鎖條件滿足時，通過控制閉鎖接點動作來切斷控制回路；當判斷閉鎖條件不滿足時，通過控制閉鎖接點復歸來恢復控制電源，從而實現上網隔離開關與越區(qū)隔離開關的聯(lián)鎖控制。

圖5 越區(qū)隔離開關2113虛擬化控制邏輯

圖6 智能測控裝置控制回路示意圖

上述方案采用IEC 61850標準的GOOSE通信機制，交換機的數據處理時間與光信號的傳輸時間分別為微秒級與納秒級，可以忽略不計。信號從本所裝置發(fā)出到GOOSE通信網內所有裝置接收到，整個傳輸過程時延不超過4 ms，完全滿足隔離開關閉鎖功能的實時性要求。另外，GOOSE通信網絡具有較強的抗干擾能力、較遠的傳輸距離以及較大的數據傳輸量，并可對通信通道進行實時監(jiān)測。

2.3 方案特點

數字化GOOSE通信聯(lián)鎖方案利用GOOSE通信組網取代控制電纜，軟件邏輯編程取代硬接線繼電器搭建邏輯，與傳統(tǒng)方案相比較，具有以下特點：

（1）以硬接線方案為例，其信號傳輸延時經常大于30 ms，數字化GOOSE通信聯(lián)鎖方案采用GOOSE通信技術，信號傳輸延時最小縮短到2 ms，且不隨跨所數量的增加而增加，另外聯(lián)鎖邏輯直接在智能測控裝置中實現，沒有中間通信環(huán)節(jié)，因此可以快速實現聯(lián)鎖功能，實時性更好。

（2）傳統(tǒng)方案中所間電纜鋪設較多，邏輯聯(lián)鎖功能結構復雜且對控制電纜缺少檢測手段，易發(fā)生誤操作。數字化GOOSE通信聯(lián)鎖方案通過GOOSE網絡實時傳遞開關位置狀態(tài)，并可實現GOOSE通信的通道實時自檢，相當于對二次回路實時自檢，因而可靠性更高。

（3）數字化GOOSE通信聯(lián)鎖方案通過光纖通信以及可視化軟件編程等手段，實現了直流供電系統(tǒng)隔離開關聯(lián)鎖功能，降低了聯(lián)鎖邏輯實現的復雜度，解決了二次電纜維護困難等問題，增強了隔離開關聯(lián)鎖操作的便捷性。

3 工程應用

目前，基于GOOSE通信的隔離開關數字聯(lián)鎖方案已在國內某地鐵線路成功得到應用，全線省去所有的所間二次控制電纜，節(jié)約建設成本近百萬元，不僅縮短了直流供電系統(tǒng)的建設周期，而且為直流聯(lián)鎖的免定檢和弱維護提供了可能，取得了較好的經濟和社會效益。圖7所示為地鐵智能測控裝置現場安裝效果。

圖7 智能測控裝置現場安效果

牽引供電系統(tǒng)如圖1所示。各牽引所智能測控裝置通過控制電纜采集本所的開關位置后，通過GOOSE報文將開關位置信息發(fā)送到GOOSE通信網中。智能測控裝置負責所內越區(qū)隔離開關2113、2124，上網隔離開關2111、2131、2121、2141控制的聯(lián)鎖邏輯，通過GOOSE通信網絡接收到相鄰所的213、2113開關位置以及C所的211、2113開關位置。

圖8為由智能測控裝置內嵌的可視化工具軟件搭建的聯(lián)鎖邏輯，利用可視化軟件分別完成隔離開關 2111、2113、2131聯(lián)鎖邏輯組態(tài)，并安裝到智能測控裝置，可實現按照聯(lián)鎖邏輯對應聯(lián)鎖輸出接點的分合控制。最后，將對應輸出接點分別串聯(lián)在2111、2113、2131就地控制與遠方控制回路中。當條件滿足時，智能測控裝置輸出接點閉合，控制回路導通，隔離開關可以進行分、合操作；當條件不滿足時，輸出接點斷開，控制回路斷開，隔離開關將不能進行分、合操作，從而實現隔離開關的聯(lián)鎖功能。

圖8 可視化軟件聯(lián)鎖邏輯配置

4 結語

數字化GOOSE通信聯(lián)鎖方案以智能電網技術為平臺，以實時GOOSE通信網絡代替電纜，軟件可視化編程代替繼電器硬接線搭建邏輯，實現了直流供電系統(tǒng)隔離開關聯(lián)鎖功能的所間傳輸無纜化與聯(lián)鎖邏輯虛擬化。該方案解決了已有聯(lián)鎖方案可靠性與實時性差、維護難、投資成本高等問題，進一步提高了地鐵直流供電系統(tǒng)的智能化水平，具有較高的實用價值與可行性。