基于IEC61850的交流環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線數(shù)字通信過電流保護(hù)探討※

賴沛鑫，劉雅杰，鄭淳淳，招康杰

（1.廣州白云電器設(shè)備股份有限公司，廣州 510460；2.廣州市揚(yáng)新技術(shù)研究有限責(zé)任公司，廣州 510540；3.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510335）

0 引言

我國(guó)城市軌道交通供電系統(tǒng)普遍采用雙環(huán)網(wǎng)接線的中壓網(wǎng)絡(luò)供電方案，通過中壓電纜，縱向把上級(jí)主變電所和下級(jí)牽引降壓混合變電所連接起來，橫向把全線的各個(gè)牽引降壓混合變電所以“手拉手”方式連接起來，形成中壓環(huán)網(wǎng)。城市軌道交通中壓交流環(huán)網(wǎng)一次主接線如圖1所示。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，城市軌道交通中壓交流環(huán)網(wǎng)從110 kV主所2段母線分別引1路電源至正線變電所，5～8個(gè)變電所構(gòu)成一個(gè)供電分區(qū)，分區(qū)內(nèi)變電所采用“手拉手”方式連接共享2路電源。單個(gè)變電所采用單母分段接線方式，每段母線上設(shè)置1條交流進(jìn)線與1條交流出線，正常運(yùn)行時(shí)兩段母線分列運(yùn)行，故障時(shí)互為備用。不同分區(qū)間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)，正常運(yùn)行時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，供電分區(qū)獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)其中1個(gè)分區(qū)2路電源故障或1個(gè)110 kV主所退出運(yùn)行時(shí)，通過合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)供電分區(qū)的跨區(qū)供電［1-3］。

圖1 城市軌道交通中壓交流環(huán)網(wǎng)一次主接線

由于中壓環(huán)網(wǎng)的交流進(jìn)出線是車站變電所的能量來源，在傳統(tǒng)的城市軌道交通供電系統(tǒng)中，交流環(huán)網(wǎng)線路配置了光纖差動(dòng)保護(hù)、過流保護(hù)、零序過流保護(hù)等功能。光纖差動(dòng)保護(hù)作為區(qū)間線路故障的主保護(hù)，當(dāng)區(qū)間故障時(shí)，使環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線的開關(guān)快速斷開，隔離故障區(qū)間。過流保護(hù)、零序過流保護(hù)作為后備保護(hù)，當(dāng)電流升高超過整定值時(shí)，經(jīng)整定延時(shí)保護(hù)元件動(dòng)作。

過流保護(hù)（含零序）作為環(huán)網(wǎng)電纜短路故障的后備保護(hù)，由于一個(gè)供電分區(qū)內(nèi)的變電所交流進(jìn)出線采用“手拉手”方式連接，動(dòng)作時(shí)限采用逐級(jí)配合方式，導(dǎo)致靠近電源點(diǎn)處的過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限較長(zhǎng)，不利于故障快速切除。電力系統(tǒng)一般要求主變電所饋線開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限不得大于1.5 s，而目前過流保護(hù)的時(shí)限級(jí)差一般采用0.3 s，因此最多僅能設(shè)置4級(jí)級(jí)差，對(duì)于大分區(qū)環(huán)網(wǎng)供電，時(shí)限配合方式很難滿足保護(hù)選擇性的要求。當(dāng)母線發(fā)生短路故障，或線路光纖差動(dòng)保護(hù)退出運(yùn)行時(shí)的線路故障，過流保護(hù)需經(jīng)較長(zhǎng)的延時(shí)才能切除故障，容易造成設(shè)備損壞，擴(kuò)大故障范圍。

為滿足大分區(qū)環(huán)網(wǎng)接線對(duì)繼電保護(hù)裝置選擇性與速動(dòng)性的要求，結(jié)合智能變電所的發(fā)展趨勢(shì)，提出了一種基于GOOSE通信的數(shù)字通信過電流保護(hù)。在傳統(tǒng)的過流保護(hù)基礎(chǔ)上，通過交互線路兩側(cè)開關(guān)的過流啟動(dòng)情況來判別區(qū)內(nèi)故障與區(qū)外故障，實(shí)現(xiàn)快速故障切除，取消時(shí)間級(jí)差配合問題。本文通過探究交流環(huán)網(wǎng)線路數(shù)字過流保護(hù)的原理與信息交互情況，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行城市軌道交通交流環(huán)網(wǎng)數(shù)字通信過流保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)的建模與驗(yàn)證工作，通過形成統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)字通信過流保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)，提出標(biāo)準(zhǔn)化的工程實(shí)施參考方案。

1 數(shù)字通信過流保護(hù)建模

數(shù)字通信過流保護(hù)是近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，在傳統(tǒng)過流保護(hù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型速動(dòng)過流保護(hù)。在原過流保護(hù)的原理及功能不變的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)區(qū)間線路兩端繼電保護(hù)裝置的采樣信息和動(dòng)作信息交互。區(qū)間線路發(fā)生故障、接地等情況時(shí)，兩端的繼電保護(hù)裝置檢測(cè)線路中流過的電流是否達(dá)到其設(shè)定的電流啟動(dòng)值，并將此過流啟動(dòng)與否的信號(hào)傳遞給對(duì)側(cè)，接收裝置進(jìn)行邏輯比選、判斷，快速判別線路故障區(qū)段，實(shí)現(xiàn)有選擇性地快速切除故障線路［4-7］。

雖然城市軌道交通中壓交流環(huán)網(wǎng)采用雙電源供電模式，但在正常運(yùn)行時(shí)，每段母線都是單電源供電。對(duì)于單電源的供電線路，可以通過線路兩側(cè)的電流啟動(dòng)情況來判斷故障是發(fā)生在保護(hù)區(qū)間內(nèi)還是區(qū)間外，而不用通過級(jí)差延時(shí)來選擇跳閘，縮短故障動(dòng)作時(shí)間。

城市軌道交通中壓交流環(huán)網(wǎng)線路故障如圖2所示，110 kV主變電所電源在A所接入，A、B、C三個(gè)變電所為同一供電區(qū)間，電源以“手拉手”的方式從A所向B、C兩個(gè)所傳遞。當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生在A、B所之間的d1位置時(shí)，A所13間隔保護(hù)裝置感受到過電流，保護(hù)啟動(dòng)；B所21間隔保護(hù)裝置無過電流，保護(hù)不啟動(dòng)。故障發(fā)生在13間隔與21間隔之間的線路中，屬于區(qū)內(nèi)故障，13間隔與21間隔保護(hù)裝置應(yīng)準(zhǔn)確動(dòng)作，跳開線路兩側(cè)的13與21斷路器。當(dāng)故障發(fā)生在B、C所之間的d2位置時(shí)，B所23間隔保護(hù)裝置感受到過電流，保護(hù)啟動(dòng)；C所31間隔保護(hù)裝置過電流，保護(hù)不啟動(dòng)。故障發(fā)生在23間隔與31間隔之間的線路中，屬于區(qū)內(nèi)故障，23間隔與31間隔保護(hù)裝置應(yīng)準(zhǔn)確動(dòng)作，跳開線路兩側(cè)的23與31斷路器。在d2點(diǎn)發(fā)生故障后，A所13間隔與21間隔繼電保護(hù)裝置都能感受到過電流而保護(hù)啟動(dòng)，但故障發(fā)生在區(qū)間外，保護(hù)裝置不應(yīng)動(dòng)作。

圖2 城市軌道交通中壓交流環(huán)網(wǎng)線路故障示意圖

所以，中壓環(huán)網(wǎng)交流進(jìn)出線兩側(cè)保護(hù)裝置故障過電流啟動(dòng)情況如表1所示。由表可知，無論是正向供電（A→B→C變電所），還是反向供電（C→B→A變電所），只要線路兩側(cè)的繼電保護(hù)裝置感受到的過電流啟動(dòng)信號(hào)不一致，故障才發(fā)生在區(qū)間內(nèi)，保護(hù)裝置應(yīng)準(zhǔn)確動(dòng)作，其他情況應(yīng)閉鎖動(dòng)作。

表1 交流環(huán)網(wǎng)線路兩側(cè)故障過流啟動(dòng)情況

考慮到裝置間是以通信的方式獲取線路對(duì)側(cè)的過流信號(hào)，在保護(hù)邏輯中需要加以判斷通信狀態(tài)情況，數(shù)字過流保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖3所示。

圖3 交流環(huán)網(wǎng)線路數(shù)字過流保護(hù)邏輯

本側(cè)電流與對(duì)側(cè)電流啟動(dòng)情況不一致用邏輯方式表示為“異或”，即當(dāng)僅有一側(cè)裝置發(fā)生過電流啟動(dòng)，且通信狀態(tài)正常，裝置經(jīng)一段時(shí)間延時(shí)（20 ms）后數(shù)字通信過電流保護(hù)動(dòng)作，跳開線路兩側(cè)斷路器。

IEC61850-7-4中定義了用于交流定時(shí)過流保護(hù)的邏輯節(jié)點(diǎn)PTOC，但該邏輯節(jié)點(diǎn)并未包含線路對(duì)側(cè)過流啟動(dòng)和與對(duì)側(cè)裝置通信的功能。因此，本文基于PTOC邏輯節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展新的邏輯節(jié)點(diǎn)——數(shù)字通信過流保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)，命名為“PDTOC”，作為“Digitaltiming overcurrent protection”的縮寫［8-12］。

數(shù)字通信過流保護(hù)主要具備過流保護(hù)與接收對(duì)側(cè)過流信號(hào)的功能，前者可以參考PTOC邏輯節(jié)點(diǎn)選擇數(shù)據(jù)對(duì)象，而后者主要參考保護(hù)邏輯圖為PDTOC添加新的數(shù)據(jù)對(duì)象，如表2所示。

表2 數(shù)字過流保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)類的數(shù)據(jù)

續(xù)表

為數(shù)字過流保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)新增的數(shù)據(jù)對(duì)象有OppOCStu（對(duì)側(cè)過流狀態(tài)）、ComStu（通信狀態(tài)），都是用于數(shù)字通信過電流保護(hù)邏輯判斷，前者是線路對(duì)側(cè)過流狀態(tài)信息描述，后者為兩者的通信接收狀態(tài)描述。新增數(shù)據(jù)對(duì)象均為狀態(tài)信息，根據(jù)IEC61850-7-3的CDC公共數(shù)據(jù)類中選擇SPS單點(diǎn)狀態(tài)信息類型。

2 通信網(wǎng)絡(luò)配置

數(shù)字通信過電流保護(hù)功能的邏輯節(jié)點(diǎn)確定后，其信息模型構(gòu)建與通信服務(wù)模型構(gòu)建及映射工作與常規(guī)的數(shù)據(jù)建模沒有特殊之處，本文主要介紹工程應(yīng)用時(shí)的通信網(wǎng)絡(luò)配置方案。PDTOC邏輯節(jié)點(diǎn)需要接收對(duì)側(cè)的過流狀態(tài)與通信狀態(tài)，同一線路的兩端繼電保護(hù)裝置應(yīng)具備通信功能。目前可以通過“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的所間單獨(dú)光纖通道來實(shí)現(xiàn)，也可以采用變電所內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)光纖交換機(jī)級(jí)聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)。由于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”方式需要專用通道，數(shù)據(jù)共享困難，不便于后續(xù)保護(hù)功能的擴(kuò)展，建議采用所間網(wǎng)絡(luò)化光纖交換機(jī)級(jí)聯(lián)方式，如圖4所示。

圖4 所間交換機(jī)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

A站出線繼電保護(hù)裝置通過光纖連接到A所的光纖交換機(jī)，所間交換機(jī)采用光纜連接，B站進(jìn)線繼電保護(hù)裝置通過光纖連接到B所的光纖交換機(jī)獲取A站出線的過電流啟動(dòng)信號(hào)。相同道理，A站出線也可以通過所內(nèi)交換機(jī)獲取B站進(jìn)線的過流啟動(dòng)信息。為提高通信的可靠性，可以通過雙星型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息傳輸冗余，通信狀態(tài)與雙通道信息的處理由接收方處理。

在工程實(shí)施時(shí)，采用交換機(jī)級(jí)聯(lián)的模式來實(shí)現(xiàn)線路兩側(cè)繼電保護(hù)裝置的通信，導(dǎo)致級(jí)聯(lián)所GOOSE全部混到一起，占用了網(wǎng)絡(luò)資源，降低GOOSE信息處理的實(shí)時(shí)性。因此，要在工程實(shí)施中采用所間交換機(jī)級(jí)聯(lián)方案時(shí)，需要充分考慮數(shù)據(jù)隔離過濾問題。本文提出基于VLAN交疊的數(shù)據(jù)隔離過濾傳輸方案解決以上問題。

端口VLAN劃分是根據(jù)裝置間的數(shù)據(jù)交互關(guān)系，將數(shù)據(jù)劃分為不同的VID組，不同VID組之間的數(shù)據(jù)不能交互，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離。端口劃分VLAN法需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求，對(duì)交換機(jī)端口配置VID，同時(shí)交互的GOOSE報(bào)文需添加802.1Q協(xié)議，打上VLAN Tag。所間交互VID的設(shè)置需要考慮是否存在跨所數(shù)據(jù)傳輸，以及數(shù)據(jù)是單向傳輸還是雙向傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景，各場(chǎng)景下的VID設(shè)置不同［13-15］。交換機(jī)端口VID劃分如表3所示。其中，相鄰所數(shù)據(jù)交互是指A所與B所通信，B所與C所通信，A所與C所不通信。當(dāng)A所與C所有數(shù)據(jù)交互時(shí)，僅有A所向C所傳輸視為單向數(shù)據(jù)交互，當(dāng)AC所需要相互通信時(shí)，視為雙向通信。VID 2作為單個(gè)變電所通信VLAN，實(shí)現(xiàn)所內(nèi)數(shù)據(jù)的正常交互，所間交換機(jī)采用VID3、4，可以隔離變電所內(nèi)不需要所間通信的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)所間數(shù)據(jù)隔離。

表3 交換機(jī)端口VID劃分

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照?qǐng)D4的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)數(shù)字通信過電流保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)的實(shí)際數(shù)據(jù)交互情況進(jìn)行驗(yàn)證。由于VLAN隔離與過濾的技術(shù)比較成熟，其重點(diǎn)在于工程應(yīng)用配置上，本次試驗(yàn)側(cè)重于交流環(huán)網(wǎng)線路數(shù)字通信過電流保護(hù)的功能實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實(shí)時(shí)性進(jìn)行驗(yàn)證與分析。

A所交流環(huán)網(wǎng)出線處繼電保護(hù)裝置IED＿A1與B所交流環(huán)網(wǎng)進(jìn)線處繼電保護(hù)裝置IED＿B1分別通過單模光纖跳線連接到本所內(nèi)交換機(jī)，A所交換機(jī)與B所交換之間采用光纜級(jí)聯(lián)，考慮變電所間長(zhǎng)度問題，光纖全部采用單模光纖。通過在IED＿A1、IED＿B1施加不同的故障電流驗(yàn)證數(shù)字通信過電流保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)PDTOC的動(dòng)作情況與時(shí)間延時(shí)。數(shù)字通信過電流保護(hù)過流定值設(shè)為1.48 A、動(dòng)作延時(shí)20 ms，故障電流按定值的1.05倍與1.5倍兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。

如表4所示，對(duì)圖3的保護(hù)邏輯框圖進(jìn)行了驗(yàn)證，當(dāng)線路兩側(cè)有且僅有一側(cè)繼電保護(hù)裝置過流啟動(dòng)，數(shù)字通信過流保護(hù)才會(huì)動(dòng)作。需要注意的是，當(dāng)故障量由1.05倍變?yōu)?.50倍的時(shí)候，其動(dòng)作時(shí)間縮短10 ms左右，這是由于保護(hù)裝置判斷故障電流時(shí)以多個(gè)采樣點(diǎn)綜合考慮導(dǎo)致的。

表4 數(shù)字過流保護(hù)動(dòng)作情況

所間交換機(jī)級(jí)聯(lián)采用單模光纖，其最大衰減為0.3～0.4 dB/km，常見的光模塊發(fā)射功率為-6 dBm，接收靈敏度按-48 dBm計(jì)算，可保證80 km的傳輸距離，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足城市軌道交通交流環(huán)網(wǎng)線路數(shù)字通信過電流保護(hù)的數(shù)據(jù)傳輸距離需求。另外，由于通信網(wǎng)絡(luò)中只有GOOSE信息，且變電所間還采用了VLAN隔離，以最長(zhǎng)報(bào)文1 518 bytes計(jì)算，即使在發(fā)生多開關(guān)聯(lián)動(dòng)的復(fù)雜故障，網(wǎng)絡(luò)里的數(shù)據(jù)流量也低于1 Mb/s。在100 Mb/s帶寬交換機(jī)下，最長(zhǎng)報(bào)文傳輸延時(shí)為122 μs，而GOOSE信息的最小重傳時(shí)間間隔為2 ms，可以緩沖16個(gè)控制塊，信息傳輸?shù)目煽啃耘c實(shí)時(shí)性均能得到滿足。

4 結(jié)束語

基于城市軌道交通交流環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線“手拉手”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)作為線路后備保護(hù)的過流保護(hù)存在的時(shí)間級(jí)差配合問題進(jìn)行了分析，存在擴(kuò)大故障范圍與損害設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)線路區(qū)域內(nèi)外故障時(shí)，線路兩側(cè)繼電保護(hù)過電流啟動(dòng)的情況進(jìn)行了梳理，提出了數(shù)字通信過電流保護(hù)的判斷邏輯，并進(jìn)行了IEC61850邏輯節(jié)點(diǎn)建模。采用交換機(jī)級(jí)聯(lián)與VLAN劃分的方法對(duì)工程實(shí)施中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)隔離問題進(jìn)行探索，在測(cè)試后驗(yàn)證了數(shù)字通信過電流保護(hù)的數(shù)據(jù)通信可靠性與實(shí)時(shí)性均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。數(shù)字通信過電流保護(hù)縮短了交流環(huán)網(wǎng)線路后備保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)，消除了時(shí)間級(jí)差問題，而基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的PDTOC邏輯節(jié)點(diǎn)，對(duì)于不同城市應(yīng)用數(shù)字通信過電流保護(hù)都具有指導(dǎo)意義。