基于IEC 61850的轨道交通直流馈线保护装置研制

王 宇，史泽兵，郝后堂，李肖博

基于IEC 61850的轨道交通直流馈线保护装置研制

王 宇，史泽兵，郝后堂，李肖博

针对轨道交通直流供电系统的特点及变电站将走向数字化、智能化的发展趋势，在研究国内外轨道交通直流馈线保护及IEC 61850标准的基础上，设计一套基于IEC 61850的轨道交通直流馈线保护装置方案，并针对该方案给出了装置的软、硬件设计及IEC 61850功能实现。

轨道交通直流供电系统；直流馈线保护；IEC 61850

0 引言

目前世界上约有130多个城市修建了地铁，总长度达到了五千多公里。发达国家的地铁及其他城市轨道交通方式每年承担了城市旅客总运输量的60%～87%[1]。随着我国国民经济的迅速发展和城市交通量的增长，城市轨道交通作为一种高速、安全、可靠、准时、舒适、便捷、环保等优点的交通运输工具，在国内得到了越来越多的应用。我国规划建设的轨道交通网络总里程超过5 000 km，总投资预算超过8000亿元[2]。

目前，国外厂家依靠其雄厚的技术实力几乎占据了整个国内城市轨道交通市场，如ADTRANS公司的DCP106、SHCHRON公司的SEPCOS和SIEMENS公司的DPU96等产品在国内已有多年运行经验。相反，我国在轨道交通直流供电系统方面的理论及应用研究尚处于起步阶段，轨道交通直流馈线保护装置在直流牵引供电系统的应用尚属空白，对轨道交通直流供电系统的保护基本上都依靠国外的技术和设备，例如深圳地铁采用的是ADTRANS公司的DCP106、广州地铁采用的是SIEMENS公司的DPU96、南京地铁采用的是SHCHRON公司的SEPCOS等。所以，打破国外公司的技术垄断、开发具有自主知识产权的轨道交通直流馈线保护装置具有十分重要的意义。

1 方案设计

根据轨道交通直流系统特点，轨道交通直流馈线保护系统方案如图1。

图1 轨道交通直流馈线保护方案图

在直流馈线保护系统方案中，CPU为系统的核心，由高性能的ARM处理器及DSP（数字信号处理器）处理器组成。ARM处理器运行高稳定性的实时操作系统，主要负责实现人机界面、后台通讯、文件记录等功能；DSP处理器则主要完成开入开出控制、采样控制、保护算法与逻辑判断等功能。

CPU具有以下对外接口：

（1）支持3路百兆以太网接口，用于监控、保信的通讯；

（2）支持通过光串接口与隔离放大器通讯；

（3）支持差分校时或24 V硬接点校时，可通过板件上的跳线配置；

（4）支持串行打印接口；

（5）支持一路厂家专用的调试网口，该网口通过人机接口插件引出。

监控系统、保信子站是后台监控系统，具有测量监控、数据处理、分析统计、操作控制、防误闭锁、告警处理、保护管理、报表打印、远动转发、系统接入、系统维护、同步对时等功能。

隔离放大器与分压器模块一同用于电气隔离和电流及电压测量[3]。隔离放大器通过分流器测量馈线电流，通过分压器测量馈线电压，经电气隔离、放大后采用IEC60044-8协议的形式通过光串口送给中央处理单元。

液晶、键盘完成轨道交通直流馈线保护装置人机交互。

分流器为馈线电流采集单元，采用10-8Ω级电阻以保证不影响回路正常运行。

分压器为馈线电压采集单元，采用极大电阻与极小电阻分压方法以保证不影响回路正常运行。

2 硬件设计

2.1 中央处理器

该系统馈线保护采用的OMAP-L138X系列CPU，是TI公司推出的新一代低功耗双核处理器，内部集成了375 / 456 MHz ARM926EJ-S RISC MPU及375 / 456MHz C674x浮点VLIW DSP，具有强大丰富的外设资源，高效的缓冲机制，低功耗设计等优点，两颗CPU各司其职，可满足系统的非实时多任务及实时高强度数据处理的应用需求。

ARM926主要完成通信、调试、打印、界面、录波存储、记录存储、配置解析等功能。

DSP主要完成采样数据接收、采样（开入）、开出、保护逻辑、对时等功能。

2.2 跳闸出口

在直流系统运行过程中，当下级用电设备出现短路故障时，经常引起上一级直流断路器的越级跳闸，从而引起其他馈电线路的断电事故，进而引起变电站一次设备如高压开关、变压器、电容器等的事故。为防止因直流断路器及其他直流保护电器动作特性不匹配带来的隐患，国家电网公司对于新装和运行中的直流保护跳闸出口时间有严格要求，要求硬件出口速度控制在1 ms以内，为了满足以上要求，出口继电器采用光继电器模式。

2.3 分流器

分流器变比设计为4 000 A / 60 mV，串入馈线电路，负责将大电流转换成0～300 mV的电压信号以供隔离放大器采样。

在系统中，选用的馈线电缆的横截面积S为4 mm2，单线长度为1.0 m，正负极总长为2 m。由电阻计算式R = ρL / S可以得电缆线电阻值大约0.86×10-2Ω，因此分流器的电阻值为1.5×10-8Ω。可以看出电缆线的电阻值与分流电阻值之间有大约2×106倍的关系，因此即使电缆线在装置侧发生最坏情况（短路），电缆的分流也只有0.5×10-6，不会对现有测量及保护产生大的影响。

在串入分流器后，回路正常运行时，馈线电缆电阻较大，与分流器的电阻值不在同一个数量级，不会对现有的测量及保护产生大的影响。

在串入分流器后，回路发生断路时，断路电阻无穷大，与分流器的电阻值不在同一个数量级，不会对现有的测量及保护产生大的影响。

2.4 分压器

分压器变比设计为3 000 V / 60 mV，并入馈线电路，负责将大电压转换成0～300 mV的电压信号以供隔离放大器采样。为了满足以上变比，分压器中分压电阻选择2 MΩ电阻，采样电阻选择40 Ω电阻。

分压器并入回路，如果正常运行，假设馈线回路额定电压为3 000 V，此时流过分压器回路的电流为1.5 mA，相较于馈线回路102数量级电流，分压回路产生的电流可以忽略不计，不会对实际运行产生影响。

分压器并入回路，如果分压器回路断路，此时内阻无穷大，不会对实际运行产生影响。

分压器并入回路，如果分压器回路短路，此时通过分压器回路的电流将会超过102数量级，会对实际运行产生影响。为了避免该情况发生，在设计分压器回路时串入一个熔断器，在分压器回路短路时立刻熔断，以保证实际运行不受影响。

2.5 隔离放大器

隔离放大器是整个系统中负责采样的部分，精度及稳定性至关重要。该系统的隔离放大器采用FPGA+AD隔离芯片实现直流量采样。为了保证采样精度，在硬件上选用精度高达16位的高精度AD采样芯片，同时具备软硬件配合的零漂和增益自动处理功能。

在软件上采用过采样的处理方法，以高于直流馈线保护要求采样率4倍的频率进行采样，同时在隔离放大器内完成采样数据的初次滤波，具体策略为：4点数据求取平均值，以平均值作为采样值发送给轨道交通直流馈线保护装置。

为了实现一、二次系统的有效电气隔离，隔离放大器采用塑料外壳，与轨道交通直流馈线保护装置采用光纤进行数据传输，协议采用IEC 60044-8，传输频率2 000 Hz，每个中断传输5个点数据。

3 软件设计

轨道交通直流馈线保护系统主要用于城市轨道交通750 V / 1 500 V / 3 000 V及其他直流供电系统中，要求在系统发生故障时快速、准确的切除故障，同时要避免误动。通常，轨道交通直流保护装置安装在牵引变电所的馈线柜中，主要配置有：最大电流保护、过流保护、电流增量保护、电流变化率保护、热过负荷保护、低电压保护、过电压保护、双边联跳等[4]。据统计，线路发生瞬时性故障的概率占60%～90%，为了提高直流供电系统稳定性，降低因故障引起的断网时间，装置还需配置自动重合闸。为了保证在自动重合闸不合于故障，需配置线路测试功能。

中央处理器的中断间隔为0.5 ms，在中断内完成数据接收、计算、逻辑判断等功能，软件流程见图2。

3.1 电流增量及上升率

直流供电系统短路时，故障电流上升速度快、故障电流大，有别于交流供电系统。而电流增量及上升率能很好地反应直流供电系统的这2个特点，因此常作为直流供电系统的主保护。主要保护范围是接触网距变电所的中、近端，也能切除不在大电流脱扣保护范围之内的较小的远端短路故障[5]。

图2 软件流程图

电流增量保护就是测量电流的增加量，在电流增量保护模式下，比较电流测量值与基准电流之间的电流差值。由于基准电流是个动态值，若电流斜率小于di/dt的最小值，则当前电流值就成为新的基值。当电流差值超过设定的整定值，即触发报警；若超过整定值并持续时间超过整定的延时时，发出跳闸信号，使断路器跳闸。电流增量保护是一种用于快速切除近端接触网短路故障的电子保护装置，为了防止电流增量保护受干扰误动的可能，还需附加延时时间、短路电流上升率（di/dt）等条件。电流增量保护主要针对近、中端距离的非金属性短路故障，设2段保护。电流增量保护逻辑见图3。

图3 电流增量保护逻辑图

电流上升率保护就是测量电流的变化率di/dt，在电流上升率保护模式下，比较电流的变化率di/dt与整定值。当电流的变化率di/dt持续超过整定值，该保护起动；当起动后的di/dt时间超过所设置的延时整定值时，断路器跳闸。电流上升率保护主要针对中、远端距离的短路故障，设两段保护。电流上升率保护逻辑见图4。

图4 电流上升率保护逻辑图

3.2 线路检测

地铁直流牵引供电系统在运行过程中，若发生短路故障，直流断路器将跳闸以切除故障，当故障消失时，系统恢复正常运行，此时需要将断路器合闸。由于直流断路器的特性，如果在未判定故障是否已经消除前盲目合闸断路器，则有可能将断路器主触头烧坏，或损坏整流器元件，因此在断路器重新跳闸之前，应对线路是否恢复正常进行测试，若测试结果表明发生的是瞬时故障，则保护装置发出重合闸命令，断路器自动重合闸，否则测定为系统发生永久性故障，断路器不再进行重合闸。采用带有线路自动测试装置的自动重合闸可以避免由于瞬时故障对系统带来的不利影响[6]。

线路测试原理如图5所示。

图5 线路测试图

在线路测试时，Kt闭合，此时可算出：

当测得线路电阻Rre＞Rset时，则线路检测通过，可以合闸。当测得线路电阻Rre不满足线路检测通过的条件，则不允许合闸。

4 IEC 61850功能

IEC 61850是国际电工委员会TC57工作组制定的《变电站通信网络和系统》系列标准，为基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准。信息和服务模型是IEC 61850标准的核心[7]。

IEC 61850作为制定电力系统远动无缝通信系统基础，能大幅度改善信息技术和自动化技术的设备数据集成，减少工程量、现场验收、运行、监视、诊断和维护等费用，节约大量时间，增加了自动化系统使用期间的灵活性。它解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题，为不同厂商的智能电子设备实现互操作和系统无缝集成提供了有效的途径[8]。采用该标准还可使变电站自动化设备具有自描述、自诊断和即插即用（Plug and Play）的特性，极大地方便了系统的集成，降低了变电站自动化系统的工程费用。代表了变电站自动化技术未来的发展方向[9]。

该系列装置通过以太网方式支持IEC61850中服务器端功能，具体的通信服务功能描述如下。

（1）关联。使用Associate（关联）、Abort（异常中止）和Release（释放）服务。

支持同时与不少于12个客户端建立连接。

（2）目录类服务。GetServerDirectory（服务器目录）、GetLogicalDeviceDirectory（逻辑设备目录）、Get LogicalNodeDirectory（逻辑节点目录）、GetDataDirectory（读数据目录）、GetDataDefinition（读数据定义）。

（3）数据集。支持GetDataSetDirectory（读数据集定义）和GetDataSetValues（读数据集值）服务不要求支持创建数据集（CreateDataSet）、删除数据集（DeleteDataSet）。

（4）取代。测控装置支持该功能，可方便用于现场调试。

（5）定值组控制。支持SelectActiveSG（选择激活定值组）、SelectEditSG（选择编辑定值组）、SetSGValuess（设置定值组值）、ConfirmEditSGValues（确认编辑定值组值）、GetSGValues（读定值组值）和GetSGCBValues（读定值组控制块值）服务。

定值更改严格控制流程，在使用GetSGValues和SetSGValuess服务读编辑组定值和更改定值之前，客户端应调用SelectEditSG服务选择编辑组定值；否则，服务器应对这2种服务返回错误。

该系列装置的IED只定义了一个SGCB，定值组切换时整体切换。

（6）报告。支持Report（报告）、GetBRCBValues（读缓存报告控制块值）、SetBRCBValues（设置缓存报告控制块值）、GetURCBValues（读非缓存报告控制块值）、SetURCBValues（设置非缓存报告控制块值）服务。

数据集在SCD文件中定义，不支持数据集动态创建和修改。

支持IntgPd和GI[10]。支持客户端设置OptFlds和Trgop。至少支持12个实例。

（7）日志。本系列装置可选择实现本功能。

（8）控制。使用SelectWithValue （带值的选择）、Cancel（取消）和Operate（操作）服务。

开关刀闸遥控使用sbo-with-enhenced security方式。

装置复归使用Direct control with normal security方式。

控制操作时应初始化相关参数（ctlModel等）。

（9）GOOSE。装置接收方会严格检查AppID、Ref、DataSet等参数是否匹配。

GoCB自动使能，装置上电就开始发送GOOSE报文。

GOOSE接收装置通过检测T0时间间隔的定时报文监测GOOSE中断告警，并会通过报告通知客户端。

（10）时间。支持SNTP校时和硬节点校时结合或互为备用的方式；在备用方式下，优先使用硬结点校时方式；在硬节点校时故障时，启用SNTP校时。

支持IEEE1588对时方式。

（11）文件。支持GetFile（读文件）和GetFileAttributeValues（读文件属性值）服务。

GetFileAttributeValues（读文件属性值）支持“*”和“*.*”方式，不应要求客户端指定目录名。

录波完成时，生成COMTADE格式的录波文件，通过录波报告通知客户端。录波文件存储于COMTRADE文件目录中。

支持客户端以目录和时间段2种方式调取录波文件列表。

5 结语

本文对轨道交通直流供电系统中馈线保护进行了研究，给出轨道交通直流馈线保护系统方案。根据该方案研制的样机已通过国家权威检测机构的型式试验认证。

目前，该保护装置已在工程现场实际运行，效果良好。

[1] 孟飞. 地铁直流牵引供电系统馈线保护研究[D]．华东交通大学，2012．

[2] 胡俊. 轨道交通牵引供电系统直流母线保护的研究与设计[D]. 北京交通大学，2011.

[3] 王军，杨海英，李钢，等. 地铁牵引变电所直流保护隔离放大器的研制[J]. 城市轨道交通研究，2008，11（8）：43-46.

[4] 张宏荃，张杭，裴军. 地铁直流馈线微机保护装置的研制[J]. 低压电器，2009，（11）：17-20.

[5] 黄海浪. 大连地铁直流牵引供电系统保护配置及整定研究[J]. 城市轨道交通研究，2013，16（3）：93-96.

[6] 曹莉. 城轨交通直流牵引馈线DDL保护及其功能分析[J]. 现代城市轨道交通，2008，4（4）：21.

[7] 朱永利，王德文，王艳. 基于IEC 61850的电力远动通信建模方法[J]. 电力系统自动化，2009，33（21）：72-75.

[8] 王德文，邸剑，张长明. 变电站状态监测IED的IEC 61850信息建模与实现[J]. 电力系统自动化，2012，36（3）：81-85.

[9] 唐喜，任雁铭，孟岩. 基于IEC61850的数字化变电站服务器端模拟系统及实现[J]. 电力系统自动化，2010，34（21）：46-49.

[10] 章坚民，蒋世挺，金乃正，等. 基于IEC 61850的变电站电能量采集终端的建模与实现[J]. 电力系统自动化，2010，34（11）：67-71.

With regard to characteristics of DC power supply system for rail transportation, a trend of substation is developing to be more digitalized and intellectualized, on basis of study of rail transportation DC feeder protection abroad and overseas and standard of IEC 61850, a set of IEC 61850 based scheme for DC feeder protection device for rail transportation is formulated, and design of soft, hard wares as well as realization of IEC 61850 functions are offered with regard to the scheme.

DC power supply system of rail transportation; DC feeder protection; IEC 61850

U231.8

B

1007-936X(2015)02-0035-05

2014-08-21

王 宇.国电南瑞科技股份有限公司深圳分公司，工程师，电话：13632666681；史泽兵，郝后堂.国电南瑞科技股份有限公司深圳分公司，高级工程师；李肖博.国电南瑞科技股份有限公司深圳分公司，工程师。

科研项目：国网电力科学研究院、南京南瑞集团公司2011年科研项目。