基于GOOSE的现代地铁环网全面保护方案

王丽霞

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043; 2.轨道交通信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

近年来，城市轨道交通建设进入了飞速发展时期，出于可靠性和经济性的原因，大多城市地铁选择了集中供电模式，各车站电源来自中压环网。传统的地铁中压保护采用光纤差动保护+过电流保护(零序电流保护)，该保护存在时限级差配合的局限性，导致供电分区小，电缆投资大。文献[1]提出了一种适合低压短距离单端电源供电的链式过电流保护方案，为地铁中压环网保护消除时限配合提供了理论基础；文献[2]提出将电流选跳原理应用于地铁环网保护；随后，一些基于电流选跳原理的环网保护和改进方案陆续被提出[3-6]。早期基于电流选跳的保护方案主要作为环网的后备保护，未对母线保护和馈线保护进行分析，后期一些文章如文献[7]提出了一种能够判别馈线故障和母线故障的数字通信过电流保护方案，该方案使用电流选跳原理解决了环网间的时限配合，但变电所内部各级的配合仍有赖于各种复杂的逻辑和时限配合，保护响应时间较长。利用电流选跳原理，采用数字通信方式的地铁环网保护，扩大了供电分区，节约了投资，减小了线路无功功率，但是随着地铁中压回馈再生制动技术、光伏发电等新技术的逐步投入应用，环网的结构变得更加复杂，传统的电流选跳技术难以满足现代节能型牵引变电所的保护需求。

随着IEC61850的提出和通信技术的发展，一个利用GOOSE网络全面收集故障信息，利用各种信息完成全面选跳的保护方案成为可能。本文旨在研究利用这些技术，构建一个地铁中压全面保护方案，能够在适应现代地铁大分区供电的同时，同时适应接入分布式电源的系统，为新型地铁供电系统的保护提供思路。

1 现代地铁的供电特点和保护组网方案

1.1 电流选跳原理及其局限

地铁环网是一种典型的链式供电结构，由主变电站和若干牵引变电所/降压变电所组成，数个变电所构成一个供电分区；在早期设计中，由于受到保护级差配合的限制，每个供电分区由3～4个变电所组成，数字通信技术的发展突破了这一限制，使得供电分区扩展到7～8个变电所，节约了电缆敷设成本，该技术的理论基础为电流选跳原理。如图1所示。

图1 电流选跳原理示意

根据电流选跳的原理，故障区段定位于从电源侧沿供电方向最后一个流过故障电流和第一个未流过故障电流的开关之间，如：当c点发生短路时，DL1和DL2流过故障电流，DL3未流过故障电流，因此可以判定故障发生在c点所在的线路区间。此理论作用的前提，是电源的单一性，如图2所示，传统的集中型地铁供电系统，是典型的链型供电结构，电流从主变电站这一单一电源流出后，通过每个车站的进出线柜，将一个供电分区级联成一个网络，并且无论供电方式如何改变，都是一个单电源系统(Ⅰ、Ⅱ段母线分开运行)。但是随着节能技术的发展，电网中加入了其他的电源来源，如中压回馈型再生技术将机车再生制动能量返送回35 kV网络，光伏发电技术将露天建筑收集到的太阳能转化为电能注入地铁供电系统，还有许多类型分布式发电所获取的电能，在未来都有可能注入地铁供电网络。以中压回馈再生制动系统为例，当正常工作时，主变电站通过环网向地铁输送电能，列车在不同运行工况下分为取流、惰行和反送电流状态。当牵引变电所邻近车辆的取流需求高于邻近车辆的反送电能时，整流机组工作，直流馈线向接触网输送电能；当牵引变电所邻近车辆的反送电能多余周边列车的取流需求时，直流母线电压升高，再生制动系统工作，将再生制动产生的电能通过逆变器和隔离变压器反送至35 kV环网，供其他负荷使用。如图2(c)所示，再生制动在环网的接入点，即连接隔离变压器的35 kV回路，可视为一个间断性向环网注入电能的电源的进线(根据设置，也可作为整流机组使用，进行双向变流)。当发生图2(d)所示位置的短路故障时，主变电站电源产生短路电流注入短路点，若再生制动系统正好处于工作状态，则该部分电能亦会在短路点产生短路电流。

图2 地铁环网供电方向示意

以图3所示供电环网为例，利用电流选跳原理，分析故障点判定过程，当A点发生故障时，D3、D4均流过故障电流，如短路时回馈系统正处于工作状态，向母线输送功率，则D7也会流过故障电流，如根据电流选跳原理的逻辑，故障将会错误的判断为D7和D8之间，即判定为母线故障，D4则不会动作，故障无法切除。

图3 地铁中压供电示意

分析功率流动的特征，在正常情况下，任何一根电缆中，功率的电流的方向都是唯一的，只有当电缆发生故障时，两侧保护检测到的功率和电流均为注入到故障点，因此可以引入一个新的故障特征量，即功率方向。功率方向保护在电力系统中已得到比较广泛的应用，如文献[14]描述了利用功率方向和通信如何自适应判断多电源网络中的故障位置，文献[15]通过IED在关联域内对负序功率方向信息进行采集和共享，进行广域继电保护。借鉴这些保护的思路，利用GOOSE网络的信息传递能力，设计了一个地铁中压全面保护方案。

1.2 GOOSE网络和组网方案

基于时限的保护方案有诸多局限性，随着数字通信技术在变电所保护中的应用发展[10-12]，许多广域保护方案亦被提出用以改进各级电网的配合[8，9]，本文将借鉴这种广域保护的思路，构建适用于地铁中压保护的方案，广域保护的基础在于故障信息的获取，而故障信息的传输有赖于GOOSE传输网络[10-13]。随着网络技术的发展，数字化变电站的GOOSE组网方案也是逐步变化的，组网的结构也分为单环网、双环网和星型网络多种结构[10]。考虑地铁环网数据的传输量和可靠性需求，采用双环网冗余结构，GOOSE网络示意如图4所示。

图4 GOOSE网络结构

2 保护方案和保护逻辑设置全面保护方案

智能保护的设置分两种类型，一类是利用一个CPU进行逻辑判断，将判定结果发给各个开关柜；另一类各个开关柜单独获取信息进行逻辑分析和判断。为了加快判断速度，提高可靠性，本文采用的方案为第二类分布式保护，即各个开关柜通过自身和从GOSSE获取的特征量，判断自身的断路器是否动作。以下给出各种类型断路器柜的动作工况和保护逻辑。

2.1 进、出线保护

进、出线保护在所连接的电缆发生短路故障时跳闸、在所连接的母线发生短路故障时跳闸、在所在变电所馈线短路时不跳闸，保护逻辑如图5所示。

图5 进、出线保护逻辑示意

2.2 再生制动回馈进线开关保护

再生制动回路短路故障或母线故障的情况下断路器跳闸、馈线短路不跳闸。保护逻辑如图6所示。

图6 再生制动进线开关保护逻辑示意

2.3 母联开关保护

母联开关一般处于常分状态，变电所一路失电情况下闭合；当母联闭合时，发生母线故障，母联断开，随即与故障母线相连的进出线开关断开。保护逻辑如图7所示。

图7 母联开关保护逻辑

2.4 馈线保护

馈线保护主保护采用电流速断保护，过流保护和零序保护作为后备保护，流过故障电流时尽可能快的切除故障。保护逻辑如图8所示。

图8 馈线开关保护逻辑

图5～图8中母线侧开关包含同段母线相连的进出线开关和母联开关，馈线开关包括接于同段母线的所有馈线断路器。零序保护判断逻辑同过电流保护，不再赘述。

3 各种运行工况的分析

以图3所示的环网设置(为便于展示供电分区设置很小)为例，推演保护判定过程。由图3可知，该供电网络采用集中式供电模式，变电所采用单母线分段，在牵引所整流机组所在母线接入了中压逆变再生制动系统。全线有两个主变电所，正常情况下，承担各自供电分区的供电任务，当一个主变电所解列时，由另一个主变负担全线供电。下面分析各种故障情况下故障位置的判定过程。

3.1 环网故障

当A点发生故障，D3、D4流过故障电流，D7是否流过故障电流与再生制动设备投入运行情况有关。若此时再生设备回馈未启动，则D7未流过故障电流，D3和主变出线断路器相互闭锁，不跳闸，D4和D7相互解锁，判定故障区域在两者区间，D4、D7跳闸，故障切除；若能量回馈导致D7流过故障电流，则判断两者的功率流动方向相同，保护启动，D4、D7跳闸，故障切除。

3.2 母线故障

当故障发生在B点时，D3、D4及D7断路器均流过故障电流，D8断流器未流过故障电流，馈线断路器未流过故障电流，则判定母线故障，D7、D8断路器满足图5所示逻辑，再生制动进线断路器满足图6所示逻辑，所有进出线开关跳闸，故障切除。

当故障发生在D点时，若此时右侧变电所的再生制动回馈装置正好投入运行，则D3、D4和D7均有可能流过故障电流，D3被D4功率方向一致跳闸，故障切除，值得一提的是，当上述情况发生时，D7和D8断路器也符合图5所示逻辑，回馈系统开关亦符合图6所示逻辑，3个开关均处于电流流动方向的下侧，开关分断并不会影响供电，但会干扰故障位置的判定，因此在故障范围判断时需加入进出线开关功率流动方向作为判断依据，发生故障的母线功率流动方向必定为从开关流向母线。

3.3 馈线故障

当故障发生在C点，D1、D2、D5以及馈线断路器流过故障电流，判定为馈线故障，断开相应断路器，迅速切除故障。

3.4 母线自动装置启动后保护

当母线一侧失压后，母联断路器投入，但当母线故障时，母联不应投入扩大故障范围，如C点故障，当判定为环网故障后，M2、M3断路器均投入运行，此时B点发生故障，则流过故障电流的断路器为D1、D2、D5、D6及母联断路器M2，环网断路器均被对侧开关闭锁，母联断路器达到启动条件动作，跳开母线断路器，母线断路器跳闸后，进出线保护符合启动条件，D7和D8断路器跳闸，故障切除。此时若馈线发生故障，则馈线断路器闭锁母联断路器，馈线断路器跳闸。

3.5 通信故障和断路器失灵

本文采用双环网冗余的组网方式，通信故障的可能性非常小，若通信故障，则保护按照限时过流保护和零序保护执行。根据保护逻辑，保护动作前验证通信故障情况，若通信畅通，保护延时为通信和判断所需最长时限，若通信故障，则开关不能获得相邻开关的信息，启动二段保护，时限可设置为0.6 s，仅根据本开关电流是否满足保护启动条件，切除故障。

当对断路器发出跳闸信息，而断路器未能按照指令分闸，则断路器失灵保护启动，断路器对上级断路器发出跳闸信号，上级断路器跳闸切除故障。

3.6 支援模式下的中压保护

保护逻辑应能满足不同运行方式和局部特殊结构的保护选择性需要，针对本线的特点，校验主变支援供电方式保护逻辑。如图3所示环网结构中，当主变1解列时，联络开关闭合，由主变电站2负责图中所示各站的供电。

(1)当A点发生环网短路故障时，流过故障电流的开关如图9所示(虚线框内为流过故障电流的开关)。D19、D20、D15、D16、D11、D12和D8均被环网对端保护闭锁，不会跳闸；D7和D4符合图9所示逻辑，保护跳闸，切除故障；再生制动能馈系统若正好处于运行状态且短路电流达到整定值，也退出运行。保护选择性可以满足，保护整定值无需调整。

图9 支援模式下的环网故障

(2)当B点发生短路故障时，支援模式下的母线故障如图10所示(虚线框内为流过故障电流的开关)，D19、D20、D15、D16、D11、D12均被环网对端保护闭锁，不会跳闸；D7和D8符合图5所示逻辑，判定为母线故障，保护跳闸，切除故障；再生制动能馈系统若正好处于运行状态且短路电流达到整定值，断路器跳闸。

图10 支援模式下的母线故障

(3)当发生馈线短路时，馈线短路闭锁了其他流过故障电流的断路器，馈线断路器跳闸，其他开关不动作。馈线保护逻辑较简单，在此不做赘述。

由以上分析可知，根据本文设计的逻辑，当运行方式改变时，无需调整保护逻辑和时限，原保护方案仍能满足保护需求。

4 结论和下一步的工作

针对现代地铁中压供电系统的特点，本文建立了一个基于GOOSE网络通讯的全面保护方案，该方案包含了中压的进线保护、母线保护、馈线保护并且考虑了接入再生制动中压逆变回馈系统的影响。通过对不同故障和不同工况的分析，证明本文所提出的保护方案能够自适应判别故障区域，满足保护的速动性和选择性。

随着节能技术发展，分布式电源未来可能越来越多参与到地铁供电中来，将会给地铁供电分析和保护带来更多的挑战。以IEC61850通信技术和GOOSE网络为载体，除故障电流外，功率方向、电流上升率等多种单一或复合故障判定参数将更多参与到保护判定过程中，保障地铁供电的可靠性，建立节能型、智能型的地铁供电网络成为下一步工作的目标。

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