基于GOOSE 通信的PSCADA 数字选跳保护方案

李宇琦，何治新，张 晔，梁小琦，冯志翔，侯 炜，刘永生

0 引言

随着我国城市化进程加快，城市轨道交通线网越来越密集，对轨道交通供电系统的可靠性提出了更高的要求。目前，轨道交通交流供电系统多采用环网供电方式，常规的保护方案是配置光纤纵差保护与定时限过流保护，该保护方案的选择性通过上下级动作延时级差配合实现，速动性较差，已越来越无法适用于目前的环网供电系统[1]。

图1 地铁环网供电系统示意图

环网供电方式下，传统过流保护的选择性一般是通过每一级动作延时级差来保证的，以图1 所示南京地铁3 号线一个典型的4 级环网供电分区为例，末端站（九龙湖站）102 过流保护整定延时为0.55 s，而首端站（宏运大道站）102 过流保护延时已达1.3 s。这还仅仅是环网只有4 级的情况，有些大环网多达10 级以上，此时传统过流保护则不具备速动性。

为满足交流环网供电系统对保护速动性的要求，保证系统可靠运行，本文提出一种保护方案—PSCADA 数字选跳保护方案。该方案将保护装置接入变电所站控层通信网络，利用GOOSE 通信技术实现信息共享。装置通过对所需的共享信息进行逻辑比选后，可实现对故障区域的准确判断及快速跳闸切除故障。

1 组网方案及保护原理

1.1 组网方案

PSCADA数字选跳保护方案采用站控层组网方式，即GOOSE通信与站控层通信共用网络的组网方式。站控层通信具体选用何种监控规约不影响其中GOOSE通信的可靠性，因此该组网方式下保护装置间信息快速交换是可靠的[2]。

PSCADA 数字选跳保护方案典型的组网结构如图2 所示。

图2 数字选跳保护组网结构

图3 组网通信接口

组网通信接口如图3 所示。基于增强网络通信抗干扰能力与提高通信速率的考虑，站内网络接口优先使用100 Mbps多模光纤接口，站间交换机通过1 000 Mbps单模光纤接口进行级联，以实现全网GOOSE通信[3]。

1.2 保护原理

通过复用站控层网络以及利用GOOSE 通信技术，保护装置可实现信息共享，传输与接收站间、站内的保护启动闭锁信号以及各类开关量信号。装置在接收到所需信号并进行逻辑判断比选后，可判断出故障区域，进而实现快速跳闸切除故障。数字选跳保护逻辑如图4 所示。

图4 数字选跳保护逻辑

对于单电源供电环网供电系统，任意处发生故障时，当检测到故障电流大于数字选跳动作定值，且未同时接收到来自母线侧保护装置（同母线任意保护装置）以及环网对侧保护装置的数字选跳闭锁信号，说明故障为区内故障，数字选跳保护动作；反之则说明故障为区外故障，数字选跳保护闭锁。

下面分别以变电所环网电缆、母线和馈线发生故障为例，简要分析数字选跳保护的逻辑原理。这3 种故障基本包含了地铁交流供电系统常见故障类型。

1.2.1 环网故障

图5 为环网故障示意图。当K1 点发生故障时，K1 点上级即左侧的环网进出线保护装置均会检测到故障电流，且大于“数字选跳闭锁定值、数字选跳动作定值”（数字选跳动作定值略大于数字选跳闭锁定值），将立刻通过GOOSE 通信以组播方式对外发送数字选跳闭锁信号。

图5 环网故障示意图

S2 所的102，S1 所的102、104 保护装置会同时接收到各自母线侧以及环网侧的数字选跳闭锁信号，上述保护装置将判断此次故障为区外故障，闭锁数字选跳保护。

而S2 变电所的104 保护装置仅会接收到来自本所母线侧（102 保护装置）的闭锁信号，不会接收到环网对侧的闭锁信号（因环网对侧S3 所102保护装置基本未检测到任何电流，不会发出闭锁信号），该保护装置将判断此次故障为区内故障，数字选跳保护经短延时（通常设定为50～100 ms）快速动作出口切除故障。

1.2.2 母线故障

当K2 点发生短路故障时（图6），S1 所的102、104 保护装置会同时接收到各自母线侧以及环网侧的数字选跳闭锁信号，上述保护装置将判断此次故障为区外故障，闭锁数字选跳保护。

而S2 变电所的102 保护装置仅会接收到来自环网对侧（S1 所104 保护装置）的闭锁信号，不会接收到母线侧的闭锁信号（因S2 所104、312、100 保护装置基本未检测到任何电流，不会发出闭锁信号），该保护装置将判断此次故障为区内故障，数字选跳保护经短延时（通常设定为50～100 ms）快速动作出口切除故障。

图6 母线故障示意图

1.2.3 馈线故障

当K3 点发生短路故障时（图7），S2 所的102与S1 所的102、104 保护装置都会接收到各自母线侧及环网对侧的数字选跳闭锁信号，上述保护装置将判断此次故障为区外故障，闭锁数字选跳保护。

而S2 变电所的312 为供电末端，当312 保护装置检测到故障电流即判断为区内故障，不需判断闭锁信号，由过流保护经短延时（通常设定为50～100 ms）立即动作出口切除故障。

图7 馈线故障示意图

2 保护配置方案

PSCADA 数字选跳保护方案中，通常环网侧电缆配置光纤纵差保护装置以及线路综合保护装置，各个馈线间隔配置馈线综合保护装置，母联间隔配置母联综合保护装置，上述各个综合保护装置不仅具备过流保护和零序过流保护等传统保护功能，在此基础上还增加了本文所述的数字选跳保护。典型保护配置方案如图8 所示。

图8 变电所保护配置

在极端情况下，GOOSE 通信发生故障时装置会发出GOOSE 告警，这时综合保护装置不能正常接收/发送GOOSE 信息，考虑到保护方案的可靠性，避免数字选跳保护误动，综合保护装置会将GOOSE 告警侧对应的数字选跳保护功能退出，而这些保护装置的过流保护和零序过流保护仍能正常工作。

3 仿真试验验证

3.1 仿真模型及试验方案

通过搭建RTDS 仿真模型，验证本文所述PSCADA 数字选跳保护方案的性能。试验模拟轨道交通交流供电系统典型供电方式下常见的短路故障，仿真系统模型以及模型参数主要参照南京地铁3 号线交流供电系统，并在此基础上进行精简，如图9 所示。其中K1～K3 为故障点，K1 代表牵引所2、3 之间环网线路上故障，K2 代表牵引所3内35 kV 母线上故障，K3 代表牵引所3 馈线上故障。

图9 供电系统模型

本次试验配置2 台纵差保护装置、6 台综合保护装置、1 台交换机，接入6 组CT 以及2 组PT，通过模拟典型故障验证保护方案的性能。保护配置方案如图10 所示。

图10 试验系统保护配置

纵差保护装置、综合保护装置分别配置于环网线路两侧断路器203、301，牵引所3 出线断路器303、母联断路器300 和馈线断路器311 分别配置综合保护装置。

系统模型的主要参数如表1 所示。

表1 R TDS 试验系统模型参数

试验系统配置的保护装置分别接入站控层交换机，GOOSE 网络与监控103 网络采用共网方式。试验系统按图2 所示组网结构进行组网。

3.2 试验过程及结果分析

牵引所1 双母分列运行，断路器403、404 断开，牵引所3 通过电源进线301、302 单向供电，模拟牵引所3 发生K1、K2、K3 三处典型故障，考察各保护装置的动作情况。测试过程及动作结果如下：

（1）纵差保护通信正常，0 ms 时刻模拟K1点各类型短路故障，203、301 开关纵差保护20 ms动作跳闸切除故障。

（2）纵差保护通信异常，0 ms 时刻模拟K1点各类型短路故障，203、301 开关纵差保护装置拒动，对应间隔综合保护装置的数字选跳保护50 ms 动作跳闸切除故障。

（3）0 ms 时刻模拟K2 点各类型短路故障，301 开关综合保护装置数字选跳保护50 ms 动作跳闸切除故障。

（4）311 综合保护装置GOOSE通信报警，0 ms时刻模拟K2 点各类型短路故障，301 开关综合保护装置数字选跳保护闭锁，故障由301 过流保护经长延时动作跳闸切除。

（5）0 ms 时刻模拟K3 点各类型短路故障，311 开关综合保护装置动作跳闸切除故障，故障发生时刻311 保护装置发送数字选跳闭锁信号，301开关数字选跳保护被闭锁，因此不会发生误动作。

试验过程以及结果表明：PSCADA 数字选跳保护方案运行可靠，可快速识别故障区域进而快速跳闸隔离故障，最快可实现环网任一点故障50 ms动作跳闸隔离，且不受故障类型影响，保护动作可靠快速。

4 结语

本文所提出的基于GOOSE 通信的PSCADA数字选跳保护方案利用智能变电所GOOSE 通信技术赋予传统过流保护以绝对选择性，大幅提升了保护的速动性。RTDS 试验结果也验证了所述方案是一种具有绝对选择性的快速保护方案，可以很好地解决交流环网供电方式下保护装置的选择性与速动性相互矛盾的问题。