基于GOOSE通信技术的地铁隔离开关数字联锁方案

何治新，冯志翔，高宇膺，周 丹，李宇琦，刘永生，徐起阳

0 引言

随着城市化进程的发展，城市人口不断增加，规模不断扩大，对城市交通系统提出了更高的要求。地铁作为一种现代化运输方式，具有快速、运量大、节省地面空间等优点，在许多城市得到快速发展。为保障地铁稳定可靠运行，地铁直流牵引供电系统采取合理的运行方式运行至关重要。

地铁直流牵引供电系统在运行中需要对上网隔离开关及越区隔离开关进行控制，实现多种直流供电方式。由于隔离开关不具备灭弧能力，为使其安全地完成分合闸操作，隔离开关的控制需要与相邻的隔离开关以及断路器位置相关联，因此隔离开关与上网相应的直流馈线断路器位置存在联锁关系。对于越区隔离开关，除了与本站上网隔离开关位置存在联锁关系之外，还与相邻两站的上网隔离开关位置以及供电区段内其他越区隔离开关位置存在联锁关系[1]。

本文将对地铁直流牵引供电系统中隔离开关联锁功能的现有实现方式进行分析，在此基础上探讨研究利用数字化通信技术实现联锁功能的方法与应用，提出基于GOOSE通信的地铁隔离开关联锁方案。

1 隔离开关联锁方案技术现状

地铁直流供电系统隔离开关的联锁需要通过对相关联的直流断路器与隔离开关位置进行逻辑判断来实现。因此，采集相关联的开关位置，并将其接入或送入闭锁逻辑判断回路，是隔离开关进行防误闭锁判断、实现联锁功能的前提。

图1给出了包含3个牵引变电所（A、B、D）的地铁直流牵引供电系统示意图。传统的隔离开关联锁大多是利用硬接线将所需要的开关位置引接到上网隔离开关控制柜，采取在柜内安装闭锁继电器的方式[2]，隔离开关的联锁利用直流断路器、隔离开关等设备的辅助接点，在二次电气控制回路通过继电器形成“与”和“或”的逻辑关系，根据逻辑关系的输出结果对隔离开关操作电源回路的接通与断开进行控制，从而达到对一次设备控制联锁的目的。

为实现上网隔离开关和越区隔离开关的联锁功能，当联锁逻辑较复杂时，继电器数量通常较多。

图1 地铁直流牵引供电系统示意图

对于图1中2111、2131、2121、2141上网隔离开关，其逻辑控制需要获取所在馈线的断路器位置。上网隔离开关2111的控制逻辑如图2所示。

对于2113、2124上网隔离开关，其逻辑控制涉及到相邻所的4个开关，对于一个牵引所的2个越区隔离开关就涉及到相邻所8个开关。越区隔离开关2113的控制逻辑如图3所示。

图2 上网隔离开关2111控制逻辑

图3 越区隔离开关2113控制逻辑

传统的隔离开关控制需要依赖大量的控制电缆及继电器构成电气联锁回路，特别是越区隔离开关的控制需要获取较远距离的相邻牵引所的位置信息，该方案存在以下风险：

（1）通道状态无法实时监测。现有联锁设备位置信号采用电信号传递，信号的传递需要通过电缆实现。电缆通道异常通常难以被及时发现，存在开关位置信号无法传递的风险，特别是越区隔离开关联锁判断需要相邻牵引所内的开关位置信息，信号传输距离远，只能通过定期巡检来降低风险。

（2）隔离开关联锁设备通常置于地下，然而地下环境湿度较大，联锁设备中的继电器和辅助触点的耐腐蚀能力较差，使得隔离开关联锁设备损坏率较高。

（3）隔离开关联锁设备是通过辅助接点在二次电气控制回路中有条件地连接实现联锁逻辑，其二次接线多且复杂，为设备检修带来极大困难。

（4）相邻牵引所之间开关位置信息通过电信号传递，电信号传递的距离有限且抗干扰能力差，加之城市轨道交通中牵引变电所之间距离较长、地下环境电磁干扰大，导致电信号传递的稳定性较差，容易引起数据接收错误。

通过上文分析，传统地铁直流隔离开关联锁方案在实际应用时可靠性、实时性较差，将导致安装施工以及后期运营维护难度较大。针对该问题，提出基于GOOSE通信技术的直流隔离开关数字联锁方案。

2 数字联锁方案

随着网络通信技术的不断发展，特别是光纤通信技术发展日趋成熟，十多年来基于IEC 61850标准的数字化变电站大面积铺开建设，其运行稳定可靠性得到了充分验证。在地铁交流供电系统中，光纤差动保护以及基于数字化GOOSE通信的数字电流保护等技术也已大量应用，无论是系统的稳定性还是实时性都达到了一个全新的高度，这为通过数字化GOOSE通信技术实现隔离开关联锁功能提供了技术保障。

2.1 所间传输无缆化

通过上文可知，实现隔离开关联锁功能，首先应能够可靠地获取所需的本所以及相邻所开关位置信号。通过在每个牵引所配置具备数字化GOOSE功能的智能测控装置，完成对本所各类所需开关位置信息的采集，将各所智能测控装置分别接入所内GOOSE通信交换机，利用牵引所区间光缆将各所的交换机级联完成GOOSE通信组网，装置通过GOOSE通信网络，利用GOOSE通信技术即可实现所间开关位置信息的交互共享[3]。

典型GOOSE通信组网结构如图4所示。

图4 牵引所典型GOOSE通信组网结构

2.2 逻辑联锁虚拟化

智能测控装置获取本所和相邻所的开关位置信息后，在装置内部将开关量信息进行逻辑组合，其逻辑如图5所示，其中邻所开关位置通过GOOSE通信传递给本所智能测控装置。图6为智能测控装置控制回路示意图，其中1907、1908和2010、2011分别为合闸、分闸闭锁接点，将这些闭锁接点串联在隔离开关的控制回路中，通过逻辑判断控制闭锁接点分合。当智能测控装置判断闭锁条件满足时，通过控制闭锁接点动作来切断控制回路；当判断闭锁条件不满足时，通过控制闭锁接点复归来恢复控制电源，从而实现上网隔离开关与越区隔离开关的联锁控制。

图5 越区隔离开关2113虚拟化控制逻辑

图6 智能测控装置控制回路示意图

上述方案采用IEC 61850标准的GOOSE通信机制，交换机的数据处理时间与光信号的传输时间分别为微秒级与纳秒级，可以忽略不计。信号从本所装置发出到GOOSE通信网内所有装置接收到，整个传输过程时延不超过4 ms，完全满足隔离开关闭锁功能的实时性要求。另外，GOOSE通信网络具有较强的抗干扰能力、较远的传输距离以及较大的数据传输量，并可对通信通道进行实时监测。

2.3 方案特点

数字化GOOSE通信联锁方案利用GOOSE通信组网取代控制电缆，软件逻辑编程取代硬接线继电器搭建逻辑，与传统方案相比较，具有以下特点：

（1）以硬接线方案为例，其信号传输延时经常大于30 ms，数字化GOOSE通信联锁方案采用GOOSE通信技术，信号传输延时最小缩短到2 ms，且不随跨所数量的增加而增加，另外联锁逻辑直接在智能测控装置中实现，没有中间通信环节，因此可以快速实现联锁功能，实时性更好。

（2）传统方案中所间电缆铺设较多，逻辑联锁功能结构复杂且对控制电缆缺少检测手段，易发生误操作。数字化GOOSE通信联锁方案通过GOOSE网络实时传递开关位置状态，并可实现GOOSE通信的通道实时自检，相当于对二次回路实时自检，因而可靠性更高。

（3）数字化GOOSE通信联锁方案通过光纤通信以及可视化软件编程等手段，实现了直流供电系统隔离开关联锁功能，降低了联锁逻辑实现的复杂度，解决了二次电缆维护困难等问题，增强了隔离开关联锁操作的便捷性。

3 工程应用

目前，基于GOOSE通信的隔离开关数字联锁方案已在国内某地铁线路成功得到应用，全线省去所有的所间二次控制电缆，节约建设成本近百万元，不仅缩短了直流供电系统的建设周期，而且为直流联锁的免定检和弱维护提供了可能，取得了较好的经济和社会效益。图7所示为地铁智能测控装置现场安装效果。

图7 智能测控装置现场安效果

牵引供电系统如图1所示。各牵引所智能测控装置通过控制电缆采集本所的开关位置后，通过GOOSE报文将开关位置信息发送到GOOSE通信网中。智能测控装置负责所内越区隔离开关2113、2124，上网隔离开关2111、2131、2121、2141控制的联锁逻辑，通过GOOSE通信网络接收到相邻所的213、2113开关位置以及C所的211、2113开关位置。

图8为由智能测控装置内嵌的可视化工具软件搭建的联锁逻辑，利用可视化软件分别完成隔离开关 2111、2113、2131联锁逻辑组态，并安装到智能测控装置，可实现按照联锁逻辑对应联锁输出接点的分合控制。最后，将对应输出接点分别串联在2111、2113、2131就地控制与远方控制回路中。当条件满足时，智能测控装置输出接点闭合，控制回路导通，隔离开关可以进行分、合操作；当条件不满足时，输出接点断开，控制回路断开，隔离开关将不能进行分、合操作，从而实现隔离开关的联锁功能。

图8 可视化软件联锁逻辑配置

4 结语

数字化GOOSE通信联锁方案以智能电网技术为平台，以实时GOOSE通信网络代替电缆，软件可视化编程代替继电器硬接线搭建逻辑，实现了直流供电系统隔离开关联锁功能的所间传输无缆化与联锁逻辑虚拟化。该方案解决了已有联锁方案可靠性与实时性差、维护难、投资成本高等问题，进一步提高了地铁直流供电系统的智能化水平，具有较高的实用价值与可行性。