适用于德黑兰地铁的数字化线路保护测控装置方案设计

赵黎明 随新鲜 何淑旭 傅兆隆 高 蕾

（1.北方国际合作股份有限公司，北京 100040；2.南京国电南自轨道交通工程有限公司，江苏 南京 210032）

伊朗德黑兰地铁项目中，对地铁中压供电系统的稳定性和持续性具有严格的要求。目前，在后备电流保护中加入数字化通信电流保护功能是一种很好的方案设计，可以解决常规保护不能满足选择性、速动性的问题[1]。通信电流保护采用IEC61850规约，通过GOOSE通信网络数据传输保护启动、联跳闭锁、开关的位置等信号，实现选择性跳闸或保护闭锁功能[2]。GOOSE通信中断将直接影响闭锁信号的传递，导致数字通信过流保护误动作[3]。因此，通信中断时需将通信过流保护功能实时闭锁。为了提高业主满意度，增强公司保护测控产品在国际城市轨道交通工程中的竞争力，文章开发一套数字化线路保护测控装置，可以很好地解决后备过流保护装置的速动性问题，提供一种新型变电站GOOSE数据通信中断检测方法。

1 总体方案设计

数字化线路保护测控装置作为供电系统的间隔层设备，全面支持IEC61850规约，根据装置类型可以分为线路保护装置、变压器保护装置以及母联备自投装置[4]。线路保护装置一般用于变电所进出线侧，变压器（动力变或整流变）保护装置用于变电所馈线侧，母联备自投装置用于变电所的母联侧。各个车站变电所组成站间专用光纤GOOSE网，通信带宽100 Mbps，每个车站变电所配置1台GOOSE交换机。为了便于接收保护装置的动作报文和录波文件，配置所有保护装置公用的103监控网络和监控后台机以及控制中心调度系统，通信介质为双绞线，通信带宽为100 Mbps。

数字化线路保护测控装置方案设计如图1所示。

图1 数字化线路保护测控装置方案设计

轨道交通环网供电系统在出现各种运行方式故障如电缆故障、母线故障、变压器馈线故障等情况下，数字通信保护装置能够满足保护的选择性、速动性、灵敏性、可靠性的要求。在地铁环网供电系统的装置实际运行过程中，环网进出线保护装置可以投入过流、数字通信过流、失灵保护；电源进线仅投入过流保护；母联保护装置投入备自投、过流、数字通信过流、失灵保护；变压器保护装置投入过流、失灵等保护。

过流保护启动后，系统中的保护测控装置均会上送“过流启动”GOOSE信号，通过不同装置的逻辑编程功能，对进出线、馈线及同一母线上所有相关保护测控装置的电流保护动作与否进行比选，快速判别故障区域，实现故障区域内的开关跳闸或开关联跳，快速切除故障线路。

保护测控装置通过常规的稳态时通信检测和保护启动时实时通信检测相结合的模式，可以及时、准确地检测装置间通信状态。IEC61850规定，GOOSE信号网络通信延时应小于4 ms，考虑装置保护逻辑任务一般间隔约5 ms，判断过程包括2个GOOSE信号传输过程，最大延时为2倍的9 ms，即实时通信检测方案判断通信中断所需时间不大于18 ms，预留一定的时间裕度，可以设置通信检测等待时间为30 ms。通信过流保护的延时时间大于通信检测等待时间，才能闭锁通信过流保护，避免保护误动作。

保护启动时的实时通信检测方案用时短，通信过流保护动作时间可以整定至50 ms或更短时间，满足保护的速动性要求，为通信过流保护取代常规的光纤电流差动保护提供技术基础。这种数字化保护通信中断检测方案可以满足GOOSE通信中断检测的快速性、准确性的要求，稳态时不会增加网络负荷，是一种简单、快速、适用性强的检测方案。

2 关键技术

数字化线路保护测控装置基于数字通信电流保护方案设计。通过GOOSE通信网对故障区域进行自适应逻辑判别，实现系统故障快速定位和快速切除。在数字通信异常的情况下，装置能够快速诊断GOOSE通信中断状态，正确实施闭锁数字通信过流保护功能，有效降低GOOSE网络负荷。

2.1 数字通信电流保护

系统中的保护装置在过流保护启动后均会上送“过流启动”GOOSE信号，通过逻辑编程功能，对相关联的对侧、进出线、馈线及同一母线上的相关装置电流保护动作进行比选，智能判断故障区域，实现故障区域内的开关跳闸或开关联跳，快速切除故障线路。

环网进出线保护装置一般投入数字通信过流保护、过流Ⅰ段（Ⅱ段）保护、失灵保护等压板；母联保护装置一般投入数字通信过流保护、备自投、过流Ⅰ段（或Ⅱ段）保护、失灵保护等压板；变压器保护装置一般投入过流Ⅰ段（Ⅱ段）保护、失灵保护等压板。装置的数字通信过流保护动作时间定值远小于过流Ⅰ段（或Ⅱ段）保护时间定值，一般设置ms级，但通信过流保护的延时时间应大于通信检测等待时间。

（1）GOOSE通信网正常运行。进出线保护装置对电缆发生故障的逻辑编程原则为本线路装置过电流保护启动，相邻变电所同一线路装置的过电流保护未启动，本线路保护装置因电缆故障跳本线路开关，并联跳相邻变电所同一线路开关。母联备自投装置对母线故障的逻辑编程原则为本线路装置的过电流保护启动，本变电所同一母线上其他所有装置的过电流保护均未启动，本线路保护装置因母线故障跳本线路上所有开关，并联跳相邻变电所同一线路开关。

（2）数字通信异常故障处理。上述电缆故障及母线故障的动作逻辑是在与相关开关保护装置的数字通信正常的情况下。装置检测到与相关装置数字通信中断时，数字通信保护自动退出。

（3）装置发联跳对侧开关时GOOSE通信中断的处理。保护装置发GOOSE信号联跳对侧开关是建立在和对侧开关GOOSE通信正常的情况下，GOOSE通信中断则无法跳开对侧开关，此时可以借助光纤差动装置的光纤通道实现开关的联跳。

2.2 支持GOOSE开入开出功能

GOOSE通信网可以监视上级开关及下级开关的保护动作情况。通过GOOSE的开入开出配置建立各装置间的GOOSE联系，装置可以发出联跳对侧开关、联跳进出线开关、失灵动作等信号以及实现启动备自投的开出信号，完成数字化线路保护控制功能。相关线路开关的信息根据工程由GOOSE配置文件灵活配置。

2.3 数字化保护通信中断检测方案

保护装置通过常规的稳态时通信检测方案和保护启动时的实时通信检测方案相结合的模式，稳态时观察2倍重传报文时间间隔内是否收到GOOSE信号，判断是否通信中断；保护启动时，通过传递保护启动GOOSE信号及接收相关保护装置的反馈GOOSE信号判断是否通信中断，及时准确地检测装置间通信状态，在通信中断时能够正确闭锁通信过流保护，避免保护误动作。

3 系统实施案例

实施案例采用大环网供电方式的地铁35 kV供电系统。系统中串联7个车站变电所（牵引/降压混合变电所、降压所）。其中，5个变电所为单段母线和1个环网开关，2个变电所为两段母线以及母线分段开关和馈线开关。变电所1～7中的101、102及103为变电所的进出线，其后备保护配置为需要说明。变电所1和变电所7的101为电源进线，后备保护装置仅投入过流Ⅱ段保护，不投入数字通信过流保护，其余进出线的后备保护装置均投入过流Ⅱ段保护及数字通信过流保护功能，能够保证过流保护可靠启动。系统在每个车站变电所内和所间组成专用光纤GOOSE网，便于接收保护装置的动作报文和录波文件。系统配置保护装置公用的103监控网络和监控后台系统。

微机保护设备和通信设备列表如表1所示。

表1 微机保护设备和通信设备列表 单位：台

变电所的进出线后备保护配置线路保护装置；变电所的母联保护配置备用电源自投装置；变电所的馈线配置变压器保护装置。

所有装置数字通信正常，变电所4的环网联络开关103断开，母联开关100断开，其他开关闭合。

地铁供电系统结构如图2所示。

图2 地铁供电系统结构

（1）电缆发生故障时（K1故障点），变电所1的进线101、出线103，变电所2的进线101、出线103均产生过电流，启动过电流保护。根据数字通信过流功能原理，只有相邻变电所同一线路装置的过电流保护未启动才满足数字通信过流电缆故障跳闸的条件。仅变电所2的出线103保护装置发生数字通信电缆故障动作时，跳开103。103发出电缆故障跳闸的GOOSE开出信号，对侧开关即变电所3的进线101开关通过GOOSE配置启动GOOSE对侧过流开入信号，实现对侧开关联跳动作；变电所3的101被联跳后发启动备自投开出信号，母联开关100接收到101启动备投信号，检测Ⅰ母失压，Ⅱ母有压，合上母联开关100。

（2）母线发生故障时（K2故障点），变电所1的进线101、出线103，变电所2的进线101、出线103以及变电所3的进线101均产生过电流且过电流保护启动。根据数字通信过流功能原理，启动相邻变电所同一线路装置的过电流保护，不满足数字通信过流电缆故障跳闸的条件；本变电所同一母线上其他所有装置的过电流保护均未启动时，满足数字通信过流母线故障跳闸的条件。变电所3的101后备保护装置可以发生通信过流母线故障动作，跳开101。101发出母线故障跳闸的GOOSE开出信号，其同母线出线开关即变电所3的出线103通过GOOSE配置启动GOOSE出线过流开入信号，联跳103开关；同样地，变电所3的馈线111保护装置被101发出母线故障联跳，跳开111开关，实现母线同侧的所有开关联跳，有效地避免故障事故扩大，保证供电系统安全运行。

装置间的通信检测采用常规与新型实时检测相结合的方式来实现。以变电所2的101开关与馈线111的通信过程说明通信中断的检测过程。没有变位的稳态情况时，101保护装置以T0间隔（没有事件发生时重传报文时间间隔）接收到111装置发送的GOOSE信息，如果2倍的T0间隔时间还未收到GOOSE信息则判断为101与111装置通信中断，装置发告警信息，闭锁通信过流保护；101过电流保护启动后101发保护启动GOOSE信号，111接收到101的保护启动GOOSE信号后则发送接收反馈GOOSE信号，101在预设的通信检测等待时间内接收到111的反馈信号就判定和111通信正常，如果未收到111的反馈信号则判定为与111的通信中断，实时闭锁101的通信过流保护。采用这种保护启动时的实时检测方案，可以快速检测装置间的通信状态；没有变位时，稳态发送间隔时间T0按照常规方式整定，减少GOOSE带宽占用，改善网络通信状态。

4 结语

文章提出的数字化线路保护测控装置间可通过过程层的GOOSE通信规约通信实现信息交换，传递跳闸及保护闭锁信息。数字化线路保护测控装置通过常规的稳态时通信检测方案和保护启动时的实时通信检测方案相结合的模式可以及时、准确地检测到装置间通信状态，满足GOOSE通信中断检测的快速性、准确性的要求，在稳态时未增加网络负荷，能够按照数字通信保护方案准确动作。