适用于远距离通信的城市轨道交通区间跟随所干式变压器本体智能终端开发的关键技术

招康杰 赖沛鑫 麦华仁 余 龙 谢金莲 王文浩

(1.广州白云电器设备股份有限公司,510450,广州;2. 广州市扬新技术研究有限责任公司,510540,广州∥第一作者,助理工程师)

目前,在城市轨道交通供电系统中,为保护干式变压器安全、可靠运行,通常将其冷却介质及绕组的温度控制在可控范围内,此时采用温度控制器(以下简称“温控器”)对运行状态下的干式变压器进行温度的测量监视、冷却控制及安全闭锁。传统干式变压器温控器采用干节点、硬接线的方式完成与变电所内保护装置跳闸联锁数据的交互,通信规约依据传统Modbus协议的 TCP(传输控制协议)/RTU(远程终端单元)方式,监控后台需要经过规约转换方能实现对干式变压器运行状态的远程监控。

城市轨道交通线路的运营里程越来越长,区间跟随所与降压变电所的间距超过4 km的情况随之也越来越多。由于传统干式变压器温控器的信号传输存在电压降低问题,需采用硬接线+增加中间继电器的方式实现区间跟随所与降压变电所之间的闭锁与联跳功能。因此,传统干式变压器存在干扰严重、造价成本高、施工复杂及需增设电源供电等缺点,不能保证数据传输及系统运行的可靠性和安全性,难以满足远距离保护联闭锁的使用需求。此外,传统干式变压器温控器不具备接入到智能变电所数字化保护网络的功能,其非标准化的串口通信协议也无法支撑智能变电所高级运维功能的开发,这制约了智能供电数字化的发展。因此,为更好地解决长大区间远距离通信的需要及智能化变电所的建设要求,本文基于IEC 61850系列(以下简称“IEC 61850”)标准协议对适用于远距离通信的城市轨道交通干式变压器本体智能终端(以下简称“智能终端”)进行软硬件开发,并通过实际应用案例检验该方案的可行性,以期推动智能终端在城市轨道交通长大区间场景的使用。

1 适用于远距离通信的干式变压器技术方案对比

长大区间地铁线路的站间距较大,由此对智能设备的要求更高。尤其是对于区间跟随所干式变压器的监控和保护联闭锁,要求其必须确保远距离通信传输的可靠和稳定,并满足低延时、施工简单、智能化及通信规约统一等要求。

区间跟随所的配电变压器与33 kV开关柜的距离较远,无法采用传统电缆硬件线方式实现变压器异常情况下33 kV开关跳闸时的保护功能。此外,常规温控器的监视功能也无法采用传统的串口或电网口通信方式实现。有3个技术方案可解决此问题,本文对这3个技术方案进行对比分析。

1.1 方案一(传统“硬接线+中间继电器”)

图1为方案一的技术路线示意图。方案一的工况为:在发出温控器与保护装置传输超温、干式变压器外围栏门打开(以下简称“门开”)等保护信号及报警信号情况下,通信链路存在抗干扰能力低、施工困难、成本高、容易增加故障节点等问题,需增加中间继电器,以增强信号的传输能力。方案一下,温控器与PSCADA(电力监控与数据采集)系统间的通信采用传统Modbus协议的 TCP/RTU方式,通信介质为网线,监控信号的长距离传输需经过光电转换装置转为光纤通信。

图1 方案一的技术路线示意图

1.2 方案二(硬接点转光信号传输)

图2为方案二的技术路线示意图。方案二下,监视信号与保护跳闸信号分别通过光电转换装置进行转换,采用光信号进行远距离传输后再转为电信号,接入变电所相应装置。方案二施工较为复杂、繁琐。

图2 方案二的技术路线示意图

1.3 方案三(基于IEC 61850的光纤通信)

IEC 61850定义了比较完备的抽象服务接口,包括基本模型规范和信息交换服务模型。其中,信息交换服务模型包括核心服务模型、GOOSE(面向对象的通用变电站事件)模型及时间同步模型等。GOOSE是IEC 61850定义的一种通信机制,主要用来传输实时性要求高的信息(如跳闸及闭锁等),其信息传输的内容也可由用户灵活定义。为保证GOOSE报文传输的实时性,IEC 61850规定GOOSE采用特殊的映射方式,即不需经过会话层、传输层及网络层, 直接从表示层映射到数据链路层,利用VLAN (虚拟局域网)和优先等级等以太网特性来实现变电站内传输时间小于4 ms[1]的要求。

图3为方案三的技术路线示意图。方案三下,可直接采用光纤传输监视信号的MMS (制造报文规范)报文及保护跳闸的GOOSE报文。MMS报文和GOOSE报文可分别采用1根光纤传输,这样既可减少通信的中间节点(如中间继电器或光电转换装置),又可提高通信的可靠性[2]。

图3 方案三的技术路线示意图

1.4 技术方案对比

从方案功能的实现上分析,与方案三相比,方案一需增加光电转换设备,进而导致成本增加。与方案一和方案三相比,方案二需额外增加光电转换设备和光电转换装置电源,因此不仅增加了成本,还多了故障环节。

3个技术方案部分技术参数对比结果如表1所示。由表1可知:基于长大区间城市轨道交通线路的远距离信号传输要求,应优先选择方案三。

表1 3个技术方案部分技术参数对比结果

2 方案三的关键技术及要求

2.1 硬件要求

适用于远距离通信的干式变压器,其硬件需求主要考虑PSCADA监控通信,以及与保护装置远距离信号传输的方式。因区间跟随所至降压变电所的距离超过4 km,方案三采用光纤通信技术进行传输,设计时应按信号可传输距离为20 km这一要求来选配光纤模块。

为了满足数据传输的延时要求,宜采用MMS通信网络和GOOSE通信网络单独组网的方式。远距离信号传输使用电口时,需额外增加光电转换器及电源,因此智能终端的通信端口宜采用光口的方式,以减少中间环节。此外,为了提高通信的可靠性,采用冗余网络传输较为可靠,因此,在选择智能终端通信端口时,建议采用2个光口用于MMS通信、2个光口用于GOOSE报文传输的方式。

2.2 软件要求

根据城市轨道交通供电系统的特殊要求,依据IEC 61850中的建模标准,采用MMS协议与PSCADA系统进行通信、GOOSE协议与33 kV继电器保护装置进行信息交互的方式,进行相关LD(逻辑设备)的扩充及新建,并建立与之相符的智能终端模型文件。

软件需要实现遥测、遥信、遥控等基本信息监控要求,传输延时需控制在10 ms以内,并支持多客户端访问。GOOSE报文将报警、跳闸及通信链路状态等内容传输至保护装置侧,使保护装置及时启动保护告警及跳闸。此外,对于保护装置发送过来的联锁信号,智能终端应能够进行逻辑判断并输出闭锁信号。

2.3 组网方式及数据流向

2.3.1 组网方式

图4为方案三的组网示意图。如图4所示,智能终端与PSCADA系统、保护装置间采用光纤传输信号,与PSCADA系统站控层间的通信采用IEC61850的MMS报文格式,超温跳闸及门开跳闸等保护信号传输则由GOOSE协议来完成。

图4 方案三的组网示意图

2.3.2 数据流向

2.3.2.1 闭锁信号数据流向

图5为干式变压器外围栏门电磁锁闭锁信号数据流向示意图。如图5所示,本柜维护接地或非本柜维护接地闭锁信号由降压变电所33 kV保护装置通过GOOSE通信交换机,经光纤传输至区间跟随所的干式变压器本体智能终端光口后进行数据交互;智能终端信号处理判断模块做出逻辑判断后,触发干接点分合逻辑。触发干接点闭合逻辑为:干式变压器外围栏门电磁锁带电,外围栏门解锁,此时检修人员可打开外围栏门实施维护检修工作(见图5 a))。触发干接点打开逻辑为:干式变压器外围栏门电磁锁失电,外围栏门闭锁,无法开启门(见图5 b))。随后,外围栏门开关状态信号经电缆发送至智能终端信号输入模块,智能终端将MMS报文经光纤发送给PSCADA系统。

图5 干式变压器外围栏门电磁锁闭锁信号数据流向示意图

2.3.2.2 保护信号数据流向

图6为设备超温故障时保护信号数据流向示意图。如图6所示,当区间跟随所干式变压器A相线圈温度超过140℃时,经温度传感器线束总成采样,温度测量数据被传送至信号输入模块;信号处理判断模块进行模拟量运算,判断出A相线圈超温跳闸故障后,通过通信模块将GOOSE报文超温跳闸信号经GOOSE通信 A/B网光纤传输至降压变电所33 kV保护装置;保护装置发出的跳闸命令经干接点对33 kV开关柜实施断路器跳闸;跳闸后33 kV开关柜将断路器分位状态回传至智能终端,跳闸保护动作执行完毕。

图6 设备超温故障时保护信号数据流向示意图

3 智能终端开发

3.1 硬件开发

图7为基于IEC 61850的智能终端硬件设计原理图。如图7所示:基于IEC 61850的智能终端由电源、信号输入、信号处理判断、控制输出、IEC 61850通信及人机界面6个模块组成。其中:电源模块主要为智能终端提供电源;信号输入模块负责变压器线圈及铁心温度、运行状态开关量等信息/信号的输入;信号处理判断模块用于对采样数据进行运算处理及逻辑判断,并根据判断结果输出指令;控制输出模块采用干节点直接控制变压器围栏门电磁锁、风机等设备的打开/闭合; IEC 61850通信模块用以实现装置内外信号的标准化交互与转换;人机界面模块包括液晶屏、指示灯、报警器等设备,用于设备运行状态的显示、查看、提醒及操作。

图7 基于IEC 61850的智能终端硬件设计原理图

3.2 软件开发

方案三下智能终端的建模应采用标准的IEC 61850 SCL(变电站配置描述语言),以面向对象的方式建立完备的系统配置模型,用数字化的方式解决通信问题。应基于城市轨道交通长大线路供电系统的特殊要求,依据IEC 61850的建模标准进行相关LD的扩充及新建,建立与之匹配的模型文件。

智能终端通信功能的开发应分两部分进行:与PSCADA系统的站控层通信采用IEC 61850的MMS报文格式;超温跳闸、门开跳闸等保护信号传输由GOOSE协议来完成。另外,GOOSE协议的编码及解码应使用嵌入式FPGA(现场可编程门阵列)来实现,以提高通信的实时性与可靠性,并支持多客户同时独立订阅[3]。

3.2.1 智能终端GOOSE发送信号

智能终端与保护装置间采用GOOSE协议通信,以实现发送保护信号及告警信息等功能,并参与到保护装置非电量保护/告警的逻辑判断中。图8为各类保护信号及报警信号采用GOOSE协议传输的点表。

图8 保护信号、告警信息采用GOOSE协议传输的点表

3.2.2 智能终端GOOSE接收信号

智能终端接收动力变出线柜保护装置发送的本柜维护接地、本柜非维护接地等闭锁信号,采用GOOSE协议传输的点表,如图9所示。

图9 闭锁信号采用GOOSE协议传输的点表

3.3 模型及通信可靠性检测

3.3.1 智能终端模型的可靠性检测

智能终端模型开发完成后,需根据IEC 61850的要求对模型文件进行规约一致性测试,其测试内容如表2所示。表2中,对各测试项目采用对应测试方法进行检测,如测试结果均满足一致性要求,则可满足IEC 61850的要求。满足智能变电所的规约统一要求情况下,可实现装置间的互联互通,从而能够将智能终端的GOOSE报文接入过程层网络中,使之与保护装置共同实现保护联闭锁功能[4]。

表2 基于IEC 61850的智能终端模型规约一致性测试内容

3.3.2 智能终端通信的可靠性检测

智能终端与保护装置的保护联闭锁使用光纤通信技术进行数据传输,其信号传输的可靠性对供电系统的可靠运行有着至关重要的影响,因此,需要进行通信链路的监测及断链测试,并对一路GOOSE通信网络断链后GOOSE通信双网冗余网络进行可靠性测试,其测试内容如表3所示。

表3 网络断链后信号传输可靠性

GOOSE通信双网冗余机制是GOOSE报文通过两个网络同时发送,这两个网络发送GOOSE报文的多播地址、APP(应用程序)的ID(身份标识号)应唯一。对于同一次发送,两个GOOSE报文APDU(应用协议数据单元)部分的内容应完全相同。正常GOOSE报文情况下,StNum(状态号)增加,先到的数据先予以处理。因此,在测试GOOSE通信A网断链时,GOOSE通信B网若能够无缝衔接,则认为GOOSE协议双网冗余网络具有可靠性。

变电所的保护装置都接入过程层GOOSE通信网络,以实现数据的互联互通。为了确保供电系统的安全可靠性,需要对干式变压器智能终端的接入进行可靠性测试,如表4所示。

表4 干式变压器智能终端接入供电系统的可靠性测试

4 工程应用案例

以我国某城市轨道交通线路为例,对方案三的工程应用进行说明。该线区间跟随所的供电来源主要为降压变电所,电能依靠降压变电所的2台33 kV出线开关柜经电缆传输至区间跟随所干式变压器处并降压至400 V,再由400 V进线柜通过母排分配至各低压抽屉柜。400 V低压柜主要向站内及隧道中的照明和动力提供电能。

该线采用了MMS通信网络与GOOSE通信网络单独组网的方式(见图3)。将两路光纤接到降压变电所站控层的交换机中,智能终端与PSCADA系统进行MMS通信,并将变压器温度值及告警信号等上传,以实现对干式变压器运行状态的监控功能。将两路光纤接到过程层交换机中,智能终端与变压器开关的保护装置进行通信,利用GOOSE协议传输超温跳闸、门开跳闸等保护信号,以实现干式变压器的非电量保护功能。表5为对该线智能终端进行功能测试及响应时间测算得到的现场测试结果。由表5可知:与PSCADA系统联调及与保护装置GOOSE通信联调的数据均满足现场使用要求[5]。

表5 智能终端功能测试及响应时间测算的现场测试结果

在实际工程应用中,构建基于GOOSE报文光纤传输的网络架构,将智能终端信息以GOOSE通信方式传输,可实现智能终端与变电站数据的共享,实现不同装置之间的互操作,满足远距离保护联闭锁需求。智能终端采用MMS协议,无需经过规约转换环节,可直接与PSCADA系统通信。此外,光纤网络化保护信号回路可通过软件进行监视,使用光纤代替电缆传输信号,一根光纤可传输多个信号,同时还能对传输通道进行监视,因此,光纤传输的优点是电缆传输信号不具备的,采用光纤传输可促进城市轨道交通供电设备的运维管理从计划修向状态修转变[6]。

5 结语

适用于远距离通信的城市轨道交通干式变压器本体及智能终端基于IEC 61850进行开发,满足了智能变电所规约统一的要求,扩展了城市轨道交通供电系统智能化的范围。通过构建基于GOOSE报文光纤传输的过程层网络,实现了光纤网络化保护,解决了远距离保护联闭锁的实际需求,为城市轨道交通供电设备可靠、安全、稳定运行提供了保障。

干式变压器智能终端采用面向对象的建模技术,可灵活面向设备建模及自我描述,以适应功能扩展需求,实现高级应用功能开发和互操作应用;智能终端分别使用两路主备光纤传输MMS报文和GOOSE报文,GOOSE通信的双网冗余机制能够使数据接收无缝衔接,冗余网络可确保数据传输的安全、可靠。光纤网络化保护技术使用两路冗余光纤传输替代传统的电缆传输,可满足城市轨道交通长大区间远距离信号传输的要求。光纤传输具有的延时小、造价低、传输节点少和不受电磁干扰等优势,将成为未来城市轨道交通信号传输的主流模式。

通过实际的应用案例及数据检验,长距离GOOSE通信光纤传输技术的应用效果将得到进一步验证,并有望在未来延伸至电力的其他应用领域,以打造一个数字化、透明化的城市轨道交通电力系统。