寧波軌道交通GOOSE全面智能電流選 跳方案驗證

王軍平 趙 勤 曹 捷

(1. 寧波市軌道交通集團有限公司 浙江寧波 315000； 2. 廈門ABB開關有限公司 福建廈門 361000)

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寧波軌道交通GOOSE全面智能電流選 跳方案驗證

王軍平1趙 勤1曹 捷2

(1. 寧波市軌道交通集團有限公司 浙江寧波 315000； 2. 廈門ABB開關有限公司 福建廈門 361000)

介紹寧波軌道交通2號線35 kV供電系統使用基于IEC 61850/GOOSE的城市軌道交通中壓全面智能電流選跳保護方案，為確保智能電流選跳方案的可靠性，以整體方案、GOOSE通道檢測、EMC、現場驗證為要素，從項目開始實施到正式送電進行多次驗證，如國家開普實驗室驗證、現場調試組網驗證、現場試驗驗證等，經過上述驗證證明，基于IEC 61850/GOOSE的城市軌道交通中壓全面智能電流選跳解決方案可以滿足大分區供電系統的選擇性和靈敏性，提升整體電力系統的可靠性。

城市軌道交通；信息一體化保護；IEC 61850/GOOSE；通道監測；EMC；電流選跳

1 研究背景

寧波軌道交通2號線采用的中壓智能電流選跳保護方案，是應用IEC 61850/GOOSE技術，把35 kV同一供電分區內所有中壓保護連接起來，利用電流突變量和過流信號判斷故障發生區間的保護方案[1]。它不是依靠單一保護裝置，而是依靠多個保護裝置交互信息，從而快速準確定位故障。這項技術讓城市軌道交通35 kV供電系統做到真正的無死角，所有設備都得到全方位的快速保護，同時這個方案具備通道自檢功能及一定的容錯性，當裝置或者通信出現故障時，不會影響整體方案的可靠性。正是基于這種顯著的特點，才將這種保護方案命名為信息一體化保護方案。一般的供電系統是由單一母線系統或者單個變電站組成，保護方案也是以單個保護裝置采集本間隔電量或非電量進行判斷，不需要與其他間隔保護裝置交換信息就可以判斷本間隔是否故障；線路差動保護也是兩臺裝置之間相互交換電流信號，同時進行計算并判斷線路是否故障。但對于軌道交通35 kV大分區運行的供電系統[2]，單一變電站的保護方案無法實現各牽引站之間母線保護的選擇性，只有將參與整個大分區供電系統運行的所有牽引站作為一個整體，實現站內或者站間保護裝置之間的信息交互，才能快速準確地判斷及定位故障，以實現智能電流選跳的保護功能[3]。智能電流選跳保護方案的設備包括保護裝置和網絡設備，保護方案包括正常保護邏輯、通信通道檢驗、裝置故障時或者通信通道故障時保護裝置的動作邏輯。此方案(如圖1所示)在寧波軌道交通2號線35 kV的供電系統中已成功應用。

2015年3月寧波軌道交通2號線35 kV供電系統正式送電。為了確保智能電流選跳方案的可靠性，從項目開始實施到正式送電進行了多次驗證，主要包括以下幾方面：

1) 在國家開普試驗站進行的城市軌道交通中壓系統基于IEC 61850/GOOSE技術的智能電流選跳方案驗證，還包括保護裝置通道檢測技術以及整體方案的EMC(電磁兼容性)驗證。

2) 在現場調試時進行站間以及站內通過IEC 61850/GOOSE網絡實現閉鎖和聯跳，以測試智能電流選跳功能。

3) 現場實際模擬在一次短路故障情況下通過IEC 61850/GOOSE網絡實現的智能電流選跳功能測試。

試驗成功地驗證了基于IEC 61850/GOOSE技術實現的城市軌道交通中壓智能電流選跳方案的可靠性。

圖1 智能電流選跳方案

2 方案驗證要素

基于IEC 61850/GOOSE的智能電流選跳保護方案是建立在信息交互基礎上的一體化保護方案[4]，需要從整體方案著手而不是從單一保護裝置或者保護邏輯進行驗證，即邏輯驗證需要整體方案的搭建和配合，EMC驗證需要將保護裝置和網絡設備看作一個整體。同時由于裝置采用通道檢測技術從而具備了一定的容錯性能，所以通道的驗證也是方案驗證的重點。這一切如果僅僅停留在實驗室的層面是不夠的，還需要真實的短路故障來驗證方案的可靠性。

2.1 整體方案驗證

智能電流選跳保護[5]方案充分考慮了設備正常運行條件、差動保護退出、差動保護拒動、GOOSE通道異常、選跳保護拒動、斷路器失靈等情況，同時結合城市軌道交通35 kV供電系統正常運行、反向供電、牽引站母線分段等不同運行模式下的各種工況進行全方位綜合考慮。方案驗證選取了進出線故障、母線故障、饋出線故障、母聯開關合上時下游側母線故障等多達53種故障進行驗證，涵蓋了城市軌道交通35kV供電系統所有可能出現的故障，并對GOOSE通道異常的情況進行了專項驗證。

2.2 GOOSE通道檢測驗證

智能電流選跳保護方案最大的特點就是應用IEC 61850/GOOSE技術實現分區內保護裝置之間的信息交互[6]。信息交互的通道非常重要，一旦信息通道出現問題，這個方案的可靠性就會受到影響。如果所有加強信息通道的做法都不能從根本上避免發生故障的可能性，那么就應該對通道進行實時監視。當通道出現故障時立即投入備用方案并同時閉鎖相應的選跳保護；當通道恢復正常時退出備用方案同時恢復原來的選跳保護。通道檢測技術的應用配合高可靠性的網絡方案才能做到真正的全面智能電流選跳。

通道檢測主要是驗證通道故障時及通道恢復后信息反饋的及時性。這些驗證需要考慮在網絡風暴情況下的通道中斷情況。

2.3 EMC驗證

保護裝置型式試驗要進行EMC驗證，但都是對于單個裝置的EMC驗證，即使是差動保護裝置，大多數情況下的EMC驗證也是對于一臺裝置的驗證。智能電流選跳是信息一體化的保護方案，那么EMC驗證就必須針對所有參與保護方案的設備，例如組成網絡的保護裝置、網絡交換機等進行整體驗證。

2.4 現場驗證

現場工況和實驗室環境總會有差別，實驗室可以模擬所有可能發生的情況，從多樣性的角度驗證試驗方案，但是現場情況常常比實驗室更為復雜，所以現場實際工況的驗證尤為重要。

3 國家開普實驗室驗證

為了驗證智能電流選跳方案的可靠性，特別按照城市軌道交通供電系統大分區結構在國家開普實驗室搭建3個分站系統組成一套地鐵供電系統方案模型(見圖2)，針對方案模型進行一系列的試驗驗證。

圖2 開普實驗室方案驗證

3.1 邏輯驗證

針對城市軌道交通供電系統方案在實際工況有可能發生53種故障情況，智能電流選跳保護都提出了相應的解決方案。方案驗證選取進出線故障、母線故障、饋出線故障、母聯開關合上時下游側母線故障情況進行驗證。結果顯示即使在運行過程中出現了N-4的極小概率事件，整個方案也可以在622 ms的時間內切除故障，證明信息一體化保護方案具有可靠性和靈敏性優勢。

3.2 GOOSE通道檢測驗證

除驗證一般物理情況的GOOSE通道中斷外，本次試驗著重進行了在網絡風暴和網絡異常情況下的驗證。

3.2.1 網絡風暴驗證

1) 在100%網絡流量的非訂閱GOOSE報文(MAC地址為廣播地址)引起的網絡風暴下，裝置應不死機、不重啟、無異常報警、保護動作邏輯與方案一致。

2) 在不大于20%網絡流量的訂閱GOOSE報文(stNum每幀變化、sqNum不變、數據不變)引起的網絡風暴下，裝置應不死機、不重啟、無異常報警、保護動作邏輯與方案一致；在以上網絡流量大于20%時，裝置閉鎖GOOSE選跳保護，加投備用保護方案。

3) 在訂閱GOOSE每秒變位1 000次(stNum每幀變化、sqNum不變、數據每幀變化)的網絡風暴下，裝置應不死機、不重啟、無異常報警。網絡風暴消失后裝置能夠正常響應收到GOOSE變位信號。

3.2.2 網絡異常驗證

1) 在裝置單網口通信中斷、交換機失電、訂閱報文CRC錯誤、交換機通信異常、裝置失電等網絡異常情況下，裝置退出GOOSE選跳保護，加投備用保護方案以保證系統安全運行。

2) 裝置判斷GOOSE通道異常，切換為加投過流保護的時間不大于3 s。

3) 裝置判斷GOOSE通道恢復，退出備用方案，恢復正常的GOOSE選跳保護。

3.2.3 試驗結果

經過實際檢驗表明，智能電流選跳保護方案滿足設計要求，能夠準確判斷網絡風暴和網絡異常情況，并能根據當前網絡的狀況判斷是否需要閉鎖GOOSE選跳保護，投入備用保護方案。當網絡狀態恢復到正常情況時，本方案也能自動退出備用保護，投入原來的GOOSE選跳保護。

3.3 EMC驗證

本次試驗選用智能電流選跳保護方案中最典型的模型(如圖3)，使用兩臺保護裝置和網絡交換機共同搭建，并在整個模型上進行EMC試驗，驗證方案的穩定性。

圖3 智能電流選跳方案典型模型

在模型上進行諸如震蕩波抗擾度驗證，靜電放電抗擾度驗證[7]，射頻電磁場輻射抗擾度檢驗(見圖4)、電快速瞬變脈沖群抗擾度檢驗，浪涌抗擾度檢驗，射頻場感應的傳導騷擾抗擾度檢驗，輔助電源端口電壓暫降、短時中斷、電壓變化和紋波檢驗，工頻磁場抗擾度檢驗，脈沖磁場抗擾度檢驗，阻尼振蕩磁場抗擾度檢驗[8]等。經過驗證，所有試驗都可以在施加90%激勵量時不誤動，施加110%激勵量時不拒動，保護裝置無損壞，運行、顯示無異常。

圖4 射頻電磁場輻射抗擾度檢驗配置

4 現場試驗驗證

4.1 試驗方案

根據寧波軌道交通2號線送電情況，智能電流選跳保護方案現場試驗驗證在麗園南路站到外灘大橋站區段進行，該區段6個變電所處于正常運行時的工況見圖5，試驗實施地點設在外灘大橋站。試驗區段的所有35 kV進出線開關柜的過流保護定值臨時調整為0.15 A、0.05 s；外灘大橋站35 kV配電變壓器開關柜定值臨時調整為0.15 A、0.1 s，在配電變壓器一次側接電纜至電纜夾層并固定牢固，調整放電間隙與試驗電纜之間的距離，使得35 kV側產生70～100 A的故障電流，此時外灘大橋站35 kV配電變壓器饋線開關柜應啟動并動作跳閘，試驗區段所有通過故障電流的35 kV進出線開關保護均應啟動，但不出口跳閘[9]。具體方案如下：

圖5 現場試驗供電示意

在外灘大橋站選取1號配電變壓器DT1 的三相依次試驗，在DT1的A相接線端子上并聯出一根試驗電纜(與正常供電電纜同型號)，將試驗電纜的一端接配電變壓器的高壓側，另一端鎧裝層剝出400 mm，露出主絕緣，電纜導體接到放電間隙的進線側，通過調整放電間隙產生故障電流。試驗接線如圖6所示。

圖6 現場試驗接線

4.2 試驗結果

本次試驗總共調整了3次放電間隙，其中第1、2次試驗電流都沒達到保護動作要求，最后1次放電間隙調整為15 mm，試驗電流超過600 A，饋線柜MDT 1速斷動作，MI 01收到饋線過流閉鎖信號和線路對側過流閉鎖信號，保護裝置啟動未出口。參與試驗供電的麗園南路站、云霞路站、寧波火車站、城隍廟站、鼓樓站的MI 01和MO 01都收到相對應的GOOSE線路對側過流閉鎖信號和同母線段進出線過流的閉鎖信號，保護裝置均未啟動動作，符合設計要求。

4.3 試驗記錄

第3次試驗數據記錄如下(選取了A25、A23，其他變電所試驗結果相同)：

A25_MD1故障記錄以及錄波顯示見圖7，饋線柜速斷動作，動作電流為634.9 A。

圖7 A25_MD1故障錄波

Fault number: 1 / Time and date: 12.3.2015 11:43:11.652

|Protection

3I>> (1).

|Start duration

100%

| Operate time

0.095s

| Active group

2

| Max current IL1

6.349...xIn

A25_MI1故障記錄以及錄波顯示見圖8，過流保護啟動但沒動作。

圖8 A25_MI1故障錄波

Fault number: 1 / Time and date: 12.3.2015 11:43:11.584

| Protection

3I> (1)

| Start duration

7.148%

| Operate time

0.189s

| Active group

2.

| Max current IL1

1.27...xIn

| Current IL1

1.239...xIn

A23_MO1故障記錄以及錄波顯示見圖9，過流保 護啟動但沒動作。

圖9 A23_MO1故障錄波

Fault number: 158 / Time and date: 12.3.2015 11:35:01.453

| Protection

3I> (1).

| Start duration

7.148%

| Operate time

0.189s

| Active group

2

| Max current IL1

1.267xIn

| Current IL1

1.235.xIn

4.4 試驗結論

本次試驗結果完全符合預期效果：A25_MD1處的短路故障，如果使用傳統的延時級差保證選擇性的方式，則至少需要10個延時的級差配合，過長延時將導致故障不能及時切除，對整個35 kV供電系統造成巨大的沖擊，嚴重影響設備的安全性。使用IEC 61850/GOOSE全面智能電流選跳方案僅僅經過95 ms(包括斷路器45 ms分閘時間)就可以迅速切除故障，這種快速保護動作的方式，不但可以減少短路故障對設備的損害，還能極大限度地降低對系統的沖擊。本次試驗還驗證了IEC 61850/GOOSE全面智能電流選跳方案選擇性的優勢，A25_MD 1處的保護裝置和斷路器整體切除故障時間只有95 ms，從判斷到故障電流(包括A15_MI 1到A25_MI 1)的9個保護裝置都在極短的時間內靠電流突變量的方式快速閉鎖，有效驗證了整個電流選跳系統的選擇性及可靠性[10]。

5 結語

經過上述驗證證明，基于IEC 61850/GOOSE的城市軌道交通中壓全面智能電流選跳解決方案可以滿足大分區供電系統[11]的選擇性和靈敏性。信息一體化的概念也必將隨著IEC 61850系統的普及發揮更大的作用。可以預計越來越多的GOOSE、SV技術應用于保護領域中以實現全新的信息一體化保護方案，整體提升電力系統的可靠性。基于IEC 61850/GOOSE的系統保護方案具有很好的推廣應用價值。

[1] 魏巍，嚴偉，沈全榮. 地鐵數字電流保護技術的應用[J].都市快軌交通，2014，27(5)：60-62.[2] 趙勤，王軍平，曹捷.GOOSE全面智能電流選跳在城軌供電系統中的應用[J].都市快軌交通，2016，29(3)：98-102.

[3] 高云霞，王立天.地鐵供電系統電流選跳保護及方案優化[J].現代城市軌道交通，2011(4):21-25.

[4] 劉卓，王勝利.地鐵 35 kV交流供電系統電流選跳保護的探討[J].現代城市軌道交通，2011(2):43-44.

[5] 張江.地鐵中壓供電系統選跳保護原理及試驗方法[J].電氣化鐵道，2008，28(4):35-37.

[6] 范建忠，馬千里.goose 通信與應用[J].電力系統自動化，2007，19(31): 85.

[7] 秦曉輝.微機保護電磁兼容研究及變電站內電磁干擾的傳播途徑[D].北京：華北電力大學(北京)，2003.

[8] 路宏敏.工程電磁兼容[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

[9] 劉興學，趙武隴.城市軌道交通數字化智能保護技術研究[J].電氣化鐵道，2012，32(5):13-15.

[10] 張建根.廣州地鐵供電系統33 kV環網接線方式的思考[J]. 城市軌道交通研究，2006,9(7):1-5.

(編輯：王艷菊)

Validation of GOOSE Comprehensive Intelligent Current Selective Trip Solution in Ningbo Metro

Wang Junping1Zhao Qin1Cao Jie2

(1. Ningbo Rail Transit Group Co., Ltd., Ningbo 315000; 2. ABB Xiamen Low Voltage Equipment Co., Ltd., Xiamen 361000)

IEC61850/GOOSE based MV smart current selective trip solution is applied to the 35kV power supplied system of Ningbo Metro Line 2. In order to ensure the reliability of smart current selective trip solution, this project makes several validations test from the beginning to the end such as the validation of Ketop Laboratory, on-site testing with network, on-site testing, etc. Through these mentioned validations, it is proved that IEC 61850/GOOSE based MV smart current selective trip solution can fulfill the selectiveness and sensitivity of large grid power supply system and it will enhance the overall reliability of the power system.

urban rail transit; information integration protection; IEC61850/GOOSE; channel monitoring; EMC; selectiveness; reliability

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.025

2016-03-14

2016-06-07

王軍平，男，高級工程師，機電處處長，供電專業，wang junping-nbjd@163.com

U231.8

A

1672-6073(2016)04-0111-05