基于IEC61850的交流環網進出線數字通信過電流保護探討※

賴沛鑫，劉雅杰，鄭淳淳，招康杰

（1.廣州白云電器設備股份有限公司，廣州 510460；2.廣州市揚新技術研究有限責任公司，廣州 510540；3.廣州地鐵集團有限公司，廣州 510335）

0 引言

我國城市軌道交通供電系統普遍采用雙環網接線的中壓網絡供電方案，通過中壓電纜，縱向把上級主變電所和下級牽引降壓混合變電所連接起來，橫向把全線的各個牽引降壓混合變電所以“手拉手”方式連接起來，形成中壓環網。城市軌道交通中壓交流環網一次主接線如圖1所示。從系統結構上看，城市軌道交通中壓交流環網從110 kV主所2段母線分別引1路電源至正線變電所，5～8個變電所構成一個供電分區，分區內變電所采用“手拉手”方式連接共享2路電源。單個變電所采用單母分段接線方式，每段母線上設置1條交流進線與1條交流出線，正常運行時兩段母線分列運行，故障時互為備用。不同分區間設置聯絡開關，正常運行時，聯絡開關斷開，供電分區獨立運行，當其中1個分區2路電源故障或1個110 kV主所退出運行時，通過合上聯絡開關，可以實現供電分區的跨區供電［1-3］。

圖1 城市軌道交通中壓交流環網一次主接線

由于中壓環網的交流進出線是車站變電所的能量來源，在傳統的城市軌道交通供電系統中，交流環網線路配置了光纖差動保護、過流保護、零序過流保護等功能。光纖差動保護作為區間線路故障的主保護，當區間故障時，使環網進出線的開關快速斷開，隔離故障區間。過流保護、零序過流保護作為后備保護，當電流升高超過整定值時，經整定延時保護元件動作。

過流保護（含零序）作為環網電纜短路故障的后備保護，由于一個供電分區內的變電所交流進出線采用“手拉手”方式連接，動作時限采用逐級配合方式，導致靠近電源點處的過流保護動作時限較長，不利于故障快速切除。電力系統一般要求主變電所饋線開關過流保護動作時限不得大于1.5 s，而目前過流保護的時限級差一般采用0.3 s，因此最多僅能設置4級級差，對于大分區環網供電，時限配合方式很難滿足保護選擇性的要求。當母線發生短路故障，或線路光纖差動保護退出運行時的線路故障，過流保護需經較長的延時才能切除故障，容易造成設備損壞，擴大故障范圍。

為滿足大分區環網接線對繼電保護裝置選擇性與速動性的要求，結合智能變電所的發展趨勢，提出了一種基于GOOSE通信的數字通信過電流保護。在傳統的過流保護基礎上，通過交互線路兩側開關的過流啟動情況來判別區內故障與區外故障，實現快速故障切除，取消時間級差配合問題。本文通過探究交流環網線路數字過流保護的原理與信息交互情況，基于IEC61850標準進行城市軌道交通交流環網數字通信過流保護邏輯節點的建模與驗證工作，通過形成統一規范的數字通信過流保護邏輯節點，提出標準化的工程實施參考方案。

1 數字通信過流保護建模

數字通信過流保護是近年來隨著計算機技術和通信技術的快速發展，在傳統過流保護的基礎上開發的一種新型速動過流保護。在原過流保護的原理及功能不變的基礎上實現區間線路兩端繼電保護裝置的采樣信息和動作信息交互。區間線路發生故障、接地等情況時，兩端的繼電保護裝置檢測線路中流過的電流是否達到其設定的電流啟動值，并將此過流啟動與否的信號傳遞給對側，接收裝置進行邏輯比選、判斷，快速判別線路故障區段，實現有選擇性地快速切除故障線路［4-7］。

雖然城市軌道交通中壓交流環網采用雙電源供電模式，但在正常運行時，每段母線都是單電源供電。對于單電源的供電線路，可以通過線路兩側的電流啟動情況來判斷故障是發生在保護區間內還是區間外，而不用通過級差延時來選擇跳閘，縮短故障動作時間。

城市軌道交通中壓交流環網線路故障如圖2所示，110 kV主變電所電源在A所接入，A、B、C三個變電所為同一供電區間，電源以“手拉手”的方式從A所向B、C兩個所傳遞。當故障點發生在A、B所之間的d1位置時，A所13間隔保護裝置感受到過電流，保護啟動；B所21間隔保護裝置無過電流，保護不啟動。故障發生在13間隔與21間隔之間的線路中，屬于區內故障，13間隔與21間隔保護裝置應準確動作，跳開線路兩側的13與21斷路器。當故障發生在B、C所之間的d2位置時，B所23間隔保護裝置感受到過電流，保護啟動；C所31間隔保護裝置過電流，保護不啟動。故障發生在23間隔與31間隔之間的線路中，屬于區內故障，23間隔與31間隔保護裝置應準確動作，跳開線路兩側的23與31斷路器。在d2點發生故障后，A所13間隔與21間隔繼電保護裝置都能感受到過電流而保護啟動，但故障發生在區間外，保護裝置不應動作。

圖2 城市軌道交通中壓交流環網線路故障示意圖

所以，中壓環網交流進出線兩側保護裝置故障過電流啟動情況如表1所示。由表可知，無論是正向供電（A→B→C變電所），還是反向供電（C→B→A變電所），只要線路兩側的繼電保護裝置感受到的過電流啟動信號不一致，故障才發生在區間內，保護裝置應準確動作，其他情況應閉鎖動作。

表1 交流環網線路兩側故障過流啟動情況

考慮到裝置間是以通信的方式獲取線路對側的過流信號，在保護邏輯中需要加以判斷通信狀態情況，數字過流保護動作邏輯如圖3所示。

圖3 交流環網線路數字過流保護邏輯

本側電流與對側電流啟動情況不一致用邏輯方式表示為“異或”，即當僅有一側裝置發生過電流啟動，且通信狀態正常，裝置經一段時間延時（20 ms）后數字通信過電流保護動作，跳開線路兩側斷路器。

IEC61850-7-4中定義了用于交流定時過流保護的邏輯節點PTOC，但該邏輯節點并未包含線路對側過流啟動和與對側裝置通信的功能。因此，本文基于PTOC邏輯節點，擴展新的邏輯節點——數字通信過流保護邏輯節點，命名為“PDTOC”，作為“Digitaltiming overcurrent protection”的縮寫［8-12］。

數字通信過流保護主要具備過流保護與接收對側過流信號的功能，前者可以參考PTOC邏輯節點選擇數據對象，而后者主要參考保護邏輯圖為PDTOC添加新的數據對象，如表2所示。

表2 數字過流保護邏輯節點類的數據

續表

為數字過流保護邏輯節點新增的數據對象有OppOCStu（對側過流狀態）、ComStu（通信狀態），都是用于數字通信過電流保護邏輯判斷，前者是線路對側過流狀態信息描述，后者為兩者的通信接收狀態描述。新增數據對象均為狀態信息，根據IEC61850-7-3的CDC公共數據類中選擇SPS單點狀態信息類型。

2 通信網絡配置

數字通信過電流保護功能的邏輯節點確定后，其信息模型構建與通信服務模型構建及映射工作與常規的數據建模沒有特殊之處，本文主要介紹工程應用時的通信網絡配置方案。PDTOC邏輯節點需要接收對側的過流狀態與通信狀態，同一線路的兩端繼電保護裝置應具備通信功能。目前可以通過“點對點”的所間單獨光纖通道來實現，也可以采用變電所內的網絡化保護光纖交換機級聯的方式來實現。由于“點對點”方式需要專用通道，數據共享困難，不便于后續保護功能的擴展，建議采用所間網絡化光纖交換機級聯方式，如圖4所示。

圖4 所間交換機級聯網絡結構

A站出線繼電保護裝置通過光纖連接到A所的光纖交換機，所間交換機采用光纜連接，B站進線繼電保護裝置通過光纖連接到B所的光纖交換機獲取A站出線的過電流啟動信號。相同道理，A站出線也可以通過所內交換機獲取B站進線的過流啟動信息。為提高通信的可靠性，可以通過雙星型網絡實現信息傳輸冗余，通信狀態與雙通道信息的處理由接收方處理。

在工程實施時，采用交換機級聯的模式來實現線路兩側繼電保護裝置的通信，導致級聯所GOOSE全部混到一起，占用了網絡資源，降低GOOSE信息處理的實時性。因此，要在工程實施中采用所間交換機級聯方案時，需要充分考慮數據隔離過濾問題。本文提出基于VLAN交疊的數據隔離過濾傳輸方案解決以上問題。

端口VLAN劃分是根據裝置間的數據交互關系，將數據劃分為不同的VID組，不同VID組之間的數據不能交互，以實現數據隔離。端口劃分VLAN法需要根據設計需求，對交換機端口配置VID，同時交互的GOOSE報文需添加802.1Q協議，打上VLAN Tag。所間交互VID的設置需要考慮是否存在跨所數據傳輸，以及數據是單向傳輸還是雙向傳輸的應用場景，各場景下的VID設置不同［13-15］。交換機端口VID劃分如表3所示。其中，相鄰所數據交互是指A所與B所通信，B所與C所通信，A所與C所不通信。當A所與C所有數據交互時，僅有A所向C所傳輸視為單向數據交互，當AC所需要相互通信時，視為雙向通信。VID 2作為單個變電所通信VLAN，實現所內數據的正常交互，所間交換機采用VID3、4，可以隔離變電所內不需要所間通信的數據，實現所間數據隔離。

表3 交換機端口VID劃分

3 試驗結果與分析

按照圖4的網絡架構搭建試驗平臺，對數字通信過電流保護邏輯節點的實際數據交互情況進行驗證。由于VLAN隔離與過濾的技術比較成熟，其重點在于工程應用配置上，本次試驗側重于交流環網線路數字通信過電流保護的功能實現與數據傳輸的可靠性與實時性進行驗證與分析。

A所交流環網出線處繼電保護裝置IED＿A1與B所交流環網進線處繼電保護裝置IED＿B1分別通過單模光纖跳線連接到本所內交換機，A所交換機與B所交換之間采用光纜級聯，考慮變電所間長度問題，光纖全部采用單模光纖。通過在IED＿A1、IED＿B1施加不同的故障電流驗證數字通信過電流保護邏輯節點PDTOC的動作情況與時間延時。數字通信過電流保護過流定值設為1.48 A、動作延時20 ms，故障電流按定值的1.05倍與1.5倍兩組數據進行測試。

如表4所示，對圖3的保護邏輯框圖進行了驗證，當線路兩側有且僅有一側繼電保護裝置過流啟動，數字通信過流保護才會動作。需要注意的是，當故障量由1.05倍變為1.50倍的時候，其動作時間縮短10 ms左右，這是由于保護裝置判斷故障電流時以多個采樣點綜合考慮導致的。

表4 數字過流保護動作情況

所間交換機級聯采用單模光纖，其最大衰減為0.3～0.4 dB/km，常見的光模塊發射功率為-6 dBm，接收靈敏度按-48 dBm計算，可保證80 km的傳輸距離，遠遠滿足城市軌道交通交流環網線路數字通信過電流保護的數據傳輸距離需求。另外，由于通信網絡中只有GOOSE信息，且變電所間還采用了VLAN隔離，以最長報文1 518 bytes計算，即使在發生多開關聯動的復雜故障，網絡里的數據流量也低于1 Mb/s。在100 Mb/s帶寬交換機下，最長報文傳輸延時為122 μs，而GOOSE信息的最小重傳時間間隔為2 ms，可以緩沖16個控制塊，信息傳輸的可靠性與實時性均能得到滿足。

4 結束語

基于城市軌道交通交流環網進出線“手拉手”的拓撲結構，對作為線路后備保護的過流保護存在的時間級差配合問題進行了分析，存在擴大故障范圍與損害設備的風險。對線路區域內外故障時，線路兩側繼電保護過電流啟動的情況進行了梳理，提出了數字通信過電流保護的判斷邏輯，并進行了IEC61850邏輯節點建模。采用交換機級聯與VLAN劃分的方法對工程實施中的網絡結構及數據隔離問題進行探索，在測試后驗證了數字通信過電流保護的數據通信可靠性與實時性均能滿足標準要求。數字通信過電流保護縮短了交流環網線路后備保護的動作延時，消除了時間級差問題，而基于IEC61850標準的PDTOC邏輯節點，對于不同城市應用數字通信過電流保護都具有指導意義。