適用于遠距離通信的城市軌道交通區間跟隨所干式變壓器本體智能終端開發的關鍵技術

招康杰 賴沛鑫 麥華仁 余 龍 謝金蓮 王文浩

(1.廣州白云電器設備股份有限公司,510450,廣州;2. 廣州市揚新技術研究有限責任公司,510540,廣州∥第一作者,助理工程師)

目前,在城市軌道交通供電系統中,為保護干式變壓器安全、可靠運行,通常將其冷卻介質及繞組的溫度控制在可控范圍內,此時采用溫度控制器(以下簡稱“溫控器”)對運行狀態下的干式變壓器進行溫度的測量監視、冷卻控制及安全閉鎖。傳統干式變壓器溫控器采用干節點、硬接線的方式完成與變電所內保護裝置跳閘聯鎖數據的交互,通信規約依據傳統Modbus協議的 TCP(傳輸控制協議)/RTU(遠程終端單元)方式,監控后臺需要經過規約轉換方能實現對干式變壓器運行狀態的遠程監控。

城市軌道交通線路的運營里程越來越長,區間跟隨所與降壓變電所的間距超過4 km的情況隨之也越來越多。由于傳統干式變壓器溫控器的信號傳輸存在電壓降低問題,需采用硬接線+增加中間繼電器的方式實現區間跟隨所與降壓變電所之間的閉鎖與聯跳功能。因此,傳統干式變壓器存在干擾嚴重、造價成本高、施工復雜及需增設電源供電等缺點,不能保證數據傳輸及系統運行的可靠性和安全性,難以滿足遠距離保護聯閉鎖的使用需求。此外,傳統干式變壓器溫控器不具備接入到智能變電所數字化保護網絡的功能,其非標準化的串口通信協議也無法支撐智能變電所高級運維功能的開發,這制約了智能供電數字化的發展。因此,為更好地解決長大區間遠距離通信的需要及智能化變電所的建設要求,本文基于IEC 61850系列(以下簡稱“IEC 61850”)標準協議對適用于遠距離通信的城市軌道交通干式變壓器本體智能終端(以下簡稱“智能終端”)進行軟硬件開發,并通過實際應用案例檢驗該方案的可行性,以期推動智能終端在城市軌道交通長大區間場景的使用。

1 適用于遠距離通信的干式變壓器技術方案對比

長大區間地鐵線路的站間距較大,由此對智能設備的要求更高。尤其是對于區間跟隨所干式變壓器的監控和保護聯閉鎖,要求其必須確保遠距離通信傳輸的可靠和穩定,并滿足低延時、施工簡單、智能化及通信規約統一等要求。

區間跟隨所的配電變壓器與33 kV開關柜的距離較遠,無法采用傳統電纜硬件線方式實現變壓器異常情況下33 kV開關跳閘時的保護功能。此外,常規溫控器的監視功能也無法采用傳統的串口或電網口通信方式實現。有3個技術方案可解決此問題,本文對這3個技術方案進行對比分析。

1.1 方案一(傳統“硬接線+中間繼電器”)

圖1為方案一的技術路線示意圖。方案一的工況為:在發出溫控器與保護裝置傳輸超溫、干式變壓器外圍欄門打開(以下簡稱“門開”)等保護信號及報警信號情況下,通信鏈路存在抗干擾能力低、施工困難、成本高、容易增加故障節點等問題,需增加中間繼電器,以增強信號的傳輸能力。方案一下,溫控器與PSCADA(電力監控與數據采集)系統間的通信采用傳統Modbus協議的 TCP/RTU方式,通信介質為網線,監控信號的長距離傳輸需經過光電轉換裝置轉為光纖通信。

圖1 方案一的技術路線示意圖

1.2 方案二(硬接點轉光信號傳輸)

圖2為方案二的技術路線示意圖。方案二下,監視信號與保護跳閘信號分別通過光電轉換裝置進行轉換,采用光信號進行遠距離傳輸后再轉為電信號,接入變電所相應裝置。方案二施工較為復雜、繁瑣。

圖2 方案二的技術路線示意圖

1.3 方案三(基于IEC 61850的光纖通信)

IEC 61850定義了比較完備的抽象服務接口,包括基本模型規范和信息交換服務模型。其中,信息交換服務模型包括核心服務模型、GOOSE(面向對象的通用變電站事件)模型及時間同步模型等。GOOSE是IEC 61850定義的一種通信機制,主要用來傳輸實時性要求高的信息(如跳閘及閉鎖等),其信息傳輸的內容也可由用戶靈活定義。為保證GOOSE報文傳輸的實時性,IEC 61850規定GOOSE采用特殊的映射方式,即不需經過會話層、傳輸層及網絡層, 直接從表示層映射到數據鏈路層,利用VLAN (虛擬局域網)和優先等級等以太網特性來實現變電站內傳輸時間小于4 ms[1]的要求。

圖3為方案三的技術路線示意圖。方案三下,可直接采用光纖傳輸監視信號的MMS (制造報文規范)報文及保護跳閘的GOOSE報文。MMS報文和GOOSE報文可分別采用1根光纖傳輸,這樣既可減少通信的中間節點(如中間繼電器或光電轉換裝置),又可提高通信的可靠性[2]。

圖3 方案三的技術路線示意圖

1.4 技術方案對比

從方案功能的實現上分析,與方案三相比,方案一需增加光電轉換設備,進而導致成本增加。與方案一和方案三相比,方案二需額外增加光電轉換設備和光電轉換裝置電源,因此不僅增加了成本,還多了故障環節。

3個技術方案部分技術參數對比結果如表1所示。由表1可知:基于長大區間城市軌道交通線路的遠距離信號傳輸要求,應優先選擇方案三。

表1 3個技術方案部分技術參數對比結果

2 方案三的關鍵技術及要求

2.1 硬件要求

適用于遠距離通信的干式變壓器,其硬件需求主要考慮PSCADA監控通信,以及與保護裝置遠距離信號傳輸的方式。因區間跟隨所至降壓變電所的距離超過4 km,方案三采用光纖通信技術進行傳輸,設計時應按信號可傳輸距離為20 km這一要求來選配光纖模塊。

為了滿足數據傳輸的延時要求,宜采用MMS通信網絡和GOOSE通信網絡單獨組網的方式。遠距離信號傳輸使用電口時,需額外增加光電轉換器及電源,因此智能終端的通信端口宜采用光口的方式,以減少中間環節。此外,為了提高通信的可靠性,采用冗余網絡傳輸較為可靠,因此,在選擇智能終端通信端口時,建議采用2個光口用于MMS通信、2個光口用于GOOSE報文傳輸的方式。

2.2 軟件要求

根據城市軌道交通供電系統的特殊要求,依據IEC 61850中的建模標準,采用MMS協議與PSCADA系統進行通信、GOOSE協議與33 kV繼電器保護裝置進行信息交互的方式,進行相關LD(邏輯設備)的擴充及新建,并建立與之相符的智能終端模型文件。

軟件需要實現遙測、遙信、遙控等基本信息監控要求,傳輸延時需控制在10 ms以內,并支持多客戶端訪問。GOOSE報文將報警、跳閘及通信鏈路狀態等內容傳輸至保護裝置側,使保護裝置及時啟動保護告警及跳閘。此外,對于保護裝置發送過來的聯鎖信號,智能終端應能夠進行邏輯判斷并輸出閉鎖信號。

2.3 組網方式及數據流向

2.3.1 組網方式

圖4為方案三的組網示意圖。如圖4所示,智能終端與PSCADA系統、保護裝置間采用光纖傳輸信號,與PSCADA系統站控層間的通信采用IEC61850的MMS報文格式,超溫跳閘及門開跳閘等保護信號傳輸則由GOOSE協議來完成。

圖4 方案三的組網示意圖

2.3.2 數據流向

2.3.2.1 閉鎖信號數據流向

圖5為干式變壓器外圍欄門電磁鎖閉鎖信號數據流向示意圖。如圖5所示,本柜維護接地或非本柜維護接地閉鎖信號由降壓變電所33 kV保護裝置通過GOOSE通信交換機,經光纖傳輸至區間跟隨所的干式變壓器本體智能終端光口后進行數據交互;智能終端信號處理判斷模塊做出邏輯判斷后,觸發干接點分合邏輯。觸發干接點閉合邏輯為:干式變壓器外圍欄門電磁鎖帶電,外圍欄門解鎖,此時檢修人員可打開外圍欄門實施維護檢修工作(見圖5 a))。觸發干接點打開邏輯為:干式變壓器外圍欄門電磁鎖失電,外圍欄門閉鎖,無法開啟門(見圖5 b))。隨后,外圍欄門開關狀態信號經電纜發送至智能終端信號輸入模塊,智能終端將MMS報文經光纖發送給PSCADA系統。

圖5 干式變壓器外圍欄門電磁鎖閉鎖信號數據流向示意圖

2.3.2.2 保護信號數據流向

圖6為設備超溫故障時保護信號數據流向示意圖。如圖6所示,當區間跟隨所干式變壓器A相線圈溫度超過140℃時,經溫度傳感器線束總成采樣,溫度測量數據被傳送至信號輸入模塊;信號處理判斷模塊進行模擬量運算,判斷出A相線圈超溫跳閘故障后,通過通信模塊將GOOSE報文超溫跳閘信號經GOOSE通信 A/B網光纖傳輸至降壓變電所33 kV保護裝置;保護裝置發出的跳閘命令經干接點對33 kV開關柜實施斷路器跳閘;跳閘后33 kV開關柜將斷路器分位狀態回傳至智能終端,跳閘保護動作執行完畢。

圖6 設備超溫故障時保護信號數據流向示意圖

3 智能終端開發

3.1 硬件開發

圖7為基于IEC 61850的智能終端硬件設計原理圖。如圖7所示:基于IEC 61850的智能終端由電源、信號輸入、信號處理判斷、控制輸出、IEC 61850通信及人機界面6個模塊組成。其中:電源模塊主要為智能終端提供電源;信號輸入模塊負責變壓器線圈及鐵心溫度、運行狀態開關量等信息/信號的輸入;信號處理判斷模塊用于對采樣數據進行運算處理及邏輯判斷,并根據判斷結果輸出指令;控制輸出模塊采用干節點直接控制變壓器圍欄門電磁鎖、風機等設備的打開/閉合; IEC 61850通信模塊用以實現裝置內外信號的標準化交互與轉換;人機界面模塊包括液晶屏、指示燈、報警器等設備,用于設備運行狀態的顯示、查看、提醒及操作。

圖7 基于IEC 61850的智能終端硬件設計原理圖

3.2 軟件開發

方案三下智能終端的建模應采用標準的IEC 61850 SCL(變電站配置描述語言),以面向對象的方式建立完備的系統配置模型,用數字化的方式解決通信問題。應基于城市軌道交通長大線路供電系統的特殊要求,依據IEC 61850的建模標準進行相關LD的擴充及新建,建立與之匹配的模型文件。

智能終端通信功能的開發應分兩部分進行:與PSCADA系統的站控層通信采用IEC 61850的MMS報文格式;超溫跳閘、門開跳閘等保護信號傳輸由GOOSE協議來完成。另外,GOOSE協議的編碼及解碼應使用嵌入式FPGA(現場可編程門陣列)來實現,以提高通信的實時性與可靠性,并支持多客戶同時獨立訂閱[3]。

3.2.1 智能終端GOOSE發送信號

智能終端與保護裝置間采用GOOSE協議通信,以實現發送保護信號及告警信息等功能,并參與到保護裝置非電量保護/告警的邏輯判斷中。圖8為各類保護信號及報警信號采用GOOSE協議傳輸的點表。

圖8 保護信號、告警信息采用GOOSE協議傳輸的點表

3.2.2 智能終端GOOSE接收信號

智能終端接收動力變出線柜保護裝置發送的本柜維護接地、本柜非維護接地等閉鎖信號,采用GOOSE協議傳輸的點表,如圖9所示。

圖9 閉鎖信號采用GOOSE協議傳輸的點表

3.3 模型及通信可靠性檢測

3.3.1 智能終端模型的可靠性檢測

智能終端模型開發完成后,需根據IEC 61850的要求對模型文件進行規約一致性測試,其測試內容如表2所示。表2中,對各測試項目采用對應測試方法進行檢測,如測試結果均滿足一致性要求,則可滿足IEC 61850的要求。滿足智能變電所的規約統一要求情況下,可實現裝置間的互聯互通,從而能夠將智能終端的GOOSE報文接入過程層網絡中,使之與保護裝置共同實現保護聯閉鎖功能[4]。

表2 基于IEC 61850的智能終端模型規約一致性測試內容

3.3.2 智能終端通信的可靠性檢測

智能終端與保護裝置的保護聯閉鎖使用光纖通信技術進行數據傳輸,其信號傳輸的可靠性對供電系統的可靠運行有著至關重要的影響,因此,需要進行通信鏈路的監測及斷鏈測試,并對一路GOOSE通信網絡斷鏈后GOOSE通信雙網冗余網絡進行可靠性測試,其測試內容如表3所示。

表3 網絡斷鏈后信號傳輸可靠性

GOOSE通信雙網冗余機制是GOOSE報文通過兩個網絡同時發送,這兩個網絡發送GOOSE報文的多播地址、APP(應用程序)的ID(身份標識號)應唯一。對于同一次發送,兩個GOOSE報文APDU(應用協議數據單元)部分的內容應完全相同。正常GOOSE報文情況下,StNum(狀態號)增加,先到的數據先予以處理。因此,在測試GOOSE通信A網斷鏈時,GOOSE通信B網若能夠無縫銜接,則認為GOOSE協議雙網冗余網絡具有可靠性。

變電所的保護裝置都接入過程層GOOSE通信網絡,以實現數據的互聯互通。為了確保供電系統的安全可靠性,需要對干式變壓器智能終端的接入進行可靠性測試,如表4所示。

表4 干式變壓器智能終端接入供電系統的可靠性測試

4 工程應用案例

以我國某城市軌道交通線路為例,對方案三的工程應用進行說明。該線區間跟隨所的供電來源主要為降壓變電所,電能依靠降壓變電所的2臺33 kV出線開關柜經電纜傳輸至區間跟隨所干式變壓器處并降壓至400 V,再由400 V進線柜通過母排分配至各低壓抽屜柜。400 V低壓柜主要向站內及隧道中的照明和動力提供電能。

該線采用了MMS通信網絡與GOOSE通信網絡單獨組網的方式(見圖3)。將兩路光纖接到降壓變電所站控層的交換機中,智能終端與PSCADA系統進行MMS通信,并將變壓器溫度值及告警信號等上傳,以實現對干式變壓器運行狀態的監控功能。將兩路光纖接到過程層交換機中,智能終端與變壓器開關的保護裝置進行通信,利用GOOSE協議傳輸超溫跳閘、門開跳閘等保護信號,以實現干式變壓器的非電量保護功能。表5為對該線智能終端進行功能測試及響應時間測算得到的現場測試結果。由表5可知:與PSCADA系統聯調及與保護裝置GOOSE通信聯調的數據均滿足現場使用要求[5]。

表5 智能終端功能測試及響應時間測算的現場測試結果

在實際工程應用中,構建基于GOOSE報文光纖傳輸的網絡架構,將智能終端信息以GOOSE通信方式傳輸,可實現智能終端與變電站數據的共享,實現不同裝置之間的互操作,滿足遠距離保護聯閉鎖需求。智能終端采用MMS協議,無需經過規約轉換環節,可直接與PSCADA系統通信。此外,光纖網絡化保護信號回路可通過軟件進行監視,使用光纖代替電纜傳輸信號,一根光纖可傳輸多個信號,同時還能對傳輸通道進行監視,因此,光纖傳輸的優點是電纜傳輸信號不具備的,采用光纖傳輸可促進城市軌道交通供電設備的運維管理從計劃修向狀態修轉變[6]。

5 結語

適用于遠距離通信的城市軌道交通干式變壓器本體及智能終端基于IEC 61850進行開發,滿足了智能變電所規約統一的要求,擴展了城市軌道交通供電系統智能化的范圍。通過構建基于GOOSE報文光纖傳輸的過程層網絡,實現了光纖網絡化保護,解決了遠距離保護聯閉鎖的實際需求,為城市軌道交通供電設備可靠、安全、穩定運行提供了保障。

干式變壓器智能終端采用面向對象的建模技術,可靈活面向設備建模及自我描述,以適應功能擴展需求,實現高級應用功能開發和互操作應用;智能終端分別使用兩路主備光纖傳輸MMS報文和GOOSE報文,GOOSE通信的雙網冗余機制能夠使數據接收無縫銜接,冗余網絡可確保數據傳輸的安全、可靠。光纖網絡化保護技術使用兩路冗余光纖傳輸替代傳統的電纜傳輸,可滿足城市軌道交通長大區間遠距離信號傳輸的要求。光纖傳輸具有的延時小、造價低、傳輸節點少和不受電磁干擾等優勢,將成為未來城市軌道交通信號傳輸的主流模式。

通過實際的應用案例及數據檢驗,長距離GOOSE通信光纖傳輸技術的應用效果將得到進一步驗證,并有望在未來延伸至電力的其他應用領域,以打造一個數字化、透明化的城市軌道交通電力系統。