地铁数字电流保护技术的应用

魏 巍 严 伟 沈全荣

(南京南瑞继保电气有限公司 南京211102)

随着国内城市轨道交通建设的快速发展，地铁35 kV供电系统传统光纤差动保护方案的局限性越来越明显，特别是对于大环网供电方式，传统的保护方案无法适用［1-2］。

针对这一需求，设计单位和部分厂家先后提出了“网络选跳”保护等一些新型保护方法［3］。这些保护方法的核心是利用通信方式来实现保护装置间的逻辑联锁，从而对故障进行选择和切除。因此，通信网络和保护装置的可靠性就成为此类方法能否成功应用的关键［4］。

数字电流保护作为网络化保护方法的一种，在保护逻辑、通信网络、硬件设计等方面都针对地铁的需求进行了优化，使装置的整体可靠性得到了很大的提升。

1 保护组网技术

以IEC61850标准为基础的智能变电站技术已经在我国电力系统中得到了广泛的应用，其先进性和可靠性得到了充分的验证。面向通用对象的变电站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)网络作为智能变电站的过程层通信技术，主要用来实现变电站的间隔闭锁和传送实时跳闸信号的功能，以替代传统智能装置之间的硬接线。为了对GOOSE网络的通信状况进行实时监控，在IEC61850标准中设立了GOOSE断链检测机制［5］，如图1所示。

图1 GOOSE断链检测机制

GOOSE断链检测以报文的重发为基础。在图1中，当开关量信号变位等新事件发生后，GOOSE报文进入高速重发阶段，之后重发周期逐级放大直至进入稳态的最大重发周期;重发的每帧GOOSE报文含有重发间隔信息，当接收装置在2倍重发间隔时间内未收到新的GOOSE报文，则判断为GOOSE网断链。因此，考虑到GOOSE通信技术可靠性和实时自检能力，选用GOOSE网络作为地铁数字电流保护的组网协议是可行的。

由于地铁行业内智能变电站技术尚未广泛使用，也没有形成相关的行业标准，考虑到电网行业在该领域已经积累了较多的应用经验，所以笔者根据重要性等同的原则，借鉴了国家电网的一些成熟技术标准作为设计基础。国家电网公司Q/GDW441—2010《智能变电站继电保护技术规范》中要求，过程层GOOSE网络、站控层网络应完全独立配置，且110kV过程层网络宜按双网配置。虽然地铁供电系统的电压等级是35 kV，但是其可靠性要求并不低于电力系统中的110kV变电所，所以数字电流保护按照110kV系统的要求配置了GOOSE网络，其系统结构如图2所示。

图2 GOOSE组网方案

GOOSE网络相对于地铁数据采集与监视控制系统(supervisory control and data acquisition，SCADA)网络独立组建，且采用全光纤100 Mbit/s冗余双网拓扑结构。每个地铁变电站设置2台GOOSE交换机，分别组建GOOSE A网和GOOSE B网，并通过交换机“跨站级联”的方式，实现一个供电分区内所有35 kV变电所GOOSE网络的贯通。每台保护装置提供完全独立的A/B两个网络接口来分别接入网络，并通过GOOSE通信机制，实现供电分区内所有保护装置间联闭锁信息的快速传递。

2 数字电流保护逻辑

数字电流保护逻辑由闭锁信号逻辑和跳闸逻辑两部分组成。通过闭锁信号逻辑和跳闸逻辑的结合，数字电流保护可以对地铁35 kV系统的母线和环网电缆提供具有绝对选择性的快速化保护。

数字电流闭锁信号逻辑如图3所示。

图3 数字电流保护闭锁逻辑

当断路器处于合闸状态时，如果故障相电流Ⅰp大于闭锁定值Ⅰbs，经整定延时后，保护装置通过专用GOOSE网络广播故障相闭锁信号。闭锁定值Ⅰbs按照1.2倍的最大负荷电流整定。

数字电流保护跳闸逻辑如图4所示。

如果故障相电流Ⅰp大于数字电流保护定值Ⅰtrip，且在延时定值时间内通过GOOSE60的同时接收到了左右两侧相邻保护装置发送的故障相闭锁信号，则判定为区外故障;否则判定为区内故障，保护跳闸。跳闸定值Ⅰtrip根据故障电流整定［6-7］。

图4 数字电流保护跳闸逻辑

结合图5进行说明:K1故障发生后，6DL(6DL为断路器编号，其他断路器命名类似)故障电流大于数字电流保护定值，数字电流保护启动;6DL左侧相邻的2DL的故障电流必定大于数字电流闭锁定值，2DL立刻通过GOOSE网络向相邻的6DL发送闭锁信号。6DL保护装置接收到2DL发送的闭锁信号后，排除K1故障在2DL和6DL区间内的可能性。

图5 地铁35kV供电系统故障

由于地铁是单电源供电方式，K1发生故障时，6DL右侧相邻的7DL、10DL和13DL电流均为极小值，因此6DL不会接收到由它们任意一个发送的右侧GOOSE闭锁信号。根据图2所示的逻辑，6DL保护装置判定K1点故障在其右侧保护区内，从而经过整定延时保护快速动作切除故障。

环网K2点故障为2DL右侧区内故障。左侧相邻断路器为1DL、5DL、11DL，右侧相邻断路器为6DL。具体保护动作逻辑与K1点故障时6DL的逻辑相同，不再详细说明。

3 硬件系统的研制

3.1 双核处理器架构

目前，在地铁行业内应用的同类保护产品普遍为单处理器架构，其保护功能和通信功能由单一处理器实现。对于此类处理器架构，通信功能一旦受到外加干扰，其保护功能也会受到影响［8］。为了解决这一问题，数字电流保护采用了成熟可靠的双核处理器架构，如图6所示。

图6 保护装置硬件结构

保护功能由独立的数字信号处理器(digital signal processing，DSP)实现，通信、液晶显示、对时等功能由独立的中央处理器(central processing unit，CPU)实现。DSP处理器由于其特有的哈佛结构、超流水线等特性，能够快速可靠地完成保护采样、保护算法的计算，并独立驱动跳闸继电器，完成保护功能;CPU与保护DSP间采用内部集成电路总线(inter-integrated circuit，I2C)连接，即使CPU完全停止工作，也不会影响保护DSP独立完成保护功能。

3.2 双AD冗余采样技术

国内地铁交流保护普遍安装在箱式气体绝缘全封闭组合电器(cubicle type gas insulated switchgear，CGIS)开关柜内，而C-GIS开关柜的柜体较小，保护装置与断路器等操作机构的安装距离非常近，这就要求地铁保护装置在强电磁干扰的影响下仍然能够可靠工作［9］。为了满足这一需求，避免电磁干扰导致的误动，数字电流保护采用了双模数转换器(analog to digital converter，AD)冗余采样技术，如图7所示。

图7 双AD冗余采样系统结构

每一路交流采样信号都利用2路独立的低通滤波电路和2路独立的AD转换器分别采样。主回路的采样结果C1(主AD输出的内码值)用于保护元件的计算，从回路的采样结果C2(从AD输出的内码值)用于启动元件的计算，两个回路并行工作。一旦两路采样的偏差大于预设的最大偏差量ΔC，则保护装置立刻闭锁，并发出采样异常的告警信息。双AD采样技术的应用，使保护装置采样回路的抗干扰能力显著提高，能够更好地满足地铁交流保护产品的技术要求。

3.3 三防处理技术

如果地铁线路的35 kV 变电站设置于地下，在建设期间运行环境是特别潮湿的。即便继电保护装置按照GB/T 2423 4—2008《电工电子产品环境试验》标准通过了型式试验，仍然不能满足地铁行业要求。目前在国内地铁线路建设调试期间，保护装置插件的损坏率通常达到了20%以上;更危险的是一些受到了潜在损伤的插件，将给地铁线路的长期稳定运行带来隐患。为了解决这一问题，数字电流保护首次采用了印制电路板(printed circuit board，PCB)三防处理技术。

三防处理是通过在PCB表面喷涂三防漆来实现的。三防漆在芯片表面固化后形成一层透明保护膜，可以有效提升电子设备的防潮、防腐蚀、防霉的能力。

杭州地铁、南京地铁等多条线路的建设实践证明，三防处理可以有效地提升地铁适应潮湿环境的能力，使现场插件因潮湿导致的损坏率降到了1%以下。

4 系统测试

4.1 GOOSE网络测试

试验利用Smartbits网络测试仪，外加90 Mbit/s的广播报文干扰时的测试数据，如表1所示。

表1 GOOSE传送延时测试 周期

表1中的1周期代表测试装置的1个中断周期，绝对时间等于1.666 ms。试验进行了5组共500次试验，被测试装置间GOOSE通信的平均延时不大于1.83个中断周期(约为3 ms)。GOOSE通信网络的实时性得到了验证。

4.2 RTDS试验验证

为了验证数字电流保护方案的性能，采用实时仿真系统(real time digital simulator，RTDS)进行了仿真实验［10-12］。仿真系统模拟了图5中K1和K2点的故障，保护装置的数字电流闭锁元件定值为2.8 A，延时5 ms;数字电流保护元件定值为3.5 A，延时50 ms。故障试验的记录如表2所示。

表2 RTDS试验记录

由表2可知，对于母线故障和环网电缆故障，数字电流保护都具备良好的选择性，并在(50±5)ms内快速动作出口。

5 应用情况

2010年12月，数字电流保护在南京地铁2号线学则路站和仙林中心站顺利投入运行。2012年12月起，同类保护产品又先后在南京地铁3、6和10号线的部分变电站投入运行。目前的总投运数已经超过350台，并多次在各类型故障中正确动作，数字电流保护的性能得到了进一步的验证。

6 结语

本文介绍了一种基于IEC 61850技术的数字电流保护方法的研制与应用情况。利用GOOSE网络，在传递保护装置间传递联闭锁信息，从而实现对故障的快速切除和隔离。为了提高系统的可靠性，应用数字电流保护方法，在网络结构、硬件系统设计等方面采取了一些有针对性的措施，RTDS仿真实验结果和现场的实际应用情况对此进行了验证。

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