GOOSE全面智能电流选跳在城轨供电系统中的应用

赵　勤　王军平　曹　捷

(1.宁波市轨道交通集团有限公司　浙江宁波　315100；　2.厦门ABB开关有限公司　福建厦门　361000)



GOOSE全面智能电流选跳在城轨供电系统中的应用

赵勤1王军平1曹捷2

(1.宁波市轨道交通集团有限公司浙江宁波315100；2.厦门ABB开关有限公司福建厦门361000)

摘要针对目前城市轨道交通大分区供电方式，对硬接线选跳方案、串行通信电流选跳方案和IEC61850/GOOSE电流选跳保护方案进行分析，提出基于 GOOSE(面向通用对象的变电站事件) 机制的全面智能选跳保护方案，有效地提升电流选跳保护的整体可靠性。基于IEC61850/GOOSE的全面智能电流选跳方案具有引入电流突变量解决固有延时较长的问题，全面通信信道自检，不正常运行时触发预案等特点，使35kV供电系统的所有保护装置都参与电流选跳。它分为母线电流、线路电流、馈线电流、母联电流等选跳保护，使城市轨道交通的整个35 kV供电系统的保护无盲区，既实现时效性又可以保证保护的选择性。电流突变量技术使得供电系统电流选跳功能的固有延时缩短40 ms，更加快速地消除故障，大大减少对于设备的伤害；GOOSE通道监视功能可以实时监视GOOSE网络通信的状态，进行数据流量的分析;基于GOOSE的全面智能电流选跳方案可为城市轨道交通35 kV大环网供电系统运行的可靠性提供保障。

关键词城市轨道交通；电流突变量；通道监测；全面选跳；供电系统

目前，国内城市轨道交通迎来了新一轮的建设高潮。早期的城市轨道交通35 kV供电系统方案普遍采用光纤差动保护加后备过流保护的方式，其解决选择性问题的局限性越来越明显。随着城市轨道交通大环 网供电方式的普遍使用，这种方式已经不能满足供电系统运行的可靠性要求[1]。

近几年各系统商提出了一些电流选跳方案解决传统后备保护级差的问题。它是基于微机保护装置间的信息交互提出的一种保护方案，利用保护装置之间的通信或者硬接线传递信息，实现信息共享[2]。通过对保护装置进行逻辑编程，从而对城市轨道交通站内及站间保护装置的电流保护动作与否进行比选，逻辑判断，快速判别故障，实现选择性地快速切除故障的方法[3]。

1目前使用的电流选跳保护方案

电流选跳保护方案的关键是保护信息交互方式，目前城市轨道交通保护信息交互方式分为3种。

1) 使用硬接线方式实现保护装置之间的信息交互。由于受到硬接线传递信号距离的影响，这种方式主要用于本站内信息传递。使用硬接线让同一个站内的进线、出线、馈线保护之间实现信息的交互，从而定位故障。

2) 使用串行通信方式实现保护装置之间的信息交互。由于串行通信随着接入装置的数量增加会导致效率降低，这种方案一般会用硬接线作为补充。在各站进线和联络线保护之间使用光纤串行信号实现信息交互，在站内进线和出线之间使用硬接线实现信息交互。

3) 使用IEC61850/GOOSE实现保护装置之间的信息交互。随着智能电网应用的普及，IEC61850也被广泛使用。这种方案是以IEC61850/GOOSE为基础，实现全线各站所有的信息交互保护。

1.1硬接线选跳保护特点

硬接线选跳保护方案一般使用光纤差动保护为主保护，以硬接线选跳代替后备过流的一种后备保护方案。这种方案在一定程度上解决了过流保护的级差问题，而且使用硬接线的方式让同一站内的进线、出线、馈线、母联之间可以进行信息交互。此方案出现较早，硬接线的物理形态稳定，方便调试，但是由于硬接线本身的缺陷也导致了一些不足：

1) 硬接线传递信息受距离限制，不能在站间进行信息交互，站间电缆主要依靠光纤差动来保护；

2) 依靠硬接线传递信息，受保护I/O口数量限制，不可能做到全面的选跳，还需要级差配合的保护作为后备；

3) 保护装置的二进制输入和输出均会产生延时，导致这种电流选跳的固有延时一般较长，普遍都超过80～90 ms；

4) 硬接线传递信号高电平为1，低电平为0，当硬接线松动不能有效传递信号时，装置不能自行判断。

1.2串行通信电流选跳保护特点

串行通信电流选跳保护方案以光纤差动保护为主保护，以选跳保护为后备保护。这种方案以光纤连接站间进线和出线保护装置，以硬接线连接站内进线和出线保护装置，相互传递信息，实现了站间电缆与站内母线的灵敏性和选择性的兼顾，但是串行通信和硬接线的缺陷也导致了一些不足：

1) 受到串行协议接入装置数量和硬接线传输距离的限制，只能在站间的进线和出线之间使用串行光纤的方式传递信息，站内进出线之间仍以硬接线传递信息。装置之间配置复杂，不能实现全面的选跳配合；

2) 使用硬接线实现保护之间信息交互的部分，依然存在上述硬接线的不足，诸如受保护装置I/O口数量限制，固有延时较长，不能进行通道检测等；

3) 串行光纤通道虽然可以自检，但是和光纤差动保护范围重叠，实际上只有当差动保护拒动或者光纤差动保护退出时才能起到作用，而且起到的作用也有限。

1.3IEC61850/GOOSE电流选跳保护特点

IEC61850/GOOSE电流选跳保护使用光纤差动为主保护，以基于IEC61850设计的保护为后备保护，以GOOSE为媒介实现保护装置之间的信息交互。这种方案要求所有的后备保护装置都必须接入以太网，以太网交换机成为保护体系的一部分，网络的重要程度就大幅度提高[4]。由此也产生了一些不足：

1) 参与电流选跳的保护装置以GOOSE为媒介，这些保护都必须接入以太网，这样以太网交换机就成为保护的一部分，以太网交换机的作用非常重要。有的方案采用双网配置来降低风险，但是也增加了保护方案的投资；

2) 双网方案是用来提高MMS通信可靠性的，GOOSE是横向通信，当一台装置的A网出现问题，势必全线保护切到B网，当B网也出现问题时将不能有效解决，所以双网并不是提升GOOSE网络安全性的最佳方案；

3) 当装置故障时没有考虑检测方案，可能导致保护误动；

4) 在过流保护基础上使用延时方式等待对侧保护信号，电流选跳保护固有延时一般较长，约60～70 ms。

2全面智能电流选跳保护方案

根据以上论述，各种电流选跳保护方案都存在一些不足，相比较而言采用GOOSE网络实现的电流选跳方案具有一定优势。以宁波轨道交通2号线使用的全面GOOSE智能选跳方案为例介绍[5-9]如何提高GOOSE电流选跳方案通信网络的安全性，形成一套全面的GOOSE智能选跳方案。

宁波轨道交通2号线采用IEC61850协议为基础规约，各个分站内部的保护装置采用RJ45的超五类双绞线接入站内网络交换机，网络交换机之间使用单模光纤相互链接。这样整个35 kV供电系统的所有后备保护装置都通过电接口或者光接口的以太网链接在一起。采用光纤差动保护作为环网联络线的主保护，不参与通信，通过硬接线将保护信号输入同一开关柜的后备保护装置(差动保护动作、差动保护异常、差动通道异常、失灵启动信号)，这些信号将作为后备保护启动选跳功能的触发信号，形式如图1所示。

图1　全面智能选跳保护示意

图2　母线电流选跳保护示意

图3　线路电流选跳保护示意

该方案特别增加GOOSE通道状况实时监视功能，当GOOSE通道出现异常时可以将涉及GOOSE选跳系统的保护直接退出，同时加投一段200 ms延时的过流保护；同样采集到差动保护或者差动通道故障时,后备保护将立刻投入一段200 ms延时的过流保护。使用这种方法可以有效解决通道故障的问题。由于通道是实时监视的，当通道恢复(正常恢复或者更换硬件恢复)后，保护装置可以立即判断通道已正常的情况，自动退出加投保护，然后投入原来设定的GOOSE选跳保护，同时解除报警。

3全面智能电流选跳保护特点

3.1引入电流突变量，解决固有延时长的问题

ABB REF620保护使用电流突变量作为电流选跳保护的闭锁条件，有效减少电流选跳保护的固有延时。一般电流突变量保护出口固有延时为5 ms，GOOSE传递信号的延时为3 ms,相对一般过流保护的固有延时是非常短的。考虑到选择性，这种方案一般在电流保护的基础上增加10 ms延时，整个电流选跳保护的固有延时也仅仅为40 ms左右。

3.2全面通信信道自检，不正常运行时触发预案

ABB REF620保护具有对GOOSE通道实时监视的功能，通道两端的装置通过GOOSE发送的信息可以知道GOOSE通道的状态，GOOSE信息是实时传递的，GOOSE通道也是实时监视的。当一台装置和多台装置建立GOOSE通道时，这些通道也实现了实时监视。

当监视的通道出现异常时，装置会立刻察觉，然后关闭这个GOOSE通道的电流选跳保护，加投一段200 ms延时的过流保护，同时会发出告警信号提示运行人员。

3.3全面智能电流选跳保护

基于GOOSE通道的便利，本方案建立全面的数字电流选跳保护，最大的特点是让35 kV供电系统的所有保护装置都参与电流选跳，分为母线电流选跳保护、线路电流选跳保护、馈线电流选跳保护、母联电流选跳保护。由于零序保护方案与电流选跳保护方案相同，此处将不再重复描述。

3.3.1母线电流选跳保护

如图2所示，母线电流选跳保护可以迅速判断来自母线的故障。在母线故障情况下，保护5和6之间的母线电流选跳动作，经过10 ms延时切除故障；当保护5和6的通道出现故障时，可以使用保护5或者6加投的过流保护，经过200 ms延时切除故障。

3.3.2线路电流选跳保护

如图3所示，站间线路的主保护是光纤差动保护，线路电流选跳保护作为后备保护。

在差动保护正常情况下，线路故障由保护2和5之间的差动保护负责切除故障，当差动保护拒动时，由保护2和5之间线路的电流选跳保护，经过200 ms延时切除故障。如果此时差动保护或差动通道出现故障，保护2和5之间的GOOSE线路电流选跳保护自动将200 ms延时减少为10 ms，同时加投一段200 ms的过流作为后备保护，所以此时应该由GOOSE电流选跳保护经过10 ms延时切除故障。如果GOOSE电流选跳保护拒动，则保护装置加投过流经过200 ms延时再次动作，切除故障。

图4　馈线电流选跳保护示意

图5　母联电流选跳保护示意

3.3.3馈线电流选跳保护

当馈线发生故障时，馈线保护15会发出信号闭锁周围保护5和6，由保护15切除故障来保证选择性，如图4所示。

3.3.4母联电流选跳保护

当站间线路故障、站内备自投启动、母联断路器合闸时，发生母线故障，母联保护19的电流选跳保护启动，闭锁周围所有进出线保护，由保护19经过10 ms延时动作，切除故障，如图5所示。

3.4完善的备自投方案

传统的城市轨道交通35 kV供电系统保护有两套启动备自投的方案，差动保护动作启动备自投或低电压启动备自投。由于低电压启动备自投涉及级差配合，很少使用，多数的城市轨道交通使用差动保护启动备自投方案。

如果使用全面智能电流选跳保护，电缆线路发生故障时，使用差动保护动作启动备自投，上级变电所母线出现故障时，使用母线电流选跳保护动作启动备自投。

使用上述方案可以有效解决备自投延时投入的缺陷，快速启动并且投入备用线路。

3.5全面GOOSE通道监视

GOOSE智能选跳保护方案使用IEC61850/GOOSE作为保护装置之间的信息媒介，使用信息共享的方式把大分区各站划分成一个个很小的区间，可以不经过延时迅速定位故障。GOOSE智 能 选 跳 方 案 不 仅 解 决了大分区供电方式下保护选择 性 的 要 求，而 且 其 高效性和安全性，进一步提高了运行人员的工作效率，解决了保护接线的二次巡检问题。

如图6所示，GOOSE在线分析工具可以监视保护装置之间的GOOSE信道，并把这些信道形成拓扑图。拓扑图不仅可以显示装置之间的闭锁关系，还可以显示是由哪个装置发出的信号，由哪几个装置接收的信号。

当其中一个通道出现故障时，拓扑图相应的信道就会变色显示。运营人员根据变色提示可以非常清楚地知道是哪个通道出现了故障。

双击报警线，GOOSE在线分析工具就可以给出具体通信层面的技术分析，如图7所示。运营人员基本可以判断出故障类型，为检修提供依据。

4方案验证

本方案于2014年3月在开普实验室通过了全套试验。除了验证GOOSE电流选跳正常运行、GOOSE通道异常、差动异常情况下的54种逻辑类型外，还进行了保护装置和交换机整体方案的EMC试验，证明了方案的可靠性与完整性。

通道检测实验证明，REF620的GOOSE通道检测功能每次都能在1.7 s左右准确判断通道故障，同时在1.7 s左右准确判断通道恢复。

图6　GOOSE在线分析工具

图7　GOOSE具体通信技术分析

5结语

宁波轨道交通2号线在送电前成功地完成了现场实际工况的动态故障测试。项目已在2015年3月顺利投入运行。全面GOOSE智能电流选跳保护方案可以提升城市轨道交通35 kV供电系统的可靠性，使全站保护无盲区，可以有效解决GOOSE通信网络对于保

护系统安全性的问题；采用全面GOOSE水平通信技术，减少二次导线的使用，从而减少运行人员维护工作量。全面GOOSE智能电流选跳保护方案在城市轨道交通供电系统中具有很好的推广应用价值，可为城市轨道交通的安全运行保驾护航。

参考文献

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[9] 张琳琳.基于数字通道的统一纵联保护系统研究[D].济南:山东大学，2012.

(编辑：王艳菊)

Application of GOOSE Comprehensive Intelligent Current Selective Tripping Solution in Urban Rail Transit Power Supply System

Zhao Qin1Wang Junping1Cao Jie2

(1.Ningbo Rail Transit Group Co., Ltd., Ningbo 315100;2. ABB Xiamen Low Voltage Equipment Co., Ltd., Xiamen 361000)

Abstract:Aiming at the big area power supply mode of urban rail transit, the paper analyzes the different current selective tripping solutions of hard wired connection, serial communication and IEC61850/GOOSE, and proposes a solution based on GOOSE (Generic objects oriented substation event) mechanism of comprehensive intelligent selective tripping solution, which effectively improves the overall reliability of current selective tripping protection solution. A comprehensive intelligent current selective tripping solution based on IEC61850/GOOSE introduces the current mutation quantity, and solves the problem of long delay; it has the completely self-test communication channel and can trigger the plan when abnormal operation occurs, etc. It includes all the protection units of 35kV power supply system into the current selective tripping. They are bus bar current selective tripping protection, circuit current selective tripping protection, feeder current selective tripping protection, bus coupler current selective tripping protection. It can ensure there is no blind area of protection of 35kV power supply system of urban rail transit, and the timeliness and selectiveness of protection. Meanwhile, it can reduce the delay of current selective tripping of power supply system to 40ms by adopting the current mutation quantity technique, improve rapid removal of faults, and reduce damages to equipment significantly. GOOSE channel monitoring function ensures real-time monitoring of the status of GOOSE network communication, and analyzes the data flow. GOOSE-based comprehensive intelligent current selective tripping solution guarantees the reliability of 35kV large ring power supply system of urban rail transit.

Key words:urban rail transit; current mutation quantity; channel monitoring; comprehensive selective tripping; power supply system

doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2016.03.022

收稿日期:2016-03-14修回日期: 2016-04-15

作者简介:赵勤，男，本科，教授级高级工程师，副总经理，供电专业，13857866655@163.com

中图分类号U231.8

文献标志码A

文章编号1672-6073(2016)03-0098-05