基于IEC61850的交流环网进出线数字通信过电流保护探讨※

赖沛鑫，刘雅杰，郑淳淳，招康杰

（1.广州白云电器设备股份有限公司，广州 510460；2.广州市扬新技术研究有限责任公司，广州 510540；3.广州地铁集团有限公司，广州 510335）

0 引言

我国城市轨道交通供电系统普遍采用双环网接线的中压网络供电方案，通过中压电缆，纵向把上级主变电所和下级牵引降压混合变电所连接起来，横向把全线的各个牵引降压混合变电所以“手拉手”方式连接起来，形成中压环网。城市轨道交通中压交流环网一次主接线如图1所示。从系统结构上看，城市轨道交通中压交流环网从110 kV主所2段母线分别引1路电源至正线变电所，5～8个变电所构成一个供电分区，分区内变电所采用“手拉手”方式连接共享2路电源。单个变电所采用单母分段接线方式，每段母线上设置1条交流进线与1条交流出线，正常运行时两段母线分列运行，故障时互为备用。不同分区间设置联络开关，正常运行时，联络开关断开，供电分区独立运行，当其中1个分区2路电源故障或1个110 kV主所退出运行时，通过合上联络开关，可以实现供电分区的跨区供电［1-3］。

图1 城市轨道交通中压交流环网一次主接线

由于中压环网的交流进出线是车站变电所的能量来源，在传统的城市轨道交通供电系统中，交流环网线路配置了光纤差动保护、过流保护、零序过流保护等功能。光纤差动保护作为区间线路故障的主保护，当区间故障时，使环网进出线的开关快速断开，隔离故障区间。过流保护、零序过流保护作为后备保护，当电流升高超过整定值时，经整定延时保护元件动作。

过流保护（含零序）作为环网电缆短路故障的后备保护，由于一个供电分区内的变电所交流进出线采用“手拉手”方式连接，动作时限采用逐级配合方式，导致靠近电源点处的过流保护动作时限较长，不利于故障快速切除。电力系统一般要求主变电所馈线开关过流保护动作时限不得大于1.5 s，而目前过流保护的时限级差一般采用0.3 s，因此最多仅能设置4级级差，对于大分区环网供电，时限配合方式很难满足保护选择性的要求。当母线发生短路故障，或线路光纤差动保护退出运行时的线路故障，过流保护需经较长的延时才能切除故障，容易造成设备损坏，扩大故障范围。

为满足大分区环网接线对继电保护装置选择性与速动性的要求，结合智能变电所的发展趋势，提出了一种基于GOOSE通信的数字通信过电流保护。在传统的过流保护基础上，通过交互线路两侧开关的过流启动情况来判别区内故障与区外故障，实现快速故障切除，取消时间级差配合问题。本文通过探究交流环网线路数字过流保护的原理与信息交互情况，基于IEC61850标准进行城市轨道交通交流环网数字通信过流保护逻辑节点的建模与验证工作，通过形成统一规范的数字通信过流保护逻辑节点，提出标准化的工程实施参考方案。

1 数字通信过流保护建模

数字通信过流保护是近年来随着计算机技术和通信技术的快速发展，在传统过流保护的基础上开发的一种新型速动过流保护。在原过流保护的原理及功能不变的基础上实现区间线路两端继电保护装置的采样信息和动作信息交互。区间线路发生故障、接地等情况时，两端的继电保护装置检测线路中流过的电流是否达到其设定的电流启动值，并将此过流启动与否的信号传递给对侧，接收装置进行逻辑比选、判断，快速判别线路故障区段，实现有选择性地快速切除故障线路［4-7］。

虽然城市轨道交通中压交流环网采用双电源供电模式，但在正常运行时，每段母线都是单电源供电。对于单电源的供电线路，可以通过线路两侧的电流启动情况来判断故障是发生在保护区间内还是区间外，而不用通过级差延时来选择跳闸，缩短故障动作时间。

城市轨道交通中压交流环网线路故障如图2所示，110 kV主变电所电源在A所接入，A、B、C三个变电所为同一供电区间，电源以“手拉手”的方式从A所向B、C两个所传递。当故障点发生在A、B所之间的d1位置时，A所13间隔保护装置感受到过电流，保护启动；B所21间隔保护装置无过电流，保护不启动。故障发生在13间隔与21间隔之间的线路中，属于区内故障，13间隔与21间隔保护装置应准确动作，跳开线路两侧的13与21断路器。当故障发生在B、C所之间的d2位置时，B所23间隔保护装置感受到过电流，保护启动；C所31间隔保护装置过电流，保护不启动。故障发生在23间隔与31间隔之间的线路中，属于区内故障，23间隔与31间隔保护装置应准确动作，跳开线路两侧的23与31断路器。在d2点发生故障后，A所13间隔与21间隔继电保护装置都能感受到过电流而保护启动，但故障发生在区间外，保护装置不应动作。

图2 城市轨道交通中压交流环网线路故障示意图

所以，中压环网交流进出线两侧保护装置故障过电流启动情况如表1所示。由表可知，无论是正向供电（A→B→C变电所），还是反向供电（C→B→A变电所），只要线路两侧的继电保护装置感受到的过电流启动信号不一致，故障才发生在区间内，保护装置应准确动作，其他情况应闭锁动作。

表1 交流环网线路两侧故障过流启动情况

考虑到装置间是以通信的方式获取线路对侧的过流信号，在保护逻辑中需要加以判断通信状态情况，数字过流保护动作逻辑如图3所示。

图3 交流环网线路数字过流保护逻辑

本侧电流与对侧电流启动情况不一致用逻辑方式表示为“异或”，即当仅有一侧装置发生过电流启动，且通信状态正常，装置经一段时间延时（20 ms）后数字通信过电流保护动作，跳开线路两侧断路器。

IEC61850-7-4中定义了用于交流定时过流保护的逻辑节点PTOC，但该逻辑节点并未包含线路对侧过流启动和与对侧装置通信的功能。因此，本文基于PTOC逻辑节点，扩展新的逻辑节点——数字通信过流保护逻辑节点，命名为“PDTOC”，作为“Digitaltiming overcurrent protection”的缩写［8-12］。

数字通信过流保护主要具备过流保护与接收对侧过流信号的功能，前者可以参考PTOC逻辑节点选择数据对象，而后者主要参考保护逻辑图为PDTOC添加新的数据对象，如表2所示。

表2 数字过流保护逻辑节点类的数据

续表

为数字过流保护逻辑节点新增的数据对象有OppOCStu（对侧过流状态）、ComStu（通信状态），都是用于数字通信过电流保护逻辑判断，前者是线路对侧过流状态信息描述，后者为两者的通信接收状态描述。新增数据对象均为状态信息，根据IEC61850-7-3的CDC公共数据类中选择SPS单点状态信息类型。

2 通信网络配置

数字通信过电流保护功能的逻辑节点确定后，其信息模型构建与通信服务模型构建及映射工作与常规的数据建模没有特殊之处，本文主要介绍工程应用时的通信网络配置方案。PDTOC逻辑节点需要接收对侧的过流状态与通信状态，同一线路的两端继电保护装置应具备通信功能。目前可以通过“点对点”的所间单独光纤通道来实现，也可以采用变电所内的网络化保护光纤交换机级联的方式来实现。由于“点对点”方式需要专用通道，数据共享困难，不便于后续保护功能的扩展，建议采用所间网络化光纤交换机级联方式，如图4所示。

图4 所间交换机级联网络结构

A站出线继电保护装置通过光纤连接到A所的光纤交换机，所间交换机采用光缆连接，B站进线继电保护装置通过光纤连接到B所的光纤交换机获取A站出线的过电流启动信号。相同道理，A站出线也可以通过所内交换机获取B站进线的过流启动信息。为提高通信的可靠性，可以通过双星型网络实现信息传输冗余，通信状态与双通道信息的处理由接收方处理。

在工程实施时，采用交换机级联的模式来实现线路两侧继电保护装置的通信，导致级联所GOOSE全部混到一起，占用了网络资源，降低GOOSE信息处理的实时性。因此，要在工程实施中采用所间交换机级联方案时，需要充分考虑数据隔离过滤问题。本文提出基于VLAN交叠的数据隔离过滤传输方案解决以上问题。

端口VLAN划分是根据装置间的数据交互关系，将数据划分为不同的VID组，不同VID组之间的数据不能交互，以实现数据隔离。端口划分VLAN法需要根据设计需求，对交换机端口配置VID，同时交互的GOOSE报文需添加802.1Q协议，打上VLAN Tag。所间交互VID的设置需要考虑是否存在跨所数据传输，以及数据是单向传输还是双向传输的应用场景，各场景下的VID设置不同［13-15］。交换机端口VID划分如表3所示。其中，相邻所数据交互是指A所与B所通信，B所与C所通信，A所与C所不通信。当A所与C所有数据交互时，仅有A所向C所传输视为单向数据交互，当AC所需要相互通信时，视为双向通信。VID 2作为单个变电所通信VLAN，实现所内数据的正常交互，所间交换机采用VID3、4，可以隔离变电所内不需要所间通信的数据，实现所间数据隔离。

表3 交换机端口VID划分

3 试验结果与分析

按照图4的网络架构搭建试验平台，对数字通信过电流保护逻辑节点的实际数据交互情况进行验证。由于VLAN隔离与过滤的技术比较成熟，其重点在于工程应用配置上，本次试验侧重于交流环网线路数字通信过电流保护的功能实现与数据传输的可靠性与实时性进行验证与分析。

A所交流环网出线处继电保护装置IED＿A1与B所交流环网进线处继电保护装置IED＿B1分别通过单模光纤跳线连接到本所内交换机，A所交换机与B所交换之间采用光缆级联，考虑变电所间长度问题，光纤全部采用单模光纤。通过在IED＿A1、IED＿B1施加不同的故障电流验证数字通信过电流保护逻辑节点PDTOC的动作情况与时间延时。数字通信过电流保护过流定值设为1.48 A、动作延时20 ms，故障电流按定值的1.05倍与1.5倍两组数据进行测试。

如表4所示，对图3的保护逻辑框图进行了验证，当线路两侧有且仅有一侧继电保护装置过流启动，数字通信过流保护才会动作。需要注意的是，当故障量由1.05倍变为1.50倍的时候，其动作时间缩短10 ms左右，这是由于保护装置判断故障电流时以多个采样点综合考虑导致的。

表4 数字过流保护动作情况

所间交换机级联采用单模光纤，其最大衰减为0.3～0.4 dB/km，常见的光模块发射功率为-6 dBm，接收灵敏度按-48 dBm计算，可保证80 km的传输距离，远远满足城市轨道交通交流环网线路数字通信过电流保护的数据传输距离需求。另外，由于通信网络中只有GOOSE信息，且变电所间还采用了VLAN隔离，以最长报文1 518 bytes计算，即使在发生多开关联动的复杂故障，网络里的数据流量也低于1 Mb/s。在100 Mb/s带宽交换机下，最长报文传输延时为122 μs，而GOOSE信息的最小重传时间间隔为2 ms，可以缓冲16个控制块，信息传输的可靠性与实时性均能得到满足。

4 结束语

基于城市轨道交通交流环网进出线“手拉手”的拓扑结构，对作为线路后备保护的过流保护存在的时间级差配合问题进行了分析，存在扩大故障范围与损害设备的风险。对线路区域内外故障时，线路两侧继电保护过电流启动的情况进行了梳理，提出了数字通信过电流保护的判断逻辑，并进行了IEC61850逻辑节点建模。采用交换机级联与VLAN划分的方法对工程实施中的网络结构及数据隔离问题进行探索，在测试后验证了数字通信过电流保护的数据通信可靠性与实时性均能满足标准要求。数字通信过电流保护缩短了交流环网线路后备保护的动作延时，消除了时间级差问题，而基于IEC61850标准的PDTOC逻辑节点，对于不同城市应用数字通信过电流保护都具有指导意义。