基于HSR的地铁供电系统跨站网络化保护方案

刘雅杰 谢金莲 赖沛鑫 王文浩 招康杰 余 龙

(1. 广州市扬新技术研究有限责任公司, 510540, 广州; 2. 广州白云电器设备股份有限公司, 510460, 广州∥第一作者, 助理工程师)

由于存在保护时间级差问题,传统地铁供电系统的继电保护方案正被网络化保护方案逐渐取代。基于IEC 61850:2004的GOOSE(面向通用对象的变电站事件)通信技术被逐渐用于地铁供电系统的继电保护方案中。GOOSE通信技术采用光纤通信的方式,利用光信号代替传统电缆硬接线,其不但提高了继电保护性能,扩展了继电保护功能,还提高了信息传输的抗干扰与抗腐蚀能力。此外,GOOSE通信技术的应用不但能够降低现场布线的复杂程度,还能够减少工程成本投入[1-2]。

现阶段,地铁变电站站内网络化继电保护方案一般采用星型网络结构,为了保证网络的可靠性,主要通过投入双倍的交换机组建双星型网络来实现冗余功能。站间的继电保护方案大多是通过光纤或电缆硬接线以点对点的方式直连。现阶段的继电保护方案解决了站内的数据共享问题,但依托交换机组网存在组网复杂、故障概率增大、运维工作量增加及延时不确定等问题。此外,站间点对点的直连模式还存在信息交互能力差等问题。

国际电工标准委员会IEC SC65委员会第15工作组推出了IEC 62439:2008标准,其中IEC 62439-3:2010中的HSR(高可用性无缝环)协议为变电站提供了高可靠性组网解决方案。目前,国外已在变电站内部网络组网中应用了HSR,国内虽然也做了相关研究[3],但由于国内外应用场景的差异,其在轨道交通行业的研究较少。

鉴于此,本文通过分析现有的地铁供电系统继电保护方案,结合继电保护产品,提出一种基于HSR的地铁供电系统跨站网络化保护方案,以解决目前地铁供电系统继电保护网络化存在的不足。

1 地铁供电系统继电保护装置现状概述

地铁供电系统继电保护组网示意图如图1所示。为了保证网络的可靠性,站内主要通过投入双倍交换机组建双星型网络结构,即通过网络拓扑结构实现网络冗余。通过交换机组建的双星型网络结构解决了站内数据的共享问题,但需配置双重设备与网络才能实现冗余功能,增加了设备的投资和现场的组网复杂度,相应设备的故障概率、运维工作量等都会有所增加。此外,交换机采用带避撞的载波侦听多路接入机制,其交换机信息传递延时具有无法预测的随机性。

注:N表示第N根馈线。

站间保护装置的信息交互(如目前站间35 kV中压交流系统的数字过流保护)将装置通过光纤以点对点的方式直连,站间直流装置间的信息交互则多是通过电缆硬接线或继电器实现[4]。继电器和电缆硬接线都没有实时监控的功能,继电器使用时间过长会导致触点吸合动作不可靠,电缆硬接线易受电磁干扰,且存在电缆硬接线虚接、断裂进而导致装置继电保护动作拒跳、误跳的隐患。这为供电系统运行的可靠性和稳定性带来了极大的不确定性。此外,点对点模式易导致站间信息交互能力差,不能实现全线的数据共享,不利于地铁智能化高级应用功能的开展(如故障分析、故障定位、系统自愈等)。

2 HSR概况

HSR可实现单节点故障时的无缝切换,能真正实现网络通讯的零丢包、零切换,具有优异的故障恢复性能。HSR结构及原理示意图如图2所示。

注:CPU为中央处理器;SAN为单连接节点设备;“×”表示数据在此节点无法流通。

一个简单的HSR网络结构由多个DANH(双连接交换节点)设备构成,每个节点有2个环网接入端口,以全双工链路连接工作[5]。当源DANH需要发送报文时,先在报文中加入HSR标签并复制2份,分别通过装置的2个端口沿环网两个方向分别发送,目标DANH会在不同时间的不同端口接收到2个重复的报文。使用丢弃算法,目标节点在接收到其中一份先到达的报文后会移除HSR标签并送到高层协议,同时丢弃下一个接收到的重复报文。对于不是目标节点所需的报文,将其从另一端口转发给下一个节点。

HSR采用节点冗余技术,在链路层上能够实现报文的“双发双收”,源节点信息通过2个不同路径进行传输,可以在不增加网络设备的基础上实现网络冗余,实现真正意义上的无缝切换,同时也摆脱了对交换机的依赖。采用HSR技术组网具有工程费用较低、组网简单、施工便利等优点。

HSR单个环网接入设备数量有限,因此HSR适合在二次设备数量不多的工程场合应用[6]。现有继电保护装置的数据处理能力非常强大,完全具备处理小规模HSR环网数据传输的能力。地铁供电系统主要包括35 kV中压供电系统和DC 1 500 V直流牵引系统,网络化保护涉及35 kV交流保护装置和DC 1 500 V直流保护装置。按常规配置来看,交直流保护装置分别分布在不同房间,高压开关柜室的35 kV交流保护装置包括进线保护装置、出线保护装置、母线联络开关保护装置、整流变保护装置和动力变保护装置。直流开关柜室的DC1 500 V直流保护装置包括直流进线保护装置、直流馈线保护装置和负极柜保护装置。这些装置虽然种类较多,但每个设备房中的保护设备数量较少,适用于HSR环网技术的应用。

3 基于HSR的跨站网络化保护方案

3.1 组网方案

基于HSR的地铁供电系统跨站网络化保护组网方案示意图如图3所示。站内同一设备房内的继电保护装置(支持HSR的双节点设备)可通过装置自带的2个光纤端口以首尾相连的方式组建环网,并完成冗余网络的搭建。对于不支持HSR的继电保护装置或其他智能设备,则可通过环网冗余盒装置的任一光纤接口(以下简称“光口”)接入,实现与HSR的信息交互。环与环之间通过环网冗余盒的Quadbox功能来实现信息的交互。同时,为防止2个环间的单点故障造成环之间的通信中断,采用2个环网冗余盒组网来保证通信的可靠性。其中,这2个环网冗余盒通过以太网连接电口,组建并行耦合环。对于站内不同设备房的HSR,2个环网冗余盒分别通过光口Mac0、Mac1与HSR连接,实现HSR环间的信息交互。对于相邻站间及跨站的信息交互,则通过光口Mac2、Mac3连接,通过环网冗余盒接收、过滤、转发环内信息的方式实现跨站的信息交互。

注:Redbox指环网冗余盒的单节点功能。

目前,在地铁行进地区,35 kV中压交流侧继电保护与1 500 V直流侧继电保护之间仍存在两者界限分明的情况,两者之间尚没有网络连接。而通过上述组网方案可以将交流侧和直流侧间的继电保护装置构成信息联系,打破以往交直流侧继电保护信息流动界限分明的状况。通过此组网方式可以实现全线各站的数据流动,实现数据共享,为未来更多的地铁智能化高级应用功能的开展奠定基础。

3.2 关键技术与设备

3.2.1 继电保护装置

继电保护装置的研制要点在于采用FPGA(现场可编程门阵列)来实现HSR双网冗余通信。FPGA板卡模块通过数据总线与IEC 61850通信板卡构成数据联系,IEC 61850通信板卡对外扩展两路传输速率为100 Mibit/s的光纤端口E和F。同一GOOSE报文在不同时间通过光纤端口E和F传送至IEC 61850通信板卡的数据模块,后经数据总线送至FPGA芯片模块。由于丢弃算法的作用,FPGA内部数据处理模块只接收最先到达的GOOSE报文,对其进行HSR标识的丢弃,后经报文封装由40针管脚传给CPU主板,再由CPU主板根据报文的内容完成相应的操作,避免了在继电保护装置中形成网络风暴。

当继电保护装置发送GOOSE报文时,FPGA内部数据处理模块将报文添加HSR标识,再复制为2份完全相同的报文,通过光纤端口E和F发送出去。对于不是继电保护装置自身需要的报文,则从其中一个端口输入,从另一端口转发。

每个继电保护装置可以通过自身的2个光口以“手拉手”的模式首尾串接成环,完成站内同一设备房冗余网络的搭建,实现环内的信息交互与共享。

3.2.2 环网冗余盒装置

环网冗余盒的数据处理机制与继电保护装置的数据处理机制相同,只需将继电保护装置的FPGA、IEC 61850通信板卡及其外围电路进行扩展,即可研制出环网冗余盒装置。该环网冗余盒装置主要由内部核心芯片模块(如FPGA)和外部接口模块组成。内部核心芯片模块能够完成配置参数、选择工作模式及实现HSR功能。外部接口模块包括4个光口和2个电口(标准接口数量,可扩展),电口和光口的使用可根据配置程序来定义,用于在实际工作模式中实现环网冗余盒的Redbox或Quadbox功能。

HSR通过环网冗余盒在Quadbox模式下实现信息共享,而对于不支持HSR的设备,则通过Redbox模式实现与HSR环间的信息共享。对于不支持HSR的单节点设备、站内不同设备房的HSR及站间的信息交互均可通过设置环网冗余盒装置的数据流向来实现。

在本环接收端建立MAC(媒体存取控制)地址接收过滤表,即预设将要接收数据的MAC地址,以表明该数据是从对环过来的数据,再用作本环环间发送数据的过滤条件,进而防止从对环进入的数据再从本环返给对环的现象,有效避免了网络风暴的产生。

4 试验验证

本文通过在实验室搭建测试平台来模拟地铁同一线路相邻3个变电站间保护装置的数据流动,验证HSR组网方案的网络通信可靠性和实时性。HSR组网测试示意图如图4所示。该测试平台由变电站A、B、C组成,按常规的正线牵引降压变电所来计,每个站里有高压开关柜室和直流开关柜室。直流开关柜室的DC 1 500 V直流保护装置共有7台,包括2台进线保护装置、4台馈线保护装置和1台负极柜保护装置。变电站A的213A开关保护装置、变电站B的211B开关保护装置、变电站B的213B开关保护装置和变电站C的211C开关保护装置间存在GOOSE信息交互。

注:n表示第n个交流保护装置;FIG为负极柜的标号;路径2的信息数据流向是非正常状态的信息数据流向(Quadbox4和Quadbox6的跨站光纤故障)。

4.1 网络可靠性

基于HSR的工作原理,环内每台继电保护装置的报文被复制成2份,并通过继电保护装置的2个光口在不同方向进行传输,环间及站间各继电保护装置的数据信息通过2台冗余盒组成的并行耦合环的两路通道进行传输。当网络内任一元件或链路故障致使某个方向阻塞时,报文均能沿另一个方向传递至目的地址。例如,在变电站A的开关213A保护装置发送GOOSE报文给变电站B直流开关柜室的开关211B保护装置过程中,路径3和路径4是报文传输的2条路径,当任一路径出现断点不通时,能从另一路径进行报文流动,充分保证了GOOSE报文传递的可靠性。由于HSR组网方案采用不同的路径传递相同的报文,因此HSR不需要像环形拓扑一样进行RSTP(快速生成树协议)计算,完全避免了网络切换时间和数据丢包风险[2]。因此,通过HSR组网具有不亚于双星型网络的可靠性。

4.2 网络传输实时性

通过模拟直流牵引供电系统的不同模式来验证所提方案的网络传输实时性,直流牵引供电系统示意图如图5所示。正常运行时,正线采用双边供电方式,牵引所馈出4路1 500 V电源,分别接触上下行接触网,与相邻牵引变电所构成双边供电。例如,变电站A直流开关柜室的开关213A和变电站B直流开关柜室的开关211B共同为第一区域供电,变电站B直流开关柜室的开关213B、和变电站C直流开关柜室的开关211C共同为第二分区供电。当正线任一座牵引变电所解列时,由相邻的两座牵引变电所越区构成大双边供电。例如,变电站B解列时,2113、2124纵联隔离开关闭合,变电站A的开关213A和变电站C的开关211C实现越区供电。

注:图中数字均表示开关单元。

数据传输延时t的计算公式为:

t=ta+tb+tc

(1)

式中:

ta——报文发送时,继电保护装置通信处理器的处理时间;

tc——报文接收时,继电保护装置通信处理器的处理时间,该时间为固定时间,与装置的硬件配置相关;

tb——网络传输延时,一般计算数据延时只考虑tb。

相比于交换机的存储转发模式,HSR通过直通转发模式传递数据包,能够有效减少数据传输延时。节点接收到MAC帧头即开始转发帧,发送的最大帧长度为1 530 B,传输速率为100 Mibit/s,每个节点最大数据传输延时为123 μs;信号在光缆中的传输延时为2/3倍光速,即1 000 m的光缆传输延时约为5 μs,可以忽略不计[7]。

1)在双边供电模式下,模拟变电站A的开关213A过流保护动作,同时联跳变电站B直流开关柜室的开关211B,变电站A的开关213A和变电站B的开关211B间通过GOOSE进行信息交互。

路径3经过3台继电保护装置和2台冗余盒,此路径经过的装置最少,即传输延时最小。路径4经过11台继电保护装置和2台环网冗余盒,此路径经过的装置数最多,即传输延时最大。双边供电模式下,变电站A的开关213A过流保护和变电站B的开关211B保护联跳测试记录如表1所示。由表1可知,继电保护装置动作正常,满足实时性和可靠性要求。

表1 双边供电模式下变电站A的开关213A过流保护和变电站B的开关211B保护联跳测试记录

2) 在大双边供电模式下,模拟变电站A的开关213A过流保护动作,同时联跳变电站C的开关211C,变电站A的开关213A和变电站C的开关211C间通过GOOSE进行信息交互。

路径1经过3台继电保护装置和3台冗余盒,此路径经过的装置最少,即传输延时最小;路径2经过18台继电保护装置和5台冗余盒,此路径经过的装置数最多,即传输延时最大。大双边供电模式下,变电站A的开关213A过流保护和变电站C的开关211C保护联跳测试记录如表2所示。由表2可知,继电保护装置动作正常,满足实时性和可靠性要求。

表2 大双边供电模式下变电站A的开关213A过流保护和变电站C的开关211C保护联跳测试记录

5 经济效益

采用基于HSR的地铁供电系统跨站网络化保护方案,同一设备房利用继电保护装置自身光口以“手拉手”模式组建冗余网络,站内及站间的不同设备房则通过冗余盒装置完成信息交互。相比于现阶段为了网络可靠性而采用的地铁供电系统站内双倍交换机组建双星型冗余网络方案,所提保护方案省去了交换机的使用,使得变电站内装置数量减少,故障概率降低,运维工作量减少。此外,所提保护方案中所有继电保护装置不必将光纤汇总至交换机处接线,减少了现场布线的复杂度,使得工程前期成本和后期运维费用大大降低,其经济效益可观。

6 结语

本文提出一种基于HSR的地铁供电系统跨站网络化保护方案,并给出了具体的组网方案。HSR网络能够实现在地铁供电系统继电保护网络发生单节点故障情况下的无缝切换,满足地铁供电系统对信息传输实时性和可靠性的要求,同时其前期工程成本和后期运维成本都能够大大降低,具有一定的推广应用价值,可为地铁供电系统继电保护跨站网络化保护提供参考。