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中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063
摘要 目前，城市轨道交通供电系统中压环网继电保护方案中，一般采用光纤差动+过电流保护方案，该保护方案在实际应用中存在着开关柜柜间二次接线较多，连线较复杂等困难。对此，本文基于IEC 61850通信协议，对数字通信电流保护方案进行了研究，对原过电流保护方案进行了优化。
关键词：城市轨道交通；中压环网；继电保护方案；
1 引言
目前，我国城市轨道交通建设正处于快速发展阶段。近年，已建或在建的城市轨道交通中，如上海、南京、广州、无锡、苏州、徐州等城轨线路的供电系统，均采用了110kV/35kV集中供电方式，网络形式上则选择为环网网络，继电保护方案采用光纤纵差+过电流保护方案。由于电缆造价昂贵且地下空间紧张，为了节省电缆敷设空间和电缆投资，近年来在环网供电方案中，逐步采用了大分区供电方式。为了解决大分区供电方案中，传统过电流保护时间级差不够的问题，各保护厂家提出了各自改进的过电流保护方案，此类方案一般通过硬接线在保护装置之间实现闭锁，可以适应目前大分区供电的运行方式。但是由于采用了大量的电流元件闭锁，造成柜间二次连线较多，使得现场安装调试时周期较长，运营后检修维护工作量较大。针对此类问题，本文研究了一种基于IEC61850的数字通信过电流保护方案，该方案通过逻辑编程以及通信网络方式实现对故障点的自动查找和快速切除。同时，该方案采用通信方式，减少了大量二次连接线及继电器，使保护的可靠性及速动性得到了提升。
2 基于IEC61850数字通信过电流保护原理
2.1 保护原理
2.1.1 组网方案
GOOSE通信是IEC61850标准中为满足对变电站自动化快速报文需求建立的通信机制，能够实现对智能电子装置间的信息传递，信息传输成功率高。数字通信电流保护方案中，对GOOSE通信机制进行了充分应用，在该网络中，该通信方式能够对传统接线方式中闭锁信号、跳闸命令以及开关位置的硬接线方式进行替代，能够很好的满足继电保护方案对实时性、安全性以及可靠性的基本要求。同时，为了进一步确保数字通信方式运行的可靠性，本方案采用了A、B双网络配置，并以光纤作为通信介质。
2.1.2 进出线及母线开关保护逻辑
数字通信电流保护方案基本原理建立在过电流保护基础上，通过比较相关开关电流大小情况以及收到的闭锁信号情况，进行逻辑分析，最终确定保护动作出口。进、出线保护出口逻辑方面，当开关柜保护装置测得的电流有效值大于整定值时，如果在一定时间内没有收到母线侧闭锁信号，或者没有接收到环网侧闭锁信号，则会判定产生了区内故障，并跳闸出口，否则就会判定为产生了区外故障。母线侧闭锁信号，指从本段母线侧相邻开关所发出的闭锁信号；环网侧闭锁信号，指从网络接收对侧环网开关发出的闭锁信号。母联开关保护出口逻辑上，同进、出线开关保护逻辑有相似的特点，同时环网对母线侧闭锁信号会根据实际情况，将其判定为I段母线侧闭锁信号或II段母线侧闭锁信号。零序过电流的保护逻辑同过电流保护逻辑基本相同，不再赘述。
2.2 整定计算
假设主所出口保护允许最长时限为1.2s，环网进、出线过电流保护设置，可分为三段：I段保护，时限为0.6s，各保护装置及通信设施均正常工作，正常情况下闭锁，当故障发生时，相邻保护装置解除其闭锁信号后，该段保护动作；II段保护，时限为0.8s，该段保护为I段电流保护的后备保护，正常情况下闭锁，当发生通信故障或者某台保护装置退出后，启动II段保护；III段保护，为永久开放，时限为1s，当故障发生后，I段、II段均未动作时，III保护无选择性动作。在系统中，母联开关同各级进、出线所具有的电流保护相互之间无时限配合，而是通过保护逻辑的应用对故障进行自动判断，以满足保护选择性要求。馈线开关保护共设置两段，均无闭锁，其中I段为电流速断保护，时限为0.1s，II段为过流保护，其时为0.3s，能够同进、出线过流I段保护进行良好的配合。
2.3 不同故障情况的保护动作分析
根据故障类型的不同，本节对不同开关保护动作情况进行了分析。针对我国某城市地铁线路的供电分区内不同类型故障，进行了保护动作分析，如下图所示：
图1 不同故障情况下的保护动作分析
2.3.1 环网电缆故障
当系统D1点位置出现故障时，A所的1#、2#开关与B所的3#、4#开关均流过故障电流，而其他位置则无故障电流。当B所4#开关保护的电流值达到整定值时，会被C站变电所5#开关的闭锁信号解锁，而其他流过故障电流开关则会被相邻开关闭锁信号闭锁。对此，可以确定在D1位置发生故障，4#开关启动过电流I段保护。
2.3.2 馈线故障
当D2位置发生故障时，A所的1#、2#开关、B所的3#、4#开关以及C所的5#开关会流过故障电流，而其他位置则无故障电流。在流过故障电流的进出线开关位置，均被相邻开关闭锁信号实现闭锁，而只有C所的开关L在流过故障电流的情况下无闭锁信号。对此，可以确定在D2位置发生故障，开关L启动过电流保护。
2.3.3 母线故障
当系统在D3位置发生故障时，A所的1#、2#开关、B所的3#、4#开关以及C所的5#开关会流过故障电流，而其他位置则无故障电流。当C所5#开关的电流保护值达到整定值时，会被6#开关的闭锁信号解锁，而其他具有故障电流经过的开关则会被相邻开关闭锁信号闭锁。对此，可以确定在D3位置发生故障，5#开关启动过电流I段保护。
2.4 保护装置故障对保护影响
当该系统通信发生故障时，由于该保护通信网以双网冗余的方式实现配置，在其中一个发生故障问题之后则会自动由另一个无故障的网络承担通信功能。当双网全部发生故障问题，或者站内某一台保护装置退出时，则该站进、出线保护装置过电流保护I段退出，开放过流保护II段继续运行，以此保证系统能够对故障进行及时、可靠的切除。不考虑通信保护全部故障的情况下，站内同时还有保护装置退出的情况。
3 结束语
综上所述，数字通信电流保护方案通过引入GOOSE服务，其良好的实时性、安全性以及可靠性可以较好的满足环网大分区供电继电保护的运行要求。本文对基于IEC61850 GOOSE服务的城轨中压环网继电保护方案进行了一定的设计与优化，该方案采用数字通信方式，减少大量的柜间二次连线，为建设城市轨道交通数字化变电站奠定了基础，具有较好的应用效果以及良好的应用前景。
参考文献
[1]吕良君，朱臻怡，王文进，王汉林.北京地铁9～#线环网供电系统继电保护方案分析[J].电气应用.2012（18）：55-56.
[2]高云霞，王立天.地铁供电系统电流选跳保护及方案优化[J].现代城市轨道交通.2011（04）：105-107.
摘要 目前，城市轨道交通供电系统中压环网继电保护方案中，一般采用光纤差动+过电流保护方案，该保护方案在实际应用中存在着开关柜柜间二次接线较多，连线较复杂等困难。对此，本文基于IEC 61850通信协议，对数字通信电流保护方案进行了研究，对原过电流保护方案进行了优化。
关键词：城市轨道交通；中压环网；继电保护方案；
1 引言
目前，我国城市轨道交通建设正处于快速发展阶段。近年，已建或在建的城市轨道交通中，如上海、南京、广州、无锡、苏州、徐州等城轨线路的供电系统，均采用了110kV/35kV集中供电方式，网络形式上则选择为环网网络，继电保护方案采用光纤纵差+过电流保护方案。由于电缆造价昂贵且地下空间紧张，为了节省电缆敷设空间和电缆投资，近年来在环网供电方案中，逐步采用了大分区供电方式。为了解决大分区供电方案中，传统过电流保护时间级差不够的问题，各保护厂家提出了各自改进的过电流保护方案，此类方案一般通过硬接线在保护装置之间实现闭锁，可以适应目前大分区供电的运行方式。但是由于采用了大量的电流元件闭锁，造成柜间二次连线较多，使得现场安装调试时周期较长，运营后检修维护工作量较大。针对此类问题，本文研究了一种基于IEC61850的数字通信过电流保护方案，该方案通过逻辑编程以及通信网络方式实现对故障点的自动查找和快速切除。同时，该方案采用通信方式，减少了大量二次连接线及继电器，使保护的可靠性及速动性得到了提升。
2 基于IEC61850数字通信过电流保护原理
2.1 保护原理
2.1.1 组网方案
GOOSE通信是IEC61850标准中为满足对变电站自动化快速报文需求建立的通信机制，能够实现对智能电子装置间的信息传递，信息传输成功率高。数字通信电流保护方案中，对GOOSE通信机制进行了充分应用，在该网络中，该通信方式能够对传统接线方式中闭锁信号、跳闸命令以及开关位置的硬接线方式进行替代，能够很好的满足继电保护方案对实时性、安全性以及可靠性的基本要求。同时，为了进一步确保数字通信方式运行的可靠性，本方案采用了A、B双网络配置，并以光纤作为通信介质。
2.1.2 进出线及母线开关保护逻辑
数字通信电流保护方案基本原理建立在过电流保护基础上，通过比较相关开关电流大小情况以及收到的闭锁信号情况，进行逻辑分析，最终确定保护动作出口。进、出线保护出口逻辑方面，当开关柜保护装置测得的电流有效值大于整定值时，如果在一定时间内没有收到母线侧闭锁信号，或者没有接收到环网侧闭锁信号，则会判定产生了区内故障，并跳闸出口，否则就会判定为产生了区外故障。母线侧闭锁信号，指从本段母线侧相邻开关所发出的闭锁信号；环网侧闭锁信号，指从网络接收对侧环网开关发出的闭锁信号。母联开关保护出口逻辑上，同进、出线开关保护逻辑有相似的特点，同时环网对母线侧闭锁信号会根据实际情况，将其判定为I段母线侧闭锁信号或II段母线侧闭锁信号。零序过电流的保护逻辑同过电流保护逻辑基本相同，不再赘述。
2.2 整定计算
假设主所出口保护允许最长时限为1.2s，环网进、出线过电流保护设置，可分为三段：I段保护，时限为0.6s，各保护装置及通信设施均正常工作，正常情况下闭锁，当故障发生时，相邻保护装置解除其闭锁信号后，该段保护动作；II段保护，时限为0.8s，该段保护为I段电流保护的后备保护，正常情况下闭锁，当发生通信故障或者某台保护装置退出后，启动II段保护；III段保护，为永久开放，时限为1s，当故障发生后，I段、II段均未动作时，III保护无选择性动作。在系统中，母联开关同各级进、出线所具有的电流保护相互之间无时限配合，而是通过保护逻辑的应用对故障进行自动判断，以满足保护选择性要求。馈线开关保护共设置两段，均无闭锁，其中I段为电流速断保护，时限为0.1s，II段为过流保护，其时为0.3s，能够同进、出线过流I段保护进行良好的配合。
2.3 不同故障情况的保护动作分析
根据故障类型的不同，本节对不同开关保护动作情况进行了分析。针对我国某城市地铁线路的供电分区内不同类型故障，进行了保护动作分析，如下图所示：
图1 不同故障情况下的保护动作分析
2.3.1 环网电缆故障
当系统D1点位置出现故障时，A所的1#、2#开关与B所的3#、4#开关均流过故障电流，而其他位置则无故障电流。当B所4#开关保护的电流值达到整定值时，会被C站变电所5#开关的闭锁信号解锁，而其他流过故障电流开关则会被相邻开关闭锁信号闭锁。对此，可以确定在D1位置发生故障，4#开关启动过电流I段保护。
2.3.2 馈线故障
当D2位置发生故障时，A所的1#、2#开关、B所的3#、4#开关以及C所的5#开关会流过故障电流，而其他位置则无故障电流。在流过故障电流的进出线开关位置，均被相邻开关闭锁信号实现闭锁，而只有C所的开关L在流过故障电流的情况下无闭锁信号。对此，可以确定在D2位置发生故障，开关L启动过电流保护。
2.3.3 母线故障
当系统在D3位置发生故障时，A所的1#、2#开关、B所的3#、4#开关以及C所的5#开关会流过故障电流，而其他位置则无故障电流。当C所5#开关的电流保护值达到整定值时，会被6#开关的闭锁信号解锁，而其他具有故障电流经过的开关则会被相邻开关闭锁信号闭锁。对此，可以确定在D3位置发生故障，5#开关启动过电流I段保护。
2.4 保护装置故障对保护影响
当该系统通信发生故障时，由于该保护通信网以双网冗余的方式实现配置，在其中一个发生故障问题之后则会自动由另一个无故障的网络承担通信功能。当双网全部发生故障问题，或者站内某一台保护装置退出时，则该站进、出线保护装置过电流保护I段退出，开放过流保护II段继续运行，以此保证系统能够对故障进行及时、可靠的切除。不考虑通信保护全部故障的情况下，站内同时还有保护装置退出的情况。
3 结束语
综上所述，数字通信电流保护方案通过引入GOOSE服务，其良好的实时性、安全性以及可靠性可以较好的满足环网大分区供电继电保护的运行要求。本文对基于IEC61850 GOOSE服务的城轨中压环网继电保护方案进行了一定的设计与优化，该方案采用数字通信方式，减少大量的柜间二次连线，为建设城市轨道交通数字化变电站奠定了基础，具有较好的应用效果以及良好的应用前景。
参考文献
[1]吕良君，朱臻怡，王文进，王汉林.北京地铁9～#线环网供电系统继电保护方案分析[J].电气应用.2012（18）：55-56.
[2]高云霞，王立天.地铁供电系统电流选跳保护及方案优化[J].现代城市轨道交通.2011（04）：105-107.