吴仕平 王汉林 吕良君

(国电南瑞南京控制系统有限公司，210061，南京∥第一作者，工程师)

城市轨道交通供电系统一般采用集中式和分散式2 种供电模式。不管哪种供电模式，35 kV 或10 kV 中压供电系统将形成大分区或者小分区的网络结构，即:将全线车站变电所划分到若干个供电分区内，每个供电分区从主变电所(开闭所)引入两回电源至分区内第一座车站变电所的Ⅰ、Ⅱ段母线，分区内车站变电所间采用环网电缆将Ⅰ、Ⅱ段母线分别连接在一起，形成开放式环形供电［1］。目前，这种供电模式下主要的保护配置是“光纤差动保护加过流保护”方案。该方案存在的主要问题是:差动保护的原理决定了其保护范围的局限性，保护范围仅是两侧电流互感器之间的环网线路，既不能保护断路器柜故障，又不能作相邻元件的后备保护。因此，当断路器柜故障或差动保护故障时，只能依赖于过电流保护。而城市轨道交通中压供电环网接线的特点决定了过电流保护需要靠延时配合获取选择性，其选择性与中压环网中每个环串的变电所数量，以及主变电站馈线侧的过电流保护时间的设定密切相关。所以当采用大环串方案时，现有的保护方案在选择性与速动性上不能同时满足。现有的保护方案主要考虑供电线路发生故障的情况，而对母线故障的保护欠缺考虑。文献［2］提出的保护方案在一定程度上能保证保护的选择性和速动性，但其信号闭锁机制完全基于传统的硬接点接线方式，二次接线复杂，不利于施工和成本的降低。

近年来，随着IEC 61850 在电力系统的逐步推广，GOOSE(面向通用对象的变电站事件)成为IEC 61850 的一个全新应用。GOOSE 服务是以高速P2P(Peer-to-Peer)通信为基础，替代了传统的智能电子设备(IED)之间硬接线的通信方式，为逻辑节点间的通信提供了快速且高效可靠的方法［3-4］。为实现控制、保护、信号和通信一体化的多功能综合保护测控装置之间的联网提供了可靠保证。因此，寻求一种基于GOOSE 机制的中压环网保护方案应用于城市轨道交通中压环网供电系统，对于城市轨道交通中压环网供电系统的可靠运行至关重要。

1 基于GOOSE的数字通信电流保护方案

基于GOOSE 机制的微机保护在一些文献中又称之为数字通信电流保护［5-6］。数字通信电流保护是基于微机保护装置间的网络通信功能提出的一种新的保护方案，该保护方案是以GOOSE 通信为基础的，以逻辑闭锁为核心的网络化保护方案。利用GOOSE 通信技术建立轨道交通供电系统变电站内及站间中压保护装置间的通信平台。基于GOOSE的网络化保护组网结构如图1所示。

图1 基于GOOSE 的网络化保护组网结构

与保护相关的 GOOSE 信号分为:第 1 类GOOSE 信号、第 2 类 GOOSE 信号、第 3 类 GOOSE信号和第4 类GOOSE 信号。与这4 类信号相关联的保护分别为GOOSE 闭锁式电流保护、GOOSE 开放式电流保护、GOOSE 开放式失灵保护、GOOSE联跳。第1 类GOOSE 信号对保护的作用是闭锁住电流保护，第2、3、4 类 GOOSE 信号则是启动相应的保护。如图2所示的K1点故障，故障电流流过4DL 和1DL，图中虚线箭头代表第1 类GOOSE信号的传送方向，实线箭头代表第3 类GOOSE信号的传送方向。当4DL 断路器处的故障电流大于启动定值后，4DL 断路器的保护装置立刻向1DL 传送第 1 类 GOOSE 信号;与此同时 1DL 保护装置收到4DL 启动信号后，判定故障为母线区外故障，1DL 处电流保护被闭锁。K1点故障由4DL 处配置的保护切除。而如果4DL 断路器失灵，未能切除故障，4DL 处保护装置失灵保护启动后立刻向GOOSE 网广播第3 类GOOSE 信号，相关断路器处保护装置收到该信号后各自跳开对应的断路器。

2 继电保护动作分析

为便于分析，这里选取城市轨道交通中压环网供配电系统中有代表性的1 个供电分区，如图3所示。根据城市轨道交通供电系统的特点，供电故障主要发生在环网电缆、母线、馈线等几个地方(即图中K1，K2，K3，K4故障点)，针对各个故障点，分析各保护之间如何利用基于GOOSE 网络机制的数字通信电流保护实现保护的可靠性、选择性、灵敏性、速动性。以下分别对各故障点的保护动作行为进行具体分析。

图2 GOOSE 信号传递机制

2.1 环网线路故障(K1点)

2.1.1 站间光纤差动保护装置通信正常情况

对于相间故障和小电阻接地系统的接地故障，由差动保护装置跳开线路两端进、出线断路器DL4和DL5，切除故障。对于接地故障，由零序差动保护瞬时切除故障跳闸。

图3 环网供电系统结构图

2.1.2 站间光纤差动保护光纤通信异常(或装置异常)情况

对于K1点故障来说，如果光纤差动保护光纤通信异常或者装置异常(如AD 自检出错、开入开出板件异常、定值自检出错等)，DL4处差动保护将被闭锁。同时发送第2 类GOOSE 信号给本处的电流后备保护装置，DL4处的电流后备保护收到此信号后启动GOOSE 开放式电流保护，经延时跳开环出线断路器DL4;同理，DL5处的保护也按此原理跳开DL5断路器。其他环网进出线的光纤通讯均正常，DL1处、DL2处、DL3处虽然能检测到故障电流，但没收到来至DL4处的第2 类GOOSE 信号，均不会动作。

2.1.3 后备保护装置异常情况

若DL4处电流后备保护装置异常，则发送第2类GOOSE 信号至DL3和DL10处保护装置;K1点故障时，DL3(或DL10)处保护检测到故障电流同时接收到DL4处第2 类GOOSE 信号，启动开放式电流保护，动作于各自的断路器，切除故障。

2.1.4 断路器失灵情况

变电所2 的DL4处装置检测到断路器失灵后，发送第3 类GOOSE 信号，DL3(或DL10)处电流保护装置接收到此信号后启动GOOSE 开放式失灵保护，跳开环进线断路器DL3(或DL10)切除故障。

2.2 馈线故障(K2点)

正常情况下K2点故障时，DL9、DL3同时检测到故障电流，DL9处馈线保护装置发送第1 类GOOSE信号，DL3处的电流装置收到此闭锁信号后闭锁本装置电流保护。由DL9处馈线电流保护装置动作，跳开DL9断路器切除故障，DL3处电流保护不会误动，有效地区分了母线故障和馈线故障。

断路器DL9失灵情况下 K2点故障时，若出现DL9处馈线保护动作但馈线断路器失灵，馈线保护发送第 3 类 GOOSE 信号，DL3、DL4和 DL10处电流保护装置收到此信号后，各自跳开相应位置的断路器。若出现馈线保护装置异常，DL9处馈线保护发送第2 类 GOOSE 信号，DL3、DL4和 DL10处电流保护装置收到此信号后，启动各自的电流保护，跳开相应位置的断路器。

2.3 正常供电方式下的母线故障(K3点)

正常情况下的对于K3点故障，环网出线、馈线、母联保护均不能检测到故障电流，但变电所2(即故障所在变电所)的环网进线DL3处及上级变电所DL1、DL2处保护均能检测到故障电流，各自发出第1 类GOOSE 信号，上级变电所的进线DL1、出线DL2处保护相互收到对方的闭锁信号，保护不会误动;DL3处保护没有收到闭锁信号，闭锁式过流保护动作，切除母线故障，从而实现母线保护的功能。

环网进线保护装置异常情况下环网进线后备保护装置(DL3处)异常时，保护无法在原先预计的时刻切除故障。DL3处后备保护装置将发送第2 类GOOSE 信号，通过站间GOOSE 网，上级变电所的环网出线电流保护装置(DL2处)接收到此信号，其开放式电流保护启动，经延时跳开 DL2，切除母线故障。

断路器DL3失灵情况下环进线断路器DL3拒动，DL3处后备保护装置将第3 类GOOSE 信号给上级变电所的DL2处环出线保护装置，由其跳开断路器DL2，快速切除故障。

2.4 经母联供电模式下母线故障(K4点)

正常情况下K4点故障时，只有I 段母线上保护装置的第1 类GOOSE 信号，而Ⅱ段母线上保护装置没有检测到故障电流，不会发送第1 类GOOSE 信号;若分段保护装置判断到两段母线上同时有保护装置发第1 类GOOSE 信号，则认为是Ⅱ段母线以外的区域故障，闭锁电流保护，从而保证了保护选择性。分段保护利用这一特性来判断故障出现在K4处。在图3 中，DL10处保护装置没有检测到Ⅱ段母线上保护装置的第1 类GOOSE 信号，保护动作跳开断路器DL10，切除故障。环网进线DL3即使能检测到故障电流，但因同时接收到来至DL10处保护装置发出的第1 类GOOSE 信号，所以保护不会误启动。

分段保护装置异常时，发送第2 类GOOSE 信号，供电端来自I 母环网进线时，进线DL3处后备保护装置收到此信号后，自动投入开放式电流保护，经过延时跳开DL3，切除故障。同理，如果电源端来自Ⅱ段母，则跳开DL7。

断路器DL10失灵情况下对于K4点发生的故障，分段保护装置动作跳闸，如果分段断路器DL10拒动，DL10处分段保护装置将广播发送第3 类GOOSE 信号给本站I 母、Ⅱ母所有进出线电流保护装置，由其跳开各自对应的断路器，快速切除故障。

3 RTDS仿真试验

为了验证保护方案的动作性能，在实时数字仿真(Real Time Digital Simulator，简为RTDS)系统中进行了数模仿真试验。该系统采用了先进的Hypersim 平台，该平台是加拿大 HYDRO-QUEBEC公司开发的一种基于并行计算技术的电力系统全数字实时仿真系统，它提供了大量电力系统元件库和控制模块，具有大量的DA、AD(模数转换芯法)和DIO(数字输入输出)接口，可以同时与多台装置相连接进行闭环测试。

试验系统采用上述RTDS 系统建模，供电一次，系统模拟仿真如图3所示环网供电系统。系统主要考虑以下特点:①由于各站之间的环网电缆距离短、阻抗小，因此数模试验系统中环网电缆各处同类型故障短路电流差别不大;②考虑串行供电级数较多，数模试验系统模拟了4 个变电站间3 级串行供电的情况。

由于采用GOOSE 信号闭锁机制，保护动作时间的定值不需特别考虑时限逐级配合问题，仅仅考虑GOOSE 信号本身延时，因此，GOOSE 闭锁式电流保护时限为50 ms，GOOSE 开放式电流保护时限为100 ms，GOOSE 开放式失灵保护考虑到开关位置返回需要一定延时，取为150 ms。RTDS 的仿真结果如表1所示。

表1 RTDS 试验结果

4 结语

基于GOOSE 机制的数字通信电流保护是在传统的微机过电流保护原理及功能不变的基础上，通过将站间保护装置联网，将保护装置的采样信息和动作信息在保护装置之间通过光纤进行直接快速传输，并通过对所辖区域内微机保护装置的电流保护动作与否进行比选和逻辑判断，从而准确、快速地判断出故障区段，迅速切除故障。其具有原过电流保护装置的所有基本功能，可有效解决传统过电流保护级差配合困难的问题，并增加了对母线的保护，是对传统“光纤纵差保护加过电流保护”方案的进一步优化，这种方案可望在城市轨道交通中压环网供电系统继电保护中广泛应用。

［1］韩连祥，张钢.城市轨道交通中压网络供电分区的划分［J］.都市快轨交通，2007，20(4):75.

［2］吕良君，朱臻怡，等.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，2012，31(18):18.

［3］范建忠，马千里.goose 通信与应用［J］.电力系统自动化，2007，19(31):85.

［4］Adamiak M，Hunt R，King A，rt al.Application of digital radio for distribution pilot protection and other applications ［J］.Annual Conference，2008(61):310.

［5］上海申通轨道交通研究咨询有限公司，中铁电气化勘测设计研究院.电流选跳技术在轨道交通中压网络中应用的研究科研报告［R］.上海:上海申通轨道交通研究咨询有限公司，天津:中铁电气化勘测设计研究院，2006.

［6］于松伟，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用［M］.成都:西南交通大学出版社，2008.