城市轨道交通供电系统数字通信电流保护技术的展望

城市轨道交通供电系统数字通信电流保护技术的展望一、概述国内城市轨道交通供电系统发展至今，其中压环网的保护配置先后经历过几次较大的变化。(一)过电流保护在上世纪六七十年代以过电流保护作为中压环网的主保护，由于线路距离较短，短路电流不好区分，只能通过时间级差配合实现选择性。因外电源允许的保护动作延时较短，级差配合难以实现，选择性较差。实际运行中曾多次出现不同级同时跳闸的情况，导致大面积停电事故。(二)导引线纵差过电流保护上世纪九十年代初期采用了“导引线纵差保护过电流保护”的环网保护配置方案，提高了电缆故障时的保护选择性。(三)光纤纵差+过电流保护上世纪九十年代末期开始以光纤作为纵差保护的通信传输介质，形成了如今应用广泛的“光纤纵差保护+过电流保护”方案。然而“光纤纵差保护+过电流保护”的保护配置方案，仍然存在着中压开关柜故障时保护速动性差、主变电所支援供电时选择性不足的缺点。(四)数字通信电流保护近些年随着IEC61850通信规约的引入，城市轨道交通数字通信电流保护的网络化、智能化进一步提高，信息共享范围、通信速率、通信可靠性等方面的性能也得到进一步加强，出现了利用光纤实现所间保护装置之间的直接通信和软件逻辑进行判断的“数字通信电流保护”，以改进中压环网保护的选择性和速动性。二、IEC 61850的数字通信电流保护IEC 61850系列标准的全称是“电力公用事业自动化的通信网络和系统”，是由国际电工委员会第57技术委员会从1995年开始制订的。IEC 61850规约最大的一个亮点是提供了智能装置间的通信规约GOOSE。GOOSE服务是以高速P2P通信为基础的，它替代了传统的智能装置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。目前，正在研究并已挂网试运行的中压交流保护深化方案正是建立在GOOSE通信技术基础上的最新保护方案。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，其采用“闭锁式纵联保护”原理，利用GOOSE通信技术建立了全地铁线路所有中压保护装置间的通信平台。保护装置可以利用这一平台快速、准确地交换信息，从而能够保证：在地铁中压供电系统中任何位置发生任意类型故障时，保护都可以快速区别故障并迅速动作切除。该网络化保护方案组网图如图1所示。 图1 GOOSE通信的网络化保护方案以下图2中K1点故障为例，说明GOOSE信号的传递及保护动作情况。图2 GOOSE信号的传递情况在图2中可以看到，K1点故障为母线馈出线故障，故障电流流过4DL和1DL，图中虚线和箭头代表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4DL过流启动GOOSE信号；与此同时1DL断路器故障电流大于保护定值后，保护启动进入延时出口阶段；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站内网络化保护被闭锁。K1点故障由4DL处配置的保护切除。而如果4DL断路器失灵，未能在延时时间内切除故障，失灵启动逻辑后立刻向GOOSE网广播4DL失灵启动信号，相关断路器收到该失灵启动信号跳闸。三、城市轨道交通供电系统数字通信电流保护技术目前，在城市轨道交通领域，小环串中压环网普遍采用的是“光纤纵差保护过电流保护”配置方案。当保护区内发生相间及接地故障时，光纤纵差保护作为环网电缆的的主保护，在几十毫秒内跳开故障电缆两侧断路器，具有较高的速动性和选择性。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，它既不能保护开关柜故障，又不能作相邻元件的后备保护。因此，当开关柜故障或差动保护故障时，只能依赖于过电流保护。而地铁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方面存在较大的困难。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，并通过对线路两端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、快速的判断出故障区段，能在几十毫秒内切除故障。数字通信电流保护是在原过电流保护装置基础上开发出来的，具有原过电流保护装置的所有基本功能，数字通信电流保护可有效解决传统过电流保护级差配合困难的问题，是对传统“光纤纵差保护+过电流保护”方案的进一步优化。如图3，线路两端的进、出线分别配置基于数字通信的电流保护装置，两端的保护装置各自判断过电流信号，通过两保护之间的光纤通信互相传给对方，收到对方的信号后进行逻辑判断。正常情况下，整个线路上都没有过电流信号，保护不动作；如果A点发生短路，则1、2点都有过流信号，而3、4点没有，即可以判断故障点在2、3点之间， 2、3点保护出口跳闸，而1点之前所有检测到过流信号的保护闭锁出口。图3 供电系统环网故障分析当通信回路出现故障时，数字通信电流保护还具有完善的后备保护功能。如果出现某区间通信故障的情况，在发出告警信号同时，启动后备过电流保护功能，如果恰巧本区间发生短路故障时，后备保护经一定延时出口跳闸。当环网进、出线断路器拒动时，数字通信电流保护还具有完善的断路器失灵保护功能。如在跳闸信号发出后的一段时间后，保护装置仍有过流信号检出，则可判定断路器拒动。由失灵保护出口启动上一级断路器后备过电流保护功能，实现快速跳闸。数字通信电流保护通过网络信息传输及逻辑判断还可以实现母线的短延时保护功能。根据对近几年国内城市轨道交通运行中发生的各种故障统计发现，交流中压供电系统开关柜内部故障率也比较高，如：因母线电压互感器/传感器元件故障造成单相接地短路等，对于这种类似母线故障的开关柜内部故障，能快速动作的主保护差动保护却因其自身局限性，无法检测到上述故障，也只能由过电流保护和零序电流保护担当开关柜内部故障的保护任务。数字通信电流保护通过网络信息传输及逻辑判断可将变电所内同一母线上所有进出线是否故障的信息集中采集，进行类似母线差动的逻辑编程，判断出母线是否故障，即可有效的解决上述问题。四、展望数字通信电流保护与传统 “光纤纵差保护+过电流保护”相比，除微机综合保护测控单元上新增加GOOSE协议通信口以外，每个站还增加2台支持