轨道交通供电继电保护网络化技术探讨

轨道交通供电继电保护网络化技术探讨田胜利

中国中铁电气化局集团设计研究院

2016年09月引言当前国内外继电保护通信技术简析当前保护装置通信功能的局限性分析继电保护全面实现网络化通信功能的可行性分析基于IEC61850GOOSE技术的继电保护网络化设想基于IEC61850GOOSE技术的继电保护网络功能设想变电所自动化及继电保护网络化实例轨道交通供电继电保护网络化技术探讨目录1、引言

随着计算机技术、通信技术的迅猛发展，网络技术已遍布交通、工业、商业、金融、医疗等各个领域，数据交换和数据共享已无地域性的约束，各种个体之间已从无关联的“孤岛”，变为本身领域系统内的一个“分子”。近年来轨道交通领域信息技术的发展，得益于通信和网络技术的突破。例如：变电所综合自动化实现了所内测控装置的挂网，上下行数据通过变电所网络实现各种信息上传和控制命令的下达。

我国轨道交通无论是铁道电气化还是地铁供电系统传统继电保护装置的情况，各继电保护装置之间，无论是高压侧“差动、速动、过流、零序”保护；还是低压侧“速动、过流、零序、阻抗、直流”保护等几乎都是相互独立的，较少有继电保护装置间数据交换和信息共享。1、引言

传统继电保护装置大都是相互独立的“孤岛”，保护装置间尚未实现信息共享，更无法实现数据相互交换。当系统某点发生故障时，各相关继电保护仅依据自身保护特性和整定时限完成相应动作，以下图为例K1点故障进行分析

1DL2DL3DL4DL5DL6DL35KVⅠ母35KVⅡ母进线1出线1进线2出线27DL保护保护保护保护保护保护8DL9DLK1

举例：K1点故障时，4DL、1DL均有故障电流流过，根据故障发生的区域，4DL应切除故障，由于流经4DL、1DL故障电流大小几乎相等，此时只有靠1DL的“时限”来保证保护的“选择性”问题。但现场情况是：保护“时限”往往是上级保护所限定，不是随意设定的。根据设计惯例，保护时限级差在“250-300ms”之间，保护层级在4-5之间。2、当前国内外继电保护通信技术简析当前国际上保护装置之间通信技术做的比较好的有美国的SEL公司和GE公司，欧洲的ABB、西门子等知名公司，但其继电保护之间通信技术尚待研究开发中。

1）美国SEL公司在其SEL-351中利用Mirrorbits镜像位技术实现保护装置之间的双向数字通信，采用光纤作为保护装置的专用通信媒介。该双向数字通信技术在每一个通信口使用8位的虚拟输出（发送镜像位元件TMB）和8个虚拟输入（接受镜像位元件RMB），通过这些镜像位元件之间的信息交换，实现保护跳闸和相关控制逻辑。MirroredBits的通讯速率在9600-19200波特，完成一次故障信息的传送时间在12.5ms-25ms,满足保护装置动作时间要求。

2）美国GE公司在其F35保护装置上采用冗余光纤通信模块，相邻装置之间通过GOOSE协议进行编码和传输。F35保护装置支持的通信规约有IEC61850，DNP3.0，ModbusRTU，ModbusTCP/IP，IEC60870-5-104,EthernetGlobalData（EGD）。多种规约可方便地实现继电保护与电力自动化系统的通信，其硬件接口包括100MbaseFx以太网光纤(可选择冗余配置)、10M/100MbaseTx以太网和RS485接口。保护装置接收相邻保护装置的时间在50ms左右。

3）国内南京南瑞继电保护有限责任公司2010年完成了继电保护装置通信技术的研发，其开发的PCS-9611“数字通信电流保护”装置已成规模应用于南京地铁工程中，该保护装置通过GOOSE网络实现保护装置间的通信，并完成保护装置间的联锁信号的快速可靠传递，保护动作出口时间小于50ms。该网络与监控网络相互独立，保护装置提供专用“DSP智能GOOSE插件”和“冗余光纤接口”用于GOOSE组网。3、当前保护装置通信功能的局限性分析当前国内外继电保护装置之间已有相互通信技术的应用，但一般都是同电压等级的保护装置之间，其总体技术尚处于初期，尚有许多问题需要完善，具体表象如下：1）保护装置通信技术标准不尽统一：SEL公司采用其独有的Mirrorbits镜像位技术通信标准，美国GE公司和南京南瑞可采用IEC61850技术实现继电保护装置之间的通信。2）保护装置间通信：尚存在较大的局限性，不能有效实现任意保护装置之间无缝通信。3）保护装置间数据交换能力尚且不足，功能有待完善。4）在电气化领域，110kV/220kV侧继电保护、27.5侧继电保护尚未实现网络通信；在地铁领域，35kV交流侧继电保护与1500V(或750V)直流侧继电保护间尚存在“鸿沟”，未实现相互间的网络通信。5）0.4kV继电保护装置尚处于独立工作状态，未开展网络通信技术的研究。4、供电系统继电保护全面实现网络化通信功能的可行性分析众所周知，继电保护的四性要求是“选择性、速动性、灵敏性、可靠性”，只有保护动作出口时间在“毫秒”级范围内，才能有效切除电源故障，保证供电系统的整体安全运行。4.1以太网技术的局限以前“以太网（IEEE802.3）”网络技术不能有效应用于继电保护中，主要原因是：“以太网”采用TCP/IP网络协议，介质访问控制协议为（MAC）通信协议，即CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测协议），其本质上是非实时的，其使用简单的算法操作网络，在网络负载轻时没有延迟，由于以太网不支持任何报文的优先权，在网络负载重的时候，报文冲突将会影响数据的吞吐和延迟，在最坏的情况下延迟没有边界。由报文冲突引起的数据传输时间的随机性是影响以太网在实时控制领域发展的主要因素，故在传统继电保护领域未采用“以太网”进行保护装置间进行数据交换，也不能通过网络实现继电保护的功能。4.2IEC61850通信技术IEC61850的出现确立了电力系统的建模标准，为变电站自动化系统定义了统一、标准的信息模型和信息交换模型，主要体现在：1）实现IED智能设备的互操作性。采用对象建模、抽象通信服务接口(abstractcommunicationserviceinterface，ACSI)以及设备自我描述规范，使变电站自动化功能在语法及语义上都得以标准化，并使功能完全独立于具体的网络协议，进而实现了智能设备的真正的互操作；2）实现变电站的信息共享，对一、二次设备统一建模，采用全局统一规则命名资源，使变电站内及站间实现了无缝通信；3）简化系统的维护、配置和工程实施。设备功能、系统配置以及网络连接都可采用基于XML（EXtensibleMarkupLanguage可扩展标记语言，提供统一的方法来描述和交换独立于应用程序或供应商的结构化数据）的变电站配置语言(substationconfigurationlanguage，SCL)进行描述、存储、交换、配置和管理。。4、供电系统继电保护全面实现网络化通信功能的可行性分析4.3、IEC61850系列标准及内涵IEC6l850-1基本原则Part1IEC61850-2术语Part2IEC61850-3一般要求Part3IEC61850-4系统工程管理

Part4IEC61850-5功能和装置模型的通信要求

Part5变电所自动化结构语言Part6变电站和馈线设备的基本通信结构

Part7特殊通信服务映射Part8特殊通信服务映射Part9一致性测试Part104、供电系统继电保护全面实现网络化通信功能的可行性分析①过程层与间隔层之间的信息交换，②间隔层内部的信息交换；③间隔层之间的通信；④间隔层与变电站层的通信；⑤变电站层不同设备之间的通信。变电站通信网络和系统协议IEC61850标准提出了变电站内信息分层的概念，将变电站的通信体系分为3个层次，即变电站层、间隔层和过程层，定义了层和层之间的通信接口

功能A功能B5保护控制保护控制21保护控制保护控制21344过程层变电站层间隔层PT/CT操作机构过程接口现场设备数字化变电站网络化信息流IEC61850-9-2数据利用多播技术发送给间隔层，实现共享传统方式单一指向无法实现数据共享4.4、EC61850变电站信息分层结构4、供电系统继电保护全面实现网络化通信功能的可行性分析4.4、IEC61850网络层的的划分分为三层层：变电电站层、、间隔层层、过程程层。间隔层由由智能电电子设备备(IED)组成，根根据分配配的任务务，IED完成控制制、保护护、计量量、记录录等功能能；过程层由由智能传传感器、、控制电电路等构构成的二二次智能能设备组组成，反反映一次次设备的的状态、、信号量量，接收收间隔层层的控制制命令，，实现对对一次设设备的控控制。IED即是间隔隔层的保保护、控控制设备备，也可可是过程程层的电电子多功功能仪表表、电子子传感器器、智能能控制电电路等4、供电系系统继电电保护全全面实现现网络化化通信功功能的可可行性分分析GOOSE网络络新技术术的出现现，使继继电保护护装置之间数据据快速交交换变为为了现实实，其面向通用对象的变电站站事件(GOOSEGenericObjectOrientedSubstationEvent)是IEC61850标准中用用于满足足变电站站自动化化系统快快速报文需求求的机制制。主要要是应用用在过程程层信息传递以及间隔隔层水平平通信。实现在多IED之间的信信息传递递，包括传输跳合合闸信号号（命令令），具具有高传传输成功概率。基于GOOSE网络传输输代替传传统的硬硬接线实实现开关位置置、闭锁锁信号和和跳闸命命令等实时信信息的可可靠传输输。（相相当于传传统保护护的开入入开出回回路）根据工厂试验验和工程程验证变变电所间间IED设备间通通信时间间可缩小小至50ms，满足继继电保护护对时限限的要求求。4.5、基于IEC61850的GOOSE网络技术术4、供电系系统继电电保护全全面实现现网络化化通信功功能的可可行性分分析1）基于4层通信协协议栈。。GOOSE协议栈只只用了国际标标准化组组织开放系统统互联(ISO/OSI)中的4层。应用层层定义协议议数据单单元PDU，经过表表示层编编码后，，不采用用TCP/IP协议，而而是直接接映射到到数据链链路层和和物理层层。这种种映射方方式的目目的是避避免通信信堆栈造造成传输输延时，，从而保保证报文文传输、、处理的的快速性性2）在数据链链路层，，GOOSE采用IEEE802.1Q、IEEE802．1P协议．保保证GOOSE报文的优优先传送送并提高高了GOOSE网络的安安全性。。3）GOOSE服务是以以高速P2P(PtoP)通信为基基础的。。P2P体系结构构消除了了主/从方式和和非网络络化的串串行连接接方案存存在的缺缺陷．网网络化的的连接同同时也降降低了设设备的维维护成本本。4）GOOSE应用层协协议中包包含数据据有效性性检查和和GOOSE消息丢失失、检查查、重发发机制，，以保证证接收智智能装置置(IED)能够收到到消息并并执行预预期的操操作。4、供电系系统继电电保护全全面实现现网络化化通信功功能的可可行性分分析4.5、基于IEC61850的GOOSE网络技术术GOOSE报文是通通过组播播或者是是广播的的形式向向外发送送，向多多个物理理设备同同时发布布一个通通用的变变电站事事件信息息。这种种机制保保证了系系统范围围内快速速可靠地地输入输输出数据据。（1）优先级级技术。。GOOSE报文的优优先级较较高，在交换机中中引入多多级队列列，这些些队列是是按照优优先级来来划分的的，这样样，高优优先级的的报文会会单独排排队，而而且其他他队列在在传输时时会首先先判断高高优先级级队列是是否为空空，是的的话则进进行发送送，否则则会执行行挂起，，将网络络让给上上级队列列。（2）VLAN（虚拟局局域网））技术。。由于在在整个以以太网中中，设备备节点会会很多，，如果多多个设备备需要接接收GOOSE报文，大大量的报报文充斥斥在网络络中，很很容易造造成网络络负担过过重，影影响传输输的速度度，严重重时甚至至造成瘫瘫痪，这这种现象称之之为网络风暴暴。VLAN技术的引引进则解解决了这这一问题题，虚拟拟的将一一些设备备划分为为一个局局域网，，在每个个报文中中都设置置了标志志符，进进入网络络之后就就会有交交换机进进行判断断属于哪哪个VLAN，同时也也减少了了报文冲冲突的可可能性。。（3）快速生生成树技技术。由数据结构构中引入入的，此技术术不仅能快快速的建建立起从从发送端端到接收收端的一一条最短短路径，，同时由由于其特特点，还还拥有自自我修复复的能力力，这样样不仅提提高了传传输速度度，还增增强了网网络可靠靠性。4.5、基于IEC61850的GOOSE网络技术术4、供电系系统继电电保护全全面实现现网络化化通信功功能的可可行性分分析GOOSE报文发送送采用心心跳报文文和变位位报文快快速重发发相结合合的机制制。当有有IEC61850-7-2中定义过过的事件件发生后后，GOOSE服务器生生成一个个发送GOOSE命令的请请求，该该数据包包将按照照GOOSE的信息格格式组成成并用组组播方式式发送。。为保证证可靠性性一般重重传相同同的数据据包若干干次，在在顺序传传送每帧帧信息中中包含一一个“允许存存活时间间”，它提示接接收端接接收下一一帧重传传数据的的最大等等待时间间，在约定时间间内没有有收到相相应的包包，接收收端认为为连接丢丢失。在GOOSE数据集中中的数据未发生变化化，发送时间间间隔为为T0（一般为为5s）的心跳报报文，报报文中状状态号（（stnum）不变，顺序序号（sqnum）递增。当GOOSE数据集中的数数据发生变化，发送一帧变位位报文后，以以时间间隔T1、T1、T2、T3（2ms2ms4ms8ms）进行变位报文文的快速重发发。数据变位位后的第一帧帧报文中stnum增加1，sqnum从零开始，随随后报文中的的stnum不变，sqnum递增。GOOSE接收可以根据据GOOSE报文中的允许许生存时间Tal（TimeAllowtoLive）来检测链路路是否中断.如下图所示：：4、供电系统继继电保护全面面实现网络化化通信功能的的可行性分析析35kV保护装置或110kV/220kV保护装置直流保护装置或27.5kV保护装置0.4kV保护装置供电系统继电保护GOOSE网络示意图5、基于IEC61850GOOSE技术的继电保保护网络化设设想1）所内保护装装置数据实时时交换2）35kV侧进线与馈线线保护网络化化功能3）直流侧进线线与直流侧馈馈线保护网络络化功能1DL保护被闭锁1DL2DL3DL4DL5DL6DL35KVⅠ母35KVⅡ母进线1出线1进线2出线27DL保护保护保护保护保护保护8DL9DL启动闭锁K1GOOSE6、基于IEC61850GOOSE技术的继电保保护网络功能能设想3）交流侧馈线与直流流侧进线保护护网络化功能能1DL2DL3DL5DL6DL35KVⅠ母35KVⅡ母进线1出线17