地铁供电系统中压环网数字化保护系统优化策略

　　摘要：文章采用VLAN交叠方式，创设了GOOSE报文的流通途径，可在网络中定向传输，由于传输范围的限定使得网络效率得以提高，系统在各阶段的运行稳定性更为良好。

　　0　引言

　　基于过电流保护机制，可为环网电缆电路故障的防护提供帮助。但动作时限具有局限性，即逐级配合方式在大环网供电系统中难以提供充足的保护，发生故障后容易危及多个变电所，导致同时停电，迫使地铁供电系统被迫暂停运行，此问题在母线短路故障中体现得更为明显。

　　1　数字化保护系统概述

　　1.1　间隔层GOOSE网络内容

　　基于GOOSE网络通信技术的持续性发展，可为地铁供电系统的运行提供更可靠的技术支持，提高供电保护功能的安全等级，发生故障后可迅速做出跳闸动作。保护系统中适配了稳定的间隔层GOOSE网络，为各设备的信息沟通创建了高效的渠道，在GOOSE网络的支持下保护装置的监视能力有所提升，可及时掌握上下级开关的保护动作情况，以此为基础经逻辑判断后准确识别故障。GOOSE网络是整个保护保护系统中极为关键的部分，是沿线交换机级联后所产生的完善链形网络。

　　1.2　间隔层GOOSE网络作用

　　GOOSE报文的具体形式为组播报文，其在交换机内未采取配置管理措施，此机制下若GOOSE报文总量偏大易导致接收装置网卡缓冲区溢出，伴有较高的报文丢失风险。而在顺序重发机制下抑制了GOOSE网络的使用效果，尽管未发生任何事件网络也会持续出现丰富的“心跳”组播报文，在缺乏科学过滤手段的情况下，使得网络上的任何一项组播报文都被接收，不利于保护装置的正常通信并削弱其对数据的处理能力。如果电力系统受到某种因素的影响而出现故障，则各类保护装置会同时发出GOOSE报文，但是报文几乎是同时发出且总量较大，因此易出现网络超载、通信延迟等问题，使得部分报文丢失，对应至保护装置中其动作时间较正常状态明显延长，或难以做出可靠动作。在这种背景下，需进一步完善GOOSE组播报文的运行机制，实行传输限定，同时设计隔离过滤的功能。

　　1.3　间隔层GOOSE网络过滤方式

　　通过VLAN交叠方式与GOOSE报文传输机制的结合，可在广播包传输作业时发挥出较好的传输范围限定作用。基于对VLAN的合理划分，辅以端口限制的方式，交换机在面对大批量的广播报文时可发挥出限定作用，将其控制在VLAN作用范围内，此机制下网络资源的利用率得到显著提高，网络风暴影响被限定在相对较小的范围内，供电系统稳定性得到保障。而通过配置VLAN的方式还可起到隔离各类VLAN的效果，为信息访问营造安全的操作环境。

　　2　优化设计内容

　　保护系统间隔层组网的运行机制优越，其在地铁的压环网供电系统中具有较好的应用效果，在系统发生故障后可快速识别、精确定位环网母线或电缆的故障发生区域以及具体类型，从而采取切除措施。具体设计要点主要体现在如下方面。

　　（1）压环网数字化保护系统包含母联保护等各类型保护装置、交换机等。各装置具有其特定的作用，例如在以太网交换机组的作用下可将GOOSE网口组成变电站网。

　　（2）GOOSE网络在同一变电所内发挥出信息共享的作用，内部各装置在开关位置、保护出口等多个方面的信息都可以得到交换，对于各变电所彼此间无需信息交换，根据此特点则应间隔其间的报文。

　　（3）各交换机都对应有VLANID且各自均具有唯一性，通过对其相邻的VLANID相关配置工作，可实现对相邻变电所报文的高精度识别。

　　（4）交换机中的部分端口可实现交换GOOSE信息的功能，一方面重点选择保护装置端口，并配合适量的相邻所级联端口，两者类型一致，均选择Trunk端口，从而完成对VLAN报文的接收以及识别操作。

　　（5）数字通信电流保护功能是通过GOOSE网络实现的，能够接收到来自启动开关的启动信号，该信号主要由同一母线或相邻变电所产生，再借助装置自身所产生的过流启动信号，两者相综合后准确判断故障发生点，确定其存在于电缆还是母线上，并依据实际结果选择性跳闸，实现有效的保护。

　　（6）数字通信零序电流保护功能，操作机制与上述所提的电流保护功能类似，建立在GOOSE网络的基础上，可接收启动开关零序电流保护的启动信号（主要源自于同一母线或相邻变电所），再借助装置自身所产生的零流启动信号，两者相综合后准确判断故障发生点，确定其存在于电缆还是母线上，并依据实际结果选择性跳闸，实现有效的保护。

　　3　间隔层GOOSE网络的组建和配置

　　（1）各变电所的设备配置方案中均使用到2台以太网交换机，通过8芯光缆实现变电所各交换机的连接，从而创建热备用双网。所使用的交换机运行性能应良好，参考IEC 61850-3标准，要兼顾工作环境和电磁兼容两方面的要求，支持VLAN技术特性，以达到规避广播风暴的效果。

　　（2）各所交换机在静态VLAN方面的配置方式保持一致，数量均为3个，分别对应3个ID，即本站、上个相邻站和下个相邻站各自的VLAN ID。

　　（3）交换机的端口配置。各端头PVID的设置方式保持一致，均设为本地的VLAN ID，包含PORTl向上级联端口和PORT2向下级联端口，考虑到与相邻所的GOOSE高效通信的要求，设置了进出线保护装置段端口，即PORT3-8。以上所提到的各端头均为Trunk端口，剩余部分的各端口均为Edge端口。PORTl和PORT2所设置的PVID Format格式保持一致，均使用Tagged格式，其突出特征在于传出的报文增加了VLAN标签；剩余的均设置为Untagged端头，主要区别在于报文不加VLAN标签。

　　基于上述所提的配置方案，各所的本地VLAN具有相同的作用，可实现VLAN交叠。各所配置了保护装置，但其发出报文后将在特定的范围完成向交换机的传输，包含本所和上下相邻所，并不会发生超出该范围的传输。类似的，进出线保护装置接收GOOSE报文的范围也与之相同，除此之外的其他保护装置的接收范围得到更严格的限定，即只能接收本所装置的GOOSE报文，经过范围的限制后解决了GOOSE报文不受约束而向全网传输的情况，并明显提升了GOOSE网络的利用率。

　　4　优化效果分析

　　保护测控装置的主要作用在于面向各电缆和母线提供保护服务，具有数字通信过流功能，进一步分析如下。

　　4.1　电缆故障跳闸

　　该装置在运行时如果有过电流保护功能，那么当在某个延时范围内无法接收到相邻所的过电流保护启动的GOOSE信号，同时产生的电流延时＞设计值时，则可以判断是电缆故障，从而自动做出本线路开关跳闸行为。

　　4.2　母线故障跳闸

　　该装置运行中若使用到了过电流保护功能，那么当在某个延时范围内并未接收到本所母线装置的过电流保护所发出的启动GOOSE信号，同时产生的电流延时相较于数字通信过流时间的整定值而言明显偏高，此时则被认定为母线故障，自动做出本线路开关跳闸行为。压环网数字保护系统若存在故障，将随即执行数字通信保护组网方案，以实现准确定位故障以及高效处理，通过VLAN交叠方式的作用可高效配置管理网络，确保广播包仅能在特定的范围内传输，创造了更可观的网络效率，系统在整个运行过程中的稳定性表现也更为良好。

　　4.3　支援模式下的中压保护

　　保护逻辑要具有系统性，需兼顾各类运行方式以及某些特殊的保护性需求。环网结构的具体组成如图1所示，根据图中信息可得知，若主变1解列，此条件下联络开关处于闭合状态，各站的供电需求则均由主变电站2提供。系统运行中若A点发生了环网短路故障，那么D19、D20、D15、D16、D11、D12和D8各点都会被环网对端保护闭锁，因此不会出现跳闸现象；另外D7、D4两处满足相应的逻辑要求，在保护跳闸的同时及时切除故障；配置的再生制动能馈系统也将退出运行。此外，保护整定值具有合理性，可省去调整整定值的烦琐环节。

　　5　结语

　　本文以地铁供电系统为切入点，对其中的压环网数字化保护系统设计展开探讨，并提出相应的优化方案，能够实现优化间隔层组网配置的目的，基于间隔层GOOSE网络的载体作用可实现保护装置信息的高效共享，通过对动作、开关位置等相关信息的分析，可准确定位故障发生区域。此技术方案在现阶段的地铁供电系统中已经取得较好的应用效果，在行业技术逐步提升之下，相信其在后续将取得更好的发展，能够创造更可观的社会效益和经济效益。

　　作者简介：郝清山（1988-），男，天津人，中交机电工程局有限公司工程师，研究方向：铁路、地铁电气设备试验检测。

　　参考文献

　　[1]徐皇清．基于IEC61850的地铁中压供电环网过电流保护方案[D]．成都：西南交通大学，2014．

　　[2]林小莉．新常态下林业供给侧改革对木材进口的影响与对策[J]．林产工业，2019，56（12）：73-75．