軌道交通供電繼電保護網(wǎng)絡化技術探討2016

1、軌道交通供電繼電保護網(wǎng)絡化技術探討田勝利中國中鐵電氣化局集團設計研究院2016年09月引言當前國內(nèi)外繼電保護通信技術簡析當前保護裝置通信功能的局限性分析繼電保護全面實現(xiàn)網(wǎng)絡化通信功能的可行性分析基于IEC 61850 GOOSE技術的繼電保護網(wǎng)絡化設想基于IEC 61850 GOOSE技術的繼電保護網(wǎng)絡功能設想變電所自動化及繼電保護網(wǎng)絡化實例軌道交通供電繼電保護網(wǎng)絡化技術探討目 錄1、引言 隨著計算機技術、通信技術的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡技術已遍布交通、工業(yè)、商業(yè)、金融、醫(yī)療等各個領域，數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)共享已無地域性的約束，各種個體之間已從無關聯(lián)的“孤島”，變?yōu)楸旧眍I域系統(tǒng)內(nèi)的一個“分子”。近年來軌道交

2、通領域信息技術的發(fā)展，得益于通信和網(wǎng)絡技術的突破。例如：變電所綜合自動化實現(xiàn)了所內(nèi)測控裝置的掛網(wǎng)，上下行數(shù)據(jù)通過變電所網(wǎng)絡實現(xiàn)各種信息上傳和控制命令的下達。 我國軌道交通無論是鐵道電氣化還是地鐵供電系統(tǒng)傳統(tǒng)繼電保護裝置的情況，各繼電保護裝置之間，無論是高壓側(cè)“差動、速動、過流、零序”保護；還是低壓側(cè)“速動、過流、零序、阻抗、直流”保護等幾乎都是相互獨立的，較少有繼電保護裝置間數(shù)據(jù)交換和信息共享。1、引言 傳統(tǒng)繼電保護裝置大都是相互獨立的“孤島”，保護裝置間尚未實現(xiàn)信息共享，更無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)相互交換。當系統(tǒng)某點發(fā)生故障時，各相關繼電保護僅依據(jù)自身保護特性和整定時限完成相應動作，以下圖為例K1點故障

3、進行分析1DL2DL3DL4DL5DL6DL35KV 母35KV 母進線1出線1進線2出線27DL保護保護保護保護保護保護8DL9DLK1 舉例：K1點故障時，4DL、1DL均有故障電流流過，根據(jù)故障發(fā)生的區(qū)域，4DL應切除故障，由于流經(jīng)4DL、1DL故障電流大小幾乎相等，此時只有靠1DL的“時限”來保證保護的“選擇性”問題。但現(xiàn)場情況是：保護“時限”往往是上級保護所限定，不是隨意設定的。根據(jù)設計慣例，保護時限級差在“250-300ms”之間，保護層級在4-5之間。2、當前國內(nèi)外繼電保護通信技術簡析 當前國際上保護裝置之間通信技術做的比較好的有美國的SEL公司和GE公司，歐洲的ABB、西門子等

4、知名公司，但其繼電保護之間通信技術尚待研究開發(fā)中。 1）美國SEL公司在其SEL-351中利用Mirrorbits鏡像位技術實現(xiàn)保護裝置之間的雙向數(shù)字通信，采用光纖作為保護裝置的專用通信媒介。該雙向數(shù)字通信技術在每一個通信口使用8位的虛擬輸出（發(fā)送鏡像位元件TMB）和8個虛擬輸入（接受鏡像位元件RMB），通過這些鏡像位元件之間的信息交換，實現(xiàn)保護跳閘和相關控制邏輯。Mirrored Bits的通訊速率在9600-19200波特，完成一次故障信息的傳送時間在12.5ms-25ms,滿足保護裝置動作時間要求。 2）美國GE公司在其F35保護裝置上采用冗余光纖通信模塊，相鄰裝置之間通過GOOSE協(xié)議

5、進行編碼和傳輸。F35保護裝置支持的通信規(guī)約有IEC61850，DNP 3.0，Modbus RTU，Modbus TCP/IP，IEC60870-5-104, Ethernet Global Data（EGD）。多種規(guī)約可方便地實現(xiàn)繼電保護與電力自動化系統(tǒng)的通信，其硬件接口包括100MbaseFx以太網(wǎng)光纖( 可選擇冗余配置)、10M/100MbaseTx以太網(wǎng)和RS485接口。保護裝置接收相鄰保護裝置的時間在50ms左右。 3）國內(nèi)南京南瑞繼電保護有限責任公司2010年完成了繼電保護裝置通信技術的研發(fā)，其開發(fā)的PCS-9611“數(shù)字通信電流保護”裝置已成規(guī)模應用于南京地鐵工程中，該保護裝置

6、通過GOOSE網(wǎng)絡實現(xiàn)保護裝置間的通信，并完成保護裝置間的聯(lián)鎖信號的快速可靠傳遞，保護動作出口時間小于50ms。該網(wǎng)絡與監(jiān)控網(wǎng)絡相互獨立，保護裝置提供專用“DSP智能GOOSE插件”和“冗余光纖接口”用于GOOSE組網(wǎng)。3、當前保護裝置通信功能的局限性分析當前國內(nèi)外繼電保護裝置之間已有相互通信技術的應用，但一般都是同電壓等級的保護裝置之間，其總體技術尚處于初期，尚有許多問題需要完善，具體表象如下：1）保護裝置通信技術標準不盡統(tǒng)一：SEL公司采用其獨有的Mirrorbits鏡像位技術通信標準，美國GE公司和南京南瑞可采用IEC61850技術實現(xiàn)繼電保護裝置之間的通信。2）保護裝置間通信：尚存在較

7、大的局限性，不能有效實現(xiàn)任意保護裝置之間無縫通信。3）保護裝置間數(shù)據(jù)交換能力尚且不足，功能有待完善。4）在電氣化領域，110kV/220kV側(cè)繼電保護、27.5側(cè)繼電保護尚未實現(xiàn)網(wǎng)絡通信；在地鐵領域，35kV交流側(cè)繼電保護與1500V(或750V)直流側(cè)繼電保護間尚存在“鴻溝”，未實現(xiàn)相互間的網(wǎng)絡通信。5）0.4kV繼電保護裝置尚處于獨立工作狀態(tài)，未開展網(wǎng)絡通信技術的研究。4、供電系統(tǒng)繼電保護全面實現(xiàn)網(wǎng)絡化通信功能的可行性分析眾所周知，繼電保護的四性要求是“選擇性、速動性、靈敏性、可靠性”，只有保護動作出口時間在“毫秒”級范圍內(nèi)，才能有效切除電源故障，保證供電系統(tǒng)的整體安全運行。4.1 以太網(wǎng)

8、技術的局限以前“以太網(wǎng)（IEEE802.3）”網(wǎng)絡技術不能有效應用于繼電保護中，主要原因是：“以太網(wǎng)”采用TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議，介質(zhì)訪問控制協(xié)議為（MAC）通信協(xié)議，即CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測協(xié)議），其本質(zhì)上是非實時的，其使用簡單的算法操作網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡負載輕時沒有延遲，由于以太網(wǎng)不支持任何報文的優(yōu)先權(quán)，在網(wǎng)絡負載重的時候，報文沖突將會影響數(shù)據(jù)的吞吐和延遲，在最壞的情況下延遲沒有邊界。由報文沖突引起的數(shù)據(jù)傳輸時間的隨機性是影響以太網(wǎng)在實時控制領域發(fā)展的主要因素，故在傳統(tǒng)繼電保護領域未采用“以太網(wǎng)”進行保護裝置間進行數(shù)據(jù)交換，也不能通過網(wǎng)絡實現(xiàn)繼電保護的功能。4.2 IEC618

9、50 通信技術IEC 61850的出現(xiàn)確立了電力系統(tǒng)的建模標準，為變電站自動化系統(tǒng)定義了統(tǒng)一、標準的信息模型和信息交換模型，主要體現(xiàn)在：1）實現(xiàn)IED智能設備的互操作性。采用對象建模、抽象通信服務接口 (abstract communication service interface，ACSI)以及設備自我描述規(guī)范，使變電站自動化功能在語法及語義上都得以標準化，并使功能完全獨立于具體的網(wǎng)絡協(xié)議，進而實現(xiàn)了智能設備的真正的互操作；2）實現(xiàn)變電站的信息共享，對一、二次設備統(tǒng)一建模，采用全局統(tǒng)一規(guī)則命名資源，使變電站內(nèi)及站間實現(xiàn)了無縫通信；3）簡化系統(tǒng)的維護、配置和工程實施。設備功能、系統(tǒng)配置以及網(wǎng)

10、絡連接都可采用基于 XML （EXtensible Markup Language可擴展標記語言，提供統(tǒng)一的方法來描述和交換獨立于應用程序或供應商的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）的變電站配置語言(substation configuration language， SCL)進行描述、存儲、交換、配置和管理。4、供電系統(tǒng)繼電保護全面實現(xiàn)網(wǎng)絡化通信功能的可行性分析4.3、IEC61850系列標準及內(nèi)涵IEC6l 850-1 基本原則 Part 1IEC61850-2 術語 Part 2IEC61850-3 一般要求 Part 3IEC61850-4 系統(tǒng)工程管理 Part 4IEC61850-5功能和裝置模型的通信

11、要求 Part 5變電所自動化結(jié)構(gòu)語言 Part 6變電站和饋線設備的基本通信結(jié)構(gòu) Part 7特殊通信服務映射 Part 8特殊通信服務映射 Part 9一致性測試 Part 104、供電系統(tǒng)繼電保護全面實現(xiàn)網(wǎng)絡化通信功能的可行性分析過程層 與間隔層之間的信息交換，間隔層內(nèi)部的信息交換；間隔層之間的通 信；間隔層與變電站層的通信；變電站層不同 設備之間的通信。變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)協(xié)議 IEC 61850 標準提出了變電站內(nèi)信息分層的概念，將變電站的通信體系分為 3 個層次，即變電站層、間隔層和過程層，定義了層和層之間的通信接口 功能A功能B5保護控制保護控制21保護控制保護控制21344過程

12、層變電站層間隔層PT/CT操作機構(gòu)過程接口現(xiàn)場設備數(shù)字化變電站網(wǎng)絡化信息流IEC61850-9-2數(shù)據(jù)利用多播技術發(fā)送給間隔層，實現(xiàn)共享傳統(tǒng)方式單一指向無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享4.4、EC61850變電站信息分層結(jié)構(gòu)4、供電系統(tǒng)繼電保護全面實現(xiàn)網(wǎng)絡化通信功能的可行性分析4.4、IEC61850網(wǎng)絡層的劃分分為三層：變電站層、間隔層、過程層。間隔層由智能電子設備(IED)組成，根據(jù)分配的任務，IED完成控制、保護、計量、記錄等功能；過程層由智能傳感器、控制電路等構(gòu)成的二次智能設備組成，反映一次設備的狀態(tài)、信號量，接收間隔層的控制命令，實現(xiàn)對一次設備的控制。IED即是間隔層的保護、控制設備，也可是過程層的

13、電子多功能儀表、電子傳感器、智能控制電路等4、供電系統(tǒng)繼電保護全面實現(xiàn)網(wǎng)絡化通信功能的可行性分析GOOSE網(wǎng)絡新技術的出現(xiàn)，使繼電保護裝置之間數(shù)據(jù)快速交換變?yōu)榱爽F(xiàn)實，其面向通用對象的變電站事件( GOOSE Generic Object Oriented Substation Event) 是IEC 61850標準中用于滿足變電站自動化系統(tǒng)快速 報文需求的機制。主要是應用在過程層信息傳 遞以及間隔層水平通信。實現(xiàn)在多IED 之間的信息傳遞，包括傳輸跳合閘信號（命令），具有高傳輸成功概率?；贕OOSE網(wǎng)絡傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬接線實現(xiàn)開關位置、閉鎖信號和跳閘命令等實時信息的可靠傳輸。（相當于傳統(tǒng)保護

14、的開入開出回路） 根據(jù)工廠試驗和工程驗證變電所間IED設備間通信時間可縮小至50ms，滿足繼電保護對時限的要求。4.5、基于IEC61850的GOOSE網(wǎng)絡技術4、供電系統(tǒng)繼電保護全面實現(xiàn)網(wǎng)絡化通信功能的可行性分析1）基于4層通信協(xié)議棧。GOOSE協(xié)議棧只用了國際標準化組織開放系統(tǒng)互聯(lián)(ISO/OSI)中的4層。應用層定義協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU，經(jīng)過表示層編碼后，不采用TCP/IP協(xié)議，而是直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。這種映射方式的目的是避免通信堆棧造成傳輸延時，從而保證報文傳輸、處理的快速性2）在數(shù)據(jù)鏈路層，GOOSE采用IEEE802.1Q、IEEE8021P協(xié)議保證GOOSE報文的優(yōu)先傳送

15、并提高了GOOSE網(wǎng)絡的安全性。3）GOOSE服務是以高速P2P(PtoP)通信為基礎的。P2P體系結(jié)構(gòu)消除了主/從方式和非網(wǎng)絡化的串行連接方案存在的缺陷網(wǎng)絡化的連接同時也降低了設備的維護成本。4）GOOSE應用層協(xié)議中包含數(shù)據(jù)有效性檢查和GOOSE消息丟失、檢查、重發(fā)機制，以保證接收智能裝置(IED)能夠收到消息并執(zhí)行預期的操作。4、供電系統(tǒng)繼電保護全面實現(xiàn)網(wǎng)絡化通信功能的可行性分析4.5、基于IEC61850的GOOSE網(wǎng)絡技術GOOSE報文是通過組播或者是廣播的形式向外發(fā)送，向多個物理設備同時發(fā)布一個通用的變電站事件信息。這種機制保證了系統(tǒng)范圍內(nèi)快速可靠地輸入輸出數(shù)據(jù)。 （1）優(yōu)先級技術

16、。GOOSE報文的優(yōu)先級較高，在交換機中引入多級隊列，這些隊列是按照優(yōu)先級來劃分的，這樣，高優(yōu)先級的報文會單獨排隊，而且其他隊列在傳輸時會首先判斷高優(yōu)先級隊列是否為空，是的話則進行發(fā)送，否則會執(zhí)行掛起，將網(wǎng)絡讓給上級隊列。 （2）VLAN（虛擬局域網(wǎng)）技術。由于在整個以太網(wǎng)中，設備節(jié)點會很多，如果多個設備需要接收GOOSE報文，大量的報文充斥在網(wǎng)絡中，很容易造成網(wǎng)絡負擔過重，影響傳輸?shù)乃俣?，嚴重時甚至造成癱瘓，這種現(xiàn)象稱之為網(wǎng)絡風暴。VLAN技術的引進則解決了這一問題，虛擬的將一些設備劃分為一個局域網(wǎng)，在每個報文中都設置了標志符，進入網(wǎng)絡之后就會有交換機進行判斷屬于哪個VLAN，同時也減少了報

17、文沖突的可能性。 （3）快速生成樹技術。由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中引入的，此技術不僅能快速的建立起從發(fā)送端到接收端的一條最短路徑，同時由于其特點，還擁有自我修復的能力，這樣不僅提高了傳輸速度，還增強了網(wǎng)絡可靠性。 4.5、基于IEC61850的GOOSE網(wǎng)絡技術4、供電系統(tǒng)繼電保護全面實現(xiàn)網(wǎng)絡化通信功能的可行性分析 GOOSE報文發(fā)送采用心跳報文和變位報文快速重發(fā)相結(jié)合的機制。當有IEC61850-7-2中定義過的事件發(fā)生后，GOOSE服務器生成一個發(fā)送GOOSE命令的請求，該數(shù)據(jù)包將按照GOOSE的信息格式組成并用組播方式發(fā)送。為保證可靠性一般重傳相同的數(shù)據(jù)包若干次，在順序傳送每幀信息中包含一個“允許存活

18、時間”，它提示接收端接收下一幀重傳數(shù)據(jù)的最大等待時間，在約定時間內(nèi)沒有收到相應的包，接收端認為連接丟失。 在GOOSE數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)未發(fā)生變化，發(fā)送時間間隔為T0（一般為5s）的心跳報文，報文中狀態(tài)號（stnum）不變，順序號（sqnum）遞增。當GOOSE數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，發(fā)送一幀變位報文后，以時間間隔T1、T1、T2、T3（2ms 2ms 4ms 8ms）進行變位報文的快速重發(fā)。數(shù)據(jù)變位后的第一幀報文中stnum增加1，sqnum從零開始，隨后報文中的stnum不變，sqnum遞增。GOOSE接收可以根據(jù)GOOSE報文中的允許生存時間 Tal（Time Allow to Live）來

19、檢測鏈路是否中斷.如下圖所示：4、供電系統(tǒng)繼電保護全面實現(xiàn)網(wǎng)絡化通信功能的可行性分析35kV保護裝置或110kV/220kV保護裝置直流保護裝置或27.5kV保護裝置0.4kV 保護裝置供電系統(tǒng)繼電保護GOOSE 網(wǎng)絡示意圖5、基于IEC 61850 GOOSE技術的繼電保護網(wǎng)絡化設想1）所內(nèi)保護裝置數(shù)據(jù)實時交換2）35kV側(cè)進線與饋線保護網(wǎng)絡化功能3）直流側(cè)進線與直流側(cè)饋線保護網(wǎng)絡化功能1DL保護被閉鎖1DL2DL3DL4DL5DL6DL35KV 母35KV 母進線1出線1進線2出線27DL保護保護保護保護保護保護8DL9DL啟動閉鎖K1GOOSE6、基于IEC 61850 GOOSE技術的繼電保護網(wǎng)絡功能設想3）交流側(cè)饋線與直流側(cè)進線保護網(wǎng)絡化功能1DL2DL3D