基于GOOSE通信的地铁直流照明配电网络分级保护系统

技术领域

本发明属于直流照明技术，尤其涉及一种基于GOOSE通信的地铁直流照明配电网络分级保护系统。

背景技术

地铁供电系统的照明系统对于确保地铁的正常运营、提高乘客和工作人员的视觉舒适度、提高安全性以及节能环保等方面具有重要的作用。

地铁照明系统根据低压配电母线电制的不同，可分为交流照明系统和直流照明系统。交流照明系统已经在地铁领域取得了一定范围的应用，而直流照明系统因具有效率高、稳定性好、更适用于远距离供电等优势，应用前景更为广泛。

为了保证直流照明配电网络的稳定运行，需要对其进行完善的保护设计。传统交流照明辐射状配电网络利用变压器变电，采用基于时间电流原则配置断路器来实现系统的选择性保护，而直流照明辐射状配电网络利用电力电子整流设备变电，电力电子整流设备的工作特性与变压器有所区别，鉴于装置成本、体积、重量等因素，在有限的设计裕量下，如IGBT的过流倍数为额定电流的2倍左右，现有采用热磁脱扣断路器实现保护的方式可能不满足系统保护的需求。热磁脱扣断路器的短路电流保护值是个固定的区间值，在直流照明辐射状配电网络中，电力电子整流设备输出的过流倍数可能无法为下级断路器提供足够的短路电流以切除故障，从而导致全网失电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高供电可靠性、保护设备、可快速定位故障位置的基于GOOSE通信的地铁直流照明配电网络分级保护系统。

本发明的目的通过以下的技术措施来实现：一种基于GOOSE通信的地铁直流照明配电网络分级保护系统，其特征在于包括：

第一级保护装置，是设置在整流电源柜中配置有限时电流速断保护的过电流保护装置，用于对一级支路总开关和一级支路分开关回路电流信息进行监测与采集，并控制一级支路总开关以及一级支路分开关的故障跳闸；

第二级保护装置，是设置在直流配电箱中配置有限时电流速断保护的过电流保护装置，用于对二级支路总开关和二级支路分开关回路电流信息进行监测与采集，并控制二级支路总开关以及二级支路分开关的故障跳闸；

所述第一级保护装置与第二级保护装置通过GOOSE通信光纤点对点连接，当直流照明系统末端发生故障时，由第二级保护装置动作出口，并将本级过流保护动作的信息和开关是否失灵信号发送给第一级保护装置，当本级开关失灵无法切除故障时，由所述第一级保护装置动作出口，跳开上级开关切除故障。

本发明利用GOOSE通信协议进行信息传输和控制，可以实现保护的选择性跳闸，通过分级跳闸，可以只断开故障所在的局部区域，从而减少停电范围，提高供电的可靠性，而且本发明根据开关的跳闸情况，可以快速定位故障位置，简化故障处理流程，提高故障处理效率，降低维护成本；本发明可适用于各种需要照明的场所，具有广泛的应用领域。

本发明所述第一级保护装置和第二级保护装置分别通过GOOSE通信光纤连接直流照明设备的总控单元，直流照明设备的照明亮度通过控制单元设定，控制单元接收到总控单元的控制指令后，改变电流输出的大小来实现照明亮度的调整，同时所述总控单元将直流照明设备的设定亮度的参数发送给第一级保护装置和第二级保护装置，所述第一级保护装置和第二级保护装置在分别接收到设定亮度的参数后，与自身的参数进行对比，来确定回路中实际投入的直流照明设备数量，基于末端负荷的实际投入情况来切换保护定值组。

本发明所述第一级保护装置和第二级保护装置分别具有多路AI采样回路，所述第一级保护装置的第一路AI采样回路采集一级支路总开关回路的电流信息，其它AI采样回路采集一级支路分开关回路的电流信息；所述第二级保护装置的第一路AI采样回路采集二级支路总开关回路的电流信息，其它AI采样回路采集二级支路分开关回路的电流信息，且所述一级支路总开关、一级支路分开关、二级支路总开关和二级支路分开关分别配置有分励线圈，用于实现第一级保护装置和第二级保护装置对各开关的分闸控制。

本发明当二级支路分开关失灵时，由第二级保护装置控制二级支路总开关的跳闸，而当二级支路分开关与二级支路总开关同时失灵时，第二级保护装置将开关失灵信号传输给第一级保护装置，由第一级保护装置动作出口，跳开一级支路分开关。

本发明整流电源柜中电力电子整流设备的限流输出电流大于第一级保护装置和第二级保护装置的保护动作电流，且所述电力电子整流设备的恒流时间大于第一级保护装置和第二级保护装置的保护动作时间。

本发明所述二级支路分开关、二级支路总开关和一级支路分开关的短路电流动作值设定为所在支路额定电流Id的2~3倍，所述一级支路总开关的短路电流动作值大于1.5Id且小于2Id，I

本发明上一级开关的保护动作时间T

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴本发明将保护装置分为不同的组别，通过协调各级保护装置实现具有动作选择性的分级保护，同时基于用电负荷的大小，利用总控单元与保护装置基于GOOSE协议的信息交互，实现保护定值组的切换，提高信息传输速度和保护效果，实现直流照明配电网络的分级快速选择性跳闸。

⑵本发明通过实现分级跳闸，可以只断开故障所在的局部区域，从而减少停电范围，提高供电的可靠性。

⑶本发明根据开关的跳闸情况，可以快速定位故障位置，简化故障处理流程，提高故障处理效率，降低维护成本。

⑷本发明可适用于各种需要照明的场所，具有广泛的应用领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的拓扑结构示意图；

图2是本发明的保护控制流程图。

图中：1-交流开关、2-电力电子整流设备、3-一级支路总开关、4-一级支路分开关、5-二级支路总开关、6-二级支路分开关、7-第一级保护装置、8-第二级保护装置、9-分流器、10-直流照明设备、11-整流电源柜、12-直流配电箱、13-GOOSE通信光纤。

具体实施方式

以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的保护范围之内。

如图1所示，地铁直流照明配电网络包括交流开关1、电力电子整流设备2、一级支路总开关3、直流母线、一级支路分开关4、二级支路总开关5、二级支路分开关6、直流照明设备10、第一级保护装置7、第二级保护装置8和分流器9。

电力电子整流设备2、一级支路总开关3、直流母线和一级支路分开关4采用集中组屏安装的方式，集成在整流电源柜11中。二级支路总开关5和二级支路分开关6采用集中安装的方式，安装在直流配电箱12中，分流器9和直流照明设备10也安装在直流配电箱12中，其中，直流照明设备10包括控制单元和照明灯具。

从整流电源柜11（400V配电室）引入的380V交流电经电力电子整流设备2整流成DC220V，为直流照明设备10提供电源。系统包括4路一级支路分开关回路，每个二级支路总开关包括4路二级支路分开关回路。

本发明一种基于GOOSE通信的地铁直流照明配电网络分级保护系统，包括：

第一级保护装置7，为设置在整流电源柜11中配置有限时电流速断保护的过电流保护装置，用于对一级支路总开关3和一级支路分开关4回路电流信息进行监测与采集，并控制一级支路总开关3以及一级支路分开关4的故障跳闸；

第二级保护装置8，为设置在直流配电箱12中配置有限时电流速断保护的过电流保护装置，用于对二级支路总开关5和二级支路分开关6回路电流信息进行监测与采集，并控制二级支路总开关5以及二级支路分开关6的故障跳闸；

电力电子整流设备2具有短时限流功能，能够将输出短路电流限制在一定范围并维持一段时间，为线路上的保护装置切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间，限流输出电流为Iz，取2I

第一级保护装置7和第二级保护装置8具体通过分流器采集回路的电流信息，并利用系统电流的测量信息，基于保护算法（现有技术），实现保护原理。

二级支路分开关回路QF5、二级支路总开关回路QF4和一级支路分开关回路QF3的短路电流动作值I

上一级开关的保护动作时间T

在本实例中，二级支路分开关回路QF5的保护动作时间设为30ms，二级支路总开关回路QF4的保护动作时间设为45ms，一级支路分开关回路QF3的保护动作时间设为68ms，一级支路总开关回路QF2的保护动作时间设备102ms。具体实施例中直流照明配电网络的保护整定如下表所示：

（表1）

第一级保护装置7与第二级保护装置8通过GOOSE通信光纤13点对点连接，采用GOOSE报文的方式实现保护信息的交互。

当直流照明系统末端发生故障时，由第二级保护装置8动作出口，并将本级过流保护动作的信息和开关是否失灵信号发送给第一级保护装置7，实现保护的闭锁；当本级开关失灵无法切除故障时，由第一级保护装置动作出口，跳开上级开关切除故障。

第一级保护装置7和第二级保护装置8至少配置2路GOOSE光纤通道，其中一路光纤通道实现第一级保护装置7和第二级保护装置8之间的点对点通信，另一路光纤通道接入到光纤网络中，实现照明设备控制单元的通信。

第一级保护装置7和第二级保护装置8分别通过GOOSE通信光纤连接直流照明设备10的总控单元，实现保护定值组的切换。直流照明设备10的照明亮度通过控制单元设定，控制单元接收到总控单元的控制指令后，改变电流输出的大小来实现照明亮度的调整，同时总控单元利用GOOSE通信协议将直流照明设备10的设定亮度的参数发送给第一级保护装置7和第二级保护装置8，第一级保护装置7和第二级保护装置8在分别接收到设定亮度的参数后，与自身的参数进行对比，来确定回路中实际投入的照明设备数量，基于末端负荷的实际投入情况来切换保护定值组。

在本实例中，第一级保护装置7和第二级保护装置8至少具备5路AI采集功能，第一级保护装置7和第二级保护装置8的第一路AI采样回路采集总开关回路的电流信息，其他4路AI采样回路采集分开关回路的电流信息。一级支路总开关、一级支路分开关、二级支路总开关和二级支路分开关配置有分励线圈，用于实现第一级保护装置7和第二级保护装置8对各开关的分闸控制。

当二级支路分开关6失灵时，由第二级保护装置8通过内部逻辑判断实现二级支路总开关5的跳闸，而当二级支路分开关6与二级支路总开关5同时失灵时，由第二级保护装置8通过GOOSE方式将断路器失灵的信号传输给第一级保护装置7，由第一级保护装置7动作出口，跳开一级支路分开关4，实现故障的切除。

本发明以上保护控制流程如图2所示。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变，因此，举凡所述技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。