一种基于GOOSE通信的地铁交流保护系统和保护方法

技术领域

本发明属于轨道交通继电保护技术领域，属于一种基于GOOSE通信的地铁交流保护系统和保护方法。

背景技术

在城市轨道交通供电系统中，一般采用集中式“大分区”供电方案，对于35kV变电所，常规的保护配置方案母线上发生故障时依靠环网进线开关柜的过流保护动作切除电源，过流保护动作时限需要逐级配合。但是有的环网供电级数多大10级，对于大环网供电方式这个配合方式很难满足保护选择性要求，传统的保护配置方案在这种“大分区”结构中存在一定的局限性和不足，只能牺牲部分选择性。这样就会造成较大范围的跳闸，扩大了故障影响范围，给轨道交通供电带来安全隐患。另外，过流保护时限配合关系受供电系统运行方式的影响，运行方式变化需要重新考虑配合关系，给保护整定带来困难。

为解决上述问题，技术人员进行了一些研究尝试。公开号为CN103022989A的专利文献提出了一种地铁交流环串供电方式的数字电流保护方法，公开号为CN103746356A的专利文献提出了一种基于IEC61850规约的数字化通信电流保护技术，公开号为CN202455055U的专利文献提出了一种轨道交通供电系统电流选跳及大分区供电保护系统。上述文献中，所提出的各种保护方案，其主要区别在于如何识别实现母线故障。有的是综合判断，不区分母线故障与环网线故障；有的是将二者分开判别，放在一个装置或多个装置中进行逻辑判别。上述文献所提出的解决方案，存在的不足之处是包括：1)逻辑复杂、接线或GOOSE订阅关系复杂；2)需要专门设计馈线断路器失灵、进线断路器失灵、出线断路器失灵、母线断路器失灵等失灵保护逻辑，从而进一步增加了逻辑的复杂性，降低了保护可靠性。如果为了简化逻辑，省去一个或全部失灵逻辑，或者在运行中退出失灵逻辑，都会造成保护方案的不完善；3)有的方案还需要识别保护安装位置是否位于进线柜，在运行方式转换过程中发生故障，会造成保护逻辑的混乱，降低了保护可靠性。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于GOOSE通信的地铁交流保护系统和保护方法，可以提升保护逻辑的可靠性，降低保护逻辑的复杂度，提高保护的适应性，提升现场运维人员效率。

本发明采用如下的技术方案。

一种基于GOOSE通信的地铁交流保护系统，所述保护系统包括在环网进线配置的线路保护装置、在环网出线配置的线路保护装置、在母联配置的母联备自投保护装置、在负载变压器支路配置的变压器保护装置、在负载馈线支路配置的馈线保护装置；

所配置的保护装置将地铁交流保护区分为环网线、母线和负载支路；

所有保护装置均配置GOOSE通信模块。

优选地，所述负载变压器支路包括以下种类的变压器：

整流变压器和动力变压器。

优选地，所述负载馈线支路包括以下负载支路：

能馈支路、转供其他变电所和配电所的电气线路。

优选地，环网线两端的线路保护装置的GOOSE通信模块通过光纤点对点直连方式连接并传递GOOSE信号；

所述GOOSE信号包括：跳闸信号、保护启动信号和启动备自投信号。

优选地，保护装置的GOOSE通信模块之间的组网方式采用光纤直连方式连接并传递GOOSE信号，或通过GOOSE交换机进行连接并传递GOOSE信号；

所述GOOSE信号包括：跳闸信号、保护启动信号和启动备自投信号。

优选地，保护装置之间通过硬接线传递开关量信号；

所述开关量信号包括：跳闸信号、保护启动信号和启动备自投信号。

优选地，环网进线和环网出线的线路保护装置均配置：保护发信与停信模块、环网线保护模块、母线保护模块、直跳与联跳模块；

母联备自投保护装置配置：保护发信与停信模块；

变压器支路和能馈支路的保护装置配置：电流速断保护模块、保护发信与停信模块。

一种基于GOOSE通信的地铁交流保护方法，所述保护方法包括以下步骤：

步骤1：各保护装置根据所检测电流进行保护启动信号的保护发信与停信逻辑判断，实现不同保护启动信号的发送与停发；

步骤2：根据保护启动信号的发送情况进行环网线故障判断与保护；

步骤3：根据保护启动信号的发送情况进行母线故障判断；

步骤4：根据母线故障判断情况进行直跳与联跳判断与保护；

步骤5：变压器保护装置与馈线保护装置根据所测电流进行负荷支路的故障判断与电流速断保护。

优选地，步骤1中，通过保护发信与停信模块实现保护启动信号的保护发信与停信逻辑判断，其发信逻辑为：

当电流超过环网线故障启动电流整定值，则发送“环网线故障保护启动信号”；

当电流超过母线故障启动电流整定值，则发“母线故障保护启动信号”；

保护发信与停信模块的停信逻辑为：

当本保护装置保护动作跳闸，则延时200ms停发保护启动信号。

优选地，步骤2中，通过环网线保护模块进行环网线故障判断与保护，具体逻辑为：

本侧线路保护装置与环网线对侧的线路保护装置二者中有且仅有一侧发送了“环网线故障保护启动信号”，则判为环网线故障，跳本侧断路器，并联跳对侧断路器。

优选地，步骤3中，通过母线保护模块进行母线故障判断，其判断逻辑为：

环网进线、环网出线、母联三者所配置的保护装置中有且仅有一个发送了“母线故障保护启动信号”，并且所有的负荷变压器支路和负荷馈线支路所配置的保护装置都没有发送保护启动信号，则判为母线故障。

优选地，步骤4中，通过直跳与联跳模块实现直跳与联跳判断与保护，其动作逻辑为：

当母线保护模块判为母线故障时，采用直跳方式，即，通过硬接线或GOOSE信号直接跳开本母线上的环网进线断路器、环网出线断路器、母联断路器；

当本保护装置有保护跳闸时，或者接收到本牵引变电所内其他保护装置的联跳信号时，则立即发送GOOSE信号给环网线对侧的保护装置，联跳环网线对侧断路器；

当本保护装置接收到环网线对侧的保护装置的联跳信号时，立即跳本断路器，但不再向对侧发送联跳信号。

优选地，步骤5中，通过电流速断保护实现负荷支路的故障判断与电流速断保护，其逻辑为：

当电流超过电流速断整定值后，判定为相应的负荷支路故障，经整定的延时时间后跳本支路断路器。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比：

1、明确地将保护范围细分为三个动作区域，即，环网线、母线、负载支路。每个区域的保护逻辑只反映本区域内的故障，与其他区域无关，从而大大的简化了保护逻辑、简化了接线、简化了GOOSE订阅关系；

2、特别设计了保护停信逻辑，在保护动作跳闸时停止发送保护启动信号，从而使得母线保护具备了下级任何地点发生故障后的远后备保护功能，可防止下级断路器失灵、下级保护拒动等意外故障，可不必专设各处断路器失灵逻辑；

3、通过环网线两端的保护装置实现双边互相联跳，可防止环网进线断路器失灵故障，不必专设进线断路器失灵逻辑；

4、由于在环网进线和环网出线上均配置有母线保护模块，逻辑相同，因而母线故障时有双套母线保护冗余配置，提高了母线保护的可靠性；

5、母线故障时，通过直跳逻辑，环网进出线保护装置直接通过GOOSE或硬接线跳开母线上的所有有源支路，包括环网进线、环网出线、母联，简单直接，省去了跳闸回路的中间环节，跳闸可靠性高；

6、保护装置自身具备多个光口，GOOSE组网方式可以采用光纤直连方式组网，可省去GOOSE交换机环节，可满足大多数牵引变电所的要求，提高了保护可靠性。

本发明具有保护逻辑简单清晰、接线简单、可靠性高的优点，可实现现场试验的要求，可自适应单母线接线或单母线分段接线方式，可自适应系统运行方式和潮流方向的变化，无需切换保护定值区。采用本发明方案后，系统中各种区域故障，都可以快速准确确定故障点并切除故障，减少故障停电范围，缩短停电时间，保证供电设备安全，提高供电系统可靠性，提高轨道交通运输效率，具有显著的社会效益。

附图说明

图1为本发明的保护分区示意图；

图2为本发明的母线故障示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例1提供一种基于GOOSE通信的地铁交流保护系统，在本发明优选但非限制性的实施方式中，所述保护系统包括在环网进线配置的线路保护装置、在环网出线配置的线路保护装置、在母联配置的母联备自投保护装置、在负载变压器支路配置的变压器保护装置、在负载馈线支路配置的馈线保护装置；

所配置的保护装置将地铁交流动作保护区分为牵引变电所之间的环网线、牵引变电所内部的母线和负载支路；

所有保护装置均配置GOOSE通信模块。

如图1所示，首先把保护动作区细分为三块区域：环网线、负载支路、母线，通过GOOSE通信或硬接线方式交互信号，每个动作区是固定的，配置的保护逻辑只反映本区域内的故障，与其他区域故障无关。保护对象单一，减少了参与逻辑运算的保护装置数量，简化保护逻辑和接线数量，提高保护可靠性。

如图2所示，轨道交通大环网结构中一般为单端供电，电源有可能来自环网进线、出线、母联这三者之一，当母线故障时，有且仅有一侧流过故障电流，此时负载变压器支路如果没有启动信号，则可以判定为母线故障，由进出线保护装置动作跳闸，并可以联跳母联和负载变压器支路。

进一步优选地，所述负载变压器支路包括但不限于以下种类的变压器：

整流变压器和动力变压器。

所述负载馈线支路包括但不限于以下负载支路：

能馈支路、转供其他变电所和配电所的电气线路。

牵引变电所之间的环网线，其两端的线路保护装置的GOOSE通信模块通过光纤点对点直连方式连接并传递GOOSE信号；

所述GOOSE信号包括但不限于以下种类：跳闸信号、保护启动信号和启动备自投信号。

牵引变电所内保护装置的GOOSE通信模块之间的组网方式采用光纤直连方式连接并传递GOOSE信号，或通过GOOSE交换机进行连接并传递GOOSE信号；

其中，牵引变电所内保护装置指：在母联配置的母联备自投保护装置、在负载变压器支路配置的变压器保护装置、在负载馈线支路配置的馈线保护装置，在环网线配置的线路保护装置。

所述GOOSE信号包括但不限于以下种类：跳闸信号、保护启动信号和启动备自投信号。

牵引变电所内保护装置之间也可以通过硬接线传递开关量信号；

所述开关量信号包括但不限于以下种类：跳闸信号、保护启动信号和启动备自投信号。

环网进线和环网出线保护装置均配置的功能包括但不限于以下模块：保护发信与停信模块、环网线保护模块、母线保护模块、直跳与联跳模块；

母联备自投保护装置配置的功能包括但不限于以下模块：保护发信与停信模块；

负载支路，包括变压器支路和能馈支路，其保护装置配置的保护功能包括但不限于以下模块：电流速断保护模块、保护发信与停信模块。

本发明实施例2提供一种基于GOOSE通信的地铁交流保护方法，基于上述的保护系统实现环网线、母线和负载支路故障判断与保护，其特征在于，所述保护方法包括以下步骤：

步骤1：各保护装置根据所检测电流进行保护启动信号的保护发信与停信逻辑判断，实现不同保护启动信号的发送与停发；

通过保护发信与停信模块实现保护启动信号的保护发信与停信逻辑判断，其发信逻辑为：

当电流超过环网线故障启动电流整定值，则发送“环网线故障保护启动信号”；

当电流超过母线故障启动电流整定值，则发“母线故障保护启动信号”；

保护发信与停信模块的停信逻辑为：

当本保护装置保护动作跳闸，则延时200ms停发保护启动信号。

步骤2：根据保护启动信号的发送情况进行环网线故障判断与保护；

环网进线和环网对侧线路保护装置通过环网线保护模块进行环网线故障判断与保护，具体逻辑为：

本侧线路保护装置与环网线对侧的线路保护装置二者中有且仅有一侧发送了“环网线故障保护启动信号”，则判为环网线故障，跳本侧断路器，并联跳对侧断路器。

步骤3：根据保护启动信号的发送情况进行母线故障判断；

通过母线保护模块进行母线故障判断，其判断逻辑为：

环网进线、环网出线、母联三者所配置的保护装置中有且仅有一个发送了“母线故障保护启动信号”，并且所有的负荷变压器支路和负荷馈线支路所配置的保护装置都没有发送保护启动信号，则判为母线故障。

步骤4：根据母线故障判断情况进行直跳与联跳判断与保护；

通过直跳与联跳模块实现直跳与联跳判断与保护，其动作逻辑为：

当母线保护模块判为母线故障时，采用直跳方式，即，通过硬接线或GOOSE信号直接跳开本母线上的环网进线断路器、环网出线断路器、母联断路器；

当本保护装置(指环网进线和环网出现配置的保护装置)有保护跳闸时，或者接收到本牵引变电所内其他保护装置的联跳信号时，则立即发送GOOSE信号给环网线对侧的保护装置，联跳环网线对侧断路器；

当本保护装置接收到环网线对侧的保护装置的联跳信号时，立即跳本断路器，但不再向对侧发送联跳信号。

步骤5：变压器保护装置与馈线保护装置根据所测电流进行负荷支路的故障判断与电流速断保护。

负荷支路，包括负荷变压器支路和其他负荷馈线支路，其保护动作逻辑为：

发信与停信模块进行发信与停信；

通过电流速断保护实现负荷支路的故障判断与电流速断保护，其逻辑为：

当电流超过电流速断整定值后，判定为相应的负荷支路故障，经整定的延时时间后跳本支路断路器。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比：

1、明确地将保护范围细分为三个动作区域，即，环网线、母线、负载支路。每个区域的保护逻辑只反映本区域内的故障，与其他区域无关，从而大大的简化了保护逻辑、简化了接线、简化了GOOSE订阅关系；

2、特别设计了保护停信逻辑，在保护动作跳闸时停止发送保护启动信号，从而使得母线保护具备了下级任何地点发生故障后的远后备保护功能，可防止下级断路器失灵、下级保护拒动等意外故障，可不必专设各处断路器失灵逻辑；

3、通过环网线两端的保护装置实现双边互相联跳，可防止环网进线断路器失灵故障，不必专设进线断路器失灵逻辑；

4、由于在环网进线和环网出线上均配置有母线保护模块，逻辑相同，因而母线故障时有双套母线保护冗余配置，提高了母线保护的可靠性；

5、母线故障时，通过直跳逻辑，环网进出线保护装置直接通过GOOSE或硬接线跳开母线上的所有有源支路，包括环网进线、环网出线、母联，简单直接，省去了跳闸回路的中间环节，跳闸可靠性高；

6、保护装置自身具备多个光口，GOOSE组网方式可以采用光纤直连方式组网，可省去GOOSE交换机环节，可满足大多数牵引变电所的要求，提高了保护可靠性。

本发明具有保护逻辑简单清晰、接线简单、可靠性高的优点，可实现现场试验的要求，可自适应单母线接线或单母线分段接线方式，可自适应系统运行方式和潮流方向的变化，无需切换保护定值区。采用本发明方案后，系统中各种区域故障，都可以快速准确确定故障点并切除故障，减少故障停电范围，缩短停电时间，保证供电设备安全，提高供电系统可靠性，提高轨道交通运输效率，具有显著的社会效益。

本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。