王 宇，史澤兵，郝后堂，李肖博

基于IEC 61850的軌道交通直流饋線保護(hù)裝置研制

王 宇，史澤兵，郝后堂，李肖博

針對(duì)軌道交通直流供電系統(tǒng)的特點(diǎn)及變電站將走向數(shù)字化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，在研究國(guó)內(nèi)外軌道交通直流饋線保護(hù)及IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套基于IEC 61850的軌道交通直流饋線保護(hù)裝置方案，并針對(duì)該方案給出了裝置的軟、硬件設(shè)計(jì)及IEC 61850功能實(shí)現(xiàn)。

軌道交通直流供電系統(tǒng)；直流饋線保護(hù)；IEC 61850

0 引言

目前世界上約有130多個(gè)城市修建了地鐵，總長(zhǎng)度達(dá)到了五千多公里。發(fā)達(dá)國(guó)家的地鐵及其他城市軌道交通方式每年承擔(dān)了城市旅客總運(yùn)輸量的60%～87%[1]。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市交通量的增長(zhǎng)，城市軌道交通作為一種高速、安全、可靠、準(zhǔn)時(shí)、舒適、便捷、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的交通運(yùn)輸工具，在國(guó)內(nèi)得到了越來越多的應(yīng)用。我國(guó)規(guī)劃建設(shè)的軌道交通網(wǎng)絡(luò)總里程超過5 000 km，總投資預(yù)算超過8000億元[2]。

目前，國(guó)外廠家依靠其雄厚的技術(shù)實(shí)力幾乎占據(jù)了整個(gè)國(guó)內(nèi)城市軌道交通市場(chǎng)，如ADTRANS公司的DCP106、SHCHRON公司的SEPCOS和SIEMENS公司的DPU96等產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)已有多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。相反，我國(guó)在軌道交通直流供電系統(tǒng)方面的理論及應(yīng)用研究尚處于起步階段，軌道交通直流饋線保護(hù)裝置在直流牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用尚屬空白，對(duì)軌道交通直流供電系統(tǒng)的保護(hù)基本上都依靠國(guó)外的技術(shù)和設(shè)備，例如深圳地鐵采用的是ADTRANS公司的DCP106、廣州地鐵采用的是SIEMENS公司的DPU96、南京地鐵采用的是SHCHRON公司的SEPCOS等。所以，打破國(guó)外公司的技術(shù)壟斷、開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軌道交通直流饋線保護(hù)裝置具有十分重要的意義。

1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)軌道交通直流系統(tǒng)特點(diǎn)，軌道交通直流饋線保護(hù)系統(tǒng)方案如圖1。

圖1 軌道交通直流饋線保護(hù)方案圖

在直流饋線保護(hù)系統(tǒng)方案中，CPU為系統(tǒng)的核心，由高性能的ARM處理器及DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）處理器組成。ARM處理器運(yùn)行高穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、后臺(tái)通訊、文件記錄等功能；DSP處理器則主要完成開入開出控制、采樣控制、保護(hù)算法與邏輯判斷等功能。

CPU具有以下對(duì)外接口：

（1）支持3路百兆以太網(wǎng)接口，用于監(jiān)控、保信的通訊；

（2）支持通過光串接口與隔離放大器通訊；

（3）支持差分校時(shí)或24 V硬接點(diǎn)校時(shí)，可通過板件上的跳線配置；

（4）支持串行打印接口；

（5）支持一路廠家專用的調(diào)試網(wǎng)口，該網(wǎng)口通過人機(jī)接口插件引出。

監(jiān)控系統(tǒng)、保信子站是后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，具有測(cè)量監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、分析統(tǒng)計(jì)、操作控制、防誤閉鎖、告警處理、保護(hù)管理、報(bào)表打印、遠(yuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)、系統(tǒng)接入、系統(tǒng)維護(hù)、同步對(duì)時(shí)等功能。

隔離放大器與分壓器模塊一同用于電氣隔離和電流及電壓測(cè)量[3]。隔離放大器通過分流器測(cè)量饋線電流，通過分壓器測(cè)量饋線電壓，經(jīng)電氣隔離、放大后采用IEC60044-8協(xié)議的形式通過光串口送給中央處理單元。

液晶、鍵盤完成軌道交通直流饋線保護(hù)裝置人機(jī)交互。

分流器為饋線電流采集單元，采用10-8?級(jí)電阻以保證不影響回路正常運(yùn)行。

分壓器為饋線電壓采集單元，采用極大電阻與極小電阻分壓方法以保證不影響回路正常運(yùn)行。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 中央處理器

該系統(tǒng)饋線保護(hù)采用的OMAP-L138X系列CPU，是TI公司推出的新一代低功耗雙核處理器，內(nèi)部集成了375 / 456 MHz ARM926EJ-S RISC MPU及375 / 456MHz C674x浮點(diǎn)VLIW DSP，具有強(qiáng)大豐富的外設(shè)資源，高效的緩沖機(jī)制，低功耗設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，兩顆CPU各司其職，可滿足系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)多任務(wù)及實(shí)時(shí)高強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用需求。

ARM926主要完成通信、調(diào)試、打印、界面、錄波存儲(chǔ)、記錄存儲(chǔ)、配置解析等功能。

DSP主要完成采樣數(shù)據(jù)接收、采樣（開入）、開出、保護(hù)邏輯、對(duì)時(shí)等功能。

2.2 跳閘出口

在直流系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)下級(jí)用電設(shè)備出現(xiàn)短路故障時(shí)，經(jīng)常引起上一級(jí)直流斷路器的越級(jí)跳閘，從而引起其他饋電線路的斷電事故，進(jìn)而引起變電站一次設(shè)備如高壓開關(guān)、變壓器、電容器等的事故。為防止因直流斷路器及其他直流保護(hù)電器動(dòng)作特性不匹配帶來的隱患，國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)于新裝和運(yùn)行中的直流保護(hù)跳閘出口時(shí)間有嚴(yán)格要求，要求硬件出口速度控制在1 ms以內(nèi)，為了滿足以上要求，出口繼電器采用光繼電器模式。

2.3 分流器

分流器變比設(shè)計(jì)為4 000 A / 60 mV，串入饋線電路，負(fù)責(zé)將大電流轉(zhuǎn)換成0～300 mV的電壓信號(hào)以供隔離放大器采樣。

在系統(tǒng)中，選用的饋線電纜的橫截面積S為4 mm2，單線長(zhǎng)度為1.0 m，正負(fù)極總長(zhǎng)為2 m。由電阻計(jì)算式R = ρL / S可以得電纜線電阻值大約0.86×10-2?，因此分流器的電阻值為1.5×10-8?。可以看出電纜線的電阻值與分流電阻值之間有大約2×106倍的關(guān)系，因此即使電纜線在裝置側(cè)發(fā)生最壞情況（短路），電纜的分流也只有0.5×10-6，不會(huì)對(duì)現(xiàn)有測(cè)量及保護(hù)產(chǎn)生大的影響。

在串入分流器后，回路正常運(yùn)行時(shí)，饋線電纜電阻較大，與分流器的電阻值不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的測(cè)量及保護(hù)產(chǎn)生大的影響。

在串入分流器后，回路發(fā)生斷路時(shí)，斷路電阻無窮大，與分流器的電阻值不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的測(cè)量及保護(hù)產(chǎn)生大的影響。

2.4 分壓器

分壓器變比設(shè)計(jì)為3 000 V / 60 mV，并入饋線電路，負(fù)責(zé)將大電壓轉(zhuǎn)換成0～300 mV的電壓信號(hào)以供隔離放大器采樣。為了滿足以上變比，分壓器中分壓電阻選擇2 M?電阻，采樣電阻選擇40 ?電阻。

分壓器并入回路，如果正常運(yùn)行，假設(shè)饋線回路額定電壓為3 000 V，此時(shí)流過分壓器回路的電流為1.5 mA，相較于饋線回路102數(shù)量級(jí)電流，分壓回路產(chǎn)生的電流可以忽略不計(jì)，不會(huì)對(duì)實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生影響。

分壓器并入回路，如果分壓器回路斷路，此時(shí)內(nèi)阻無窮大，不會(huì)對(duì)實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生影響。

分壓器并入回路，如果分壓器回路短路，此時(shí)通過分壓器回路的電流將會(huì)超過102數(shù)量級(jí)，會(huì)對(duì)實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生影響。為了避免該情況發(fā)生，在設(shè)計(jì)分壓器回路時(shí)串入一個(gè)熔斷器，在分壓器回路短路時(shí)立刻熔斷，以保證實(shí)際運(yùn)行不受影響。

2.5 隔離放大器

隔離放大器是整個(gè)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)采樣的部分，精度及穩(wěn)定性至關(guān)重要。該系統(tǒng)的隔離放大器采用FPGA+AD隔離芯片實(shí)現(xiàn)直流量采樣。為了保證采樣精度，在硬件上選用精度高達(dá)16位的高精度AD采樣芯片，同時(shí)具備軟硬件配合的零漂和增益自動(dòng)處理功能。

在軟件上采用過采樣的處理方法，以高于直流饋線保護(hù)要求采樣率4倍的頻率進(jìn)行采樣，同時(shí)在隔離放大器內(nèi)完成采樣數(shù)據(jù)的初次濾波，具體策略為：4點(diǎn)數(shù)據(jù)求取平均值，以平均值作為采樣值發(fā)送給軌道交通直流饋線保護(hù)裝置。

為了實(shí)現(xiàn)一、二次系統(tǒng)的有效電氣隔離，隔離放大器采用塑料外殼，與軌道交通直流饋線保護(hù)裝置采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議采用IEC 60044-8，傳輸頻率2 000 Hz，每個(gè)中斷傳輸5個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軌道交通直流饋線保護(hù)系統(tǒng)主要用于城市軌道交通750 V / 1 500 V / 3 000 V及其他直流供電系統(tǒng)中，要求在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)快速、準(zhǔn)確的切除故障，同時(shí)要避免誤動(dòng)。通常，軌道交通直流保護(hù)裝置安裝在牽引變電所的饋線柜中，主要配置有：最大電流保護(hù)、過流保護(hù)、電流增量保護(hù)、電流變化率保護(hù)、熱過負(fù)荷保護(hù)、低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、雙邊聯(lián)跳等[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，線路發(fā)生瞬時(shí)性故障的概率占60%～90%，為了提高直流供電系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低因故障引起的斷網(wǎng)時(shí)間，裝置還需配置自動(dòng)重合閘。為了保證在自動(dòng)重合閘不合于故障，需配置線路測(cè)試功能。

中央處理器的中斷間隔為0.5 ms，在中斷內(nèi)完成數(shù)據(jù)接收、計(jì)算、邏輯判斷等功能，軟件流程見圖2。

3.1 電流增量及上升率

直流供電系統(tǒng)短路時(shí)，故障電流上升速度快、故障電流大，有別于交流供電系統(tǒng)。而電流增量及上升率能很好地反應(yīng)直流供電系統(tǒng)的這2個(gè)特點(diǎn)，因此常作為直流供電系統(tǒng)的主保護(hù)。主要保護(hù)范圍是接觸網(wǎng)距變電所的中、近端，也能切除不在大電流脫扣保護(hù)范圍之內(nèi)的較小的遠(yuǎn)端短路故障[5]。

圖2 軟件流程圖

電流增量保護(hù)就是測(cè)量電流的增加量，在電流增量保護(hù)模式下，比較電流測(cè)量值與基準(zhǔn)電流之間的電流差值。由于基準(zhǔn)電流是個(gè)動(dòng)態(tài)值，若電流斜率小于di/dt的最小值，則當(dāng)前電流值就成為新的基值。當(dāng)電流差值超過設(shè)定的整定值，即觸發(fā)報(bào)警；若超過整定值并持續(xù)時(shí)間超過整定的延時(shí)時(shí)，發(fā)出跳閘信號(hào)，使斷路器跳閘。電流增量保護(hù)是一種用于快速切除近端接觸網(wǎng)短路故障的電子保護(hù)裝置，為了防止電流增量保護(hù)受干擾誤動(dòng)的可能，還需附加延時(shí)時(shí)間、短路電流上升率（di/dt）等條件。電流增量保護(hù)主要針對(duì)近、中端距離的非金屬性短路故障，設(shè)2段保護(hù)。電流增量保護(hù)邏輯見圖3。

圖3 電流增量保護(hù)邏輯圖

電流上升率保護(hù)就是測(cè)量電流的變化率di/dt，在電流上升率保護(hù)模式下，比較電流的變化率di/dt與整定值。當(dāng)電流的變化率di/dt持續(xù)超過整定值，該保護(hù)起動(dòng)；當(dāng)起動(dòng)后的di/dt時(shí)間超過所設(shè)置的延時(shí)整定值時(shí)，斷路器跳閘。電流上升率保護(hù)主要針對(duì)中、遠(yuǎn)端距離的短路故障，設(shè)兩段保護(hù)。電流上升率保護(hù)邏輯見圖4。

圖4 電流上升率保護(hù)邏輯圖

3.2 線路檢測(cè)

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，若發(fā)生短路故障，直流斷路器將跳閘以切除故障，當(dāng)故障消失時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，此時(shí)需要將斷路器合閘。由于直流斷路器的特性，如果在未判定故障是否已經(jīng)消除前盲目合閘斷路器，則有可能將斷路器主觸頭燒壞，或損壞整流器元件，因此在斷路器重新跳閘之前，應(yīng)對(duì)線路是否恢復(fù)正常進(jìn)行測(cè)試，若測(cè)試結(jié)果表明發(fā)生的是瞬時(shí)故障，則保護(hù)裝置發(fā)出重合閘命令，斷路器自動(dòng)重合閘，否則測(cè)定為系統(tǒng)發(fā)生永久性故障，斷路器不再進(jìn)行重合閘。采用帶有線路自動(dòng)測(cè)試裝置的自動(dòng)重合閘可以避免由于瞬時(shí)故障對(duì)系統(tǒng)帶來的不利影響[6]。

線路測(cè)試原理如圖5所示。

圖5 線路測(cè)試圖

在線路測(cè)試時(shí)，Kt閉合，此時(shí)可算出：

當(dāng)測(cè)得線路電阻Rre＞Rset時(shí)，則線路檢測(cè)通過，可以合閘。當(dāng)測(cè)得線路電阻Rre不滿足線路檢測(cè)通過的條件，則不允許合閘。

4 IEC 61850功能

IEC 61850是國(guó)際電工委員會(huì)TC57工作組制定的《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，為基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。信息和服務(wù)模型是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的核心[7]。

IEC 61850作為制定電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)無縫通信系統(tǒng)基礎(chǔ)，能大幅度改善信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的設(shè)備數(shù)據(jù)集成，減少工程量、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收、運(yùn)行、監(jiān)視、診斷和維護(hù)等費(fèi)用，節(jié)約大量時(shí)間，增加了自動(dòng)化系統(tǒng)使用期間的靈活性。它解決了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換問題，為不同廠商的智能電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作和系統(tǒng)無縫集成提供了有效的途徑[8]。采用該標(biāo)準(zhǔn)還可使變電站自動(dòng)化設(shè)備具有自描述、自診斷和即插即用（Plug and Play）的特性，極大地方便了系統(tǒng)的集成，降低了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的工程費(fèi)用。代表了變電站自動(dòng)化技術(shù)未來的發(fā)展方向[9]。

該系列裝置通過以太網(wǎng)方式支持IEC61850中服務(wù)器端功能，具體的通信服務(wù)功能描述如下。

（1）關(guān)聯(lián)。使用Associate（關(guān)聯(lián)）、Abort（異常中止）和Release（釋放）服務(wù)。

支持同時(shí)與不少于12個(gè)客戶端建立連接。

（2）目錄類服務(wù)。GetServerDirectory（服務(wù)器目錄）、GetLogicalDeviceDirectory（邏輯設(shè)備目錄）、Get LogicalNodeDirectory（邏輯節(jié)點(diǎn)目錄）、GetDataDirectory（讀數(shù)據(jù)目錄）、GetDataDefinition（讀數(shù)據(jù)定義）。

（3）數(shù)據(jù)集。支持GetDataSetDirectory（讀數(shù)據(jù)集定義）和GetDataSetValues（讀數(shù)據(jù)集值）服務(wù)不要求支持創(chuàng)建數(shù)據(jù)集（CreateDataSet）、刪除數(shù)據(jù)集（DeleteDataSet）。

（4）取代。測(cè)控裝置支持該功能，可方便用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

（5）定值組控制。支持SelectActiveSG（選擇激活定值組）、SelectEditSG（選擇編輯定值組）、SetSGValuess（設(shè)置定值組值）、ConfirmEditSGValues（確認(rèn)編輯定值組值）、GetSGValues（讀定值組值）和GetSGCBValues（讀定值組控制塊值）服務(wù)。

定值更改嚴(yán)格控制流程，在使用GetSGValues和SetSGValuess服務(wù)讀編輯組定值和更改定值之前，客戶端應(yīng)調(diào)用SelectEditSG服務(wù)選擇編輯組定值；否則，服務(wù)器應(yīng)對(duì)這2種服務(wù)返回錯(cuò)誤。

該系列裝置的IED只定義了一個(gè)SGCB，定值組切換時(shí)整體切換。

（6）報(bào)告。支持Report（報(bào)告）、GetBRCBValues（讀緩存報(bào)告控制塊值）、SetBRCBValues（設(shè)置緩存報(bào)告控制塊值）、GetURCBValues（讀非緩存報(bào)告控制塊值）、SetURCBValues（設(shè)置非緩存報(bào)告控制塊值）服務(wù)。

數(shù)據(jù)集在SCD文件中定義，不支持?jǐn)?shù)據(jù)集動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和修改。

支持IntgPd和GI[10]。支持客戶端設(shè)置OptFlds和Trgop。至少支持12個(gè)實(shí)例。

（7）日志。本系列裝置可選擇實(shí)現(xiàn)本功能。

（8）控制。使用SelectWithValue （帶值的選擇）、Cancel（取消）和Operate（操作）服務(wù)。

開關(guān)刀閘遙控使用sbo-with-enhenced security方式。

裝置復(fù)歸使用Direct control with normal security方式。

控制操作時(shí)應(yīng)初始化相關(guān)參數(shù)（ctlModel等）。

（9）GOOSE。裝置接收方會(huì)嚴(yán)格檢查AppID、Ref、DataSet等參數(shù)是否匹配。

GoCB自動(dòng)使能，裝置上電就開始發(fā)送GOOSE報(bào)文。

GOOSE接收裝置通過檢測(cè)T0時(shí)間間隔的定時(shí)報(bào)文監(jiān)測(cè)GOOSE中斷告警，并會(huì)通過報(bào)告通知客戶端。

（10）時(shí)間。支持SNTP校時(shí)和硬節(jié)點(diǎn)校時(shí)結(jié)合或互為備用的方式；在備用方式下，優(yōu)先使用硬結(jié)點(diǎn)校時(shí)方式；在硬節(jié)點(diǎn)校時(shí)故障時(shí)，啟用SNTP校時(shí)。

支持IEEE1588對(duì)時(shí)方式。

（11）文件。支持GetFile（讀文件）和GetFileAttributeValues（讀文件屬性值）服務(wù)。

GetFileAttributeValues（讀文件屬性值）支持“*”和“*.*”方式，不應(yīng)要求客戶端指定目錄名。

錄波完成時(shí)，生成COMTADE格式的錄波文件，通過錄波報(bào)告通知客戶端。錄波文件存儲(chǔ)于COMTRADE文件目錄中。

支持客戶端以目錄和時(shí)間段2種方式調(diào)取錄波文件列表。

5 結(jié)語

本文對(duì)軌道交通直流供電系統(tǒng)中饋線保護(hù)進(jìn)行了研究，給出軌道交通直流饋線保護(hù)系統(tǒng)方案。根據(jù)該方案研制的樣機(jī)已通過國(guó)家權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)的型式試驗(yàn)認(rèn)證。

目前，該保護(hù)裝置已在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行，效果良好。

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With regard to characteristics of DC power supply system for rail transportation, a trend of substation is developing to be more digitalized and intellectualized, on basis of study of rail transportation DC feeder protection abroad and overseas and standard of IEC 61850, a set of IEC 61850 based scheme for DC feeder protection device for rail transportation is formulated, and design of soft, hard wares as well as realization of IEC 61850 functions are offered with regard to the scheme.

DC power supply system of rail transportation; DC feeder protection; IEC 61850

U231.8

B

1007-936X(2015)02-0035-05

2014-08-21

王 宇.國(guó)電南瑞科技股份有限公司深圳分公司，工程師，電話：13632666681；史澤兵，郝后堂.國(guó)電南瑞科技股份有限公司深圳分公司，高級(jí)工程師；李肖博.國(guó)電南瑞科技股份有限公司深圳分公司，工程師。

科研項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院、南京南瑞集團(tuán)公司2011年科研項(xiàng)目。