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浅论宁波轨道交通GOOSE全面智能电流选跳方案验证

  1研究背景
  宁波轨道交通2号线采用的中压智能电流选跳保护方案,是应用IEC61850/GOOSE技术,把35kV同一供电分区内所有中压保护连接起来,利用电流突变量和过流信号判断故障发生区间的保护方案。它不是依靠单一保护装置,而是依靠多个保护装置交互信息,从而快速准确定位故障。这项技术让城市轨道交通35kV供电系统做到真正的无死角,所有设备都得到全方位的快速保护,同时这个方案具备通道自检功能及一定的容错性,当装置或者通信出现故障时,不会影响整体方案的可靠性。正是基于这种显著的特点,才将这种保护方案命名为信息一体化保护方案。
  一般的供电系统是由单一母线系统或者单个变电站组成,保护方案也是以单个保护装置采集本间隔电量或非电量进行判断,不需要与其他间隔保护装置交换信息就可以判断本间隔是否故障;线路差动保护也是两台装置之间相互交换电流信号,同时进行计算并判断线路是否故障。但对于轨道交通35kV大分区运行的供电系统,单一变电站的保护方案无法实现各牵引站之间母线保护的选择性,只有将参与整个大分区供电系统运行的所有牵引站作为一个整体,实现站内或者站间保护装置之间的信息交互,才能快速准确地判断及定位故障,以实现智能电流选跳的保护功能。智能电流选跳保护方案的设备包括保护装置和网络设备,保护方案包括正常保护逻辑、通信通道检验、装置故障时或者通信通道故障时保护装置的动作逻辑。此方案在宁波轨道交通2号线35kV的供电系统中已成功应用。
  2方案验证要素
  基于IEC61850/GOOSE的智能电流选跳保护方案是建立在信息交互基础上的一体化保护方案,需要从整体方案着手而不是从单一保护装置或者保护逻辑进行验证,即逻辑验证需要整体方案的搭建和配合,EMC验证需要将保护装置和网络设备看作一个整体。同时由于装置采用通道检测技术从而具备了一定的容错性能,所以通道的验证也是方案验证的重点。这一切如果仅仅停留在实验室的层面是不够的,还需要真实的短路故障来验证方案的可靠性。
  2.1整体方案验证
  智能电流选跳保护方案充分考虑了设备正常运行条件、差动保护退出、差动保护拒动、GOOSE通道异常、选跳保护拒动、断路器失灵等情况,同时结合城市轨道交通35kV供电系统正常运行、反向供电、牵引站母线分段等不同运行模式下的各种工况进行全方位综合考虑。方案验证选取了进出线故障、母线故障、馈出线故障、母联开关合上时下游侧母线故障等多达53种故障进行验证,涵盖了城市轨道交通35kV供电系统所有可能出现的故障,并对GOOSE通道异常的情况进行了专项验证。
  2.2GOOSE通道检测验证
  智能电流选跳保护方案最大的特点就是应用IEC61850/GOOSE技术实现分区内保护装置之间的信息交互。信息交互的通道非常重要,一旦信息通道出现问题,这个方案的可靠性就会受到影响。如果所有加强信息通道的做法都不能从根本上避免发生故障的可能性,那么就应该对通道进行实时监视。当通道出现故障时立即投入备用方案并同时闭锁相应的选跳保护;当通道恢复正常时退出备用方案同时恢复原来的选跳保护。
  通道检测技术的应用配合高可靠性的网络方案才能做到真正的全面智能电流选跳。通道检测主要是验证通道故障时及通道恢复后信息反馈的及时性。这些验证需要考虑在网络风暴情况下的通道中断情况。
  2.3EMC验证
  保护装置型式试验要进行EMC验证,但都是对于单个装置的EMC验证,即使是差动保护装置,大多数情况下的EMC验证也是对于一台装置的验证。智能电流选跳是信息一体化的保护方案,那么EMC验证就必须针对所有参与保护方案的设备,例如组成网络的保护装置、网络交换机等进行整体验证。
  2.4现场验证
  现场工况和实验室环境总会有差别,实验室可以模拟所有可能发生的情况,从多样性的角度验证试验方案,但是现场情况常常比实验室更为复杂,所以现场实际工况的验证尤为重要。
  3国家开普实验室验证
  为了验证智能电流选跳方案的可靠性,特别按照城市轨道交通供电系统大分区结构在国家开普实验室搭建3个分站系统组成一套地铁供电系统方案模型,针对方案模型进行一系列的试验验证。
  3.1逻辑验证
  针对城市轨道交通供电系统方案在实际工况有可能发生53种故障情况,智能电流选跳保护都提出了相应的解决方案。方案验证选取进出线故障、母线故障、馈出线故障、母联开关合上时下游侧母线故障情况进行验证。结果显示即使在运行过程中出现了N4的极小概率事件,整个方案也可以在622ms的时间内切除故障,证明信息一体化保护方案具有可靠性和灵敏性优势。
  3.2GOOSE通道检测验证
  除验证一般物理情况的GOOSE通道中断外,本次试验着重进行了在网络风暴和网络异常情况下的验证。
  3.2.1网络风暴验证
  1)在100%网络流量的非订阅GOOSE报文(MAC地址为广播地址)引起的网络风暴下,装置应不死机、不重启、无异常报警、保护动作逻辑与方案一致。
  2)在不大于20%网络流量的订阅GOOSE报文(stNum每帧变化、sqNum不变、数据不变)引起的网络风暴下,装置应不死机、不重启、无异常报警、保护动作逻辑与方案一致;在以上网络流量大于20%时,装置闭锁GOOSE选跳保护,加投备用保护方案。
  3)在订阅GOOSE每秒变位1000次(stNum每帧变化、sqNum不变、数据每帧变化)的网络风暴下,装置应不死机、不重启、无异常报警。网络风暴消失后装置能够正常响应收到GOOSE变位信号。
  3.2.2网络异常验证
  1)在装置单网口通信中断、交换机失电、订阅报文CRC错误、交换机通信异常、装置失电等网络异常情况下,装置退出GOOSE选跳保护,加投备用保护方案以保证系统安全运行。
  2)装置判断GOOSE通道异常,切换为加投过流保护的时间不大于3s。
  3)装置判断GOOSE通道恢复,退出备用方案,恢复正常的GOOSE选跳保护。
  3.2.3试验结果
  经过实际检验表明,智能电流选跳保护方案满足设计要求,能够准确判断网络风暴和网络异常情况,并能根据当前网络的状况判断是否需要闭锁GOOSE选跳保护,投入备用保护方案。当网络状态恢复到正常情况时,本方案也能自动退出备用保护,投入原来的GOOSE选跳保护。
  3.3EMC验证
  本次试验选用智能电流选跳保护方案中最典型的模型,使用两台保护装置和网络交换机共同搭建,并在整个模型上进行EMC试验,验证方案的稳定性。
  在模型上进行诸如震荡波抗扰度验证,静电放电抗扰度验证,射频电磁场辐射抗扰度检验、电快速瞬变脉冲群抗扰度检验,浪涌抗扰度检验,射频场感应的传导骚扰抗扰度检验,辅助电源端口电压暂降、短时中断、电压变化和纹波检验,工频磁场抗扰度检验,脉冲磁场抗扰度检验,阻尼振荡磁场抗扰度检验等。经过验证,所有试验都可以在施加90%激励量时不误动,施加110%激励量时不拒动,保护装置无损坏,运行、显示无异常。
  4现场试验验证
  4.1试验方案
  根据宁波轨道交通2号线送电情况,智能电流选跳保护方案现场试验验证在丽园南路站到外滩大桥站区段进行,该区段6个变电所处于正常运行时的工况,试验实施地点设在外滩大桥站。试验区段的所有35kV进出线开关柜的过流保护定值临时调整为0.15A、0.05s;外滩大桥站35kV配电变压器开关柜定值临时调整为0.15A、0.1s,在配电变压器一次侧接电缆至电缆夹层并固定牢固,调整放电间隙与试验电缆之间的距离,使得35kV侧产生70~100A的故障电流,此时外滩大桥站35kV配电变压器馈线开关柜应启动并动作跳闸,试验区段所有通过故障电流的35kV进出线开关保护均应启动,但不出口跳闸。具体方案如下:
  在外滩大桥站选取1号配电变压器DT1的三相依次试验,在DT1的A相接线端子上并联出一根试验电缆(与正常供电电缆同型号),将试验电缆的一端接配电变压器的高压侧,另一端铠装层剥出400mm,露出主绝缘,电缆导体接到放电间隙的进线侧,通过调整放电间隙产生故障电流。
  4.2试验结果
  本次试验总共调整了3次放电间隙,其中第1、2次试验电流都没达到保护动作要求,最后1次放电间隙调整为15mm,试验电流超过600A,馈线柜MDT1速断动作,MI01收到馈线过流闭锁信号和线路对侧过流闭锁信号,保护装置启动未出口。参与试验供电的丽园南路站、云霞路站、宁波火车站、城隍庙站、鼓楼站的MI01和MO01都收到相对应的GOOSE线路对侧过流闭锁信号和同母线段进出线过流的闭锁信号,保护装置均未启动动作,符合设计要求。
  4.3试验结论
  本次试验结果完全符合预期效果:A25_MD1处的短路故障,如果使用传统的延时级差保证选择性的方式,则至少需要10个延时的级差配合,过长延时将导致故障不能及时切除,对整个35kV供电系统造成巨大的冲击,严重影响设备的安全性。使用IEC61850/GOOSE全面智能电流选跳方案仅仅经过95ms(包括断路器45ms分闸时间)就可以迅速切除故障,这种快速保护动作的方式,不但可以减少短路故障对设备的损害,还能极大限度地降低对系统的冲击。本次试验还验证了IEC61850/GOOSE全面智能电流选跳方案选择性的优势,A25_MD1处的保护装置和断路器整体切除故障时间只有95ms,从判断到故障电流(包括A15_MI1到A25_MI1)的9个保护装置都在极短的时间内靠电流突变量的方式快速闭锁,有效验证了整个电流选跳系统的选择性及可靠性。
  5结语
  经过上述验证证明,基于IEC61850/GOOSE的城市轨道交通中压全面智能电流选跳解决方案可以满足大分区供电系统的选择性和灵敏性。信息一体化的概念也必将随着IEC61850系统的普及发挥更大的作用。可以预计越来越多的GOOSE、SV技术应用于保护领域中以实现全新的信息一体化保护方案,整体提升电力系统的可靠性。基于IEC61850/GOOSE的系统保护方案具有很好的推广应用价值。