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摘要：在城市轨道交通交流环网进出线“手拉手”的拓扑结构下，过电流保护作为线路后备保护，在实际应用时存在上下游保护 配合的时间级差问题，导致故障切除时间过长，容易造成设备损坏，扩大故障范围。根据交流环网进出线的拓扑结构，发现当线路 两侧仅有一侧发生过电流启动时，故障发生在线路区域内，保护应动作跳开线路两侧开关，其余情况保护应闭锁不动作。基于 IEC61850 标准，在PTOC 逻辑节点的基础上扩展了相关数据，提出了数字通信过电流保护PDTOC 逻辑节点。对数字通信过电流保 护在工程实施中的通信网络配置进行了探讨，建议采用变电所交换机级联方式搭建通信通道，并采用VLAN 交叠的技术控制线路两 侧继电保护装置交互数据的隔离与控制。最后，对通信网络中的报文流量与传输延时进行了可行性理论计算，并搭建了试验平台通 过模拟故障的方式验证了数字通信过流保护功能的可行性。
关键词：城市轨道交通,交流环网,数字通信,过电流保护,建模,VLAN
0 引言
我国城市轨道交通供电系统普遍采用双环网接线的 中压网络供电方案，通过中压电缆，纵向把上级主变电 所和下级牵引降压混合变电所连接起来，横向把全线的 各个牵引降压混合变电所以“手拉手”方式连接起来， 形成中压环网。城市轨道交通中压交流环网一次主接线 如图1所示。从系统结构上看，城市轨道交通中压交流环网从110 kV 主所2段母线分别引1路电源至正线变电所，5~8 个变电所构成一个供电分区，分区内变电所采 用“手拉手”方式连接共享2路电源。单个变电所采用 单母分段接线方式，每段母线上设置1条交流进线与1 条交流出线，正常运行时两段母线分列运行，故障时互 为备用。不同分区间设置联络开关，正常运行时，联络 开关断开，供电分区独立运行，当其中1个分区2路电 源故障或1个110 kV 主所退出运行时，通过合上联络开关，可以实现供电分区的跨区供电[1-3] 。
源，在传统的城市轨道交通供电系统中，交流环网线路 配置了光纤差动保护、过流保护、零序过流保护等功能。 光纤差动保护作为区间线路故障的主保护，当区间故障 时，使环网进出线的开关快速断开，隔离故障区间。过 流保护、零序过流保护作为后备保护，当电流升高超过 整定值时，经整定延时保护元件动作。
过流保护(含零序)作为环网电缆短路故障的后备 保护，由于一个供电分区内的变电所交流进出线采用 “手拉手”方式连接，动作时限采用逐级配合方式，导 致靠近电源点处的过流保护动作时限较长，不利于故障 快速切除。电力系统一般要求主变电所馈线开关过流保 护动作时限不得大于1.5 s，而目前过流保护的时限级差 一般采用0.3 s，因此最多仅能设置4级级差，对于大分 区环网供电，时限配合方式很难满足保护选择性的要求。 当母线发生短路故障，或线路光纤差动保护退出运行时 的线路故障，过流保护需经较长的延时才能切除故障， 容易造成设备损坏，扩大故障范围。
为满足大分区环网接线对继电保护装置选择性与 速动性的要求，结合智能变电所的发展趋势，提出了 一种基于GOOSE 通信的数字通信过电流保护。在传统 的过流保护基础上，通过交互线路两侧开关的过流启 动情况来判别区内故障与区外故障，实现快速故障切 除，取消时间级差配合问题。本文通过探究交流环网 线路数字过流保护的原理与信息交互情况，基于 IEC61850 标准进行城市轨道交通交流环网数字通信过 流保护逻辑节点的建模与验证工作，通过形成统一规 范的数字通信过流保护逻辑节点，提出标准化的工程 实施参考方案。
1 数字通信过流保护建模
数字通信过流保护是近年来随着计算机技术和通 信技术的快速发展，在传统过流保护的基础上开发的一种新型速动过流保护。在原过流保护的原理及功能 不变的基础上实现区间线路两端继电保护装置的采样 信息和动作信息交互。区间线路发生故障、接地等情 况时，两端的继电保护装置检测线路中流过的电流是 否达到其设定的电流启动值，并将此过流启动与否的 信号传递给对侧，接收装置进行逻辑比选、判断，快速判别线路故障区段，实现有选择性地快速切除故障 线路[4-7] 。
虽然城市轨道交通中压交流环网采用双电源供电模 式，但在正常运行时，每段母线都是单电源供电。对于 单电源的供电线路，可以通过线路两侧的电流启动情况 来判断故障是发生在保护区间内还是区间外，而不用通 过级差延时来选择跳闸，缩短故障动作时间。
城市轨道交通中压交流环网线路故障如图2 所示， 110 kV 主变电所电源在A所接入，A、B、C 三个变电所 为同一供电区间，电源以“手拉手”的方式从A 所向 B、C 两个所传递。当故障点发生在A、B 所之间的d1 位置时，A 所13 间隔保护装置感受到过电流，保护启 动;B 所21 间隔保护装置无过电流，保护不启动。故障 发生在13 间隔与21 间隔之间的线路中，属于区内故障， 13 间隔与21 间隔保护装置应准确动作，跳开线路两侧 的13 与21 断路器。当故障发生在B、C 所之间的d2 位 置时，B 所23 间隔保护装置感受到过电流，保护启动; C 所31 间隔保护装置过电流，保护不启动。故障发生在 23 间隔与31 间隔之间的线路中，属于区内故障，23 间 隔与31 间隔保护装置应准确动作，跳开线路两侧的23 与31 断路器。在d2 点发生故障后，A 所13 间隔与21 间 隔继电保护装置都能感受到过电流而保护启动，但故障 发生在区间外，保护装置不应动作。
所以，中压环网交流进出线两侧保护装置故障过电流启动情况如表1 所示。由表可知，无论是正向供电( A→ B → C 变电所)，还是反向供电( C → B → A 变电所)，只要线路两侧的继电保护装置感受到的过电流启 动信号不一致，故障才发生在区间内，保护装置应准确 动作，其他情况应闭锁动作。考虑到装置间是以通信的方式获取线路对侧的过流 信号，在保护逻辑中需要加以判断通信状态情况，数字 过流保护动作逻辑如图3所示。
本侧电流与对侧电流启动情况不一致用逻辑方式表 示为“异或”，即当仅有一侧装置发生过电流启动，且 通信状态正常，装置经一段时间延时(20 ms ) 后数字通 信过电流保护动作，跳开线路两侧断路器。
IEC61850-7-4 中定义了用于交流定时过流保护的逻 辑节点PTOC，但该逻辑节点并未包含线路对侧过流启动 和与对侧装置通信的功能。因此，本文基于PTOC 逻辑 节点，扩展新的逻辑节点——数字通信过流保护逻辑节点，命名为“PDTOC ”，作为“Digitaltiming overcurrent protection”的缩写[8-12] 。
数字通信过流保护主要具备过流保护与接收对侧过 流信号的功能，前者可以参考PTOC 逻辑节点选择数据 对象，而后者主要参考保护逻辑图为PDTOC 添加新的数 据对象，如表2所示。
为数字过流保护逻辑节点新增的数据对象有 OppOCStu (对侧过流状态)、ComStu (通信状态)，都是 用于数字通信过电流保护逻辑判断，前者是线路对侧过 流状态信息描述，后者为两者的通信接收状态描述。新 增数据对象均为状态信息，根据IEC61850-7-3 的CDC 公共数据类中选择SPS 单点状态信息类型。
2 通信网络配置
数字通信过电流保护功能的逻辑节点确定后，其信 息模型构建与通信服务模型构建及映射工作与常规的数 据建模没有特殊之处，本文主要介绍工程应用时的通信 网络配置方案。PDTOC 逻辑节点需要接收对侧的过流状 态与通信状态，同一线路的两端继电保护装置应具备通 信功能。目前可以通过“点对点”的所间单独光纤通道 来实现，也可以采用变电所内的网络化保护光纤交换机 级联的方式来实现。由于“点对点”方式需要专用通 道，数据共享困难，不便于后续保护功能的扩展，建议 采用所间网络化光纤交换机级联方式，如图4所示。A 站出线继电保护装置通过光纤连接到A 所的光纤 交换机，所间交换机采用光缆连接，B 站进线继电保护 装置通过光纤连接到B所的光纤交换机获取A 站出线的 过电流启动信号。相同道理，A 站出线也可以通过所内 交换机获取B站进线的过流启动信息。为提高通信的可 靠性，可以通过双星型网络实现信息传输冗余，通信状 态与双通道信息的处理由接收方处理。
在工程实施时，采用交换机级联的模式来实现线路 两侧继电保护装置的通信，导致级联所GOOSE 全部混到 一起，占用了网络资源，降低GOOSE 信息处理的实时 性。因此，要在工程实施中采用所间交换机级联方案时， 需要充分考虑数据隔离过滤问题。本文提出基于VLAN 交叠的数据隔离过滤传输方案解决以上问题。
端口VLAN 划分是根据装置间的数据交互关系，将 数据划分为不同的VID 组，不同VID 组之间的数据不能 交互，以实现数据隔离。端口划分VLAN 法需要根据设 计需求，对交换机端口配置VID，同时交互的GOOSE 报 文需添加802.1Q 协议，打上VLAN Tag。所间交互VID 的设置需要考虑是否存在跨所数据传输，以及数据是单向传输还是双向传输的应用场景，各场景下的VID 设置不同[13-15 ] 。交换机端口VID 划分如表3所示。其中，相 邻所数据交互是指A 所与B所通信，B 所与C所通信， A 所与C所不通信。当A 所与C所有数据交互时，仅有 A 所向C 所传输视为单向数据交互，当AC 所需要相互 通信时，视为双向通信。VID 2 作为单个变电所通信 VLAN，实现所内数据的正常交互，所间交换机采用 VID3、4.可以隔离变电所内不需要所间通信的数据， 实现所间数据隔离。
3 试验结果与分析
按照图4的网络架构搭建试验平台，对数字通信过 电流保护逻辑节点的实际数据交互情况进行验证。由于 VLAN 隔离与过滤的技术比较成熟，其重点在于工程应 用配置上，本次试验侧重于交流环网线路数字通信过电 流保护的功能实现与数据传输的可靠性与实时性进行验 证与分析。
A 所交流环网出线处继电保护装置IED_ A1 与B所 交流环网进线处继电保护装置IED_ B1 分别通过单模光 纤跳线连接到本所内交换机，A 所交换机与B 所交换之 间采用光缆级联，考虑变电所间长度问题，光纤全部采 用单模光纤。通过在IED_ A1 、IED_ B1 施加不同的故障 电流验证数字通信过电流保护逻辑节点PDTOC 的动作情 况与时间延时。数字通信过电流保护过流定值设为1.48 A、 动作延时20 ms，故障电流按定值的1.05 倍与1.5 倍两组数据进行测试。
如表4所示，对图3的保护逻辑框图进行了验证， 当线路两侧有且仅有一侧继电保护装置过流启动，数字 通信过流保护才会动作。需要注意的是，当故障量由 1. 05 倍变为1.50 倍的时候，其动作时间缩短10 ms 左 右，这是由于保护装置判断故障电流时以多个采样点综 合考虑导致的。
所间交换机级联采用单模光纤，其最大衰减为0.3 ~ 0.4 dB/km，常见的光模块发射功率为-6 dBm，接收灵 敏度按-48 dBm 计算，可保证80 km 的传输距离，远远 满足城市轨道交通交流环网线路数字通信过电流保护的 数据传输距离需求。另外，由于通信网络中只有 GOOSE 信息，且变电所间还采用了VLAN 隔离，以最 长报文1518 bytes 计算，即使在发生多开关联动的复杂 故障，网络里的数据流量也低于1Mb/s。在100 Mb/s 带 宽交换机下，最长报文传输延时为122 μs，而GOOSE 信 息的最小重传时间间隔为2 ms，可以缓冲16 个控制块， 信息传输的可靠性与实时性均能得到满足。
4 结束语
基于城市轨道交通交流环网进出线“手拉手”的拓 扑结构，对作为线路后备保护的过流保护存在的时间级 差配合问题进行了分析，存在扩大故障范围与损害设备 的风险。对线路区域内外故障时，线路两侧继电保护过 电流启动的情况进行了梳理，提出了数字通信过电流保 护的判断逻辑，并进行了IEC61850 逻辑节点建模。采用 交换机级联与VLAN 划分的方法对工程实施中的网络结 构及数据隔离问题进行探索，在测试后验证了数字通信 过电流保护的数据通信可靠性与实时性均能满足标准要 求。数字通信过电流保护缩短了交流环网线路后备保护 的动作延时，消除了时间级差问题，而基于IEC61850 标 准的PDTOC 逻辑节点，对于不同城市应用数字通信过电 流保护都具有指导意义。
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