基于IEC61850的地铁直流馈线保护信息建模研究.pdf

2023 年第 2 期(总第 91 期)西 安 轨 道 交 通 职 业 教 育 研 究Xian Rail Transit Vocational Education ResearchNo.2,2023Serial No.91收稿日期:2022-10-09作者简介:苗斌(1987-),男,河南武陟人,西安铁路职业技术学院电气工程学院供电教研室讲师。基于 IEC61850 的地铁直流馈线保护信息建模研究苗 斌(西安铁路职业技术学院 陕西 西安 710026)摘 要:合理的设备信息建模是实现地铁智能变电站信息交互的关键问题。采用 IEC61850 标准现有逻辑节点(LN)实例化保护逻辑节点(定时限过电流保护 PTOC、低电压保护 PTUV 和接触网热过负荷保护 PTTR),根据标准扩充电流上升率和电流增量保护(DDL 保护)及框架泄露保护 LN 类(PDDL、PFLC)信息。综合“虚端子”工程方案和标准中 Inputs 的定义,刻画保护智能电子设备(保护 IED)与其他设备之间信息交互模型(虚拟输入/输出信息模型)和保护 IED 内各 LN 之间信息交互模型。通过某地铁牵引降压混合变电所保护配置及功能实现案例表明:越区隔离开关闭锁、所内直流馈线保护和双边联跳保护实现过程可通过信息交互模型清晰展现,验证了地铁直流馈线保护信息建模方案的合理性和可能性。关键词:地铁直流馈线保护;IEC61850 标准;保护功能逻辑节点;虚端子;信息交互模型中图分类号:TP23 文献标识码:A 文章编号:SY010-(2023)02-0017-05Research on Protection Information Modeling of MetroDC Feeder Based on IEC61850Miao Bin(Xian Railway Vocational and Technical Institute,Xian,Shaanxi710026,China)Abstract:Reasonable equipment information modeling is the key problem to realize subway intelligent substation in-formation exchange.Use the existing LN in IEC61850 to create a protection logical node instance(Fixed time over-current protection PTOC、Low voltage protection PTUV、Overhead catenary thermal overload protection PTTR),ex-pand the LN(PDDL、PFLC)class information of current rise rate and current increment protection(DDL protec-tion)and frame leakage protection according to the standard.Comprehensive virtual terminal engineering scheme and standard in the definition of Inputs,describe the information interaction model protecting IED with other IED(virtual input/output information model)and protection of the LN between IED information interaction model.Pro-tection configuration and function realization case of the mixed traction and step-down substation of metro show that:Over the zone isolation switch locking、DC feeder protection and bilateral jump protection can be clearly dis-played through the information interaction model,verify the rationality of metro dc feeder protection information modeling solutions and possibilities.Key words:metro dc feeder protection;IEC61850;protects functional logical nodes;virtual terminal;information interaction model0 引言目前,地铁公司在 35KV 中压环网中采 用GOOSE(通用面向对象的变电站事件)实现智能电流保护1,但在地铁直流供电系统中,很少采用IEC61850 创建保护设备信息模型,同时,过程层并未配置,仍通过电缆从智能设备采集模拟量,而间隔层与站控层、间隔层之间可以采用 MMS(制造报文规 范)和 GOOSE 网 进 行 信 息 交 互2;基 于IEC61850 的设备信息建模已经广泛应用在国网变配电所3-5,为城轨供电系统信息建模提供了理论基础和工程实践经验。本文根据 IEC61850 标准要求,在直流馈线保护 IED 中,继承标准中保护逻辑节点基类,实例化了定时限过流保护逻辑节点 PTOC、低电压保护逻辑节点 PTUV、接触网热过负荷保护逻辑节点 PT-TR,同时新建了结合电流上升率和电流增量的 DDL保护逻辑节点 PDDL、框架泄露保护逻辑节点 PFLC及相关服务模型,采用“虚端子”工程方案6-9,建立直流馈线保护 IED 信息交互模型。1 地铁直流馈线保护功能建模1.1 直流馈线保护功能概述我国地铁直流馈线保护一方面是接收隔离放大器采样传输的电流、电压信号,另一方面,当馈线或接触网发生短路、接触网过热、馈线柜框架泄露等故障时,向馈线直流断路器发送跳闸信号,第三,当保护动作时,保护装置向站控层发送报告,向间隔层的故障录波装置发送故障日志,同时接收馈线直流断路器状态变位信号。保护装置配置保护如下:大电流脱扣保护、电流上升率及电流增量保护(DDL 保护)、定时限过电流保护、低电压保护、接触网热过负荷保护、框架泄露保护和双边联跳保护等10。1.2 直流馈线保护 IED 逻辑节点建模依据直流馈线保护装置功能剖析,需要信息交互的功能主要是接收过程层合并单元的采样值信息和跳开直流断路器。本文设置公共逻辑节点(逻辑节点零 LLN0 及保护专用逻辑节点)和物理逻辑节点 LPHD,保护专用逻辑节点中,定时限过电流保护、低电压保护和接触网热过负荷保护均可分别采用标准中定义的 PTOC、PTUV 和 PTTR 逻辑节点,DDL 保护、框架泄露保护需要基于公共逻辑节点类创建新的逻辑节点类,根据新逻辑节点命名规定,DDL 保护和框架泄露保护逻辑节点类分别命名为PDDL 和 PFLC。作为直流断路器的本体保护,大电流脱扣保护在保护 IED 中不需要进行逻辑节点建模。双边联跳保护则通过相邻变电所馈线保护之间的 GOOSE 信息交互实现。1.2.1 DDL 保护逻辑节点(PDDL)建模表 1 PDDL 逻辑节点类信息模型数据属性名类型含义M/O状态信息StrACD启动MOpACT动作M测量值InCFMV馈线电流增量 IORCCMV馈线电流变化率 di/dtOCIDTMV电流增加持续时间 tO整定值RCCMaxSetASG最大电流变化率(保护起始门限 E)ORCCMinSetASG最小电流变化率(保护复位门限 F)OIMaxCSetASG最大电流增量定值 ImaxOIMinCSetASG最小电流增量定值 IminOIMaxCTSetING最大电流增量延时定值 tImaxOIMinCTSetING最小电流增量延时定值 TO DDL 保护综合 DDL+I 保护和 DDL+T 保护,信息模型如表 1 所示,保护持续检测馈线电流变化率 di/dt,并将 di/dt 与 E、F 比较,若 di/dtE,则开始检测 I 和 t。当 IImax,且持续时间大于 tImax时,则保护动作跳闸。如果 IImax,di/dtT,且 IImin 时,则保护动作跳闸。如果 tT,di/dtF 且持续 tImax,t归零。81西安轨道交通职业教育研究1.2.2 框架泄露保护逻辑节点(PFLC)建模表 2 逻辑节点 PFLC 模型数据属性名属性类型含义M/O状态信息StrOpACDACT启动动作MM测量值DADVMVMV框架泄露电流框架对走行轨电压OO整定值AStrVStrTStrEnableASGASGNGSPG框架保护电流定值框架保护电压定值框架保护延时投入OOOESG PFLC 信息模型如表 2 所示。当馈线柜的正极对外壳短路时,短路电流通过电流检测元件流入地网,经走行轨对地的泄露电阻回到走行轨,再经回流线至负极,当电流检测元件检测到电流大于框架保护电流定值时,直流断路器跳闸,并联跳相邻变电所的直流断路器,同时,馈线柜外壳对走行轨的电压检测作为电流检测的后备,当发生正极对外壳短路故障,检测到电流达不到框架保护电流,且经过框架保护延时后,电压检测值仍大于框架保护电压定值时,则跳开本侧及相邻变电所的直流断路器。2 服务器与逻辑设备建模在设备建模时,保护 IED 在 ICD 文件 IED 段应配置与服务器相关的信息,包括服务器通信访问点(AccessPoint)和服务(Servers)。AccessPoint 应配置的属性包括名称 name、序号 desc、路由器 router、时钟 clock,配置的子元素为 Server,在 Server 字节下配置逻辑设备 LD。保护 IED 以 MMS 报文与站控层设备之间传输状态监测信息,与过程层之间以GOOSE 报文传送开关控制指令及接收过程层合并单元 SV(采样值)报文发送的采样值信息。所以,本文创建 3 个 AccessPoint,分别对应 MMS 报文、GOOSE 报文和 SV 报文传输。Servers 中应配置保护 IED 中具备的通信服务,包括关联、目录、数据集、取代、定制组控制、报告、日志、控制、GOOSE、SV、文件。在保护 IED 中创建 1 个保护逻辑设备 PROT,逻辑节点包括公共逻辑节点(LLN0、LPHD)、保护逻辑节点(PTOC、PTUV、PTTR、PDDL、PFLC)、虚拟输入端子逻辑节点(采样值输入接口(GGIO14)、断路器位置状态信息输入接口 GGIO5)。图 1 直流馈线保护设备信息交互模型91苗斌:基于 IEC61850 的地铁直流馈线保护信息建模研究3地铁直流馈线保护 IED 信息交互建模 保护 IED 的交互信息主要分为 2 类,一是与本站其他 IED 及与相邻站馈线保护 IED 的交互信息,二是保护 IED 内部各 LN 之间交互的信息。3.1 保护 IED 与其他 IED 之间信息交互如图 1 所示,直流保护 IED1 的采样值输入接口逻辑节点 GGIO14 接收合并单元 IED5 发送的采样值信息,经保护逻辑节点判断发生故障时,将保护启动信号和动作信号发送给跳闸逻辑节点PTRC,经逻辑“或”判断后,输出保护启动信号 Str和跳闸信号 Tr,通过取代服务 SetDataValues 改变数据集中的 Str 和 Tr,当各服务控制块检测到 Str 和 Tr发生改变时,则向其他 IED 发送输出信号,当断路器位置状态改变时,逻辑节点 GGIO5 接收智能操作箱 IED4 发送的断路器状态 GOOSE 报文 XCBR.Pos.stVal=off。系统引入网络通信后,二次硬接线变成了虚拟信号连接,所以,直流馈线保护信息交互建模时,要建立基于网络通信的保护设备虚拟输入/输出信息模型。3.1.1 虚拟输入信息模型保护 IED 的虚拟输入信息以 GOOSE、SV 输入虚端子体现,均采用 GGIO 逻辑节点,接收 GOOSE信号的 GGIO 实例加“GOIN”前缀,接收 SV 信号的GGIO 实例加“SVIN”前缀。虚拟输入信息配置在LLN0 的 Inputs 节点的 Extref 元素中,由发送 IED 名iedName、发送 LD 名 ldInst、发送 LN 的前缀 prefix、发送 LN 类名 lnClass、发送 LN 实例编号 lnInst、发送数据对象名 doName、发送数据属性名 daName 及其映射到本地虚拟输入端子的引用 intAddr 组成。GOOSE 虚端子信息应配置到数据属性,引用intAddr 设置格式为“LD/LN.DO.DA”,SV 虚端子信息应配置到数据对象,引用 intAddr 设置格式为“LD/LN.DO”。如图1 中,直流馈线保护 IED1 的保护逻辑设备 PROT 中 GOOSE 输入虚端子 GGIO5 接收智能操作箱 IED4 发出的直流断路器位置变化GOOSE 信号(XCBR.Pos.stVal=off),SV 输入虚端子 GGIO1 接收合并单元 IED5 发出的馈线电压 U 的采样值信号(IED5.MU.MMDC4.VolPsGnd.inst-Mag),虚拟输入信息模型编码如下:3.1.2 虚拟输出信息模型保护 IED 通过 LLN0 中的各控制块向订阅/客户 IED 发布报告、日志、GOOSE 报文等虚拟输出信息,以 FCDA 形式统一配置在 LLN0 对应的数据集中。如图 1 所示,以直流馈线保护 IED1(发布 IED)向智能操作箱 IED4(订阅 IED)发送 GOOSE 跳闸信号为例,虚拟输出信息模型建立过程如下:第 1 步:在逻辑设备 PROT 下属 LLN0 中建立GSE 控制块对应的数据集,数据集中每个 FCDA 应描述发布逻辑设备名 ldlnst、发布逻辑节点前缀 pre-fix、发布逻辑节点类名 lnClass、发布逻辑节点实例编号 lnInst、发布数据对象名 doName、发布数据属性名 daName、数据属性对应的功能约束 fc。第 2 步:将 GSE 控制块配置在 LLN0 中,配置的信息包括名称 name、关联的数据集 datSet、应用标识appID、配置版本号 confRev。对于发布控制块,系统配置时如果被其他 IED 订阅,则系统配置器应在发布 IED 的 GSE 控制块中增加段描述订阅方 IED 名 iedName、逻辑设备 ldInst 等信息。虚拟输出信息模型编码如下:IED402西安轨道交通职业教育研究对于订阅方,在配置输入虚端子时,直接把其订阅的发布方控制块增加到输入虚端子信息描述中。报告与日志信息与 GOOSE、SV 信息相同,也是通过数据集中的 FCDA 表达,报告控制块的配置信息包括控制块名 name、描述 desc、关联的数据集datSet、发送周期 intgPd、控制块标识 rptID、配置版本号 confRev、是否为缓存控制块 buffered(缺失默认为 false)、缓存时间 bufTime、设备厂家提供的实例编号 indexed(199)。日志控制块的配置信息包括控制块名 name、描述日志控制块的配置信息包括控制块名 name、描述 desc、关联的数据集 datSet、发送周期 intgPd、控制块所属 LD 标识 ldInst、控制块所属LN 前缀 prefix、控制块所属 LN 类名 lnClass、LN 实例编号 lnInst、控制块在所属 LN 中的参考名 lo-gName、是否允许控制块使能 logEna、触发事件的编码 reasonCode。与 GOOSE 和 SV 报文传输采用发布/订阅模型不同,报告和日志传输采用客户/服务器模型,在系统配置时,发出报告和日志的设备中,应在对应控制块节点下设置信号接收方 LN 节点,配置接收方设备名 iedName、逻辑设备 ldinst、逻辑节点类 lnClass、逻辑节点实例号 lnInst。3.2 保护 IED 内部 LN 之间信息交互采用“虚端子”方案虽然可以描述设备间虚拟交互信息,但不能展示输入信号与逻辑节点之间的连接关系,所以在对应的功能逻辑节点中,无法查看虚拟输入/输出信号和建立虚拟信息交互回路。本文通过配置功能 LN 下属 Inputs 的 Exref 元素表达 LN 之间的交互信息,通过配置接收 LN 的数据引用 intAddr(LD/LN.DO.DA),将发送 LN 的输出信号映射到接收 LN 的输入信号。因为各功能LN 同属一个 IED,所以在 Exref 中不配置 iedName,其余信息与 LLN0 中 Inputs 配置相同。如图 1 中PDDL 接收 GGIO2 发出的馈线电流信息,其 Inputs配置如下:4 案例分析某地铁牵混所 IED 配置及网络设置如图 2 所示,本文在每个馈线柜设置一个保护 IED,每个牵混所设置一个智能操作箱 IED 和一个测控 IED。目前国内地铁没有统一设置过程层,所以本文不设置 SV网及合并单元,每个牵混所配置 2 台交换机,构成冗余 GOOSE 网进行 IED 之间信息交互。系统正常供电时,B 牵混所 211、213 和 2111、2131 均闭合,越区隔离开关 2113 分闸。智能操作箱 IED 将各开关状态发送给测控 IED,后者发送GOOSE(XSWI.BlkOpn.stVal=true)图 2 牵混所 IED 配置及网络设置图至智能操作箱闭锁 2113。接触网 K1 发生对地短路时,B 牵混所 213 大电流脱扣保护动作跳闸,智能操作箱 IED 向测控 IED 发送报告 XCBR2.Pos.stVal=off,然后测控 IED 向相邻 C 牵混所智能操作箱 IED 发送 GOOSE(CSWI.Pos.ctlVal=off)跳闸信号,联跳邻所断路器 211。当 K2 点发生短路时,B牵混所 213 馈线保护 IED 和 C 牵混所 211 馈线保护 IED 均向本侧和对方智能操作箱 IED 发出跳闸GOOSE。B 牵混所发生故障退出运行时,211、213、2111、2131 分闸,2113 合闸,由 A 牵混所和 C 牵混所构成大双边供电。当 K3 点发生短路故障时,A 牵混所213 大电流脱扣保护、保护 IED 均可以动作跳开213,同时测控 IED 和保护 IED 给 C 牵混所馈线 211智能操作箱 IED 发送 GOOSE(XCBR1.Pos.ctlVal=off)跳闸。在大双边供电时,K3 点(下转第 64 页)12苗斌:基于 IEC61850 的地铁直流馈线保护信息建模研究理和测量结果的综合分析判断,这样才能得到正确的结论,成为电气设备安全运行依据。有了可执行的提高电气设备绝缘电阻的措施,更能保障电气设备为人类高质量地服务。参考文献1 陈化钢.电力设备预防性试验方法M.北京:中国科学技术出版社,2001.2 邱昌荣,曹晓珑.电气绝缘测试技术M.北京:机械工业出版社,2001.3 齐阳.浅谈绝缘技术在高压电气设备中的应用价值J.科学致富向导,2013,(23).(责任编辑:任建国)(上接第 21 页)故障距离 C 牵混所 211 馈线上网点较远,线路阻抗较大,故障电流较小,可能使其馈线保护 IED 存在保护死区,因此,基于 GOOSE 网络的双边联跳保护能够消除保护死区,保证直流断路器快速跳闸。5 总结本文基于 IEC61850 标准,采用 LN 信息建模,将定时限过电流保护、低电压保护和接触网热过负荷保护功能与标准现有逻辑节点(PTOC、PTUV、PTTR)进行匹配,并新建 DDL 保护逻辑节点 PDDL类和框架泄露保护逻辑节点 PFLC 类信息模型,通过“虚端子”工程方案和功能逻辑节点 Inputs 信息配置,建立直流馈线保护 IED 信息交互模型。通过案例分析,基于 IEC61850 标准建立地铁直流馈线保护信息交互模型能够在大量硬接线消失时清晰表达保护装置的功能组成、二次设备之间和保护功能之间的关联关系及交互信息,为工程设计时用虚端子方案替代传统二次接线图、施工时图形化配置虚端子代替二次接线校线、运行维护时光纤通道自检和图形化虚端子表检查代替万用表手工二次故障排查提供技术支持。参考文献1 王健凯,隋佳斌,陈海辉.基于 GOOSE 通信的智能保护装置在青岛地铁中压供电网络的应用J.都市快轨交通,2019,(2).2 王永.浅析城市轨道交通变电所继电保护、综自系统由现行标准向 IEC61850 过渡的对策:第六届智慧城市与轨道交通国际学术峰会论文集C.济南:中国城市出版社,2019.3 席禹,陈波,袁智勇,等.基于 IEC61850 的配电自动化终端建模与测试需求研究J.电测与仪表,2020,(7).4 李重庆,董如亚,卞秋野,等.基于 IEC61850 的智能变电站高压线路保护建模J.山东电力技术,2020,(5).5 唐骏文.基于 IEC61850 的配电网自动化信息模型分析及仿真研究D.广东:广东工业大学,2020.6 武玉萍,邵雪瑾,郭科,等.基于 LGOS 和 LSVS 逻辑节点的变电站虚端子对接设计研究J.能源与环保,2021,(12).7 何柏杉,唐玫汪,润泽,等.既有牵引变电所智能化改造实施方案J.电器工业,2021,(6).8 王培林,宋小丽,王涵宇,等.智能变电站虚端子辅助自动设计系统J.电力系统保护与控制,2020,(5).9 倪赛赛,张坤贤,苟永耀.智能站配置文件规范性分析与整改措施研究J.电气自动化,2021,(1).10 王朝锋.一种牵引供电系统直流馈线保护的准确设计J.建筑电气,2019,(5).(责任编辑:王风)46西安轨道交通职业教育研究