何治新，馮志翔，高宇膺，周 丹，李宇琦，劉永生，徐起陽

0 引言

隨著城市化進程的發(fā)展，城市人口不斷增加，規(guī)模不斷擴大，對城市交通系統(tǒng)提出了更高的要求。地鐵作為一種現(xiàn)代化運輸方式，具有快速、運量大、節(jié)省地面空間等優(yōu)點，在許多城市得到快速發(fā)展。為保障地鐵穩(wěn)定可靠運行，地鐵直流牽引供電系統(tǒng)采取合理的運行方式運行至關(guān)重要。

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)在運行中需要對上網(wǎng)隔離開關(guān)及越區(qū)隔離開關(guān)進行控制，實現(xiàn)多種直流供電方式。由于隔離開關(guān)不具備滅弧能力，為使其安全地完成分合閘操作，隔離開關(guān)的控制需要與相鄰的隔離開關(guān)以及斷路器位置相關(guān)聯(lián)，因此隔離開關(guān)與上網(wǎng)相應(yīng)的直流饋線斷路器位置存在聯(lián)鎖關(guān)系。對于越區(qū)隔離開關(guān)，除了與本站上網(wǎng)隔離開關(guān)位置存在聯(lián)鎖關(guān)系之外，還與相鄰兩站的上網(wǎng)隔離開關(guān)位置以及供電區(qū)段內(nèi)其他越區(qū)隔離開關(guān)位置存在聯(lián)鎖關(guān)系[1]。

本文將對地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中隔離開關(guān)聯(lián)鎖功能的現(xiàn)有實現(xiàn)方式進行分析，在此基礎(chǔ)上探討研究利用數(shù)字化通信技術(shù)實現(xiàn)聯(lián)鎖功能的方法與應(yīng)用，提出基于GOOSE通信的地鐵隔離開關(guān)聯(lián)鎖方案。

1 隔離開關(guān)聯(lián)鎖方案技術(shù)現(xiàn)狀

地鐵直流供電系統(tǒng)隔離開關(guān)的聯(lián)鎖需要通過對相關(guān)聯(lián)的直流斷路器與隔離開關(guān)位置進行邏輯判斷來實現(xiàn)。因此，采集相關(guān)聯(lián)的開關(guān)位置，并將其接入或送入閉鎖邏輯判斷回路，是隔離開關(guān)進行防誤閉鎖判斷、實現(xiàn)聯(lián)鎖功能的前提。

圖1給出了包含3個牽引變電所（A、B、D）的地鐵直流牽引供電系統(tǒng)示意圖。傳統(tǒng)的隔離開關(guān)聯(lián)鎖大多是利用硬接線將所需要的開關(guān)位置引接到上網(wǎng)隔離開關(guān)控制柜，采取在柜內(nèi)安裝閉鎖繼電器的方式[2]，隔離開關(guān)的聯(lián)鎖利用直流斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備的輔助接點，在二次電氣控制回路通過繼電器形成“與”和“或”的邏輯關(guān)系，根據(jù)邏輯關(guān)系的輸出結(jié)果對隔離開關(guān)操作電源回路的接通與斷開進行控制，從而達到對一次設(shè)備控制聯(lián)鎖的目的。

為實現(xiàn)上網(wǎng)隔離開關(guān)和越區(qū)隔離開關(guān)的聯(lián)鎖功能，當(dāng)聯(lián)鎖邏輯較復(fù)雜時，繼電器數(shù)量通常較多。

圖1 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)示意圖

對于圖1中2111、2131、2121、2141上網(wǎng)隔離開關(guān)，其邏輯控制需要獲取所在饋線的斷路器位置。上網(wǎng)隔離開關(guān)2111的控制邏輯如圖2所示。

對于2113、2124上網(wǎng)隔離開關(guān)，其邏輯控制涉及到相鄰所的4個開關(guān)，對于一個牽引所的2個越區(qū)隔離開關(guān)就涉及到相鄰所8個開關(guān)。越區(qū)隔離開關(guān)2113的控制邏輯如圖3所示。

圖2 上網(wǎng)隔離開關(guān)2111控制邏輯

圖3 越區(qū)隔離開關(guān)2113控制邏輯

傳統(tǒng)的隔離開關(guān)控制需要依賴大量的控制電纜及繼電器構(gòu)成電氣聯(lián)鎖回路，特別是越區(qū)隔離開關(guān)的控制需要獲取較遠距離的相鄰牽引所的位置信息，該方案存在以下風(fēng)險：

（1）通道狀態(tài)無法實時監(jiān)測?，F(xiàn)有聯(lián)鎖設(shè)備位置信號采用電信號傳遞，信號的傳遞需要通過電纜實現(xiàn)。電纜通道異常通常難以被及時發(fā)現(xiàn)，存在開關(guān)位置信號無法傳遞的風(fēng)險，特別是越區(qū)隔離開關(guān)聯(lián)鎖判斷需要相鄰牽引所內(nèi)的開關(guān)位置信息，信號傳輸距離遠，只能通過定期巡檢來降低風(fēng)險。

（2）隔離開關(guān)聯(lián)鎖設(shè)備通常置于地下，然而地下環(huán)境濕度較大，聯(lián)鎖設(shè)備中的繼電器和輔助觸點的耐腐蝕能力較差，使得隔離開關(guān)聯(lián)鎖設(shè)備損壞率較高。

（3）隔離開關(guān)聯(lián)鎖設(shè)備是通過輔助接點在二次電氣控制回路中有條件地連接實現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯，其二次接線多且復(fù)雜，為設(shè)備檢修帶來極大困難。

（4）相鄰牽引所之間開關(guān)位置信息通過電信號傳遞，電信號傳遞的距離有限且抗干擾能力差，加之城市軌道交通中牽引變電所之間距離較長、地下環(huán)境電磁干擾大，導(dǎo)致電信號傳遞的穩(wěn)定性較差，容易引起數(shù)據(jù)接收錯誤。

通過上文分析，傳統(tǒng)地鐵直流隔離開關(guān)聯(lián)鎖方案在實際應(yīng)用時可靠性、實時性較差，將導(dǎo)致安裝施工以及后期運營維護難度較大。針對該問題，提出基于GOOSE通信技術(shù)的直流隔離開關(guān)數(shù)字聯(lián)鎖方案。

2 數(shù)字聯(lián)鎖方案

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是光纖通信技術(shù)發(fā)展日趨成熟，十多年來基于IEC 61850標準的數(shù)字化變電站大面積鋪開建設(shè)，其運行穩(wěn)定可靠性得到了充分驗證。在地鐵交流供電系統(tǒng)中，光纖差動保護以及基于數(shù)字化GOOSE通信的數(shù)字電流保護等技術(shù)也已大量應(yīng)用，無論是系統(tǒng)的穩(wěn)定性還是實時性都達到了一個全新的高度，這為通過數(shù)字化GOOSE通信技術(shù)實現(xiàn)隔離開關(guān)聯(lián)鎖功能提供了技術(shù)保障。

2.1 所間傳輸無纜化

通過上文可知，實現(xiàn)隔離開關(guān)聯(lián)鎖功能，首先應(yīng)能夠可靠地獲取所需的本所以及相鄰所開關(guān)位置信號。通過在每個牽引所配置具備數(shù)字化GOOSE功能的智能測控裝置，完成對本所各類所需開關(guān)位置信息的采集，將各所智能測控裝置分別接入所內(nèi)GOOSE通信交換機，利用牽引所區(qū)間光纜將各所的交換機級聯(lián)完成GOOSE通信組網(wǎng)，裝置通過GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)，利用GOOSE通信技術(shù)即可實現(xiàn)所間開關(guān)位置信息的交互共享[3]。

典型GOOSE通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 牽引所典型GOOSE通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.2 邏輯聯(lián)鎖虛擬化

智能測控裝置獲取本所和相鄰所的開關(guān)位置信息后，在裝置內(nèi)部將開關(guān)量信息進行邏輯組合，其邏輯如圖5所示，其中鄰所開關(guān)位置通過GOOSE通信傳遞給本所智能測控裝置。圖6為智能測控裝置控制回路示意圖，其中1907、1908和2010、2011分別為合閘、分閘閉鎖接點，將這些閉鎖接點串聯(lián)在隔離開關(guān)的控制回路中，通過邏輯判斷控制閉鎖接點分合。當(dāng)智能測控裝置判斷閉鎖條件滿足時，通過控制閉鎖接點動作來切斷控制回路；當(dāng)判斷閉鎖條件不滿足時，通過控制閉鎖接點復(fù)歸來恢復(fù)控制電源，從而實現(xiàn)上網(wǎng)隔離開關(guān)與越區(qū)隔離開關(guān)的聯(lián)鎖控制。

圖5 越區(qū)隔離開關(guān)2113虛擬化控制邏輯

圖6 智能測控裝置控制回路示意圖

上述方案采用IEC 61850標準的GOOSE通信機制，交換機的數(shù)據(jù)處理時間與光信號的傳輸時間分別為微秒級與納秒級，可以忽略不計。信號從本所裝置發(fā)出到GOOSE通信網(wǎng)內(nèi)所有裝置接收到，整個傳輸過程時延不超過4 ms，完全滿足隔離開關(guān)閉鎖功能的實時性要求。另外，GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)具有較強的抗干擾能力、較遠的傳輸距離以及較大的數(shù)據(jù)傳輸量，并可對通信通道進行實時監(jiān)測。

2.3 方案特點

數(shù)字化GOOSE通信聯(lián)鎖方案利用GOOSE通信組網(wǎng)取代控制電纜，軟件邏輯編程取代硬接線繼電器搭建邏輯，與傳統(tǒng)方案相比較，具有以下特點：

（1）以硬接線方案為例，其信號傳輸延時經(jīng)常大于30 ms，數(shù)字化GOOSE通信聯(lián)鎖方案采用GOOSE通信技術(shù)，信號傳輸延時最小縮短到2 ms，且不隨跨所數(shù)量的增加而增加，另外聯(lián)鎖邏輯直接在智能測控裝置中實現(xiàn)，沒有中間通信環(huán)節(jié)，因此可以快速實現(xiàn)聯(lián)鎖功能，實時性更好。

（2）傳統(tǒng)方案中所間電纜鋪設(shè)較多，邏輯聯(lián)鎖功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對控制電纜缺少檢測手段，易發(fā)生誤操作。數(shù)字化GOOSE通信聯(lián)鎖方案通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)實時傳遞開關(guān)位置狀態(tài)，并可實現(xiàn)GOOSE通信的通道實時自檢，相當(dāng)于對二次回路實時自檢，因而可靠性更高。

（3）數(shù)字化GOOSE通信聯(lián)鎖方案通過光纖通信以及可視化軟件編程等手段，實現(xiàn)了直流供電系統(tǒng)隔離開關(guān)聯(lián)鎖功能，降低了聯(lián)鎖邏輯實現(xiàn)的復(fù)雜度，解決了二次電纜維護困難等問題，增強了隔離開關(guān)聯(lián)鎖操作的便捷性。

3 工程應(yīng)用

目前，基于GOOSE通信的隔離開關(guān)數(shù)字聯(lián)鎖方案已在國內(nèi)某地鐵線路成功得到應(yīng)用，全線省去所有的所間二次控制電纜，節(jié)約建設(shè)成本近百萬元，不僅縮短了直流供電系統(tǒng)的建設(shè)周期，而且為直流聯(lián)鎖的免定檢和弱維護提供了可能，取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。圖7所示為地鐵智能測控裝置現(xiàn)場安裝效果。

圖7 智能測控裝置現(xiàn)場安效果

牽引供電系統(tǒng)如圖1所示。各牽引所智能測控裝置通過控制電纜采集本所的開關(guān)位置后，通過GOOSE報文將開關(guān)位置信息發(fā)送到GOOSE通信網(wǎng)中。智能測控裝置負責(zé)所內(nèi)越區(qū)隔離開關(guān)2113、2124，上網(wǎng)隔離開關(guān)2111、2131、2121、2141控制的聯(lián)鎖邏輯，通過GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)接收到相鄰所的213、2113開關(guān)位置以及C所的211、2113開關(guān)位置。

圖8為由智能測控裝置內(nèi)嵌的可視化工具軟件搭建的聯(lián)鎖邏輯，利用可視化軟件分別完成隔離開關(guān) 2111、2113、2131聯(lián)鎖邏輯組態(tài)，并安裝到智能測控裝置，可實現(xiàn)按照聯(lián)鎖邏輯對應(yīng)聯(lián)鎖輸出接點的分合控制。最后，將對應(yīng)輸出接點分別串聯(lián)在2111、2113、2131就地控制與遠方控制回路中。當(dāng)條件滿足時，智能測控裝置輸出接點閉合，控制回路導(dǎo)通，隔離開關(guān)可以進行分、合操作；當(dāng)條件不滿足時，輸出接點斷開，控制回路斷開，隔離開關(guān)將不能進行分、合操作，從而實現(xiàn)隔離開關(guān)的聯(lián)鎖功能。

圖8 可視化軟件聯(lián)鎖邏輯配置

4 結(jié)語

數(shù)字化GOOSE通信聯(lián)鎖方案以智能電網(wǎng)技術(shù)為平臺，以實時GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)代替電纜，軟件可視化編程代替繼電器硬接線搭建邏輯，實現(xiàn)了直流供電系統(tǒng)隔離開關(guān)聯(lián)鎖功能的所間傳輸無纜化與聯(lián)鎖邏輯虛擬化。該方案解決了已有聯(lián)鎖方案可靠性與實時性差、維護難、投資成本高等問題，進一步提高了地鐵直流供電系統(tǒng)的智能化水平，具有較高的實用價值與可行性。