基于GOOSE服务的数字电流保护在地铁的应用

基于GOOSE服务的数字电流保护在地铁的应用

摘要：介绍在长沙地铁3号线供电系统的构成。介绍即有线路基于串行通信方

式的数字电流保护的不足，对地铁3号线采用基于GOOSE服务的数字电流保护方案。简述基于GOOSE服务的数字电流保护的网络构成及保护动作分析。

关键词：地铁，GOOSE，数字电流保护

地铁供电系统主要由主变电所、牵引变电所、变配电系统组成，通过地铁供电系统为电

动列车及其他子系统提供安全可靠的电源，若地铁供电系统不能正常可靠运行，就会严重威

胁地铁的安全可靠运行，并危及乘客生命财产安全和社会稳定。因此，地铁供电系统安全、

可靠运行是地铁安全、可靠运行的重要保证。

1、长沙地铁3号线供电系统构成

长沙地铁3号线线路全长36.415km，全线均为地下车站，共设车站25座，1座停车场及1座车辆段，平均站间距1.49km。供电系统采用110/35kV的集中供电方式，在星沙大道站

附近新建星沙大道主变电所，并利用1号线新中变主变电所向本线供电。每座主变电所均从

城市电网系统引入两路独立的110kV电源，互为备用。一般每个车站设一座35/0.4kV降压变

电所，对于用电负荷较大的车站、车辆段可根据具体情况增加跟随式降压变电所。35kV供电

系统采用集中供电方式向地铁各个变电所供电。3号线全线共分为4个供电分区，每个供电

分区直接从主变电站引入两路35kV电源，其他变电所则从相邻变电所引入两路35kV电源。

为了在某一座主变电站退出运行时能够保证地铁供电系统正常供电运行，在烈士公园东站变

电所设置环网联络开关，此环网联络开关在正常运行时处于分断状态。

由于长沙地铁3号线采用大环网供电方式，早期光纤差动保护加过流后备保护的方案已

经不能满足供电系统的可靠性要求，而长沙地铁即有线路采用的基于串行通信方式的数字电

流保护存在接入保护装置数量和装置I/O口数量限制、硬接线固有延时长、不能进行通道检

测等缺点，根据以上论述，长沙地铁３号线采用基于GOOSE网络的数字电流保护方案。

2、基于GOOSE服务的数字电流保护网络构架介绍

长沙地铁3号线采用IEC61850协议为基础规约，将过程层通信与站控层通信分开设置，

提高系统可靠性。站控层通信通过屏蔽双绞线接入站内串口服务器，串口服务器提供两路光

纤以太网接口，接至通信控制器。过程层通信采用双GOOSE网络结构，每台继电保护装置分别接入两台GOOSE网络交换机，站间网络交换机通过光纤连接在一起，将同一供电分区所有保护装置连接起来，实现各个保护装置的联跳及闭锁信息、开关量信息、联跳信息等在GOOSE网络内相互交换。当出现故障时，电流后备保护装置通过信号比选、逻辑判断，快速

判别线路故障区段，并且有选择地快速地切除故障线路。

长沙地铁3号线保护系统组网方案如图1所示：

图1

该方案采用双GOOSE网络冗余方式提高网络安全性能，当隧道内光纤损坏或交换机故障，通过冗余GOOSE网络自动切换到另一条GOOSE网络通道。并增加GOOSE断链检测，建立快

速应对机制（闭锁与开放），当两路GOOSE网络都发生通信故障，数字通信电流保护自动退出，不影响传统保护功能。GOOSE通信故障的检出时间最大为0.5秒。

3、基于GOOSE服务的数字电流保护动作分析

根据长沙地铁3号线供电系统的特点，35kV环网供电系统故障主要发生在区间环网电缆、馈线和母线( 即图2中K1，K2，K3故障点) ，以下分别对各故障点的保护动作行为进行具体

分析。

图2

3.1、区间环网电缆故障( K1)

3.1.1当环网光纤差动保护（主保护）正常情况时， K1处发生故障时，由差动保护装置

跳开线路两端进、出线断路器302和304，切除故障。

3.1.2当环网光纤差动保护（主保护）异常时， K1处发生故障时，由于差动保护异常，

故障线路两端差动保护将被闭锁，同时通过GOOSE网络发送信号开放本柜数字电流保护，出线断路器304处的数字电流保护启动，跳开环网出线断路器304，进线柜电流后备保护装置

通过GOOSE网络发送联跳信号至环网对侧进线断路器302处，并跳开环网对侧出线断路器302。由于同一线路的其他环网进出线之间的光纤通讯均正常，相邻上级环网进出线断路器

处同时检测到故障电流，进出线电流后备保护装置都会发送并接收到电流闭锁信号，均不会

动作。

3.1.3当环网出线柜保护装置通讯异常时，通过冗余GOOSE网络自动切换到另一条GOOSE网络通道。若两条GOOSE网络通道都出现通讯故障时，则出线柜断路器电流保护装

置启动数字电流后备保护，动作于断路器，切除故障。

3.2、馈线故障( K2)

当故障点在K2处时，馈线断路器362和同母线进线断路器302都会检测到故障电流，当馈线断路器362处检测到故障电流时保护装置通过GOOSE网络发送电流闭锁信号，同母线进线断路器302保护装置收到此电流闭锁信号后闭锁本柜电流保护，由于故障来自馈线上时，

数字电流保护将被闭锁，所以馈线上有故障时由保护装置的常规保护功能动作跳开断路器，

切除故障，而进线断路器302处因接收到馈线处的电流闭锁信号保护不会误动，有效地区分

了母线故障和馈线故障。

故障发生在K2处时，馈线断路器362失灵，馈线保护装置通过GOOSE网络发送联跳信

号至同母线的进出线断路器及母联断路器处，302、304和300处保护装置收到此联跳信号后，各自跳开相应位置的断路器。切除故障。

3.3、母线故障( K3)

正常情况35kV系统供电方式（分裂运行）下，K3处故障时，Ⅱ段母线上的环网出线304、馈线362、母联300处都没有故障电流流过，但Ⅱ段母线上环网进线302处及上级变电所进

出线302、304处保护都可以检测到故障电流，但上级变电所的进线柜302、出线柜304处电

流后备保护装置都会收到对侧电流闭锁信号，保护不会误动，故障点所在变电所进线柜302

处电流后备保护装置没有收到对侧电流闭锁信号，数字电流保护动作跳开进线柜断路器302，并通过GOOSE网络发送联跳信号至同母线出线断路器304及本站母联断路器300，跳开各自

断路器，切除故障。

35kV供电系统并列运行情况下，K3处故障时，无论母线是通过哪一路电源供电，母联柜保护装置都只会接收到一段母线发出的电流闭锁信号，若同时接收到两段母线上发出的电流

闭锁信号，则认为母线区外故障，闭锁数字电流保护，从而实现保护的选择性。母联保护利

用这一特性来判断故障出现在K3处。若图2中300断路器合位且35kVⅡ段进出线断路器在

分位，K3处故障时，则I段母线进线302及母联300保护装置检测到故障电流，从而判断故

障点在Ⅱ段母线，通过母联保护装置跳开300，切除故障。因进线断路器302处接收到母联300处保护装置通过GOOSE网发出的电流闭锁信号，保护不动作。

4、结语

长沙地铁使用基于GOOSE网络服务的数字电流保护方案可以提升大环网35kV供电系统

的可靠性，同时保留了传统的光纤差动保护和过流保护功能，弥补了传统保护方案中母线保

护性能不足的问题，使用双GOOSE网冗余组网方式可以有效解决通信网络保护的安全性问题，采用基于GOOSE网服务的数字电流保护方案易于实施，不增加保护装置和二次接线有利于减少投资，同时减少后期运行维护人员的工作量。

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