地铁中压环网保护系统间隔层组网优化方案

李永征，范三龙，管金酉，孙金华

地铁中压环网保护系统间隔层组网优化方案

李永征，范三龙，管金酉，孙金华

基于地铁供电系统中压环网数字化保护系统中变电所内和所间的保护装置通过间隔层GOOSE网络通信实现环网母线及电缆故障的快速定位、切除，本文方案采用VLAN交叠方式，实现GOOSE报文在网络中定向、限定区域传输，可有效限制广播包的传输范围，提高网络效率，增强系统稳定性和安全性。

地铁；供电系统；GOOSE网络；VLAN

0 引言

近年来，国内城市轨道交通电力中压环网大多采用“线路光纤纵差保护+过电流保护”配置方案[1]。过电流保护作为环网电缆短路故障的后备保护和变电所中压母线短路的主保护，动作时限采用逐级配合方式。对于大环网供电，该时限配合方式很难满足保护选择性要求，发生故障时造成多个变电所同时停电，影响运输秩序，尤其是母线短路故障及差动退出运行时的电缆故障，过电流保护需经较长的延时才能切除故障。此外，逐级配合方式导致靠近电源点处的过电流保护动作时限较长，不利于故障快速切除。

本文所述方案涉及地铁供电系统数字化保护领域。该方案通过优化间隔层组网配置，提高网络效率，保护装置间通过间隔层GOOSE网络交换保护启动、动作和开关位置信息，实现环网母线及电缆故障的快速定位、切除。

1 方案综述

随着数字化保护系统中GOOSE网络通信技术的发展，城市轨道交通中压供电系统全线保护装置间互联互通和信息共享的数字化保护技术能够实现更高等级的保护功能，能够快速、有选择性地跳闸。该保护系统采用间隔层GOOSE网络，实现所内和所间设备之间的通信和信息共享，保护装置通过GOOSE网络监视上级开关及下级开关的保护动作情况，通过逻辑判断实现环网母线及电缆故障的快速定位、切除。

环网数字化保护系统的间隔层GOOSE网络是由线路沿线变电所之间的交换机级联组成的链形网络。如图1所示。

GOOSE报文为组播报文，组播报文在交换机中如果不作任何配置管理，大量GOOSE报文同时产生时可能引起接收装置网卡缓冲区溢出或网络负荷瞬时过重而造成报文丢失。GOOSE网络采用顺序重发机制，即使没有事件发生，网络上也有大量“心跳”组播报文存在，如果不进行合理的组播报文过滤，网络上所有保护装置发出的组播报文都会被接收，这将严重影响保护装置的通信和数据处理能力。当电力系统发生故障时，多个保护装置同时发出大量间隔时间很短的GOOSE报文，可能引起网络超载、通信延迟、保护装置网卡接收缓冲区溢出而丢失报文，从而导致保护装置的动作时间变长，或不能可靠动作。因此，采取有效的方法对GOOSE组播报文进行传输限定、隔离过滤是十分必要的。

图1 地铁中压环网保护系统网络结构

基于交换机虚拟局域网VLAN和组播通信技术，结合GOOSE报文传输机制，2种方法可以实现GOOSE组播过滤：交换机VLAN隔离和交换机组播过滤。

本方案采用VLAN交叠方式，可以有效限制广播包的传输范围[2，3]。通过划分VLAN，并进行端口限制，交换机将广播报文限制在特定VLAN的作用范围内，提高了网络资源的利用效率，缩小了网络风暴影响范围，提高了系统安全性和稳定性。通过配置VLAN，实现网络上不同VLAN之间逻辑隔离，从而确保信息访问的安全。

2 方案设计要点

保护系统间隔层组网方案适用于地铁、轻轨等城市轨道交通中压环网供电系统，实现环网母线及电缆故障的快速定位、切除。其设计要点如下：

（1）地铁中压环网变电所数字化保护系统由环网进出线保护、母联保护、馈线保护等保护装置和以太网交换机等组网设备组成。各保护的GOOSE网口之间通过以太网交换机组成星形局域网，线路沿线的变电所交换机通过所间光纤级联形成一个大型链形局域网。

（2）同一变电所内的保护装置之间、相邻变电所的进出线保护装置之间需要通过GOOSE网络交换开关位置、保护启动、保护出口的实时信息；不相邻的变电所之间不需要信息交换，需要隔离其间的GOOSE报文。

（3）每个所交换机分配一个唯一的VLAN ID，并配置前后相邻所的VLAN ID，使其能够识别、接收相邻所的报文。

（4）在交换机上，参与交换GOOSE信息的端口包括保护装置端口和相邻所级联端口，均配置为Trunk端口，使其能接收、识别多个VLAN的报文。在所间级联端口上设置VLAN禁止端口，阻断GOOSE报文向远端、无关的变电所传播。

（5）设置数字通信电流保护功能，通过GOOSE网络接收相邻变电所同一线路开关过电流保护的启动信号及本所同一母线上其他所有开关过电流保护的启动信号，并结合本装置的过流启动信号来智能判断出故障区段，确认是电缆故障还是母线故障，实现选择性跳闸。

（6）设置数字通信零序电流保护功能，通过GOOSE网络接收相邻变电所同一线路开关零序电流保护的启动信号及本所同一母线上其他所有开关零序电流保护的启动信号，并结合本装置的零流启动信号对故障区段进行智能化判断，确认是电缆故障还是母线故障，实现选择性跳闸。

3 方案实施

间隔层GOOSE网络的组建和配置步骤如下：

（1）每个变电所配置2台工业级以太网交换机，变电所之间采用8芯光缆（4芯备用）连接相邻所交换机，构成全线的热备用双网。交换机需满足IEC 61850-3标准对工业以太网交换机环境和电磁兼容的要求，支持IEEE 802.1P标准以太网报文优先级，支持丰富的虚拟局域网（VLAN）技术特性，有效防止广播风暴并实现安全隔离。

（2）每个所的交换机均配置3个静态VLAN，ID分别为本站的VLAN ID、上一相邻站的VLAN ID（向上级联），下一相邻站的VLAN ID（向下级联）。在向上级联的VLAN中设置禁止端口，该端口为向下级联端口；在向下级联的VLAN中设置禁止端口，该端口为向上级联端口。

（3）为每个所的交换机配置端口。将所有端口的PVID都设置成本地的VLAN ID，PORT1为向上级联端口，PORT2为向下级联端口，PORT3-8为需要和相邻变电所进行GOOSE通信的进出线保护装置端口。将上述端口设置为Trunk端口，其他的端口设置为Edge端口，供不需要与相邻所交换信息的保护装置使用。PORT1和PORT2的PVID Format为Tagged（传出的报文加VLAN标签）格式，其他的为Untagged（传出的报文不加VLAN标签）格式。

经上述配置，每个变电所的本地VLAN作用域都覆盖了本所和上下相邻所，起到了VLAN交叠的效果。每个变电所保护装置发送的报文只传输至本所和上下相邻所的交换机中，不会再向更远的变电所传输。每个进出线保护装置均可收到本所和相邻所保护装置发送的GOOSE报文，其余保护装置仅能收到所内装置发出的GOOSE报文，有效隔离了GOOSE报文在全网的传输，提高了GOOSE网络的利用效率，缩小了“网络风暴”的传播范围。

4 方案效果

数字化线路保护测控装置可作为变电所的进出线后备保护配置，通过上述间隔层GOOSE网络交换信息实现对各电缆和母线的保护，以数字通信过流功能为例进一步说明。

（1）电缆故障跳闸。当该装置的过电流保护启动，在整定的延时内如果未接收到相邻变电所同一线路装置的过电流保护启动GOOSE信号，且与该装置GOOSE通信正常，电流延时大于数字通信过流时间的整定值，保护装置判断为电缆故障，跳本线路开关，并发出GOOSE信号联跳相邻变电所同一线路开关。

（2）母线故障跳闸。当该装置的过电流保护启动，在整定的延时内如果未接收到本变电所同一母线上其他所有装置的过电流保护启动GOOSE信号，且与这些装置的GOOSE通信均正常，电流延时大于数字通信过流时间的整定值，保护装置判断为母线故障，跳本线路开关，并发出GOOSE信号联跳相邻变电所同一线路开关。

轨道交通环网供电系统在各种运行方式下出现故障时，数字通信保护组网方案均能满足保护的选择性、速动性、灵敏性及可靠性要求，并能够按照数字通信保护方案准确动作。采用VLAN交叠方式配置管理网络，可有效限制广播包的传输范围，提高网络效率，提高系统稳定性和安全性。该技术方案已成功获得发明专利授权证书（专利授权号：ZL 2014 1 0573421.3）。

5 结语

本文所述方案涉及地铁行业供电系统数字化保护领域，可优化间隔层组网配置，提高网络效率，保护装置间通过间隔层GOOSE网络交换保护启动、动作和开关位置信息，实现环网母线及电缆故障的快速定位、切除。该技术方案已成功应用于多个地铁工程牵引供电自动化系统中。随着城市轨道交通建设的快速发展，该方案产品拥有广阔的市场

前景，并将带来良好的经济效益和社会效益。

[1]贺敏.一种适用于中低压短线路的光纤纵差保护方案[J].电力系统保护与控制，2003，31（9）：31-34.

[2]冯登国.网络安全原理与技术[M].北京：科学带出版社，2009：37-85.

[3]MAIWALDE.网络安全基础教程[M].马海军，王泽波译，北京：清华大学出版社，2005，33-40.

On the basis of quick locating and removing of faults occurred at bus bars and cables of loop network realized via GOOSE network communication between bay layers of protection equipment of substation or between substations,which is covered by the medium voltage loop network digitalized protection system.The scheme involved in the paper realizesthelocating of GOOSEmessages in thenetwork and the transmission in therestricted area,restricts effectively the scope of transmission of broadcasting package,increases the network efficiency,and strengthens the stability and security of thesystem.

Subway;power supply system;GOOSEnetwork;VLAN

U231.8

A

1007-936X(2017)06-0044-04

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.012

李永征.南京国电南自轨道交通有限公司，高级工程师，研究方向为轨道交通变电站自动化；

范三龙，孙金华.南京国电南自轨道交通有限公司，高级工程师；

管金酉.南京国电南自轨道交通有限公司，工程师。

2017-04-07