王麗霞

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043; 2.軌道交通信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

近年來，城市軌道交通建設(shè)進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期，出于可靠性和經(jīng)濟(jì)性的原因，大多城市地鐵選擇了集中供電模式，各車站電源來自中壓環(huán)網(wǎng)。傳統(tǒng)的地鐵中壓保護(hù)采用光纖差動(dòng)保護(hù)+過電流保護(hù)(零序電流保護(hù))，該保護(hù)存在時(shí)限級差配合的局限性，導(dǎo)致供電分區(qū)小，電纜投資大。文獻(xiàn)[1]提出了一種適合低壓短距離單端電源供電的鏈?zhǔn)竭^電流保護(hù)方案，為地鐵中壓環(huán)網(wǎng)保護(hù)消除時(shí)限配合提供了理論基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[2]提出將電流選跳原理應(yīng)用于地鐵環(huán)網(wǎng)保護(hù)；隨后，一些基于電流選跳原理的環(huán)網(wǎng)保護(hù)和改進(jìn)方案陸續(xù)被提出[3-6]。早期基于電流選跳的保護(hù)方案主要作為環(huán)網(wǎng)的后備保護(hù)，未對母線保護(hù)和饋線保護(hù)進(jìn)行分析，后期一些文章如文獻(xiàn)[7]提出了一種能夠判別饋線故障和母線故障的數(shù)字通信過電流保護(hù)方案，該方案使用電流選跳原理解決了環(huán)網(wǎng)間的時(shí)限配合，但變電所內(nèi)部各級的配合仍有賴于各種復(fù)雜的邏輯和時(shí)限配合，保護(hù)響應(yīng)時(shí)間較長。利用電流選跳原理，采用數(shù)字通信方式的地鐵環(huán)網(wǎng)保護(hù)，擴(kuò)大了供電分區(qū)，節(jié)約了投資，減小了線路無功功率，但是隨著地鐵中壓回饋再生制動(dòng)技術(shù)、光伏發(fā)電等新技術(shù)的逐步投入應(yīng)用，環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的電流選跳技術(shù)難以滿足現(xiàn)代節(jié)能型牽引變電所的保護(hù)需求。

隨著IEC61850的提出和通信技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)利用GOOSE網(wǎng)絡(luò)全面收集故障信息，利用各種信息完成全面選跳的保護(hù)方案成為可能。本文旨在研究利用這些技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)地鐵中壓全面保護(hù)方案，能夠在適應(yīng)現(xiàn)代地鐵大分區(qū)供電的同時(shí)，同時(shí)適應(yīng)接入分布式電源的系統(tǒng)，為新型地鐵供電系統(tǒng)的保護(hù)提供思路。

1 現(xiàn)代地鐵的供電特點(diǎn)和保護(hù)組網(wǎng)方案

1.1 電流選跳原理及其局限

地鐵環(huán)網(wǎng)是一種典型的鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)，由主變電站和若干牽引變電所/降壓變電所組成，數(shù)個(gè)變電所構(gòu)成一個(gè)供電分區(qū)；在早期設(shè)計(jì)中，由于受到保護(hù)級差配合的限制，每個(gè)供電分區(qū)由3～4個(gè)變電所組成，數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展突破了這一限制，使得供電分區(qū)擴(kuò)展到7～8個(gè)變電所，節(jié)約了電纜敷設(shè)成本，該技術(shù)的理論基礎(chǔ)為電流選跳原理。如圖1所示。

圖1 電流選跳原理示意

根據(jù)電流選跳的原理，故障區(qū)段定位于從電源側(cè)沿供電方向最后一個(gè)流過故障電流和第一個(gè)未流過故障電流的開關(guān)之間，如：當(dāng)c點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，DL1和DL2流過故障電流，DL3未流過故障電流，因此可以判定故障發(fā)生在c點(diǎn)所在的線路區(qū)間。此理論作用的前提，是電源的單一性，如圖2所示，傳統(tǒng)的集中型地鐵供電系統(tǒng)，是典型的鏈型供電結(jié)構(gòu)，電流從主變電站這一單一電源流出后，通過每個(gè)車站的進(jìn)出線柜，將一個(gè)供電分區(qū)級聯(lián)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并且無論供電方式如何改變，都是一個(gè)單電源系統(tǒng)(Ⅰ、Ⅱ段母線分開運(yùn)行)。但是隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)中加入了其他的電源來源，如中壓回饋型再生技術(shù)將機(jī)車再生制動(dòng)能量返送回35 kV網(wǎng)絡(luò)，光伏發(fā)電技術(shù)將露天建筑收集到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能注入地鐵供電系統(tǒng)，還有許多類型分布式發(fā)電所獲取的電能，在未來都有可能注入地鐵供電網(wǎng)絡(luò)。以中壓回饋再生制動(dòng)系統(tǒng)為例，當(dāng)正常工作時(shí)，主變電站通過環(huán)網(wǎng)向地鐵輸送電能，列車在不同運(yùn)行工況下分為取流、惰行和反送電流狀態(tài)。當(dāng)牽引變電所鄰近車輛的取流需求高于鄰近車輛的反送電能時(shí)，整流機(jī)組工作，直流饋線向接觸網(wǎng)輸送電能；當(dāng)牽引變電所鄰近車輛的反送電能多余周邊列車的取流需求時(shí)，直流母線電壓升高，再生制動(dòng)系統(tǒng)工作，將再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能通過逆變器和隔離變壓器反送至35 kV環(huán)網(wǎng)，供其他負(fù)荷使用。如圖2(c)所示，再生制動(dòng)在環(huán)網(wǎng)的接入點(diǎn)，即連接隔離變壓器的35 kV回路，可視為一個(gè)間斷性向環(huán)網(wǎng)注入電能的電源的進(jìn)線(根據(jù)設(shè)置，也可作為整流機(jī)組使用，進(jìn)行雙向變流)。當(dāng)發(fā)生圖2(d)所示位置的短路故障時(shí)，主變電站電源產(chǎn)生短路電流注入短路點(diǎn)，若再生制動(dòng)系統(tǒng)正好處于工作狀態(tài)，則該部分電能亦會(huì)在短路點(diǎn)產(chǎn)生短路電流。

圖2 地鐵環(huán)網(wǎng)供電方向示意

以圖3所示供電環(huán)網(wǎng)為例，利用電流選跳原理，分析故障點(diǎn)判定過程，當(dāng)A點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，D3、D4均流過故障電流，如短路時(shí)回饋系統(tǒng)正處于工作狀態(tài)，向母線輸送功率，則D7也會(huì)流過故障電流，如根據(jù)電流選跳原理的邏輯，故障將會(huì)錯(cuò)誤的判斷為D7和D8之間，即判定為母線故障，D4則不會(huì)動(dòng)作，故障無法切除。

圖3 地鐵中壓供電示意

分析功率流動(dòng)的特征，在正常情況下，任何一根電纜中，功率的電流的方向都是唯一的，只有當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí)，兩側(cè)保護(hù)檢測到的功率和電流均為注入到故障點(diǎn)，因此可以引入一個(gè)新的故障特征量，即功率方向。功率方向保護(hù)在電力系統(tǒng)中已得到比較廣泛的應(yīng)用，如文獻(xiàn)[14]描述了利用功率方向和通信如何自適應(yīng)判斷多電源網(wǎng)絡(luò)中的故障位置，文獻(xiàn)[15]通過IED在關(guān)聯(lián)域內(nèi)對負(fù)序功率方向信息進(jìn)行采集和共享，進(jìn)行廣域繼電保護(hù)。借鑒這些保護(hù)的思路，利用GOOSE網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞能力，設(shè)計(jì)了一個(gè)地鐵中壓全面保護(hù)方案。

1.2 GOOSE網(wǎng)絡(luò)和組網(wǎng)方案

基于時(shí)限的保護(hù)方案有諸多局限性，隨著數(shù)字通信技術(shù)在變電所保護(hù)中的應(yīng)用發(fā)展[10-12]，許多廣域保護(hù)方案亦被提出用以改進(jìn)各級電網(wǎng)的配合[8，9]，本文將借鑒這種廣域保護(hù)的思路，構(gòu)建適用于地鐵中壓保護(hù)的方案，廣域保護(hù)的基礎(chǔ)在于故障信息的獲取，而故障信息的傳輸有賴于GOOSE傳輸網(wǎng)絡(luò)[10-13]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化變電站的GOOSE組網(wǎng)方案也是逐步變化的，組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也分為單環(huán)網(wǎng)、雙環(huán)網(wǎng)和星型網(wǎng)絡(luò)多種結(jié)構(gòu)[10]?？紤]地鐵環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸量和可靠性需求，采用雙環(huán)網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，GOOSE網(wǎng)絡(luò)示意如圖4所示。

圖4 GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 保護(hù)方案和保護(hù)邏輯設(shè)置全面保護(hù)方案

智能保護(hù)的設(shè)置分兩種類型，一類是利用一個(gè)CPU進(jìn)行邏輯判斷，將判定結(jié)果發(fā)給各個(gè)開關(guān)柜；另一類各個(gè)開關(guān)柜單獨(dú)獲取信息進(jìn)行邏輯分析和判斷。為了加快判斷速度，提高可靠性，本文采用的方案為第二類分布式保護(hù)，即各個(gè)開關(guān)柜通過自身和從GOSSE獲取的特征量，判斷自身的斷路器是否動(dòng)作。以下給出各種類型斷路器柜的動(dòng)作工況和保護(hù)邏輯。

2.1 進(jìn)、出線保護(hù)

進(jìn)、出線保護(hù)在所連接的電纜發(fā)生短路故障時(shí)跳閘、在所連接的母線發(fā)生短路故障時(shí)跳閘、在所在變電所饋線短路時(shí)不跳閘，保護(hù)邏輯如圖5所示。

圖5 進(jìn)、出線保護(hù)邏輯示意

2.2 再生制動(dòng)回饋進(jìn)線開關(guān)保護(hù)

再生制動(dòng)回路短路故障或母線故障的情況下斷路器跳閘、饋線短路不跳閘。保護(hù)邏輯如圖6所示。

圖6 再生制動(dòng)進(jìn)線開關(guān)保護(hù)邏輯示意

2.3 母聯(lián)開關(guān)保護(hù)

母聯(lián)開關(guān)一般處于常分狀態(tài)，變電所一路失電情況下閉合；當(dāng)母聯(lián)閉合時(shí)，發(fā)生母線故障，母聯(lián)斷開，隨即與故障母線相連的進(jìn)出線開關(guān)斷開。保護(hù)邏輯如圖7所示。

圖7 母聯(lián)開關(guān)保護(hù)邏輯

2.4 饋線保護(hù)

饋線保護(hù)主保護(hù)采用電流速斷保護(hù)，過流保護(hù)和零序保護(hù)作為后備保護(hù)，流過故障電流時(shí)盡可能快的切除故障。保護(hù)邏輯如圖8所示。

圖8 饋線開關(guān)保護(hù)邏輯

圖5～圖8中母線側(cè)開關(guān)包含同段母線相連的進(jìn)出線開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)，饋線開關(guān)包括接于同段母線的所有饋線斷路器。零序保護(hù)判斷邏輯同過電流保護(hù)，不再贅述。

3 各種運(yùn)行工況的分析

以圖3所示的環(huán)網(wǎng)設(shè)置(為便于展示供電分區(qū)設(shè)置很小)為例，推演保護(hù)判定過程。由圖3可知，該供電網(wǎng)絡(luò)采用集中式供電模式，變電所采用單母線分段，在牽引所整流機(jī)組所在母線接入了中壓逆變再生制動(dòng)系統(tǒng)。全線有兩個(gè)主變電所，正常情況下，承擔(dān)各自供電分區(qū)的供電任務(wù)，當(dāng)一個(gè)主變電所解列時(shí)，由另一個(gè)主變負(fù)擔(dān)全線供電。下面分析各種故障情況下故障位置的判定過程。

3.1 環(huán)網(wǎng)故障

當(dāng)A點(diǎn)發(fā)生故障，D3、D4流過故障電流，D7是否流過故障電流與再生制動(dòng)設(shè)備投入運(yùn)行情況有關(guān)。若此時(shí)再生設(shè)備回饋未啟動(dòng)，則D7未流過故障電流，D3和主變出線斷路器相互閉鎖，不跳閘，D4和D7相互解鎖，判定故障區(qū)域在兩者區(qū)間，D4、D7跳閘，故障切除；若能量回饋導(dǎo)致D7流過故障電流，則判斷兩者的功率流動(dòng)方向相同，保護(hù)啟動(dòng)，D4、D7跳閘，故障切除。

3.2 母線故障

當(dāng)故障發(fā)生在B點(diǎn)時(shí)，D3、D4及D7斷路器均流過故障電流，D8斷流器未流過故障電流，饋線斷路器未流過故障電流，則判定母線故障，D7、D8斷路器滿足圖5所示邏輯，再生制動(dòng)進(jìn)線斷路器滿足圖6所示邏輯，所有進(jìn)出線開關(guān)跳閘，故障切除。

當(dāng)故障發(fā)生在D點(diǎn)時(shí)，若此時(shí)右側(cè)變電所的再生制動(dòng)回饋裝置正好投入運(yùn)行，則D3、D4和D7均有可能流過故障電流，D3被D4功率方向一致跳閘，故障切除，值得一提的是，當(dāng)上述情況發(fā)生時(shí)，D7和D8斷路器也符合圖5所示邏輯，回饋系統(tǒng)開關(guān)亦符合圖6所示邏輯，3個(gè)開關(guān)均處于電流流動(dòng)方向的下側(cè)，開關(guān)分?jǐn)嗖⒉粫?huì)影響供電，但會(huì)干擾故障位置的判定，因此在故障范圍判斷時(shí)需加入進(jìn)出線開關(guān)功率流動(dòng)方向作為判斷依據(jù)，發(fā)生故障的母線功率流動(dòng)方向必定為從開關(guān)流向母線。

3.3 饋線故障

當(dāng)故障發(fā)生在C點(diǎn)，D1、D2、D5以及饋線斷路器流過故障電流，判定為饋線故障，斷開相應(yīng)斷路器，迅速切除故障。

3.4 母線自動(dòng)裝置啟動(dòng)后保護(hù)

當(dāng)母線一側(cè)失壓后，母聯(lián)斷路器投入，但當(dāng)母線故障時(shí)，母聯(lián)不應(yīng)投入擴(kuò)大故障范圍，如C點(diǎn)故障，當(dāng)判定為環(huán)網(wǎng)故障后，M2、M3斷路器均投入運(yùn)行，此時(shí)B點(diǎn)發(fā)生故障，則流過故障電流的斷路器為D1、D2、D5、D6及母聯(lián)斷路器M2，環(huán)網(wǎng)斷路器均被對側(cè)開關(guān)閉鎖，母聯(lián)斷路器達(dá)到啟動(dòng)條件動(dòng)作，跳開母線斷路器，母線斷路器跳閘后，進(jìn)出線保護(hù)符合啟動(dòng)條件，D7和D8斷路器跳閘，故障切除。此時(shí)若饋線發(fā)生故障，則饋線斷路器閉鎖母聯(lián)斷路器，饋線斷路器跳閘。

3.5 通信故障和斷路器失靈

本文采用雙環(huán)網(wǎng)冗余的組網(wǎng)方式，通信故障的可能性非常小，若通信故障，則保護(hù)按照限時(shí)過流保護(hù)和零序保護(hù)執(zhí)行。根據(jù)保護(hù)邏輯，保護(hù)動(dòng)作前驗(yàn)證通信故障情況，若通信暢通，保護(hù)延時(shí)為通信和判斷所需最長時(shí)限，若通信故障，則開關(guān)不能獲得相鄰開關(guān)的信息，啟動(dòng)二段保護(hù)，時(shí)限可設(shè)置為0.6 s，僅根據(jù)本開關(guān)電流是否滿足保護(hù)啟動(dòng)條件，切除故障。

當(dāng)對斷路器發(fā)出跳閘信息，而斷路器未能按照指令分閘，則斷路器失靈保護(hù)啟動(dòng)，斷路器對上級斷路器發(fā)出跳閘信號，上級斷路器跳閘切除故障。

3.6 支援模式下的中壓保護(hù)

保護(hù)邏輯應(yīng)能滿足不同運(yùn)行方式和局部特殊結(jié)構(gòu)的保護(hù)選擇性需要，針對本線的特點(diǎn)，校驗(yàn)主變支援供電方式保護(hù)邏輯。如圖3所示環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)主變1解列時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合，由主變電站2負(fù)責(zé)圖中所示各站的供電。

(1)當(dāng)A點(diǎn)發(fā)生環(huán)網(wǎng)短路故障時(shí)，流過故障電流的開關(guān)如圖9所示(虛線框內(nèi)為流過故障電流的開關(guān))。D19、D20、D15、D16、D11、D12和D8均被環(huán)網(wǎng)對端保護(hù)閉鎖，不會(huì)跳閘；D7和D4符合圖9所示邏輯，保護(hù)跳閘，切除故障；再生制動(dòng)能饋系統(tǒng)若正好處于運(yùn)行狀態(tài)且短路電流達(dá)到整定值，也退出運(yùn)行。保護(hù)選擇性可以滿足，保護(hù)整定值無需調(diào)整。

圖9 支援模式下的環(huán)網(wǎng)故障

(2)當(dāng)B點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，支援模式下的母線故障如圖10所示(虛線框內(nèi)為流過故障電流的開關(guān))，D19、D20、D15、D16、D11、D12均被環(huán)網(wǎng)對端保護(hù)閉鎖，不會(huì)跳閘；D7和D8符合圖5所示邏輯，判定為母線故障，保護(hù)跳閘，切除故障；再生制動(dòng)能饋系統(tǒng)若正好處于運(yùn)行狀態(tài)且短路電流達(dá)到整定值，斷路器跳閘。

圖10 支援模式下的母線故障

(3)當(dāng)發(fā)生饋線短路時(shí)，饋線短路閉鎖了其他流過故障電流的斷路器，饋線斷路器跳閘，其他開關(guān)不動(dòng)作。饋線保護(hù)邏輯較簡單，在此不做贅述。

由以上分析可知，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的邏輯，當(dāng)運(yùn)行方式改變時(shí)，無需調(diào)整保護(hù)邏輯和時(shí)限，原保護(hù)方案仍能滿足保護(hù)需求。

4 結(jié)論和下一步的工作

針對現(xiàn)代地鐵中壓供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文建立了一個(gè)基于GOOSE網(wǎng)絡(luò)通訊的全面保護(hù)方案，該方案包含了中壓的進(jìn)線保護(hù)、母線保護(hù)、饋線保護(hù)并且考慮了接入再生制動(dòng)中壓逆變回饋系統(tǒng)的影響。通過對不同故障和不同工況的分析，證明本文所提出的保護(hù)方案能夠自適應(yīng)判別故障區(qū)域，滿足保護(hù)的速動(dòng)性和選擇性。

隨著節(jié)能技術(shù)發(fā)展，分布式電源未來可能越來越多參與到地鐵供電中來，將會(huì)給地鐵供電分析和保護(hù)帶來更多的挑戰(zhàn)。以IEC61850通信技術(shù)和GOOSE網(wǎng)絡(luò)為載體，除故障電流外，功率方向、電流上升率等多種單一或復(fù)合故障判定參數(shù)將更多參與到保護(hù)判定過程中，保障地鐵供電的可靠性，建立節(jié)能型、智能型的地鐵供電網(wǎng)絡(luò)成為下一步工作的目標(biāo)。

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