劉 通

0 引言

從電力系統(tǒng)智能變電站的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)來看，智能變電站具有技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、環(huán)境友好、節(jié)約資源等優(yōu)勢(shì)。借鑒其成功經(jīng)驗(yàn)，智能牽引變電所也必將成為電氣化鐵路未來的發(fā)展趨勢(shì)[1]。分析電力系統(tǒng)變電站智能化發(fā)展過程可以預(yù)測(cè)，電氣化鐵路智能牽引變電所的建設(shè)將是一個(gè)長(zhǎng)期漸進(jìn)的過程，在確保鐵路供電可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和高效性的前提下，從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)到運(yùn)行管理各個(gè)環(huán)節(jié)一體化考慮，逐漸形成適應(yīng)于鐵路牽引供電特點(diǎn)的智能化構(gòu)建方案。

鐵路牽引供電采用以牽引變電所為中心的區(qū)域分段供電模式，智能變電所建設(shè)方案應(yīng)綜合考慮供電臂內(nèi)牽引變電所、分區(qū)所、AT所之間的協(xié)同互動(dòng)的高級(jí)應(yīng)用功能[2]。在工程建設(shè)階段，智能牽引變電所的構(gòu)建方案應(yīng)遵循以下原則：智能牽引變電所的構(gòu)建應(yīng)以安全為第一目標(biāo)，充分考慮信息的共享與網(wǎng)絡(luò)安全；智能變電所建設(shè)方案應(yīng)立足于分階段實(shí)施與逐步推進(jìn)的技術(shù)路線，設(shè)備與系統(tǒng)應(yīng)充 分考慮兼容性與開放性，易于升級(jí)與替換；在設(shè)備選型和建設(shè)階段需充分考慮保護(hù)功能的獨(dú)立性，避免保護(hù)功能過度依賴通信網(wǎng)絡(luò)[3]。

本文針對(duì)電氣化牽引供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)階段廣域保護(hù)系統(tǒng)在鐵路牽引供電領(lǐng)域的應(yīng)用研究[4]，描述了一種與傳統(tǒng)牽引變電所自動(dòng)化相比結(jié)構(gòu)更緊湊、可靠性更高、功能更優(yōu)化的廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過在朝凌高鐵的建設(shè)應(yīng)用及現(xiàn)場(chǎng)功能測(cè)試，驗(yàn)證該方案的有效性和正確性。

1 系統(tǒng)組網(wǎng)總體設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)間隔層繼電保護(hù)主要存在以下問題：全并聯(lián)供電方式下線路發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)選擇性失效，使得上下行接觸網(wǎng)均跳閘，擴(kuò)大了停電范圍，影響無故障側(cè)線路列車的運(yùn)行；后備保護(hù)以階梯時(shí)限原則進(jìn)行整定，整定配合復(fù)雜，雖滿足保護(hù)的選擇性，卻對(duì)快速切除故障不利，在一定程度上犧牲了速動(dòng)性；目前牽引變電所27.5 kV母線未配置獨(dú)立的快速保護(hù)，其保護(hù)功能由變壓器低壓側(cè)過流保護(hù)實(shí)現(xiàn)，故障切除時(shí)間較長(zhǎng)。

為解決上述問題，提出一種面向被保護(hù)對(duì)象的就地級(jí)、面向變電所的站域級(jí)、面向供電臂的廣域級(jí)三級(jí)層次化保護(hù)。三級(jí)保護(hù)協(xié)調(diào)配合，改善了保護(hù)的選擇性、速動(dòng)性和可靠性。站域級(jí)保護(hù)和廣域級(jí)保護(hù)提高了保護(hù)配置的冗余度，對(duì)全并聯(lián)供電方式準(zhǔn)確判斷故障位置和故障類型的作用尤為突出。就地級(jí)保護(hù)不依賴于外部通信通道，即使通信通道受到破壞，也能完成保護(hù)功能。站域級(jí)保護(hù)和廣域級(jí)保護(hù)控制通過光纖通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，受制于光纖通信網(wǎng)的可靠性限制，在極端情況下會(huì)喪失部分控制功能，但作為整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)性能提升的有效補(bǔ)充，站域和廣域級(jí)保護(hù)控制系統(tǒng)的失效不影響就地級(jí)保護(hù)控制功能。

為了提高保護(hù)的選擇性，配置廣域保護(hù)用于以供電臂為單元的區(qū)域智能協(xié)同互動(dòng)；配置站域保護(hù)實(shí)現(xiàn)27.5 kV母線保護(hù)、全站失靈保護(hù)并融合備自投功能，采用GOOSE技術(shù)極大簡(jiǎn)化了備自投的電纜接線；光纜具有帶寬高、不受電磁騷擾、便于自校驗(yàn)的顯著優(yōu)點(diǎn)，智能設(shè)備之間采用光纜連接，能夠避免電纜之間的相互耦合以及過電壓?jiǎn)栴}，以數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備之間的信息共享和互動(dòng)功能。朝凌高鐵牽引變電所保護(hù)系統(tǒng)組網(wǎng)方案如圖1所示。

圖1 朝凌高鐵牽引變電所保護(hù)系統(tǒng)組網(wǎng)方案

2 牽引變電所保護(hù)配置方案

2.1 牽引變壓器保護(hù)配置

朝凌高鐵廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)采用數(shù)字化保護(hù)、合并單元、智能終端合一的變壓器保護(hù)裝置，保護(hù)裝置在控制室集中組屏安裝。變壓器保護(hù)裝置通過電纜方式完成模擬量采樣和開關(guān)控制，并將電流、電壓等信息數(shù)字化，以SV數(shù)據(jù)方式發(fā)送到過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)27.5 kV母線快速保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)、錄波等功能。同時(shí)可通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)發(fā)出或接收其他保護(hù)的聯(lián)鎖信號(hào)。

變壓器智能本體保護(hù)在主控室集中組屏安裝，通過電纜完成信號(hào)采集及跳閘。全所共設(shè)置兩臺(tái)智能本體保護(hù)裝置，分別完成1#、3#變壓器和2#、4#變壓器的本體保護(hù)。

2.2 饋線保護(hù)配置

饋線保護(hù)與主變保護(hù)裝置原理一致，使用數(shù)字化保護(hù)、合并單元、智能終端合一的饋線保護(hù)裝置，通過電纜完成模擬量采樣和開關(guān)控制，并將電流電壓等信息數(shù)字化。相比于數(shù)字化保護(hù)、合并單元、智能終端獨(dú)立設(shè)置的模式，饋線間隔保護(hù)的可靠性更高，且中間環(huán)節(jié)少，保護(hù)速動(dòng)性更好。

在主控室內(nèi)設(shè)立饋線保護(hù)盤，安裝三合一饋線保護(hù)裝置，同時(shí)仍在盤頂設(shè)立電壓小母線，用于電壓采集。饋線保護(hù)通過電纜完成電流、電壓采樣后，將采樣數(shù)據(jù)以SV的方式發(fā)送至過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，同時(shí)以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖方式連接廣域保護(hù)，實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距以及上下行的選跳。

2.3 站域保護(hù)配置

相比于傳統(tǒng)牽引變電所，智能牽引變電所的顯著優(yōu)勢(shì)是信息共享，間隔內(nèi)設(shè)備信息可通過SV、GOOSE等方式在間隔之間實(shí)現(xiàn)共享，利用這些信息可實(shí)現(xiàn)諸多高級(jí)應(yīng)用，站域保護(hù)即是其中之一。智能牽引變電所站域保護(hù)具有以下功能：

（1）備自投功能。通過GOOSE開入、開出完成信號(hào)采集和開關(guān)控制，無需外部電纜，極大簡(jiǎn)化了接線。

（2）27.5 kV快速母線保護(hù)。通過接收變壓器保護(hù)、饋線保護(hù)的保護(hù)啟動(dòng)信息可迅速判斷故障位置，改變了以電流定值、時(shí)間定值設(shè)立級(jí)差確保選擇性的方式，可縮短故障時(shí)間，保護(hù)一次設(shè)備。

（3）全所失靈保護(hù)。統(tǒng)一管理全所開關(guān)失靈信息，通過合理配置跳開上級(jí)斷路器。

（4）供電模式重構(gòu)自愈功能。通過預(yù)設(shè)的邏輯，采用自動(dòng)或手動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)牽引變電所模式重構(gòu)。

2.4 廣域保護(hù)配置

朝凌高鐵采用全并聯(lián)供電模式，在傳統(tǒng)保護(hù)配置模式下當(dāng)牽引網(wǎng)故障時(shí)，供電臂上下行無選擇性跳閘，后續(xù)通過檢有壓重合閘將無故障線路投入運(yùn)行。該方式在實(shí)際運(yùn)行中擴(kuò)大事故停電范圍，縮短設(shè)備使用壽命。

智能牽引變電所中，供電臂上各所亭信息充分共享，可實(shí)現(xiàn)供電臂網(wǎng)絡(luò)選跳保護(hù)功能，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，利用這些信息可在極短時(shí)間內(nèi)判別故障位置，利用GOOSE技術(shù)跳開相應(yīng)開關(guān)，將故障隔離，非故障側(cè)饋線維持運(yùn)行，縮小故障范圍。

供電臂網(wǎng)絡(luò)選跳保護(hù)通過區(qū)間所亭間架設(shè)通信通道，在供電臂范圍內(nèi)實(shí)時(shí)交互信息，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。廣域保護(hù)裝置集成故障測(cè)距功能，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖從饋線保護(hù)裝置或其他裝置實(shí)時(shí)獲取SV數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)廣域保護(hù)功能和故障測(cè)距。以凌海南變電所至唐家?guī)X變電所供電單元為例，廣域保護(hù)測(cè)控裝置的網(wǎng)絡(luò)配置如圖2所示。

圖2 朝凌高鐵廣域保護(hù)裝置組網(wǎng)示意圖

3 廣域保護(hù)測(cè)控裝置功能

3.1 故障測(cè)距功能

針對(duì)AT供電方式的接觸網(wǎng)故障測(cè)距，支持供電模式固定及模式自適應(yīng)兩種測(cè)距方式，適應(yīng)全并聯(lián)AT供電方式、AT全解列的直供方式、變電所1臺(tái)斷路器帶2路饋線方式、AT所并聯(lián)點(diǎn)解列分區(qū)所并聯(lián)方式、單線AT供電方式等的故障測(cè)距。牽引所故障測(cè)距流程如圖3所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)選跳功能

網(wǎng)絡(luò)選跳功能以供電臂為單元，每個(gè)所亭均需配置廣域保護(hù)裝置，各裝置通過所間GOOSE實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)的快速采集及傳輸。本工程廣域保護(hù)通道利用全線干線光纜的備用芯實(shí)現(xiàn)，要求所間GOOSE傳輸延時(shí)不大于10 ms（包含交換機(jī)延時(shí)）。當(dāng)接觸網(wǎng)故障發(fā)生，網(wǎng)絡(luò)選跳功能迅速判斷故障行別（上行或下行），閉鎖變電所非故障側(cè)饋線保護(hù)固定時(shí)長(zhǎng)（0.25 s），變電所故障側(cè)饋線保護(hù)動(dòng)作后，再迅速分閘AT所、分區(qū)所故障側(cè)斷路器，實(shí)現(xiàn)故障行別的隔離，同時(shí)保證非故障側(cè)線路繼續(xù)運(yùn)行。

圖3 故障測(cè)距流程

3.3 自愈重構(gòu)功能

廣域保護(hù)裝置根據(jù)發(fā)生故障時(shí)各所的電氣量，綜合采用AT吸上電流比、橫聯(lián)線電流比、上下行電流比和電抗法測(cè)距原理，實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能并識(shí)別故障發(fā)生的區(qū)段及類型等信息。當(dāng)保護(hù)裝置動(dòng)作完成后，可根據(jù)需要自動(dòng)啟動(dòng)（自啟動(dòng)時(shí)間可通過裝置定值設(shè)置）或調(diào)度遙控啟動(dòng)自愈重構(gòu)，單獨(dú)隔離故障區(qū)間[5]。

供電臂重構(gòu)動(dòng)作邏輯參照國(guó)鐵集團(tuán)發(fā)布的《智能牽引變電所及智能供電調(diào)度系統(tǒng)總體技術(shù)要求》（Q/CR721—2019）執(zhí)行。供電臂重構(gòu)過程中會(huì)涉及到變壓器低壓側(cè)開關(guān)、饋線開關(guān)、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)的控制。當(dāng)被控開關(guān)的控制權(quán)位于牽引變電所時(shí)，變電所內(nèi)的站域保護(hù)裝置通過所內(nèi)的過程層通道向接觸網(wǎng)隔離開關(guān)控制裝置發(fā)出控制命令。當(dāng)被控開關(guān)的控制權(quán)位于分區(qū)所或AT所時(shí)，牽引變電所內(nèi)的站域保護(hù)測(cè)控裝置會(huì)經(jīng)由廣域保護(hù)通道向相應(yīng)所亭的站域保護(hù)裝置發(fā)送指令，收到命令后通過所亭內(nèi)的過程層網(wǎng)絡(luò)向接觸網(wǎng)隔離開關(guān)控制裝置發(fā)出控制命令[6]。

4 廣域保護(hù)系統(tǒng)效果測(cè)試

為驗(yàn)證廣域保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用效果，在朝凌高鐵唐家?guī)X變電所、翠巖AT所、大勝村AT分區(qū)所、錦州AT所、凌海南變電所共進(jìn)行8次短路試驗(yàn)。短路操作方式：短路點(diǎn)T線、F線經(jīng)斷路器與鋼軌連接（或T、F直接短接），變電所、AT所、分區(qū)所操作完畢，實(shí)現(xiàn)按既定方案供電后，合上現(xiàn)場(chǎng)斷路器（T-F短路，最后合上主變低壓側(cè)開關(guān)）。以唐家?guī)X變電所至翠巖AT所之間短路點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，該區(qū)段短路試驗(yàn)位置如圖4所示。

短路試驗(yàn)設(shè)置故障類型為全并聯(lián)AT供電方式，下行T-R故障，就地保護(hù)、站域保護(hù)、廣域保護(hù)、重構(gòu)自愈功能均投入。短路試驗(yàn)動(dòng)作報(bào)告如表1所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，發(fā)生短路故障時(shí)變電所饋線保護(hù)可靠動(dòng)作，重合閘功能正常，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)同步、準(zhǔn)確，故障測(cè)距誤差滿足要求。廣域保護(hù)裝置選跳保護(hù)功能可在故障發(fā)生后的100 ms以內(nèi)判斷出故障位置，并根據(jù)故障位置跳開供電臂上相應(yīng)的斷路器，將故障隔離在最小范圍內(nèi)，減少了開關(guān)動(dòng)作次數(shù)，減少了故障電流對(duì)一次設(shè)備的沖擊，最大程度保證了供電的連續(xù)性。

圖4 短路試驗(yàn)位置示意圖

表1 短路試驗(yàn)動(dòng)作報(bào)告

5 結(jié)語

牽引變電所的智能化提升是技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，廣域保護(hù)系統(tǒng)在電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中的成功應(yīng)用提升了繼電保護(hù)的速動(dòng)性、選擇性。通過層次化閉鎖、層次化保護(hù)、全站錄波等為牽引供電提供全面的監(jiān)控與保護(hù)。在朝凌高鐵的具體保護(hù)方案設(shè)計(jì)中，通過使用數(shù)字化保護(hù)、合并單元、智能終端功能合一的保護(hù)裝置，

利用了既有電纜，同時(shí)又在設(shè)備間隔之間實(shí)現(xiàn)了信息共享，具備了智能牽引變電所部分功能，在一定程度上提高了保護(hù)的可靠性，并具備較好的經(jīng)濟(jì)性。