一种直流牵引馈电区段域保护系统及保护方法

摘要

本发明公开了一种直流牵引馈电区段域保护系统和方法。直流牵引馈电区段域保护系统由设置在对象范围内的直流牵引变电站中的多个直流馈线保护装置(1)和与这些直流馈线保护装置(1)相连接的通信网络(2)构成。直流馈线保护装置(1)具备：数据生成机构、数据传送机构、数据集成机构和应用运算机构。利用所取得的直流牵引馈电区段两端的集成电量数据进行保护的应用运算，然后进行保护判断及出口。该方法充分利用了两端电流值、电压值和开关量信息，实现了保护的全线速动。特别是在线路末端故障时，保护能够快速动作，可大大改善地铁直流供电系统的保护的快速性、灵敏性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于继电保护技术领域，具体涉及一种地铁直流供电系统的保护。

背景技术

目前，地铁直流供电系统的主要保护算法都是围绕单端电流来展开的。例如，电流 速断保护、过流保护、电流变化率结合电流增量保护，等等。在近端短路时，电流大、 电流变化率大，因而故障特征明显，保护可以依据这些特征快速跳闸。而当中、远端发 生短路故障时，短路电流较小，甚至小于正常负荷电流；电流变化率也很小，甚至低于 机车启动或加速的电流变化率。因此，难以通过电流大小及电流变化率将故障与机车启 动、加速等工况难以区分开来。必须增加延时才能躲开非故障情况。因此，保护动作时 间较长。

发明内容

针对地铁直流保护的现状，本发明提出了一种利用馈电区段双端数据的区段域保护 系统及保护方法，可实现全线速动，大大改善地铁直流供电系统保护的快速性、灵敏性 和可靠性。

本发明具体采用以下技术方案：

一种直流牵引馈电区段域保护系统，进行馈电区段内的直流牵引供电系统的保护； 其特征在于：

所述直流牵引馈电区段域保护系统由设置在馈电区段内的牵引变电站中的多个直 流馈线保护装置和与这些直流馈线保护装置相连接的通信网络构成；

每一个直流馈线保护装置包括：

数据生成机构，通过该数据生成机构取得所述馈电区段本端的直流供电系统的电 量，并生成表示有关电量信息的电量数据；

数据传送机构，通过该数据传送机构经由所述通信网络在馈电区段内牵引变电站 中的多个直流馈线保护装置中发送所生成的电量数据；

数据集成机构，通过该数据集成机构将接收到的所述馈电区段另一端牵引变电站 中的直流馈线保护装置发送的电量数据和本直流馈线保护装置的数据生成机构生成的 电量数据集成而生成集成电量数据；

应用运算机构，利用所取得的集成电量数据，通过该运算机构进行保护的应用运 算，并进行保护动作逻辑判断、发出保护动作信号；

所述生成的表示有关电量信息的电量数据包括作为电量信息种类的用同步向量或 瞬时值表现形态表示的母线电压、馈线电流和馈线电压；

进一步，所述数据传送机构除发送上述电量数据外，还包括断路器位置信息、保 护继电器动作及返回信息以及其它电力设备(如隔离开关等设备)开启关闭信息中的1 个以上信息

所述数据生成机构能选择同步向量或瞬时值二者之一作为在发送的电量数据中使 用。

所述直流牵引馈电区段域保护系统，在正常供电时，所述馈电区段是指某一牵引 变电所与相邻牵引变电所之间以电分段为界构成的馈电区段。

所述直流牵引馈电区段域保护系统，在大双边供电时，所述馈电区段是指某一直 流牵引变电所左右两侧相邻直流牵引变电所之间以电分段为界构成的馈电区段。

所述直流牵引馈电区段域保护系统根据直流牵引供电运行方式自动选择保护系统 对应的馈电区段。

进一步，各直流馈线保护装置还具备原子时钟，利用该原子时钟的时刻通过上述 数据生成机构在所述电量数据上附有时刻。

进一步，所述直流牵引馈电区段域保护系统还包括用于修正设置在各直流馈线保 护装置中的原子时钟的时刻的共通原子时钟，所述共通原子时钟利用上述通信网络发出 对时信号进行时刻匹配。

本发明还公开了一种基于上述直流牵引馈电区段域保护系统的保护方法，其特征 在于，所述方法包括以下步骤：

(1)所述馈电区段两端牵引变电站的直流馈线保护装置采集直流牵引馈电区段两 端的馈电电压(U1、U2)、馈电电流(I1、I2)、断路器位置信息、保护继电器动作及 返回信息以及其它电力设备(如隔离开关等设备)开启关闭信息中的1个以上信息；

(2)所述馈电区段两端的牵引变电站的直流馈线保护装置通过所述通讯网络实时 传送馈电区段两端的馈电电压和馈电电流，以及断路器位置信息、保护继电器动作及返 回信息以及其它电力设备(如隔离开关等设备)开启关闭信息中的1个以上信息；

(3)计算馈电区段两端的“和电流”I₊：

I₊＝I₁+I₂；其中，I₊为线路两端“和电流”，I₁和I₂分别直流馈电区段两端的的 牵引变电站的直流馈线保护装置所测量的馈电区段两端的实际电流值；

(4)如果所述“和电流”大于启动定值，则保护启动，保护启动后，若所述“和 电流”小于返回定值，则保护返回；

(5)计算所述馈电区段内接触网与钢轨之间的电阻R_f：

$R_f=\frac{U_1*I_2+U_2*I_1-R*I_1*I_2}{{(I_1+I_2)}^2}$

其中，U₁，U₂，I₁，I₂为馈电区段两端电压、电流值；R为馈电区段两端之间接触网的 总电阻；

(6)保护启动后，如果所述馈电区段内接触网与钢轨之间的电阻R_f低于设定的阻 抗定值，则保护应延时后出口跳闸；如果所述“和电流”大于保护动作定值，则保护经 预定延时后出口跳闸；如果对端保护跳闸，则本端也发出跳闸信号跳开本端断路器。

本发明充分利用了馈电区段两端电流值、电压值和开关量信息，实现了保护的全线 速动。特别是在线路末端故障时，保护能够快速动作，可大大改善地铁直流供电系统的 保护的快速性、灵敏性和可靠性。

附图说明

图1显示了直流牵引供电系统构成示意图；

图2显示了直流牵引馈电区段域保护的主要结构框图；

图3显示了直流牵引变电所中馈电区段的构成；

图4显示了直流牵引馈电区段域保护方法的流程图；

图5显示了图1的等效电路图；

图6显示了两侧电流、和电流沿线分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的详细说明。

参照图1，地铁直流供电系统由牵引变电所(B)、馈电线路(K)、接触网(J)、电 动机车(C)、钢轨(G)、回流线路(H)、电分段(D)组成。其中钢轨兼作回流轨。 地铁直流供电系统与电力系统供电网有很大不同。其差异主要体现在：

1)多电源总线供电网络

地铁直流供电系统属于多电源总线供电网络。虽然每隔一定长度就会有一个电分 段，但这些电分段通过馈线断路器连成了一体。铁路沿线设有多座牵引变电所。每座牵 引变电所对线路上的机车负荷都有所贡献，短路时也是一样。

2)机车是在电源总线上移动的负荷

在电力系统中，负荷的位置是固定不变的。而对于机车负荷来说，它总是沿铁路 线不断移动的。

3)在线路末端短路时，故障电流较小，甚至比负荷电流还要小；电流变化率小， 甚至比机车启动、加速时的电流变化率还要小。因此，线路末端短路上，仅仅依靠电流 的大小或电流变化率的大小，有时难以区分故障还是正常负荷。

参照图2，直流牵引馈电区段域保护系统由设置在对象范围内的直流牵引变电站中 的多个直流馈线保护装置(1)和与这些直流馈线保护装置(1)相连接的通信网络(2) 构成。上述多个直流馈线保护装置中的各直流馈线保护装置具备：数据生成机构，通过 该数据生成机构取得直流供电系统的电量，并生成表示有关电量信息的电量数据；数据 传送机构，通过该数据传送机构经由上述通信网络发送所生成的电量数据；数据集成机 构，通过该数据集成机构将接收到的电量数据和本直流馈线保护装置的数据生成机构生 成的电量数据集成而生成集成电量数据；应用运算机构，利用所取得的集成电量数据， 通过该运算机构进行保护的应用运算。

参照图3，接触网(J)被电分段(D)分隔成不同的馈电区段。各馈电区段之间在 电气上不直接相连接，而是通过馈电线经由牵引变电所(B)的馈线断路器(A)构成 电气连接。

在正常供电时，一个直流牵引变电所和与其相邻的直流牵引变电所以电分段为界 构成一个独立的馈电区段。以图3为例，牵引变电所(B-1)与牵引变电所(B-2)以电 分段(D-1)和电分段(D-2)为界，构成一个馈电区段X-2；牵引变电所(B-2)与牵 引变电所(B-3)以电分段(D-2)和电分段(D-3)为界，构成一个馈电区段X-3。

大双边供电方式下的馈电区段：以图3为例，当直流牵引变电所(B-2)因故退出 运行时，该直流牵引变电所(B-2)的电分段(D-2)被电气开关设备(跨条T-2)所连 通，该直流牵引变电所(B-2)的电分段(D-2)两侧的馈电区段(X-2，X-3)合并成为 一个新的馈电区段(Y)，并由该牵引变电所(B-2)左右相邻的牵引变电所(B-1，B-3)供 电，形成大双边供电方式。因此，在大双边供电方式下，馈电区段的范围比正常供电方 式下要大一倍左右。

如图4～图6所示，本申请还公开了一种基于公开了一种基于上述直流牵引馈电区 段域保护系统的保护方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)所述馈电区段两端牵引变电站的直流馈线保护装置采集直流牵引馈电区段两 端的馈电电压(U1、U2)、馈电电流(I1、I2)、断路器位置信息、保护继电器动作及 返回信息以及其它电力设备(如隔离开关等设备)开启关闭信息中的1个以上信息；

(2)所述馈电区段两端的牵引变电站的直流馈线保护装置通过所述通讯网络实时 传送馈电区段两端的馈电电压和馈电电流，以及断路器位置信息、保护继电器动作及返 回信息以及其它电力设备(如隔离开关等设备)开启关闭信息中的1个以上信息；

(3)计算馈电区段两端的“和电流”I₊：

I₊＝I₁+I₂；其中，I₊为线路两端“和电流”，I₁和I₂分别直流馈电区段两端的的 牵引变电站的直流馈线保护装置所测量的馈电区段两端的实际电流值；

参照图5，其中，E1，E2为馈电区段两侧电源；R1，R2为等效系统电阻；U1，U2为 馈电区段两侧直流母线电压；I1，I2为馈电区段两侧直流电流；当前负荷在A点处，接 触网与钢轨之间的电阻为R_f，电流为I_f，A点电压为U_f，即当前负荷的电压；馈电区 段接触网的总电阻为R；接触网上A点到馈电区段两侧直流母线的电阻分别为αR和 (1-α)R；回流轨上机车到馈电区段两侧电源负极的电阻分别为αR_r和(1-α)R_r。α的物 理意义是：设馈电区段线路长度为L，机车距离E1端的距离为L1，距离E2端的距离 为L2，则有：L＝L1+L2；即，α是机车距离E1端的距离与线路总长度之比。

馈电区段两端的电流I₁、I₂与总电流I_f的关系为：

I_f＝I₁+I₂                        (1)

因此，任何一个单端电流(I₁或I₂)都不能完全代表总电流。在故障时，由于单 端电流不能完全反映短路电流的变化，因此，依据单端电流的保护算法就很难做到可靠 保护全线故障。设本端为E1端，则当短路点越靠近本端母线时，I₁占总电流 If的比重就越大，因而能更多地反映故障情况，所以保护动作比较可靠；反之，故障点 越远离本端母线时，I₁占总电流I_f的比重就较小，所以保护动作越不可靠。

如果用馈电区段两端电流之和(以下称为“和电流”，下同)做判据，根据(1) 式，则“和电流”就是总电流。因此，“和电流”能够完全反映故障电流，从原理上来 说，更容易实现保护的快速性、可靠性和灵敏性。

参照图6，当故障越靠近馈电区段的端部，则“和电流”越大；馈电区段的中部是 “和电流”保护的末端。因此，利用“和电流”保护，馈电区段末端短路问题就迎刃而 解了。

(4)如果所述“和电流”大于启动定值，则保护启动，保护启动后，若所述“和 电流”小于返回定值，则保护返回；

(5)保护启动后，计算所述馈电区段内接触网与钢轨之间的电阻R_f：

利用馈电区段两端电气量数据，可以解出电阻R_f。由于负荷电阻远大于短路电阻， 因此，利用电阻的大小可区分出故障与负荷。

对A点列写支路电压方程：

$\mathrm{Uf}=(\frac{1}{R_f}+\frac{1}{\alpha *R}+\frac{1}{(1-\alpha )*R})=\frac{U_1}{\alpha *R}+\frac{U_2}{(1-\alpha )*R}---(5-1)$

另有：

$I_1=\frac{U_1-U_f}{\alpha *R}---(5-2)$

$I_2=\frac{U_2-U_f}{(1-\alpha )*R}---(5-3)$

由(5-2)、(5-3)消去U_f可得：

$\alpha =\frac{U_1-U_2+R*I_2}{(I_1+I_2)R}---(5-4)$

(5-4)带入(5-2)得：

$U_f=\frac{U_1*I_2+U_2*I_1-R*I_1*I_2}{I_1+I_2}---(5-5)$

由于式(5-5)中U₁，U₂，I₁，I₂为馈电区段两端电压、电流值，均为已知；R为馈电 区段接触网之间的总电阻，也是已知数据，因此，由(5-5)式可求出U_f，从而可方便 地求出电阻R_f了：

$R_f=\frac{U_f}{I_f}=\frac{U_f}{I_1+I_2}---(5-6)$

馈电区段接触网之间的总电阻R也可以通过计算获得，这样就省去了修改线路参 数的麻烦：

设第k次和第k+1次计算得到的α、E1端电压U1、E1端电流I1、E2端电压U2、 E2端电流I2分别为α_(k)和α_(k+1)、U_1(k)和U_1(k+1)、I_1(k)和I_1(k+1)、U_2(k)和U_2(k+1)、I_2(k)和I_2(k+1)， 则，根据式(5-4)，第k次和第k+1次连续2次采样计算得：

${\alpha }_{\left(k\right)}=\frac{U_{1\left(k\right)}-U_{2\left(k\right)}+R*I_{2\left(k\right)}}{I_{1\left(k\right)}+I_{2\left(k\right)}}$(5-7)

${\alpha }_{(k+1)}=\frac{U_{1(k+1)}-U_{2(k+1)}+R*I_{2(k+1)}}{I_{1(k+1)}+I_{2(k+1)}}$

设机车以时速60km/h运行，即每ms前进1.67厘米。如果CPU处理间隔时间是 1ms的话，则两次计算过程中，机车位置变化了1.67cm，α的变化很小，可以忽略不 计。设第k次和第k+1次计算得到的α分别为α_(k)和α_(k+1)，可近似认为：α_(k)＝α_(k+1)， 带入(5-7)得

$\frac{U_{1\left(k\right)}-U_{2\left(k\right)}+R*I_{2\left(k\right)}}{I_{1\left(k\right)}+I_{2\left(k\right)}}=\frac{U_{1(k+1)}-U_{2(k+1)}+R*I_{2(k+1)}}{I_{1(k+1)}+I_{2(k+1)}}---(5-8)$

整理得：

$R=\frac{\Delta U_1*\Delta I_2-\Delta U_2*\Delta I_1}{I_{2(K+1)}*\Delta I_1-I_{2\left(k\right)}*\Delta I_2}---(5-9)$

式中：

ΔU₁＝U_1(K)-U_2(K)

ΔU₂＝U_1(K+1)-U_2(K+1)

ΔI₁＝I_1(K)-I_2(K)

ΔI₂＝I_1(K+1)-I_2(K+1)

因此，根据式(5-6)、式(5-5)可求出馈电区段内接触网与钢轨之间的电阻R_f：

$R_f=\frac{U_1*I_2+U_2*I_1-R*I_1*I_2}{{(I_1+I_2)}^2}$

其中，U₁，U₂，I₁，I₂为馈电区段两端电压、电流值；R为馈电区段两端接触网之间的 总电阻，可根据式(5-9)求出；

(6)保护启动后，如果所述馈电区段内馈电线路电阻R_f低于设定的阻抗定值，则 保护应延时后出口跳闸；如果所述“和电流”大于保护动作定值，则保护经预定延时后 出口跳闸。

根据上述分析，本发明提出的直流牵引区段域保护方法。该方法将供电区段内两 端甚至多端的各种保护测量数据，通过光纤等通信手段实现采集数据的同步共享、进行 综合域处理(计算)后实现全新的保护判据，从而改变了传统直流馈线保护信息匮乏、 判据复杂、受外部参数和运行环境影响大等问题，开创一种新的继电保护方法，能够更 好的满足城市轨道交通快速发展的需求。

【第一实施例】

(1)馈电区段两端同步采样并计算

馈电区段两端的直流馈线保护装置分别对各自的馈线电流、馈线电压进行同步采 样得到电流采样值并转换为实际电流值和电压值；

(2)馈电区段两端的直流馈线保护装置通过通讯线路互相传递采集到的电流、电 压信号。可以传递采样值或计算后的电流、电压值；

(3)计算“和电流”：I₊＝I₁+I₂；其中，I₁和I₂为馈电区段两端电流；

(4)保护判断及出口：如果所述“和电流”大于启动定值，则保护启动。保护启动 后，若所述“和电流”小于返回定值，则保护返回；

(5)保护启动后，计算接触网与钢轨之间的电阻R_f，如果R_f低于设定的阻抗定 值，则保护应延时后出口跳闸；

阻抗保护出口判据为：$\left(\begin{array}{c}{R}_f<R_{f.\mathrm{SER}}\\ t>T_{\mathrm{SET}}\end{array}\right)$

其中，R_f SET为阻抗保护电阻定值，t为延时时间，T_SET为阻抗保护时间定值。

【第二实施例】

(1)馈电区段两端同步采样并计算

馈电区段两端的直流馈线保护装置分别对各自的馈线电流、馈线电压进行同步采 样得到电流采样值并转换为实际电流值和电压值；

(2)馈电区段两端的直流馈线保护装置通过通讯线路互相传递采集到的电流、电 压信号。可以传递采样值或计算后的电流、电压值；

(3)计算“和电流”：I₊＝I₁+I₂；其中，I₁和I₂为馈电区段两端电流；

(4)如果所述“和电流”大于启动定值，则保护启动。保护启动后，若所述“和 电流”小于返回定值，则保护返回。

(5)保护判断及出口

保护启动后，如果所述“和电流”大于保护动作定值，则保护经延时后出口跳闸。

“和电流”保护出口判据为：$\left(\begin{array}{c}{I}_{+}<I_{+.\mathrm{SER}}\\ t_{+}>T_{+\mathrm{SET}}\end{array}\right)$

其中，I_+SET为“和电流”保护电流定值，t₊为延时时间，T_+SET为“和电流”保护 时间定值。

【第三实施例】

(1)馈电区段两端同步采集直流牵引馈电区段两端的断路器位置信息、保护继电 器动作及返回信息、以及其它电力设备(如隔离开关等设备)开启关闭信息中的1个以 上信息；

(2)馈电区段两端的直流馈线保护装置通过通讯线路互相传递采集到的断路器位 置信息、保护继电器动作及返回信息、以及其它电力设备(如隔离开关等设备)开启关 闭信息中的1个以上信息；

(3)如果对端保护动作，则本端发出跳闸信号。