保護(hù)信息管理在地鐵交流供電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

金海奇

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

繼電保護(hù)裝置是保證地鐵供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵二次設(shè)備，而保護(hù)定值又是繼電保護(hù)裝置正確動(dòng)作的基礎(chǔ)，因此合理整定、檢測(cè)和管理保護(hù)定值對(duì)保障地鐵供電系統(tǒng)的安全具有重要意義[1-3]。

保護(hù)跳閘時(shí)的故障波形是分析故障原因和確定故障性質(zhì)的重要基礎(chǔ)，也應(yīng)該納入有效管理。

目前城市軌道交通繼電保護(hù)裝置的定值整定是由設(shè)計(jì)單位在離線狀態(tài)下根據(jù)已有系統(tǒng)最大負(fù)荷電流和系統(tǒng)阻抗參數(shù)計(jì)算獲得的，并由調(diào)試單位輸入保護(hù)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試[4]。但是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的反饋，這種定值整定和管理模式出現(xiàn)如下問題需要改進(jìn)提高。

1）定值整定標(biāo)準(zhǔn)不同導(dǎo)致的上下級(jí)配合問題。地鐵供電系統(tǒng)中主變電所定值一般由電力調(diào)度整定，而牽引降壓變電所定值一般由鐵路專業(yè)設(shè)計(jì)院整定，在兩類變電所的設(shè)計(jì)接口處由于雙方整定計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)的差異，常發(fā)生上下級(jí)保護(hù)配合方面的問題。

2）地鐵35kV供電系統(tǒng)整定調(diào)試時(shí)難以充分驗(yàn)證保護(hù)配合關(guān)系。受牽引降壓變電所地理位置上的分散和調(diào)試手段的限制，調(diào)試單位調(diào)試?yán)^電保護(hù)裝置時(shí)常常僅測(cè)試站內(nèi)和鄰站間的保護(hù)配合關(guān)系，對(duì)于更復(fù)雜的跨越多個(gè)變電站的保護(hù)配合則難以測(cè)試，留下了測(cè)試盲點(diǎn)。

3）地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行方式變化多樣，而運(yùn)行方式切換后，如果保護(hù)裝置的定值組沒有同步切換，將導(dǎo)致運(yùn)行定值與當(dāng)前運(yùn)行方式的不匹配，存在保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)的可能性。

4）特殊運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，存在整定方法不完善之處或者整定計(jì)算過程中的人為疏漏，系統(tǒng)中部分保護(hù)定值可能不能滿足故障切除靈敏性和選擇性的要求。

5）保護(hù)動(dòng)作后，保護(hù)裝置會(huì)記錄故障波形，但是目前地鐵沒有相應(yīng)的保信系統(tǒng)來管理和查閱波形，檢修人員必須趕到現(xiàn)場(chǎng)才能確定故障原因，導(dǎo)致恢復(fù)供電周期很長(zhǎng)。

若能夠?qū)㈦娏ο到y(tǒng)中已經(jīng)普遍應(yīng)用的保護(hù)信息管理系統(tǒng)與地鐵應(yīng)用條件相結(jié)合，研制一套“地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)”，以快速發(fā)現(xiàn)和定位上述問題盲點(diǎn)，則將有利于地鐵供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行能力的進(jìn)一步提升，具有一定的實(shí)用意義。

1 地鐵應(yīng)用的特殊性

“繼電保護(hù)定值在線校核”技術(shù)在電力系統(tǒng)已經(jīng)得到了相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的廣泛研究[1,4-6]，但是通過研究和比較發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有成果和技術(shù)方案并不完全適合地鐵供電系統(tǒng)的實(shí)際情況，因此無法直接移植應(yīng)用。這些差異性主要表現(xiàn)在以下方面。

1）目前電力系統(tǒng)內(nèi)的繼電保護(hù)定值在線校核技術(shù)是針對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，校核系統(tǒng)通過能量管理系統(tǒng)（energy management system, EMS）采集電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)（運(yùn)行方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、保護(hù)定值等）。而地鐵供電系統(tǒng)內(nèi)并不設(shè)置 EMS，更不會(huì)提供符合 IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)的公共信息模型[5]以便在線校核系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。

2）電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為多電源網(wǎng)絡(luò)，在線校核定值時(shí)需要進(jìn)行潮流計(jì)算、分布式處理等[7]，而地鐵供電系統(tǒng)為單電源系統(tǒng)，不需要考慮潮流等因素，校核算法上相對(duì)簡(jiǎn)化。而地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行模式復(fù)雜，因此要求在線校核系統(tǒng)必須在運(yùn)行模式切換方面具有針對(duì)性的解決措施。

3）地鐵負(fù)荷具有沖擊性的特點(diǎn)，鐵路專業(yè)設(shè)計(jì)院通常根據(jù)仿真計(jì)算得到的最大負(fù)荷電流整定繼電保護(hù)裝置，而傳統(tǒng)電力在線校核方法通常采用短路計(jì)算進(jìn)行定值校核，如果在地鐵供電系統(tǒng)中延用電力的在線校核方法，由于整定方法和校核方法之間存在著較大的差異，將不能實(shí)現(xiàn)校核目標(biāo)。

因此，為了研制地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)，必須充分考慮以上差異，在現(xiàn)有電力“繼電保護(hù)定值在線校核”技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)由“保信子站”和“保信主站”組成，其中子站負(fù)責(zé)保護(hù)信息數(shù)據(jù)的收集，主站負(fù)責(zé)保護(hù)信息數(shù)據(jù)的管理和分析。保信主站中，保護(hù)管理計(jì)算機(jī)為用戶接口設(shè)備，用于配置在線校核系統(tǒng)和讀取校核報(bào)告；在線校核服務(wù)器用于存儲(chǔ)校核數(shù)據(jù)庫和執(zhí)行校核算法；交換機(jī)和前置服務(wù)器用于讀取保護(hù)定值、故障波形和核心斷路器狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

核心斷路器包括環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷路器、主變電所和牽引降壓變電所的饋線斷路器、母聯(lián)斷路器等。由于核心斷路器的變位會(huì)導(dǎo)致地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行模式的切換，所以必須實(shí)時(shí)監(jiān)控其位置信息，以便于及時(shí)識(shí)別供電系統(tǒng)的模式切換。定值信息包括保護(hù)裝置內(nèi)的所有運(yùn)行定值和備用定值。讀取的定值信息存儲(chǔ)在定值數(shù)據(jù)庫中，供在線校核系統(tǒng)調(diào)用。

3 系統(tǒng)功能

地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)的功能圖如圖2所示。

圖2 地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)功能圖

地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)支持3種校核算法（規(guī)則庫校核算法、定值庫校核算法和在線整定計(jì)算校核算法），同時(shí)在內(nèi)部設(shè)置了5個(gè)專用數(shù)據(jù)庫為校核算法提供運(yùn)算支持。這些數(shù)據(jù)庫除了定值數(shù)據(jù)庫外，還包括系統(tǒng)基本參數(shù)數(shù)據(jù)庫（存儲(chǔ)電纜單位阻抗、變壓器參數(shù)等供電系統(tǒng)參數(shù)）、設(shè)計(jì)定值庫（存儲(chǔ)設(shè)計(jì)院提供的設(shè)計(jì)整定定值清單）、定值校核規(guī)則庫（存儲(chǔ)如保護(hù)配合延時(shí)級(jí)差等定值校核規(guī)則）和系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（電氣一次系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和斷路器編號(hào)）。定值數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)從 PSCADA系統(tǒng)讀取，其他數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)都需要通過“圖形化用戶配置接口”模塊進(jìn)行設(shè)置。

在線校核系統(tǒng)還設(shè)置了“運(yùn)行模式識(shí)別”功能模塊和“短路計(jì)算”功能模塊。運(yùn)行模式識(shí)別模塊實(shí)時(shí)監(jiān)視核心斷路器的變位信息以判斷系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行模式；短路計(jì)算模塊根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和假設(shè)條件計(jì)算各類型短路故障情況下的短路電流。

3.1 定值庫校核模式

定值庫校核模式通過比較“設(shè)計(jì)定值數(shù)據(jù)庫”和“定值數(shù)據(jù)庫”來核對(duì)保護(hù)裝置內(nèi)的運(yùn)行定值是否為設(shè)計(jì)定值。該模式主要用于篩查因人為整定失誤導(dǎo)致的錯(cuò)誤隱患[8]。

校核算法執(zhí)行時(shí)，利用實(shí)時(shí)采集的核心斷路器位置信息，由“運(yùn)行模式識(shí)別”功能模塊判別系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行模式。定值庫校核模塊再根據(jù)運(yùn)行模式從設(shè)計(jì)定值數(shù)據(jù)庫中讀取該運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)定值組。此后，校核模塊比較定值數(shù)據(jù)庫中每一個(gè)裝置內(nèi)的運(yùn)行定值與設(shè)計(jì)定值是否相同，并生成分析報(bào)告。若存在差異，則產(chǎn)生告警信息，提醒運(yùn)行人員：當(dāng)前運(yùn)行定值存在整定錯(cuò)誤。

定值庫校核功能支持周期觸發(fā)、事件觸發(fā)和手動(dòng)觸發(fā)共3種觸發(fā)模式。周期觸發(fā)用于定期檢查系統(tǒng)保護(hù)定值，周期定值由運(yùn)行人員設(shè)置，可作為一種自動(dòng)化巡檢手段為保護(hù)裝置“運(yùn)維”提供便利；事件觸發(fā)用于運(yùn)行模式切換后對(duì)系統(tǒng)保護(hù)定值進(jìn)行即時(shí)檢查，避免出現(xiàn)因保護(hù)定值未隨運(yùn)行模式切換而導(dǎo)致的安全隱患；手動(dòng)觸發(fā)則由運(yùn)行人員根據(jù)需要決定是否執(zhí)行校核算法。

3.2 整定計(jì)算校核模式

目前關(guān)于在線定值校核系統(tǒng)有靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析兩類方法。動(dòng)態(tài)分析方法考慮了潮流計(jì)算、狀態(tài)突變、負(fù)荷模型、電源參數(shù)等更豐富的數(shù)據(jù)，能夠比靜態(tài)方法提供更詳細(xì)、更準(zhǔn)確的信息，因此成為電力系統(tǒng)在線校核的主流[5]。但是對(duì)于地鐵供電系統(tǒng)，由于潮流數(shù)據(jù)影響極小、電源參數(shù)也變化不大，因此動(dòng)態(tài)分析方法相比于靜態(tài)分析方法的優(yōu)勢(shì)并不明顯。本論文選用靜態(tài)分析方法來計(jì)算和校核保護(hù)定值。

地鐵負(fù)荷具有沖擊性的特點(diǎn)，地鐵繼電保護(hù)定值通常根據(jù)仿真計(jì)算得到的最大負(fù)荷電流整定，整定計(jì)算校核模式的作用就是驗(yàn)證設(shè)計(jì)定值的靈敏度。“短路計(jì)算”功能模塊以“系統(tǒng)基本參數(shù)庫”中的電氣參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合運(yùn)行模式識(shí)別結(jié)果，采用靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)阻抗分析方法計(jì)算單相接地、兩相接地、相間短路不接地和三相短路時(shí)各個(gè)故障點(diǎn)（母線、站間環(huán)網(wǎng)電纜、整流/動(dòng)力變壓器高低壓側(cè)）的短路數(shù)據(jù)，并將計(jì)算結(jié)果提交給整定計(jì)算校核模塊。

整定計(jì)算定值校核模塊主要校核在當(dāng)前系統(tǒng)方式下保護(hù)所在區(qū)域發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，當(dāng)前保護(hù)定值的“靈敏度”。保護(hù)靈敏度的計(jì)算公式[2]為

式中，mK 為靈敏度；dzI 為待校驗(yàn)保護(hù)定值；curI 為保護(hù)區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同類型接地故障時(shí)流過保護(hù)的最大短路電流。由于地鐵站間間距較短，站間電纜阻抗較?。ㄕ蚝土阈蜃杩挂话愣夹∮?1Ω），因此選取環(huán)網(wǎng)電纜中間點(diǎn)進(jìn)行短路故障計(jì)算和靈敏度校核即可。

若保護(hù)靈敏度的校核結(jié)果不滿足用戶要求，則在線定值校核系統(tǒng)可以根據(jù)短路電流給出一個(gè)合理化的建議定值（可靠系數(shù)relK 由運(yùn)行人員整定），并將校核結(jié)果生成校核報(bào)告，供用戶分析參考。

整定計(jì)算校核模式需要較大的運(yùn)算資源和運(yùn)行時(shí)間，而且要求“系統(tǒng)基本參數(shù)數(shù)據(jù)庫”參數(shù)整定的精確，因此該模式僅支持手動(dòng)觸發(fā)，以保證校核結(jié)論的準(zhǔn)確性。

3.3 規(guī)則庫校核模式

規(guī)則庫校核模式主要校核在當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行模式下，按照運(yùn)行人員整定的“配合規(guī)則”，上下級(jí)繼電保護(hù)裝置間是否可以有效配合，從而有選擇性地切除故障。因此，規(guī)則庫校核模式的主要功能是校驗(yàn)保護(hù)定值的“選擇性”。

地鐵供電系統(tǒng)通常配置有過流保護(hù)、線路光纖差動(dòng)保護(hù)，以及使用越來越廣泛的數(shù)字通信電流保護(hù)，其中后兩種保護(hù)都是具有絕對(duì)選擇性，不存在選擇性配合問題。因此，規(guī)則庫校核的重點(diǎn)是過流保護(hù)，以及過流保護(hù)與差動(dòng)保護(hù)、數(shù)字電流保護(hù)的配合關(guān)系。另外，差動(dòng)保護(hù)和數(shù)字通信電流保護(hù)都屬于網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)，需要兩臺(tái)以上保護(hù)裝置間的通信配合來判斷故障位置，因此規(guī)則庫校核模式還需要校核這種配合關(guān)系的正確性。

過流保護(hù)的電流定值和時(shí)間定值都會(huì)影響到保護(hù)的選擇性。但是對(duì)于地鐵供電系統(tǒng)，由于環(huán)網(wǎng)上下級(jí)斷路器間距離較短（1～2km），斷路器間線路阻抗小于0.5Ω，依靠電流定值無法區(qū)分保護(hù)范圍，過流保護(hù)的選擇性主要依靠時(shí)間定值級(jí)差來實(shí)現(xiàn)。電流定值對(duì)保護(hù)選擇性的影響往往表現(xiàn)在供電分區(qū)中一個(gè)區(qū)段內(nèi)電流定值與下一個(gè)區(qū)段內(nèi)電流定值間的配合關(guān)系。圖3為一個(gè)典型的地鐵供電分區(qū)。

圖3 地鐵典型供電分析示意圖

圖3中過流保護(hù)整定時(shí)，會(huì)將#1和#2變電所定義為一個(gè)供電區(qū)段，其進(jìn)出線過流保護(hù)電流定值相同，即圖中 A1、A2、A3、A4與 B1、B2、B3、B4的電流定值為相同值；同時(shí)也會(huì)將#3和#4變電所定義為另一個(gè)供電區(qū)段，電流定值也整定為相同值。而同一區(qū)段內(nèi)上下級(jí)斷路器的選擇性配合主要靠時(shí)間級(jí)差，例如：B2斷路器和B4斷路器為上下級(jí)配合關(guān)系，若時(shí)間定值級(jí)差要求為 0.25s，則故障時(shí) B2斷路器和 B4斷路器會(huì)同時(shí)起動(dòng)（電流定值相同），但B2比B4晚0.25s跳閘。規(guī)則庫校核模式將根據(jù)以上選擇性整定規(guī)則，對(duì)保護(hù)定值進(jìn)行校核。

對(duì)于差動(dòng)保護(hù)，兩側(cè) CT的變比相同，由于被保護(hù)環(huán)網(wǎng)線路較短，所以兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)定值應(yīng)該相同；對(duì)于數(shù)字通信電流保護(hù)[9-10]，由于目前行業(yè)內(nèi)沒有統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，所以其選擇性校核規(guī)則應(yīng)根據(jù)具體保護(hù)邏輯進(jìn)行設(shè)置，否則可能會(huì)誤判為選擇性錯(cuò)誤。

規(guī)則庫校核功能支持定時(shí)觸發(fā)、事件觸發(fā)和手動(dòng)觸發(fā)共3種觸發(fā)模式。

3.4 故障波形管理功能

故障波形管理功能是保護(hù)信息管理系統(tǒng)的基本功能。地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)采用故障信息索引方式管理故障波形。圖4為保信系統(tǒng)管理界面。該界面以樹形結(jié)構(gòu)檢索每個(gè)變電站的每臺(tái)保護(hù)裝置，并以時(shí)間順序顯示該裝置的所有故障信息。通過雙擊故障信息可以查看對(duì)應(yīng)的故障波形。

圖4 保信系統(tǒng)管理界面

4 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)的功能，本文利用南京地鐵4號(hào)線的實(shí)際定值數(shù)據(jù)和27臺(tái)保護(hù)裝置搭建了一個(gè)定值在線校核系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）測(cè)試平臺(tái)，并模擬了各種類型的定值整定錯(cuò)誤情況，以檢測(cè)在線校核系統(tǒng)的性能。試驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該試驗(yàn)平臺(tái)主要驗(yàn)證校核服務(wù)器和校核后臺(tái)的軟件性能，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用了校核服務(wù)器通過IEC 60870-5-103規(guī)約、從保護(hù)裝置直接采集定值的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。精簡(jiǎn)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 定值在線校核功能測(cè)試（簡(jiǎn)表）

5 結(jié)論

針對(duì)地鐵供電系統(tǒng)在保護(hù)信息管理方面的需求情況，本文分析了研制地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)的可能性和功能范圍，并結(jié)合地鐵應(yīng)用的特殊性介紹了保護(hù)信息管理系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，說明了3種定值在線校核方法的工作機(jī)制。最后利用南京地鐵4號(hào)線的實(shí)際保護(hù)定值數(shù)據(jù)和27臺(tái)保護(hù)裝置，搭建了測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)每種校核算法進(jìn)行了測(cè)試，取得了預(yù)期的效果。

地鐵行業(yè)的快速發(fā)展對(duì)供電安全提出了越來越高的要求。本文介紹的方案將“保護(hù)信息管理系統(tǒng)”與地鐵應(yīng)用的特殊情況相結(jié)合，解決了現(xiàn)有保護(hù)裝置應(yīng)用過程中出現(xiàn)的一些實(shí)際問題，有利于進(jìn)一步提高地鐵供電可靠性，希望能夠引起相關(guān)專家學(xué)者的高度關(guān)注。

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