計及牽引供電系統整定系統的研究

侯瑞鵬 楊明玉 張玉潔 夏 蕓 周慶捷

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003；2.天津市寶坻供電有限公司，天津 301800；3.北京中恒博瑞數字電力科技有限公司，北京 100096）

隨著我國國民經濟的飛速發展，我國逐步開展新一輪的大規模鐵路建設。根據2003年實施的《中長期鐵路網規劃》，到2020年，全國鐵路里程預計將達到10萬km，實現主要繁忙干線客貨分離；主要通道復線電氣化；且實現50%復線率和電化率[1-6]。電氣化鐵路的飛速發展，特別是高速電氣化鐵路的發展以及鐵路的大面積提速，新修和改建電氣化鐵路的速度不斷加快，其供電網絡越來越復雜，用電設備的數量也急劇增加，對用電設備和供電設備的保護也提出了越來越高的要求。

目前，電網和發電廠的繼電保護整定軟件的研究都已取得豐碩成果，開發技術也較為成熟，現場應用效果良好。但目前計及牽引供電系統的繼電保護整定軟件的研究開發還處于起步階段，而牽引供電系統繼電保護的定值和牽引供電系統的電網側保護的定值仍處于人工整定階段，這與當今計算機技術的快速發展不相適應。同時電氣化鐵路的發展使繼電保護整定計算人員的工作量劇增。

為了減輕牽引供電系統整定計算人員的工作量，提高工作效率，減少誤整定，確保牽引供電系統和其電網側的安全運行，加強計及牽引供電系統繼電保護整定系統的研究勢在必行。

1 研究現狀

隨著我國電網的發展和電氣化鐵路的建設，越來越多的牽引變壓器引入到電力輸電網絡。目前我國采用兩相交流供電系統和三相交流供電系統的牽引模式。采用兩相式供電方式的電氣化鐵路由電網的 220kV電源經牽引變壓器降壓至 25kV，變壓器高壓側的兩條進線取自系統三相中的兩相，對相關供電分區供電，各牽引站接入系統采用換相連接，即三個牽引變電站為一個單元，接入系統時相序選擇AB—BC—CA構成一個循環[1]。采用三相式供電方式的電氣化鐵路采用以下4種類型的三相變壓器作為其牽引變壓器，即單相V/V，單相V/X，三相-二相斯科特接線和三相 Y/D11。兩種模式下采用的變壓器的類型不同，它們的引入對上級線路的整定影響不同，需要分情況進行分析。

1.1 三相式牽引供電系統故障計算方法

針對電氣化鐵路采用三相式供電系統的情況，主要包含以下幾種分析計算方法：應用三相對稱分量法，按照相分量法進行分析計算[2]；使用系統變換法技術將牽引變電所的高壓側三相系統變換到牽引側兩相系統進行的分析計算[3-7]；將牽引變壓器低壓側看成是三相不對稱串聯阻抗，應用對稱分量法進行求解[8-10]。對于現有電網的繼電保護整定軟件，采用對稱分量法。文獻[2-9]采用變換技術，需要針對不同的牽引變壓器進行系統變換，且采用相分量法進行計算，需要開發代碼較多。文獻[6,9-15]同時也需要考慮不同的接線變壓器，開發代碼較多。雖然文獻[10]敘述了一種通用的采用序分量坐標的計算機算法，但是結論不合理。建立不同牽引變壓器的通用的序網模型或通用的計算機算法方法是解決該問題的一個重要思路。

1.2 兩相式牽引供電系統故障計算方法

對于兩相式供電系統，具有嚴重的不對稱性。東北電網在哈爾濱—大連電氣化鐵路投入運行后，對這種兩相式供電系統作了一定的研究。文獻[11]將兩相式供電系統看成是牽引變壓器高壓側發生經不對稱過渡阻抗的不對稱短路，采用對稱分量法進行故障分析。文獻[16]采用 EMTP對兩相運行條件下發生短路故障進行了仿真分析，故障電流的分布規律。兩相式供電系統在我國應用時間較短，尚未形成較為系統的分析方法。

1.3 牽引供電系統的繼電保護配置及整定計算

1）計及牽引供電系統電網側繼電保護配置及整定計算

目前，我國在高鐵供電線路電網側配置雙套微機型線路保護，每套保護裝置中包括三段相間距離保護、三段接地距離保護和四段（或兩段）零序電流保護，并具備 TV斷線后過流和零序過流保護功能[17-18]。

由于單相V/V，單相V/X，三相-二相斯科特接線和三相Y/D11的接線方式不同，使得牽引變壓器的等效模型不同，因此它們對電氣化鐵路供電系統電網側繼電保護整定的影響不同，需要分別考慮它們對整定計算的影響。由于牽引變壓器的特殊接線方式，在牽引變壓器末端故障時，在電源側線路的距離保護的感受阻抗將可能變小，流過保護的最大短路電流將可能變大。

2）牽引供電系統的繼電保護配置及整定計算

（1）高速鐵路牽引網饋線保護

目前，我國廣深高速鐵路和哈大線的接觸網饋線采用Siemens公司生產的7SAsl8／519保護裝置。其保護配置有如下功能：具有電流速斷保護、過電流后備保護、組合特性的兩段距離保護、兩段斷路器失靈保護、反映負荷電流的接觸導線溫度保護、自動重合閘、溫度保護自動重合閘、故障測距、可編程指令、信號繼電器、LED顯示與二進制輸入、故障錄波、運行與故障指示等[19-22]。

（2）牽引變壓器保護配置

目前牽引變壓器保護的主要研究成果集中在差動保護方面。一般均設有二次諧波閉鎖的比率差動保護、差動速斷電流保護作為主保護，過電流保護、過負荷保護，低壓啟動過電流保護和非電量保護等[23-25]。

電鐵供電線路的繼電保護有其特殊性，主要有以下幾方面：牽引供電系統供電線路在運行時僅僅是單側電源線運行，因此保護裝置只需配置于電源側，牽引站側不用配置相關保護裝置；為確保其供電可靠性，每條電氣化鐵路供電線路系統在變電所側需要配置兩套微機型線路保護裝置；保護裝置設起動元件，在電鐵沖擊負荷作用下，保護起動元件能夠可靠防止誤起動；保護裝置應具有良好的濾波功能，從而消除諧波電流對保護的影響；保護裝置應能適應電鐵負荷擾動的影響，能正確反應被保護線路上發生的各種故障，并快速有選擇性跳閘；線路故障切除后不需重合，由牽引站側自動投入備用線路。

1.4 計及牽引供電系統整定軟件研究概況

目前國內電力系統整定軟件主要采用了類似的結構設計和技術方法，結構一般為：模型建立、故障計算、整定計算、數據管理、仿真校驗等。邏輯架構和部署架構如圖1所示。

圖1 邏輯架構和部署架構

模型建立是整定計算軟件實現的前提，目前對電網建模的方法一般只針對一次設備，大多應用IEC61970標準的 CIM圖形建模方法以及國際通用的矢量圖形擴展格式 SVG進行存儲和讀取圖形數據，但是對二次繼電保護裝置的建模沒有統一的標準[26]；故障計算是繼電保護整定計算和繼電保護定值校驗的基礎，方法主要是以阻抗型網絡方程為基礎的阻抗矩陣法，或者以導納型網絡方程為基礎的導納矩陣法[27]；整定計算模塊是繼電保護系統的核心，現在的整定計算系統基本都是采用面向整定原則編程的方法實現，很少有同時按照原理和裝置進行整定計算的系統；數據管理主要是基于關系數據庫 access或 SQL server，在 Delphi、Visual basic、VC++、C#開發環境下，數據庫引擎采用 ADO，基本實現了數據參數的存儲、查詢、統計和綜合分析。

文獻[28－29]指出國內的一些大學在牽引供電系統繼電保護整定計算方面做了一定的研究，開發出一些適用于特定產品或者特定部分的整定程序包，由于這些程序是針對某一特定環節開發，在通用性上有一定的局限性，還沒有形成一套成型的通用的牽引供電系統繼電保護整定系統。但其只涉及到牽引側的整定計算，尚未涉及牽引變上級線路保護的整定。文獻[30]雖然涉及到牽引側和牽引變的上級線路，但它只解決了涉及 v/v牽引變電站的情況，尚不具有通用性。

2 結論

1）計及電氣化鐵路供電系統故障計算方面研究電氣化鐵路供電系統的結構，尋求一種可以對包括電氣化鐵路不對稱供電結構的復雜電網進行故障計算的算法。建立通用的序網模型或通用的計算方法，從而減少輸電網故障計算程序的特殊模塊代碼量。

2）計及牽引供電系統繼電保護整定計算的注意事項

（1）對牽引變電站的上級線路距離保護和零序電流保護進行整定計算時，需要對距離保護和零序電流保護的整定值進行了修正，防止了距離保護和零序電流保護的保護范圍伸出牽引變低壓側，從而保證了距離保護和零序電流保護的選擇性。

（2）電氣化鐵路供電線路屬于終端線路，并未配置縱聯保護，其整定原則有其特殊之處，主要由以下幾個方面：①采用低電壓作為相間故障起動元件，其值應按照線末故障有足夠靈敏度來整定；②其相間距離I段以及和流保護I段定值應保證全線故障有足夠靈敏度以實現全線速動。

3）整定計算軟件研究

目前尚未形成成熟的計及牽引供電系統的整定軟件。可在圖1的應用層中增加牽引供電系統參數管理模塊。該模塊主要包括牽引變壓器參數、牽引網參數和保護配置等信息。通過這些參數來描述牽引供電系統與電網的拓撲關系進行計及電氣化鐵路供電系統故障計算及整定計算。該方法的優點是能夠較簡潔的實現計及牽引供電系統的整定功能，增加代碼量較少。

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