基于數字通信的城市軌道交通直流牽引供電系統雙邊聯跳保護系統研究

摘 要：本文研究了一種基于數字通信的城市軌道交通直流牽引供電系統的雙邊聯跳保護系統，對應每一個牽引變電站均設有直流牽引保護測控裝置、大雙邊聯跳轉換繼電器和RS485轉光纖轉換器，建立直流牽引保護測控裝置之間的通信回路，實現任意接觸網區間的兩條饋電線的故障信息交換。

關鍵詞：雙邊聯跳；系統；數字通信

中圖分類號：U231.7 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）05-0053-04

Research on Double Jump Protection System for DC Traction Power Supply System of Urban Rail Transit Based on Digital Communication

JIN Hui1，LIAO Quanbao2，LAI Peixin2

（1. Guangzhou Metro Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510080，China；

2.Guangzhou Baiyun Electric Equipment Limited by Share Ltd.，Guangzhou 510080，China）

Abstract：This paper researches two way inner-tripping protection system based on digital communication for urban rail transit DC traction power supply system. Traction substations consist a DC traction protected measuring control device，a two way inner-tripping transition relay and an optical fiber converter of RS485. Traction substations build a communication loop among DC traction protected measuring control devices in order to realize fault information exchange between two feeder lines in any contact network zone.

Keywords：two way inner-tripping；system；digital communications

0 引 言

在城市軌道交通直流牽引供電系統中，按照《地鐵設計規范》的要求，直流牽引饋線應設置雙邊聯跳保護，即當一個雙邊供電區段內發生短路時，本區段兩端饋線斷路器聯動跳閘。距離故障點較遠的饋線斷路器流過的短路電流較小，達到整定的時間較晚或者達不到整定值。此時，首先到達整定的斷路器先跳閘，并將聯跳信號發送給對端斷路器，對段斷路器收到聯跳信號后也迅速跳閘，從而切斷故障區段[1]。

直流牽引雙邊聯跳保護是直流保護中的后備保護。一旦雙邊聯跳保護拒動，就可能給直流牽引系統帶來災難性后果；一旦雙邊聯跳保護誤動作，雖然可能通過自動重合閘功能盡快恢復供電，但還是會給直流牽引系統可靠性運行帶來隱患[2]。因而基于數字通信的城市軌道交通直流牽引供電系統雙邊聯跳保護系統研究的目的就是為了尋找一種更好的實現方式，既可提高直流牽引供電系統雙邊聯跳保護的可靠性，又可實現良好的經濟性和實時性。

1 實現雙邊聯跳保護中存在的問題

目前，國內各大城市的地鐵直流牽引系統普遍采用多芯控制電纜傳輸電信號的方案實現雙邊聯跳保護，其二次回路構造簡單，可靠性高，但也存在以下三個方面的問題：

（1）對二次回路本身可能發生的故障難以實時監測，當出現斷線或者接觸不良的情況時，保護可能誤動或者拒動，并且診斷二次回路故障點的過程較繁瑣；

（2）大、小雙邊切換時需要采用越區隔離開關本體的輔助觸點，觸點數量不夠的情況下要采用中間繼電器擴展。當中間繼電器出現故障時，不能反映越區隔開的真實狀態，雙邊聯跳回路無法正確切換，工程中存在安全隱患，在設計之初應該盡量避免；

（3）電信號傳輸過程存在損耗，如果站點相隔得遠，信號傳輸距離長，要詳細確認聯跳接收繼電器與聯跳回路的匹配性，避免聯跳接收繼電器無法進行相應的動作。

相對于控制電纜聯跳方案，基于數字通信的雙邊聯跳保護系統方案具有一些優勢。其中，最大的優點在于抗干擾性能好，對各種復雜的工程環境有很強的適應性。另外，光纖廣泛應用于長距離傳輸信號，適合作為地鐵供電系統中區間通信的傳輸介質。

2 基于數字通信的雙邊聯跳保護系統

2.1 系統結構

圖1中，V1～V6均表示直流電源；CL表示接觸網；CR表示回流回路；CL-1表示第一接觸網區間；CL-2表示第二接觸網區間；FC1表示第一饋電線；FC2表示第二饋電線；QF表示饋線斷路器；QS表示饋線隔離開關；YQS表示越區隔離開關；CK1表示第一直流牽引保護測控裝置；CK2表示第二直流牽引保護測控裝置；OUT01和IN01表示第一直流牽引保護測控裝置CK1的聯跳保護輸出端和框架泄漏保護輸入端，OUT02和IN02表示第二直流牽引保護測控裝置CK2的聯跳保護輸出端和框架泄漏保護輸入端，K1和K2表示框架泄漏保護裝置；DSL1和DSL2分別表示第一和第二大雙邊聯跳轉換繼電器；DSL1-1和DSL1-2分別表示第一大雙邊聯跳轉換繼電器的第一和第二常閉觸點；DSL2-1表示第二大雙邊聯跳轉換繼電器的敞開觸點；FC表示光纖接口；RS485表示RS485接口。

2.2 系統特征

上述的越區隔離開關設有與其分合位狀態同步的輔助觸點。

上述的雙邊聯跳保護系統對應每一個牽引變電站均設有兩個直流牽引保護測控裝置、兩個大雙邊聯跳轉換繼電器和兩個RS485轉光纖轉換器。其中，第一大雙邊聯跳轉換繼電器設有兩個常閉觸點，第二大雙邊聯跳轉換繼電器設有一個常開觸點。

任意一個上述牽引變電站的兩個直流牽引保護測控裝置、兩個大雙邊聯跳轉換繼電器和兩個RS485轉光纖轉換器均具有如下線路構造：第一直流牽引保護測控裝置的故障檢測回路連接對應牽引變電站的第一饋電線、RS485接口通過第一大雙邊聯跳轉換繼電器的第一常閉觸點連接第一RS485轉光纖轉換器的RS485接口以及聯跳保護輸出端通過第一聯跳動作節點連接對應牽引變電站第一饋電線的饋線斷路器的分合閘控制端，第二直流牽引保護測控裝置的故障檢測回路連接對應牽引變電站的第二饋電線、RS485接口通過第一大雙邊聯跳轉換繼電器的第二常閉觸點連接第二RS485轉光纖轉換器的RS485接口以及聯跳保護輸出端通過第二聯跳動作節點連接對應牽引變電站第二饋電線的饋線斷路器的分合閘控制端；第一大雙邊聯跳轉換繼電器和第二大雙邊聯跳轉換繼電器的線圈并聯并且該線圈并聯支路與上述越區隔離開關的輔助觸點串接在直流電源上，第二大雙邊聯跳轉換繼電器的常開觸點串接在第一RS485轉光纖轉換器的RS485接口與第二RS485轉光纖轉換器的RS485接口之間。

任意一個上述中間位置牽引變電站均具有如下線路構造：該中間位置牽引變電站的第一RS485轉光纖轉換器的光纖接口與其前方位置牽引變電站的第二RS485轉光纖轉換器的光纖接口通過光纖連接，該中間位置牽引變電站的第二RS485轉光纖轉換器的光纖接口與其后方位置牽引變電站的第一RS485轉光纖轉換器的光纖接口通過光纖連接。其中，直流牽引保護測控裝置的型號為DCR150。

2.3 系統工作原理

在A、B、C站正常運行時，B站的越區隔離開關YQS及其輔助觸點RT1均處于分位狀態，A站的第二饋電線FC2和B站的第一饋電線FC1對第一接觸網區間CL-1進行雙邊供電，B站的第二饋電線FC2和C站的第一饋電線FC1對第二接觸網區間CL-2進行雙邊供電。此時，A、B、C站的第一大雙邊聯跳轉換繼電器DSL1和第二大雙邊聯跳轉換繼電器DSL2的線圈均由于輔助觸點RT1分位而無電。故而第一大雙邊聯跳轉換繼電器DSL1的兩個常閉觸點DSL1-1、DSL1-2均處于合位狀態，第二大雙邊聯跳轉換繼電器DSL2的常開觸點DSL2-1則處于分位狀態，使得此時B站的第一直流牽引保護測控裝置CK1與A站的第二直流牽引保護測控裝置CK2處于實時通信狀態，B站的第二直流牽引保護測控裝置CK2與C站的第一直流牽引保護測控裝置CK1處于實時通信狀態，從而A站的第二直流牽引保護測控裝置CK2和B站的第一直流牽引保護測控裝置CK1均能夠通過直流牽引保護測控裝置之間可直接互相通信的規約進行兩個站的故障信息交換，以同時獲得A站第二饋電線FC2和B站第一饋電線FC1的故障檢測信息，B站的第二直流牽引保護測控裝置CK2和C站的第一直流牽引保護測控裝置CK1均能夠通過直流牽引保護測控裝置之間可直接互相通信的規約進行兩個站的故障信息交換，以同時獲得B站第二饋電線FC2和C站第一饋電線FC1的故障檢測信息。

由此，在A、B、C站正常運行的狀態下，第一接觸網區間CL-1和二接觸網區間CL-2的雙邊聯跳保護能夠得以可靠實現。舉例來說：當第一接觸網區間CL-1發生故障事故時，如果A站的第二直流牽引保護測控裝置CK2和B站的第一直流牽引保護測控裝置CK1均能檢測到故障信號，則A站的第二直流牽引保護測控裝置CK2和B站的第一直流牽引保護測控裝置CK1將分別動作；而當第一接觸網區間CL-1的故障事故發生點靠近于A站，使得僅A站的第二直流牽引保護測控裝置CK2檢測到故障信號、但B站的第一直流牽引保護測控裝置CK1未能檢測到故障信號時，例如A站第二饋電線FC2過流、而B站第一饋電線FC1電流正常，則A站的第二直流牽引保護測控裝置CK2首先動作；B站的第一直流牽引保護測控裝置CK1通過RS485轉光纖轉換器形成的通信通道獲得A站的第二直流牽引保護測控裝置CK2發出的故障信息后再行動作。其中，上述A站的第二直流牽引保護測控裝置CK2動作是指其通過第二聯跳動作節點斷開第一接觸網區間CL-1對應的第二饋電線FC2的饋線斷路器QF，B站的第一直流牽引保護測控裝置CK1動作是指其通過第一聯跳動作節點斷開第一接觸網區間CL-1對應的第一饋電線FC1的饋線斷路器QF。

在A、B、C站越區運行時，B站的第一饋電線FC1和第二饋電線FC2退出運行，B站的越區隔離開關YQS及其輔助觸點RT1均處于合位狀態，A站的第二饋電線FC2和C站的第一饋電線FC1對第一接觸網區間CL-1和第二接觸網區間CL-2連成的組合區間進行大雙邊供電。此時，B站的第一大雙邊聯跳轉換繼電器DSL1和第二大雙邊聯跳轉換繼電器DSL2的線圈均由于輔助觸點RT1合位而得電，因而B站的第一大雙邊聯跳轉換繼電器DSL1的兩個常閉觸點DSL1-1、DSL1-2均處于分位狀態，第二大雙邊聯跳轉換繼電器DSL2的常開觸點DSL2-1則處于合位狀態，而A、C站的兩個大雙邊聯跳轉換繼電器DSL1、DSL2的觸點狀態不變，使得此時B站的第一直流牽引保護測控裝置CK1與A站的第二直流牽引保護測控裝置CK2的通信回路斷開。B站的第二直流牽引保護測控裝置CK2與C站的第一直流牽引保護測控裝置CK1的通信回路斷開，而A站的第二直流牽引保護測控裝置CK2與C站的第一直流牽引保護測控裝置CK1則處于實時通信狀態。從而A站的第二直流牽引保護測控裝置CK2和C站的第一直流牽引保護測控裝置CK1均能夠通過直流牽引保護測控裝置之間，可直接互相通信的規約進行兩個站的故障信息交換，以同時獲得A站第二饋電線FC2和C站第一饋電線FC1的故障檢測信息。

由此，在A、B、C站越區運行的狀態下，第一接觸網區間CL-1和二接觸網區間CL-2的雙邊聯跳保護同樣能夠得以可靠實現，其實現過程與上述正常運行狀態下的實現過程類似，在此不再贅述。

如圖2所示，系統正常運行時，相鄰兩個站的直流牽引保護測控裝置之間不間斷地交換16位數據，包括8個發送數據位TMB1X-TMB8X（X為通道A或B）和8個接收數據位RMB1X-RMB8X（X為直流牽引保護測控裝置的通道A或B）。裝置之間交換的16位數據可通過直流牽引保護測控裝置的邏輯方程編輯功能實現雙邊聯跳保護的各種方案，從而實現兩個站之間快速、安全、可靠的雙邊聯跳保護相關數據信息的交換。當通信回路出現通信異常時，直流牽引保護測控裝置會發出報警信息，提醒值班工作人員進行檢修，以防故障發生時不能正確動作。

對于區分是否啟動直流牽引保護測控裝置的線路測試自動重合閘功能，只需通過邏輯方程的編輯，將信號分成不同的數據位傳送到相鄰站即可。相關部分邏輯方程如下所示：

//通道A發送位1=相關保護動作信號（需要啟動線路測試）

TMB1A=49T+76P1+1dI+1didt

//通道A發送位2=框架泄漏保護信號（不需要啟動線路測試）

TMB2A=IN01

//聯跳保護動作出口=相鄰站保護動作信號+相鄰站框架泄漏保護動作信號

OUT01=RMB1A+RMB2A

//啟動線路測試=本站保護動作信號+相鄰站保護動作信號

LTREX=TMB1A+RMB1A其中，TMB1A為通道A發送位1，49T為過熱保護，76P1為過流I段保護，1dI為I段△I保護，1didt為I段di/dt保護，TMB2A為通道A發送位2，IN01為裝置開入01，OUT01為裝置開出01，RMB1A為通道A接收位1，RMB2A為通道A接收位2，LTREX為啟動線路測試繼電器字，+表示邏輯或。

3 基于數字通信的雙邊聯跳保護系統的特點

與現有技術相比，該系統具有以下有特點：

（1）光纖通信可以實現信號在傳播媒介中的全反射，能夠減少信號源的信息失真率，提高信息接收端的正確性和原信號的質量[3]，更適用于接觸網區間的長距離通信，從而提高了直流牽引供電系統雙邊聯跳保護的可靠性；

（2）通過直流牽引保護測控裝置進行信息交換，不需要擴充繼電器的輸出接點動作來傳遞信息，消除了中間繼電器的延時時間，縮短了雙邊聯跳保護的整體動作時間，提高了實時性；

（3）無需過多利用饋線斷路器和上網隔離開關的輔助觸點，其回路更加簡單，節省了部分繼電器和設備成本，提高了經濟性。

4 結 論

進行基于數字通信雙邊聯跳保護系統的研究，一方面是創新，在技術上突破，采用光電轉換通信技術和邏輯編程的思想實現雙邊聯跳保護，為提高直流牽引供電系統的安全性、可靠性提供多一種可選擇的手段；另一方面是探索，本研究為解決地鐵變電所內部和各所之間的聯鎖、閉鎖、聯跳關系復雜的問題提供了新的設計思路。

參考文獻：

[1] 胡偉然.兩種直流雙邊聯跳回路的對比分析 [J].都市快軌交通，2009，22（4）：83-85.

[2] 章新華，岳宏波.地鐵直流牽引雙邊聯跳保護的探討 [J].機車電傳動，2009（2）：40-41.

[3] 段武.光纖通信的技術優勢與應用弊端分析 [J].中國新通信，2013，15（7）：60.

作者簡介：金輝（1980.06-），男，安徽安慶人，高級工程師，本科。研究方向：建筑工程管理、電氣工程；廖權保（1990.10-），男，廣東梅州人，助理工程師，本科。研究方向：繼電保護技術；賴沛鑫（1988.04-），男，廣東揭陽人，助理工程師，本科。研究方向：網絡通信技術。