保護信息管理在地鐵交流供電系統中的應用研究

金海奇

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

繼電保護裝置是保證地鐵供電系統安全運行的關鍵二次設備，而保護定值又是繼電保護裝置正確動作的基礎，因此合理整定、檢測和管理保護定值對保障地鐵供電系統的安全具有重要意義[1-3]。

保護跳閘時的故障波形是分析故障原因和確定故障性質的重要基礎，也應該納入有效管理。

目前城市軌道交通繼電保護裝置的定值整定是由設計單位在離線狀態下根據已有系統最大負荷電流和系統阻抗參數計算獲得的，并由調試單位輸入保護裝置并進行實驗測試[4]。但是根據實際應用的反饋，這種定值整定和管理模式出現如下問題需要改進提高。

1）定值整定標準不同導致的上下級配合問題。地鐵供電系統中主變電所定值一般由電力調度整定，而牽引降壓變電所定值一般由鐵路專業設計院整定，在兩類變電所的設計接口處由于雙方整定計算方法和標準的差異，常發生上下級保護配合方面的問題。

2）地鐵35kV供電系統整定調試時難以充分驗證保護配合關系。受牽引降壓變電所地理位置上的分散和調試手段的限制，調試單位調試繼電保護裝置時常常僅測試站內和鄰站間的保護配合關系，對于更復雜的跨越多個變電站的保護配合則難以測試，留下了測試盲點。

3）地鐵供電系統運行方式變化多樣，而運行方式切換后，如果保護裝置的定值組沒有同步切換，將導致運行定值與當前運行方式的不匹配，存在保護誤動和拒動的可能性。

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

5）保護動作后，保護裝置會記錄故障波形，但是目前地鐵沒有相應的保信系統來管理和查閱波形，檢修人員必須趕到現場才能確定故障原因，導致恢復供電周期很長。

若能夠將電力系統中已經普遍應用的保護信息管理系統與地鐵應用條件相結合，研制一套“地鐵保護信息管理系統”，以快速發現和定位上述問題盲點，則將有利于地鐵供電系統的安全運行能力的進一步提升，具有一定的實用意義。

1 地鐵應用的特殊性

“繼電保護定值在線校核”技術在電力系統已經得到了相關專業技術人員的廣泛研究[1,4-6]，但是通過研究和比較發現，現有成果和技術方案并不完全適合地鐵供電系統的實際情況，因此無法直接移植應用。這些差異性主要表現在以下方面。

1）目前電力系統內的繼電保護定值在線校核技術是針對電網結構設計的，校核系統通過能量管理系統（energy management system, EMS）采集電力系統的實時運行數據（運行方式、拓撲結構、保護定值等）。而地鐵供電系統內并不設置 EMS，更不會提供符合 IEC 61970標準的公共信息模型[5]以便在線校核系統采集數據。

2）電力系統的拓撲結構為多電源網絡，在線校核定值時需要進行潮流計算、分布式處理等[7]，而地鐵供電系統為單電源系統，不需要考慮潮流等因素，校核算法上相對簡化。而地鐵供電系統運行模式復雜，因此要求在線校核系統必須在運行模式切換方面具有針對性的解決措施。

3）地鐵負荷具有沖擊性的特點，鐵路專業設計院通常根據仿真計算得到的最大負荷電流整定繼電保護裝置，而傳統電力在線校核方法通常采用短路計算進行定值校核，如果在地鐵供電系統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，將不能實現校核目標。

因此，為了研制地鐵保護信息管理系統，必須充分考慮以上差異，在現有電力“繼電保護定值在線校核”技術的基礎上進行重新設計。

2 系統的結構

地鐵保護信息管理系統由“保信子站”和“保信主站”組成，其中子站負責保護信息數據的收集，主站負責保護信息數據的管理和分析。保信主站中，保護管理計算機為用戶接口設備，用于配置在線校核系統和讀取校核報告；在線校核服務器用于存儲校核數據庫和執行校核算法；交換機和前置服務器用于讀取保護定值、故障波形和核心斷路器狀態。系統結構如圖1所示。

圖1 地鐵保護信息管理系統結構圖

核心斷路器包括環網聯絡斷路器、主變電所和牽引降壓變電所的饋線斷路器、母聯斷路器等。由于核心斷路器的變位會導致地鐵供電系統運行模式的切換，所以必須實時監控其位置信息，以便于及時識別供電系統的模式切換。定值信息包括保護裝置內的所有運行定值和備用定值。讀取的定值信息存儲在定值數據庫中，供在線校核系統調用。

3 系統功能

地鐵保護信息管理系統的功能圖如圖2所示。

圖2 地鐵保護信息管理系統功能圖

地鐵保護信息管理系統支持3種校核算法（規則庫校核算法、定值庫校核算法和在線整定計算校核算法），同時在內部設置了5個專用數據庫為校核算法提供運算支持。這些數據庫除了定值數據庫外，還包括系統基本參數數據庫（存儲電纜單位阻抗、變壓器參數等供電系統參數）、設計定值庫（存儲設計院提供的設計整定定值清單）、定值校核規則庫（存儲如保護配合延時級差等定值校核規則）和系統拓撲結構數據庫（電氣一次系統的組網結構和斷路器編號）。定值數據庫的數據從 PSCADA系統讀取，其他數據庫的數據都需要通過“圖形化用戶配置接口”模塊進行設置。

在線校核系統還設置了“運行模式識別”功能模塊和“短路計算”功能模塊。運行模式識別模塊實時監視核心斷路器的變位信息以判斷系統的當前運行模式；短路計算模塊根據系統參數和假設條件計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“設計定值數據庫”和“定值數據庫”來核對保護裝置內的運行定值是否為設計定值。該模式主要用于篩查因人為整定失誤導致的錯誤隱患[8]。

校核算法執行時，利用實時采集的核心斷路器位置信息，由“運行模式識別”功能模塊判別系統當前的運行模式。定值庫校核模塊再根據運行模式從設計定值數據庫中讀取該運行模式對應的設計定值組。此后，校核模塊比較定值數據庫中每一個裝置內的運行定值與設計定值是否相同，并生成分析報告。若存在差異，則產生告警信息，提醒運行人員：當前運行定值存在整定錯誤。

定值庫校核功能支持周期觸發、事件觸發和手動觸發共3種觸發模式。周期觸發用于定期檢查系統保護定值，周期定值由運行人員設置，可作為一種自動化巡檢手段為保護裝置“運維”提供便利；事件觸發用于運行模式切換后對系統保護定值進行即時檢查，避免出現因保護定值未隨運行模式切換而導致的安全隱患；手動觸發則由運行人員根據需要決定是否執行校核算法。

3.2 整定計算校核模式

目前關于在線定值校核系統有靜態分析和動態分析兩類方法。動態分析方法考慮了潮流計算、狀態突變、負荷模型、電源參數等更豐富的數據，能夠比靜態方法提供更詳細、更準確的信息，因此成為電力系統在線校核的主流[5]。但是對于地鐵供電系統，由于潮流數據影響極小、電源參數也變化不大，因此動態分析方法相比于靜態分析方法的優勢并不明顯。本論文選用靜態分析方法來計算和校核保護定值。

地鐵負荷具有沖擊性的特點，地鐵繼電保護定值通常根據仿真計算得到的最大負荷電流整定，整定計算校核模式的作用就是驗證設計定值的靈敏度。“短路計算”功能模塊以“系統基本參數庫”中的電氣參數為基礎，結合運行模式識別結果，采用靜態網絡阻抗分析方法計算單相接地、兩相接地、相間短路不接地和三相短路時各個故障點（母線、站間環網電纜、整流/動力變壓器高低壓側）的短路數據，并將計算結果提交給整定計算校核模塊。

整定計算定值校核模塊主要校核在當前系統方式下保護所在區域發生內部故障時，當前保護定值的“靈敏度”。保護靈敏度的計算公式[2]為

式中，mK 為靈敏度；dzI 為待校驗保護定值；curI 為保護區域內發生不同類型接地故障時流過保護的最大短路電流。由于地鐵站間間距較短，站間電纜阻抗較小（正序和零序阻抗一般都小于 1Ω），因此選取環網電纜中間點進行短路故障計算和靈敏度校核即可。

若保護靈敏度的校核結果不滿足用戶要求，則在線定值校核系統可以根據短路電流給出一個合理化的建議定值（可靠系數relK 由運行人員整定），并將校核結果生成校核報告，供用戶分析參考。

整定計算校核模式需要較大的運算資源和運行時間，而且要求“系統基本參數數據庫”參數整定的精確，因此該模式僅支持手動觸發，以保證校核結論的準確性。

3.3 規則庫校核模式

規則庫校核模式主要校核在當前系統運行模式下，按照運行人員整定的“配合規則”，上下級繼電保護裝置間是否可以有效配合，從而有選擇性地切除故障。因此，規則庫校核模式的主要功能是校驗保護定值的“選擇性”。

地鐵供電系統通常配置有過流保護、線路光纖差動保護，以及使用越來越廣泛的數字通信電流保護，其中后兩種保護都是具有絕對選擇性，不存在選擇性配合問題。因此，規則庫校核的重點是過流保護，以及過流保護與差動保護、數字電流保護的配合關系。另外，差動保護和數字通信電流保護都屬于網絡化保護，需要兩臺以上保護裝置間的通信配合來判斷故障位置，因此規則庫校核模式還需要校核這種配合關系的正確性。

過流保護的電流定值和時間定值都會影響到保護的選擇性。但是對于地鐵供電系統，由于環網上下級斷路器間距離較短（1～2km），斷路器間線路阻抗小于0.5Ω，依靠電流定值無法區分保護范圍，過流保護的選擇性主要依靠時間定值級差來實現。電流定值對保護選擇性的影響往往表現在供電分區中一個區段內電流定值與下一個區段內電流定值間的配合關系。圖3為一個典型的地鐵供電分區。

圖3 地鐵典型供電分析示意圖

圖3中過流保護整定時，會將#1和#2變電所定義為一個供電區段，其進出線過流保護電流定值相同，即圖中 A1、A2、A3、A4與 B1、B2、B3、B4的電流定值為相同值；同時也會將#3和#4變電所定義為另一個供電區段，電流定值也整定為相同值。而同一區段內上下級斷路器的選擇性配合主要靠時間級差，例如：B2斷路器和B4斷路器為上下級配合關系，若時間定值級差要求為 0.25s，則故障時 B2斷路器和 B4斷路器會同時起動（電流定值相同），但B2比B4晚0.25s跳閘。規則庫校核模式將根據以上選擇性整定規則，對保護定值進行校核。

對于差動保護，兩側 CT的變比相同，由于被保護環網線路較短，所以兩側差動保護定值應該相同；對于數字通信電流保護[9-10]，由于目前行業內沒有統一實現標準，所以其選擇性校核規則應根據具體保護邏輯進行設置，否則可能會誤判為選擇性錯誤。

規則庫校核功能支持定時觸發、事件觸發和手動觸發共3種觸發模式。

3.4 故障波形管理功能

故障波形管理功能是保護信息管理系統的基本功能。地鐵保護信息管理系統采用故障信息索引方式管理故障波形。圖4為保信系統管理界面。該界面以樹形結構檢索每個變電站的每臺保護裝置，并以時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應的故障波形。

圖4 保信系統管理界面

4 系統功能驗證

為了驗證地鐵保護信息管理系統的功能，本文利用南京地鐵4號線的實際定值數據和27臺保護裝置搭建了一個定值在線校核系統的實時數字仿真（real time digital simulation, RTDS）測試平臺，并模擬了各種類型的定值整定錯誤情況，以檢測在線校核系統的性能。試驗平臺的系統結構如圖5所示。

圖5 試驗系統網絡結構

該試驗平臺主要驗證校核服務器和校核后臺的軟件性能，為了簡化系統結構，采用了校核服務器通過IEC 60870-5-103規約、從保護裝置直接采集定值的組網結構。精簡后的實驗數據記錄見表1。

表1 定值在線校核功能測試（簡表）

5 結論

針對地鐵供電系統在保護信息管理方面的需求情況，本文分析了研制地鐵保護信息管理系統的可能性和功能范圍，并結合地鐵應用的特殊性介紹了保護信息管理系統的軟件架構，說明了3種定值在線校核方法的工作機制。最后利用南京地鐵4號線的實際保護定值數據和27臺保護裝置，搭建了測試驗證平臺，對每種校核算法進行了測試，取得了預期的效果。

地鐵行業的快速發展對供電安全提出了越來越高的要求。本文介紹的方案將“保護信息管理系統”與地鐵應用的特殊情況相結合，解決了現有保護裝置應用過程中出現的一些實際問題，有利于進一步提高地鐵供電可靠性，希望能夠引起相關專家學者的高度關注。

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