定值在線校核系統(tǒng)在地鐵供電領域的應用研究

魏 巍

（南京南瑞繼保電氣有限公司，211102，南京∥工程師）

繼電保護裝置是保證地鐵供電系統(tǒng)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(tǒng)的安全具有重要意義［1-2］。

目前地鐵繼電保護裝置的定值整定是由設計單位在離線狀態(tài)下根據(jù)已有系統(tǒng)最大負荷電流和系統(tǒng)阻抗參數(shù)計算獲得的，并由調(diào)試單位輸入保護裝置并進行試驗測試。但是根據(jù)實際應用的反饋，這種定值整定和管理模式表現(xiàn)出一些需要改進提高的問題：

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

（2）整定調(diào)試時難以充分驗證保護配合關系。由于地理位置上的分散和調(diào)試手段的限制，調(diào)試單位調(diào)試繼電保護裝置時常常僅試驗測試站內(nèi)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(tǒng)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(tài)時，由于整定方法的不完善或者整定計算過程中的人為疏漏，系統(tǒng)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。

針對以上問題，如果采用系統(tǒng)分析的方法，研制一套能夠自動校核保護定值的“地鐵定值在線校核系統(tǒng)”，將能夠填補行業(yè)空白，具有較大的實用意義。

1 地鐵定值在線校核系統(tǒng)的特殊性

雖然“繼電保護定值在線校核”技術在電力系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)得到了相關專業(yè)技術人員的廣泛研究［1，3］，但是通過比較發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有成果和技術方案并不完全適合地鐵供電系統(tǒng)的實際情況，也無法直接移植應用。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)的繼電保護定值在線校核技術是針對電網(wǎng)結構設計的，其校核系統(tǒng)通過能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）采集電力系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)（運行方式、拓撲結構、保護定值等）。而地鐵供電系統(tǒng)內(nèi)并不設置EMS，更不會提供符合IEC 61970標準的公共信息模型［3］以便在線校核系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。

（2）電力系統(tǒng)的拓撲結構為多電源網(wǎng)絡，在線校核定值時需要進行潮流計算、分布式處理等［4-5］，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，校核算法上相對簡化。但是地鐵供電系統(tǒng)運行模式復雜，因此要求在線校核系統(tǒng)必須在運行模式切換方面具有針對性的解決措施。

（3）由于地鐵負荷具有沖擊性的特點，鐵路專業(yè)設計院通常根據(jù)仿真計算得到的最大負荷電流來整定繼電保護裝置，而傳統(tǒng)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(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，將不能實現(xiàn)校核目標。

因此，研制地鐵繼電保護定值在線校核系統(tǒng)，必須考慮以上差異，在現(xiàn)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和專題研究。

2 地鐵定值在線校核系統(tǒng)的結構

地鐵繼電保護定值在線校核系統(tǒng)由接口計算機、在線校核服務器、交換機和單向隔離裝置組成。接口計算機為用戶接口設備，用于配置在線校核系統(tǒng)和讀取校核報告；在線校核服務器用于存儲校核數(shù)據(jù)庫和執(zhí)行校核算法；交換機和單向隔離裝置為通信設備，實現(xiàn)在線定值和系統(tǒng)運行狀態(tài)的安全讀取。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 地鐵定值在線校核系統(tǒng)結構圖

在線校核系統(tǒng)通過單向隔離裝置與地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)（Power Supervisory Control And Data Acquisition，PSCADA）通信，通信協(xié)議為 IEC 60870-5-103規(guī)約，以便讀取地鐵供電系統(tǒng)中核心斷路器的位置信息和所有保護裝置的定值信息。

核心斷路器包括環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡斷路器、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導致地鐵供電系統(tǒng)運行模式的切換，所以必須實時監(jiān)控其位置信息，以便及時識別供電系統(tǒng)的模式切換。

定值信息包括保護裝置內(nèi)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(shù)據(jù)庫中，供在線校核系統(tǒng)調(diào)用。

3 在線校核系統(tǒng)功能

“地鐵定值在線校核系統(tǒng)”的功能圖如圖2所示。

圖2 地鐵定值在線校核系統(tǒng)功能圖

地鐵定值在線校核系統(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算校核算法），同時在其內(nèi)部設置了5個專用數(shù)據(jù)庫為校核算法提供運算支持。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（存儲電纜單位阻抗、變壓器參數(shù)等供電系統(tǒng)參數(shù)）、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(guī)則庫（存儲如保護配合延時級差等定值校核規(guī)則）和系統(tǒng)拓撲結構數(shù)據(jù)庫（電氣一次系統(tǒng)的組網(wǎng)結構和斷路器編號）。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”模塊進行設置。

在線校核系統(tǒng)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(jiān)視核心斷路器的變位信息以判斷系統(tǒng)的當前運行模式；短路計算模塊用以根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和假設條件來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(shù)據(jù)庫”和“定值數(shù)據(jù)庫”來核對保護裝置內(nèi)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。

校核算法執(zhí)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(tǒng)當前的運行模式。定值庫校核模塊再根據(jù)運行模式從設計定值數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫中每一個裝置內(nèi)的運行定值與設計定值是否相同，并生成分析報告。如果存在差異，則產(chǎn)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(fā)、事件觸發(fā)和手動觸發(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(fā)用于運行模式切換后對系統(tǒng)保護定值進行即時檢查，避免出現(xiàn)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(fā)則由運行人員根據(jù)需要決定是否執(zhí)行校核算法。

3.2 整定計算校核模式

目前，在線定值校核系統(tǒng)有靜態(tài)和動態(tài)分析兩類方法。動態(tài)分析方法考慮了潮流計算、狀態(tài)突變、負荷模型、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、更準確的信息，因此成為電力系統(tǒng)在線校核的主流［3］。但是對于地鐵供電系統(tǒng)，由于潮流數(shù)據(jù)影響極小，電源參數(shù)也變化不大，因此動態(tài)分析方法的優(yōu)勢并不明顯。所以本文選用靜態(tài)分析方法來計算和校核保護定值。

“短路計算”功能模塊以“系統(tǒng)基本參數(shù)庫”中的電氣參數(shù)為基礎，結合運行模式識別結果，采用靜態(tài)網(wǎng)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(huán)網(wǎng)電纜、整流/動力變壓器高低壓側）的短路數(shù)據(jù)，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(tǒng)方式下保護所在區(qū)域發(fā)生內(nèi)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：Km=Idz/Icur（1）

式中：

Km——靈敏度；

Idz——待校驗保護定值；

Icur——保護區(qū)域內(nèi)發(fā)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?。ㄕ蚝土阈蜃杩挂话愣夹∮? Ω），因此選取環(huán)網(wǎng)電纜中間點進行短路故障計算和靈敏度校核即可。

如果保護靈敏度的校核結果不滿足用戶要求，在線定值校核系統(tǒng)可以根據(jù)短路電流給出一個合理化的建議定值（可靠系數(shù)Krel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(tǒng)基本參數(shù)數(shù)據(jù)庫”參數(shù)整定的精確性，因此該模式僅支持手動觸發(fā)模式。

3.3 規(guī)則庫校核模式

規(guī)則庫校核模式主要校核在當前系統(tǒng)運行模式下，按照運行人員整定的“配合規(guī)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(guī)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(tǒng)通常配置有過流保護、線路光纖差動保護和數(shù)字通信電流保護，其中后兩種保護具有絕對選擇性，不存在選擇性配合問題。因此，規(guī)則庫校核的重點是過流保護，以及過流保護與差動保護、數(shù)字電流保護的配合關系。另外，差動保護和數(shù)字通信電流保護都屬于網(wǎng)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(guī)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(tǒng)，由于環(huán)網(wǎng)上下級斷路器間距離較短（1～2 km），斷路器間線路阻抗較小，依靠電流定值無法區(qū)分保護范圍，所以過流保護的選擇性主要依靠時間定值級差來實現(xiàn)。電流定值對保護選擇性的影響往往表現(xiàn)在供電分區(qū)中一個區(qū)段內(nèi)電流定值與下一個區(qū)段內(nèi)電流定值間的配合關系。圖3為一個典型的地鐵供電分區(qū)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(qū)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(qū)段，電流定值也整定為相同值。而同一區(qū)段內(nèi)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，如果時間定值級差要求為0.25 s，則故障時B2斷路器和B4斷路器會同時啟動（電流定值相同），但B2比B4晚0.25 s跳閘。規(guī)則庫校核模式將根據(jù)以上選擇性整定規(guī)則，對保護定值進行校核。

圖3 地鐵典型供電分區(qū)示意圖

對于差動保護，如果兩側電流互感器的變比相同，由于被保護環(huán)網(wǎng)線路較短，兩側差動保護定值應該相同；對于數(shù)字通信電流保護［6］，由于目前行業(yè)內(nèi)沒有統(tǒng)一實現(xiàn)標準，所以其選擇性校核規(guī)則應根據(jù)具體保護邏輯進行設置，否則可能會誤判為選擇性錯誤。

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

4 系統(tǒng)功能驗證

為了驗證地鐵定值在線校核系統(tǒng)的功能，本文利用27臺保護裝置搭建了一個定值在線校核系統(tǒng)仿真測試平臺（見圖4），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(tǒng)的性能。

圖4 試驗平臺的系統(tǒng)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(tǒng)結構，采用了校核服務器通過IEC 60870-5-103規(guī)約從保護裝置直接采集定值的組網(wǎng)結構。綜合試驗數(shù)據(jù)見表1。

經(jīng)過試驗測試，地鐵定值在線校核系統(tǒng)能夠按照設計要求及時檢測出各種類型的定值整定錯誤，生成定值校驗報告。

表1 定值在線校核功能測試

5 結語

由于定值整定問題而導致的地鐵停電事故時有發(fā)生，已經(jīng)成為地鐵供電系統(tǒng)安全的一大威脅。本文分析了地鐵供電系統(tǒng)定值管理流程的主要缺陷和安全隱患，提出了研制定值在線校核系統(tǒng)的必要性，并分析了其功能要求。在系統(tǒng)設計和研制方面，本文詳細介紹了地鐵定值在線校核系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和功能結構，說明了3種定值在線校核方法的工作機制和校核算法；利用保護裝置搭建了測試平臺，對每種校核算法進行了測試，達到了預期的效果。

［1］ 曾耿暉，李銀紅，段獻忠.電力系統(tǒng)繼電保護定值的在線校核［J］.繼電器，2002，30（1）：22.

［2］ 張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［3］ 畢兆東，王寧.基于動態(tài)短路電流計算的繼電保護定值在線校核系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2012，36（7）：81.

［4］ 呂穎，張伯明.基于集群計算機的保護定值在線校核［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31（14）：12.

［5］ 王錫凡，方萬良，杜正春.現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析［M］.北京：科學出版社，2003.

［6］ 魏巍，嚴偉，沈全榮.地鐵數(shù)字電流保護技術的應用［J］.都市快軌交通，2014，27（5）：60.