城市軌道交通交流供電系統快速自愈方案研究

劉永生，魏 巍，王 旭，侯 煒，陳 俊

?

城市軌道交通交流供電系統快速自愈方案研究

劉永生，魏 巍，王 旭，侯 煒，陳 俊

城市軌道交通供電系統的快速自愈對城市軌道交通的正常運營意義重大。本文介紹了城市軌道交通交流供電系統的自愈特點及自愈方案，并針對現有方案的不足提出一種新型交流供電系統快速自愈方案，通過動作邏輯分析以及PSCAD仿真，驗證了該方案的可行性。

城市軌道交通；交流供電系統；系統自愈；PSCAD

0 引言

城市軌道交通供電系統為城市軌道交通的正常運行提供所需電能，城市軌道交通在運營過程中一旦發生長時間的供電中斷，不僅會造成運輸癱瘓，甚至會危及乘客的生命并造成財產損失。故障后系統的快速自愈可以有效縮小事故的影響范圍，并減少其可能造成的損失。目前，城市軌道交通交流供電系統自愈多采用差動啟動備自投或失壓啟動備自投方案，均是針對單一故障實現系統的自愈，或針對單一運行方式下環網故障完成系統的自愈，具有一定的局限性。本文提出一種交流供電系統新型快速自愈方案，對于不同運行方式下故障以及不同故障類型，均可實現供電系統的快速自愈，確保城市軌道交通的安全運行。

1 交流供電系統自愈特點

城市軌道交通交流供電系統由多個供電分區組成，各個供電分區采用單側電源供電的多變電所環串結構，不同供電分區可通過聯絡開關和聯絡電纜實現相互之間的支援供電，該拓撲結構使得交流供電系統具有較強的韌性。

正常供電方式下，聯絡開關處于斷開狀態，當某一供電分區的主所退出運行，聯絡開關合上，完成供電網絡的拓撲重構，形成支援供電方式。城市軌道交通交流供電系統自愈方案應考慮正常供電和支援供電2種運行方式。

圖1為交流供電系統正常供電方式系統示意圖。現針對該運行方式下不同故障的自愈特點進行分析。當發生K1點環網故障后，跳開304、402開關，完成故障的切除和隔離，合上400開關便可實現系統的恢復供電；當發生K2點母線故障后，通過402、404、502開關的跳開實現故障的切除和隔離，由于變電所4的II母故障，合上站內的母聯開關400，不僅不會使II母供電恢復，還可能將故障范圍擴大，所以應合上500開關實現下級站的供電恢復。

圖2為交流供電系統支援供電方式系統圖。由于在支援供電方式下被支援的供電分區潮流方向發生變化，因此當同樣發生K1點環網故障時，應通過合上變電所3母聯開關完成系統自愈；當發生K2點母線故障時，通過開關404、402、304的動作將故障切除和隔離，合上變電所3內的母聯開關，實現下級變電所II母的供電恢復。

圖1 正常供電方式系統圖

圖2 支援供電方式系統圖

2 現有自愈方案

2.1 差動保護動作啟動備自投

城市軌道交通交流供電系統站間采用電纜環串的結構，環串變電所數量較多，環網電纜較長，且環網電纜多敷設在潮濕的地下環境中，交流系統發生環網故障的概率較大[4]。針對上述特點，采用差動保護動作啟動備自投，即環網電纜發生故障后，差動保護裝置動作同時啟動站內備自投保護裝置。當故障電纜兩側的斷路器跳開且所在母線失壓時，備自投裝置快速動作合上母聯開關，完成系統的快速自愈。其備自投動作邏輯如圖3所示。

圖3 差動保護動作啟動備自投邏輯

差動保護裝置準確定位并隔離了故障，為系統的快速自愈提供了有利條件，因此該自愈方案可適用于不同運行方式下環網故障后的系統快速自愈。

2.2 失壓啟動備自投

差動保護動作啟動備自投的自愈方案雖然解決了環網電纜故障后交流供電系統的快速自愈，但是發生母線故障時，差動保護裝置無法動作，便無法啟動站內備自投保護裝置，使得變電所及下級變電所失電，供電系統無法自愈。鑒于以上問題，國內某些城市軌道交通交流供電系統自愈方案采用失壓啟動備自投，即當站內某段母線失壓，備自投裝置向失壓母線所在的進線斷路器發出跳閘命令，進線斷路器跳開后，備自投裝置向母聯開關發出合閘信號，完成系統的恢復供電[5，6]。其備自投動作邏輯如圖4所示。

由于失壓啟動備自投是通過站內某段母線失壓來啟動本站內備自投裝置，因此上級變電所無論發生何種故障，本站母線失壓后均能啟動備自投動作，從而實現不同類型故障下的系統自愈。

圖4 失壓啟動備自投邏輯

3 新型系統快速自愈方案

3.1 現有自愈方案的困境

通過上一節的介紹可知，差動保護動作啟動備自投方案只能解決環網電纜故障后的系統快速自愈，對于其他類型故障諸如母線故障則無法實現系統自愈。失壓啟動備自投雖然可以解決多類型故障下的系統自愈，然而失壓啟動備自投具有一定的局限性。首先，由于失壓啟動備自投方案需先跳開失壓母線的進線開關，因此需要預先明確母線的進線開關。當系統潮流發生變化后，進出線開關發生轉換，該方案便不再適用。當系統切換運行方式，需將失壓啟動備自投退出，否則會造成開關的誤動作。其次，由于供電分區內的變電所是通過電纜環串在一起，某個站內母線失壓會造成其下級變電所的母線同時失壓，不同站內的失壓備自投需要通過時間級差進行配合，以防止多個變電所內的失壓備自投同時動作。根據國內某些線路的經驗來看，相鄰變電所之間失壓自投的時間級差通常都在2 s以上，這對于環串變電所數量較多的供電系統，越靠近供電分區末端的變電所自愈延時越長。

3.2 新型系統快速自愈方案

針對上述問題以及城市軌道交通交流供電系統的供電特點，本文提出一種新型交流供電系統快速自愈方案。由于交流供電系統采用單側電源供電的多變電所環串的結構，因此當環網電纜兩側斷路器其中一側跳開，下級變電所均會失電，環網電纜兩側斷路器同時跳開并不會擴大停電范圍。當發生環網故障后，本方案與差動保護動作啟動備自投一致，此處不作說明。當發生母線故障后，以圖1為例進行說明。當發生K2故障，變電所4的II母進線開關402過流保護動作將故障切除，同時向出線開關404以及其環網對側開關502的保護裝置發出聯跳信號；502開關聯跳的同時啟動所內500開關的備自投裝置動作，完成系統供電的快速恢復。其動作邏輯如圖5所示。

圖5 新型系統快速自愈方案動作邏輯

該自愈方案是基于故障發生后的供電快速恢復方案，適用于多種運行方式下環網故障以及多種類型故障。故障發生后，通過跳開故障點下級變電所的進線斷路器，完成故障的完全隔離，與此同時快速啟動所內備自投裝置。

4 仿真分析

為了驗證新型系統快速自愈方案的效果，在PSCAD中搭建了如圖1、圖2的交流供電系統仿真模型以及保護控制模型，其中牽引所1、2、3、4、5、6構成供電分區1，牽引所7、8、9構成供電分區2，牽引所6的603、604開關作為聯絡開關，仿真參數如表1所示。

表1 城市軌道交通交流供電系統仿真參數

4.1 正常供電方式下系統快速自愈

正常供電方式下，聯絡開關603、604處于斷開狀態。為了更好地觀察不同自愈方案下的系統恢復情況，環網故障的模擬故障點選在供電分區1的開關304和402之間的環網電纜，母線故障的模擬故障點選在供電分區1的牽引所4的II母母線。圖6、圖7分別為正常供電方式下環網故障和母線故障時系統快速自愈示意圖。

圖6 正常供電方式下環網故障系統快速自愈

圖7 正常供電方式下母線故障系統快速自愈

從圖6可以看出，當304和402之間環網電纜發生故障，環網電纜兩側的304和402開關的差動保護動作將故障切除并隔離，所內的400母聯保護裝置檢測到牽引所4內的II母失壓，并接收到402開關的差動保護動作信號后，經短延時備自投動作，合上母聯開關，使得牽引所4內的I母通過母聯開關給II母供電，實現牽引所4以及下級變電所的供電快速恢復。

從圖7可以看出，當牽引所4內發生母線故障，進線開關402的過流保護動作，同時通過502開關的保護裝置聯跳502開關，完成故障切除及隔離，500開關保護裝置接收到502開關的聯跳保護動作信號后，經短延時備自投動作，合上母聯開關，使得牽引所5內的I母通過母聯開關給II母供電，實現牽引所5以及下級變電所的供電快速恢復。

4.2 支援供電方式下系統自愈

將供電分區1的101、102開關斷開，合上聯絡開關603、604，實現供電分區2向供電分區1的支援供電。環網故障的模擬故障點選在供電分區1的開關304和402之間的環網電纜，母線故障的模擬故障點選在供電分區1的牽引所3的II母母線。圖8、圖9分別為支援供電方式下環網故障和母線故障時系統快速自愈示意圖。

從圖8可以看出，當304和402開關之間環網電纜發生故障，環網電纜兩側的304和402開關的差動保護動作將故障切除并隔離，牽引所3內的300母聯保護裝置檢測到牽引所4內的II母失壓，并接收到304開關的差動保護動作信號后，經短延時備自投動作，合上母聯開關，使得牽引所3內的I母通過母聯開關給II母供電，實現牽引所3以及下級變電所的供電快速恢復。

圖8 支援供電方式下環網故障系統快速自愈

從圖9可以看出，當牽引所3內發生母線故障，進線開關304的過流保護動作，同時通過204開關的保護裝置聯跳204開關，完成故障的切除及隔離，200開關保護裝置接收到204開關的聯跳保護動作信號后，經短延時備自投動作，合上母聯開關，使牽引所2內的I母通過母聯開關給II母供電，實現牽引所2以及下級牽引所的供電快速恢復。

圖9 支援供電方式下母線故障系統快速自愈

5 結語

理論分析和系統仿真結果說明本文所提出的交流供電系統新型快速自愈方案切實有效，適用于多種不同運行方式下環網故障以及多種類型故障的快速自愈，解決了現有自愈方案在城市軌道交通交流供電系統應用中存在的問題，對交流供電系統的快速自愈具有實際參考意義，并具有較大的工程應用價值。

[1] 李建民. 城市軌道交通供電系統模式的分析與研究[J].城市軌道交通研究，2004，17(6)：54-56.

[2] 韓連祥，張鋼. 城市軌道交通中壓網絡供電分區的劃分[J]. 都市快軌交通，2007，20（4）：75-77.

[3] 張建根. 廣州地鐵供電系統33 kV環網接線方式的思考[J]. 城市軌道交通研究，2006，9（7）：1-5.

[4] 趙立峰，李延強，姚剛. 線路光纖縱差保護在北京地鐵5號線的應用[J]. 城市軌道交通研究，2008，11（4）：14-17.

[5] 張洪陵. 淺談地鐵低壓配電自投自復功能的設置[J]. 電氣化鐵道，2011（3）：42-45.

[6] 韓連祥，牛廣斌，孫靜. 城鐵低壓配電系統運行方式及自投自復原理[J]. 都市快軌交通，2003（1）：40-47.

The quick self-healing of power supply system of urban mass transit has great significance to normal operation of urban mass transit. The paper introduces the self-healing characteristics and self-healing schemes for AC power supply system of urban mass transit, and a new scheme for system self-healing has been put forward with regard to the disadvantages of existed schemes, the feasibility of the scheme has been verified on the basis of logic analysis of actions and PSCAD simulation.

Urban mass transit; AC power supply system; system self-healing; PSCAD

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.016

U231.8

B

1007-936X(2018)05-0061-04

2018-01-23

劉永生.南京南瑞繼保電氣有限公司，工程師；

魏 巍，侯 煒，陳 俊.南京南瑞繼保電氣有限公司，高級工程師；

王 旭.南京地鐵運營有限責任公司，工程師。