軌道交通供電系統自愈控制架構研究

馮劍冰

（1.華南理工大學電力學院，廣州 510641；2.廣州地鐵集團有限公司，廣州 510330）

0 引言

軌道交通在現代生活中越來越重要，已成為快節奏、高效率社會運行的基本保障。軌道交通系統的可靠性成為影響服務品質、交通效率和社會秩序的關鍵因素之一。供電系統作為軌道交通的核心系統之一，其可靠性將極大地影響整個軌道交通系統的可靠性；而系統自愈能力（災備能力）作為供電系統的可靠性、先進性的重要標志，也成為未來先進供電系統的核心功能之一。

“自愈”的概念源自于生物界，原指各種生命體具有自發作用的能力以維持自身的健康狀態，避免受到外界的影響、干擾和侵害等，以及從非健康狀態進行恢復的能力。而將“自愈”概念引入電網系統，最早源自于1999年美國電科院與美國能源部發起的“復雜互動系統”聯合研究計劃。電網的自愈（Self-healing）主要是指電網遭遇故障、擾動時，通過監控手段和在線診斷與評估，及時隔離故障、恢復向負荷供電的自我恢復能力[1]。電網的自愈性，是保證電網可靠運行和高質量服務的重要保障。

軌道交通供電系統來說，具有自愈能力，即指系統在遭遇內部故障、外部電源失電、故障/過負荷預警等情況時，能隔離故障、系統重構和恢復成可繼續供電的狀態。110 kV電源側、35 kV交流中壓網絡、1500 V直流牽引網絡、400 V配電系統等，既需要具備各自獨立的自愈能力，又需要在連鎖故障甚至極端大型故障場景中，具備系統性的自愈能力，保證向各用電負荷持續性供電。

目前，軌道交通行業還未實現供電系統的自愈，有必要開展深入研究，以提高系統的可靠性和服務水平。

1 供電系統自愈的現狀研究

1.1 配電網自愈

自從美國的“復雜互動系統聯合研究計劃”將“自愈”概念應用于電網后，自愈成為電網的研究熱點和智能化重要標志。行業內，大電網的自愈研究是建設新一代智能電網的核心目標之一，萬秋蘭[2]對大電網的自愈理論進行了深入研究，聚焦復雜系統理論和電力系統穩定性理論，作為大電網自愈的研究方向。但大電網由于規模龐大、系統極其復雜，自愈研究難度較大；而配電網由于較之簡化，甚至有部分孤島場景，因此配電網的自愈研究更為豐富。配電網自愈，主要的研究方向如下。

（1）動態拓撲方向。朱中華等[3]提出了通過拓撲及狀態進行自動識別的方法來實現分布式配電系統的自愈；戴觀權[4]等提出了基于動態拓撲模型的配電網分布式保護自愈方法；張安龍等[5]研究了基于動態拓撲分析的自適應保護和自愈控制方法。動態拓撲的研究聚焦主要是圖論及拓撲研究。

（2）多代理技術。董志輝等[6]提出了基于多代理技術的供電恢復策略；王娟娟等[7]研究了基于多智體（多代理）混合調度的治愈方法；李波等[8]研究了JADE（多代理開發平臺）開發智能配電網自愈系統。多代理技術主要是研究用多代理系統（MAS）的算法和架構，研究系統自愈的方法。

（3）智能算法。劉凱等[9]提出了基于啟發式規則和人工免疫的算法，開發智能配電網的自愈方案；余昆等[10]研究了基于分層遞階控制理論的城市電網自愈控制系統結構。

（4）自愈評價體系。YULAN SHEN 等[11]對自愈體系的評價進行了研究，提出了衡量自愈性能的4個指標體系：自愈可靠性、自愈率、自愈速度、自愈效益；李天友等[12]也對自愈的評價指標進行了研究，細化了自愈速度指標的分級、自愈率的計算方法等。

1.2 軌道交通供電系統自愈

軌道交通供電系統與電網（配電網）的架構差別較大，系統設計方案、結構、運行模式、故障類型、后備能力甚至設備組成均不相同，系統的自愈場景和研究重點也不相同。

劉永生等[13]對城市軌道交通（地鐵）的交流中壓網絡的快速自愈方法進行了研究，對傳統的差動保護啟動備自投、過流保護啟動備自投進行了進一步完善，提出了一種新的保護啟動備自投的方法；井友剛[14]提出以供電分區（牽引的區段單元）作為自愈單元對象，通過測控保護裝置和廣域保護的通道，結合特定故障的自愈流程，實現一定的系統自愈功能；劉長利[15]也以供電分區（牽引的區段單元）作為自愈單元對象，通過分析供電分區中的故障類型和薄弱環節，提出通過升級一次設備的方法（如將接觸網開關升級為斷路器），將供電分區提升為可自愈的單元，從而實現特定的自愈功能。

1.3 問題和不足

電網（配電網）的系統自愈研究較多，實現自愈的方法也較多樣，提供了非常好的研究思路。同時，受制于電網（配電網）與軌道交通供電系統的架構差異，自愈的方法無法直接應用于軌道交通，需要進一步研究這些方法在軌道交通場景中的適用性。

目前，軌道交通供電系統自愈方面的研究較少，也沒有系統性地考慮從0.4～110 kV的全面覆蓋電源側、交流中壓網絡、直流牽引系統、配電系統的全方位系統自愈。行業內側重于對特定部分、局部場景等進行了自愈功能的研究。

2 軌道交通供電系統自愈體系和架構

在軌道交通供電系統目前還不具備全面的、系統性的自愈功能。系統設計中，在繼電保護的基礎上設置了一定的、局部的備自投功能，或采用自動重合閘功能應對偶發性、非永久性故障。如表1所示。從表中可以看出，軌道交通供電系統僅僅考慮了傳統的斷路器備自投功能，缺乏系統性的自愈功能；軌道交通供電系統的架構是鏈狀結構，產生故障的類型多、連鎖反應范圍大，系統的自愈難度也較大，需考慮繼電保護、系統結構、后備支援能力等多方面的因素。

表1 軌道交通供電系統現有自愈設置

2.1 自愈體系的故障場景

系統性考慮軌道交通供電系統的自愈性問題，需首先對系統的架構特點進行分析。軌道交通供電系統屬于電壓跨度大、負荷多樣、地理范圍大的鏈狀結構。如圖1所示，此架構的供電系統，需實現全面的系統自愈，要考慮所有的故障場景和多個層次的自愈能力。表2所示為軌道交通供電系統自愈需求表。

圖1 軌道交通典型的供電系統架構

表2 軌道交通供電系統自愈需求

整個系統的故障、過載、連鎖非常復雜，而繼電保護的設置已相對完善；要實現全面自愈，必須在繼電保護的基礎上對故障場景進行智能分析和應對策略生成。

2.2 自愈方法

解決軌道交通供電系統的自愈性，需建立多層次、多維度、多場景、變拓撲的恢復方法。通常在系統設計中，按運行模式和設計條件確定的故障類型和后備方案，均可以構建預想事故集，通過繼電保護啟動程控/順控的方式，進行預想模式的自愈。而實際運行工況和故障情況并非完全在設計條件范圍內，特別從運營部門的角度，軌道交通事關重大交通秩序和城市秩序，在各類極端故障情況下都要盡一切努力使系統最低程度地運行。因此，通過智能的分析方法和實時的潮流計算挖掘各類后備潛能和尋找后備支援，成為自愈的重要方向。如表3所示。

2.3 自愈系統架構

考慮到整個系統的規模和分布范圍較大的特點，自愈系統的架構不能簡單采用集中式或分散式的架構，考慮采用遞階控制體系或者多代理控制體系來架設。

表3 軌道交通供電系統自愈方法分類

采用遞階控制體系，軌道交通供電系統自愈體系可構成如圖2所示的自愈系統。

圖2 遞階控制體系架構的自愈系統

采用多代理控制體系，軌道交通供電系統自愈體系可構成如圖3所示的自愈系統。

圖3 多代理控制體系架構的自愈系統

無論哪種自愈系統架構，要綜合考慮不同的自愈策略、自愈時限要求等因素；但系統級自愈在中央級進行集中控制，站級、橫向級（電壓等級）的自愈采用分散控制，已成為共識。

2.4 其他約束條件

自愈功能的實現還需要滿足其他的一些約束條件（前提）。在系統設計過程中，設計方對系統的容量、運行模式、故障類型和后備方案均進行了一定的考慮，因此在設計條件下的自愈其約束條件是有保障的。

但是在設計條件之外，特別是極端情況下，除了自愈策略是否成立之外，各方面約束條件是否能滿足系統自愈，則是自愈的重要前提。重要的約束條件如下。

（1）系統能力。當非預想事故發生時，當自愈策略生成時，線路載流量、變壓器容量等，能否支撐調整后的拓撲運行，需要潮流預判。因此，實時潮流計算的功能，是自愈能力的重要前提。

（2）整定值。自愈產生的新拓撲結構，整定值如何調整，既需要遠方整定這樣的基礎功能或定制調整/切換，又需要基于新拓撲結構下的整定計算。

（3）跨線支援能力。在需要跨線支援以實現系統自愈的情況下，還需要鄰線的冗余能力計算，以確定可向本線路支援的能力。

這些約束條件，對自愈的影響較大，在下一步的研究中有必要深入開展。

3 結束語

自愈功能已成為電網以及軌道交通供電系統的未來必然趨勢，也是先進、智能類系統的標志之一。通過對配電網和軌道交通供電系統先前的自愈研究方向和成果進行分析、總結，結合軌道交通供電系統的架構和設計原則，提出了面向軌道交通供電系統全場景的自愈目標和技術路線。同時，結合配電網系統自愈功能的2類主流系統架構，即遞階控制架構和多代理控制架構，初步設計了2種架構實現軌道交通供電系統自愈功能，為后續進一步深入研究奠定基礎。

除對自愈功能控制架構的研究外，還對實現自愈功能的約束條件（前提）進行了初步分析和探討，也作為后續實現系統自愈功能提供了重要研究方向。