基于供電臂的AT牽引網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)模型研究

殷梓健，宋金川，田行軍，王 喆，姚 琪

0 引言

鐵路作為綜合運(yùn)輸體系的骨干和主要運(yùn)輸方式之一，對我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)行的高速鐵路一般采用電力牽引供電，列車通過接觸網(wǎng)取用電流。由于國鐵多在戶外運(yùn)營，氣候、環(huán)境條件復(fù)雜多變，在較為惡劣的氣候和環(huán)境條件下，以電力牽引運(yùn)行的高速鐵路容易發(fā)生電氣故障。因此，采用一套高效可靠的繼電保護(hù)系統(tǒng)對高速鐵路的安全運(yùn)營至關(guān)重要。

目前，高速鐵路的繼電保護(hù)依然采用傳統(tǒng)的保護(hù)方式，設(shè)置各種保護(hù)的動作時間，通過保護(hù)動作時差保證保護(hù)的選擇性、速動性。文獻(xiàn)[1]指出，牽引網(wǎng)的負(fù)荷、電力機(jī)車或動車組會在牽引網(wǎng)區(qū)段內(nèi)沿線路移動，因此電力系統(tǒng)中廣泛運(yùn)用的電流差動保護(hù)無法完全勝任牽引網(wǎng)的保護(hù)。文獻(xiàn)[2]指出，由于電氣化鐵路的負(fù)荷出現(xiàn)在差動保護(hù)的保護(hù)范圍之內(nèi)，即使采用光纖縱向差動保護(hù)，其保護(hù)范圍和靈敏度與基于單端信息量的過電流保護(hù)也沒有區(qū)別。這也凸顯了對電氣化鐵路的繼電保護(hù)方案進(jìn)行專門研究的必要性。

隨著我國第一條自主研發(fā)的智能高速鐵路—京張高鐵的開通運(yùn)營，中國鐵路進(jìn)入了智能化時代。《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》提出，要加強(qiáng)信息、智能化建設(shè)，提高安監(jiān)自動化水平，推進(jìn)信息綜合應(yīng)用[3]。在此背景下，考慮到鐵路運(yùn)營對安全性、可靠性的特殊要求，提升高速鐵路繼電保護(hù)的智能化水平至關(guān)重要。

為提升繼電保護(hù)的智能化水平，文獻(xiàn)[4]提出了電網(wǎng)故障診斷的改進(jìn)模型，通過引入貢獻(xiàn)因子改善模型效果，用于分析電網(wǎng)故障。同時，電網(wǎng)故障診斷的分階段解析模型[5]及電力系統(tǒng)二維重組法數(shù)據(jù)壓縮算法[6]的問世，對高速鐵路的繼電保護(hù)也有著重要的參考價值。在同樣屬于軌道交通的地鐵領(lǐng)域，文獻(xiàn)[7]提出了利用IEC 61850通信規(guī)約實現(xiàn)保護(hù)裝置間的無縫通信，這為同樣屬于軌道交通的高速鐵路提升繼電保護(hù)水平提供了新思路。利用IEC 61850通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，構(gòu)建包含整條供電臂的通信繼保網(wǎng)絡(luò)，打破信息孤島，實現(xiàn)保護(hù)區(qū)段內(nèi)繼保設(shè)備的互聯(lián)互通，解決各繼保設(shè)備的聯(lián)絡(luò)難題，無疑對提高繼電保護(hù)的可靠性、速動性及高速鐵路的智能化、信息化水平具有重要意義。

1 現(xiàn)行供電臂繼保方案分析

在全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)線路中，供電臂是最小基本重復(fù)單元。在一條供電臂中，一般包含牽引變電所、AT所、分區(qū)所與開閉所。

牽引變電所中安置有主變壓器；AT所中配置有自耦變壓器；分區(qū)所的主要任務(wù)是控制上下行線路之間的聯(lián)通，全并聯(lián)運(yùn)行方式即通過分區(qū)所調(diào)控實現(xiàn)；開閉所的主要作用是提高供電的可靠性和縮小故障停電范圍，將故障對鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊懡档阶畹汀?/p>

在一般的繼電保護(hù)分析中，通常不考慮開閉所，僅分析變電所、AT所與分區(qū)所之間的保護(hù)配置關(guān)系。目前，由于高鐵的全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)在AT所處通常是并聯(lián)運(yùn)行的，而保護(hù)裝置的配置通常采用分立方式[8]，具體的保護(hù)配置關(guān)系如圖1所示。

圖1 供電臂保護(hù)示意圖

（1）無論是上行線路還是下行線路發(fā)生故障，牽引變電所保護(hù)分別跳閘斷路器1QF、2QF，無選擇性地切斷所有電源。

（2）位于AT所的3QF、4QF和位于分區(qū)所的5QF、6QF分別檢測到上、下行線路失壓，失壓保護(hù)啟動，斷路器各自分別跳開，從而使供電系統(tǒng)從系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行退化為各自獨立運(yùn)行的形式，系統(tǒng)發(fā)生解列。

（3）牽引變電所斷路器1QF、2QF在到達(dá)設(shè)定的時間后分別自動重合閘。如果上行供電臂合閘成功，則AT所和分區(qū)所檢測到上行供電臂電壓恢復(fù)，具有電壓檢測功能的自動重合閘將會啟動，分別重合閘AT所和分區(qū)所處的斷路器，上行供電臂恢復(fù)供電；如果下行供電臂合閘成功，AT所和分區(qū)所將會檢測到下行供電臂電壓恢復(fù)，具有電壓檢測功能的自動重合閘將會啟動，分別重合閘AT所和分區(qū)所處的斷路器，下行供電臂恢復(fù)供電。如果在供電臂的供電區(qū)段內(nèi)出現(xiàn)的是臨時性故障，則經(jīng)過這一過程之后，臨時性故障可以得到排除。

（4）如果在供電臂的供電區(qū)段內(nèi)發(fā)生的是永久性故障，則當(dāng)故障發(fā)生在上行供電臂區(qū)段內(nèi)時，在（3）的敘述過程中，斷路器1QF的自動重合閘便不會成功，上下行供電臂中僅有下行供電臂得以恢復(fù)供電，上行供電臂供電切斷；同理，若故障發(fā)生在下行供電臂區(qū)段內(nèi)，斷路器2QF的自動重合閘不會成功，上下行供電臂中僅有上行供電臂得以恢復(fù)供電，下行供電臂完成故障切除。

通過對上述繼電保護(hù)動作流程及相關(guān)資料分析，可以總結(jié)得到在現(xiàn)行供電臂繼電保護(hù)方案下的保護(hù)與自動裝置配置，如表1所示。

表1 保護(hù)與自動裝置配置及LD節(jié)點配置

2 基于IEC 61850的邏輯設(shè)備模型建立

在對現(xiàn)行的、基于供電臂的繼保方案進(jìn)行分析后，利用分析結(jié)果，依據(jù)IEC 61850通信規(guī)約第7部分第4節(jié)有關(guān)系統(tǒng)節(jié)點的配置規(guī)則進(jìn)行邏輯設(shè)備建模。在建模過程中，如有與通信規(guī)約中已列出的保護(hù)與自動裝置配置表中保護(hù)類型一致的LD節(jié)點，則可直接借用，若不完全一致，則需依照規(guī)則自行搭建，模型搭建及LD節(jié)點配置結(jié)果如表1所示，模型內(nèi)LN節(jié)點的邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 供電臂保護(hù)IED的LN分配

圖2 中，除表1中已經(jīng)注明的節(jié)點外，均來自于保護(hù)與自動裝置配置表，這些節(jié)點均有對應(yīng)的保護(hù)功能。但一套完整的供電臂保護(hù)方案還應(yīng)有監(jiān)控、測量、人工干預(yù)等功能以及部分測控器件，如斷路器、電流互感器、電壓互感器等，這正是圖2中出現(xiàn)表1中未注明的其他節(jié)點的原因。各節(jié)點的作用：PTRC代表預(yù)先設(shè)定的跳閘門限；PIID代表電流增量保護(hù)；MMXU節(jié)點擔(dān)負(fù)在各層之間遞送電壓互感器、電流互感器采集的電壓、電流等信號的任務(wù)；RDRE節(jié)點向人機(jī)交互層面?zhèn)鬏斾洸ā⒐收稀⑷罩竞蛨蟾娴刃畔⒐┲蛋嗳藛T整理分析；RDRS處理擾動；IHMI是值班人員手動操作的基礎(chǔ)；XCBR節(jié)點代表斷路器；TCTR、TVTR節(jié)點分別代表電流、電流互感器[9]。

3 基于IEC 61850規(guī)約的邏輯設(shè)備節(jié)點配置

建立邏輯設(shè)備模型后，應(yīng)根據(jù)IEC 61850通信規(guī)約第7部分第2節(jié)所規(guī)定的配置規(guī)則，對涉及到的邏輯設(shè)備節(jié)點逐一配置，配置過程較為冗長，下文選擇以距離保護(hù)（PDIS）邏輯設(shè)備節(jié)點為例，展示邏輯設(shè)備模型的配置結(jié)果，其他邏輯設(shè)備節(jié)點模型的配置結(jié)果從略。距離保護(hù)（PDIS）邏輯設(shè)備節(jié)點的配置結(jié)果如表2所示。

表2 PDIS屬性列表

4 整個供電臂的IED模型建立

在完成供電臂保護(hù)各邏輯設(shè)備節(jié)點的配置后，可建立供電臂線路保護(hù)的IED模型，如圖3所示。

圖3 供電臂線路保護(hù)IED模型

在供電臂保護(hù)的IED模型中，將整個供電臂的功能大致分為3類，分別是保護(hù)功能、測量與記錄功能和人機(jī)接口功能，分別用3個邏輯設(shè)備實現(xiàn)：LD1負(fù)責(zé)保護(hù)功能，LD2負(fù)責(zé)測量與記錄功能，LD3負(fù)責(zé)實現(xiàn)人機(jī)接口功能。

LLN0代表邏輯設(shè)備的公共數(shù)據(jù)，如銘牌、運(yùn)行狀態(tài)等；LPDH代表擁有LN的物理設(shè)備的公共數(shù)據(jù)[10]。這兩項用于表述邏輯設(shè)備的基本信息，是每個邏輯設(shè)備所必須包含的組成部分，故出現(xiàn)在LD1、LD2、LD3三個邏輯設(shè)備模型中。其余的圖中節(jié)點在前文中已有解釋說明，此處不再贅述。

LD1、LD2、LD3三個邏輯設(shè)備組成服務(wù)器，再將Server單獨作為整個供電臂的IED模型。

5 使用OPNET軟件測試建立的網(wǎng)絡(luò)性能

根據(jù)圖3所示的IED模型，建立搭建的OPNET仿真模型如圖4所示。

圖4 OPNET仿真模型

選用3C_SSII_1100_3300_4S_ae52_e48_ge3作為邏輯設(shè)備模型的中心交換機(jī)，以交換機(jī)為核心通過星形連接的方式連接各自的邏輯節(jié)點，同時為滿足交換機(jī)的正常運(yùn)行及仿真統(tǒng)計需要，每臺交換機(jī)均配置一臺服務(wù)器。以CS_2514_1S_e2_S12作為路由器連接各邏輯模型設(shè)備的交換機(jī)，實現(xiàn)各邏輯設(shè)備模型的互聯(lián)互通。

下文對建立的模型進(jìn)行簡單的可靠性計算，設(shè)每個節(jié)點的故障率為λn，每條鏈路的故障率為λ，則節(jié)點和鏈路的正常工作概率分別為

模型中所有節(jié)點全部正常工作的概率RN為

式中，N為模型中的節(jié)點數(shù)。

模型中所有鏈路均正常工作的概率RL為

式中，M為模型的鏈路數(shù)，A為(M,N)矩陣。

整個模型的正常工作概率RM為

聯(lián)立式（1）—式（4），代入數(shù)據(jù)計算，得到該模型的正常工作概率約為98.49%。

現(xiàn)將仿真時間設(shè)置為1 h，即仿真模擬運(yùn)行1 h，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 整個供電臂的IED通信延時

圖6 LD1邏輯設(shè)備的負(fù)載與通信延時

從圖5可以看出，整個供電臂IED模型的通信延時大致穩(wěn)定在0.000 40 s附近，表明在供電臂內(nèi)各自動保護(hù)裝置之間的通信只需要0.4 ms便可完成，對于整條供電臂而言無疑是一個比較理想的結(jié)果。

從圖6可以看出，以邏輯設(shè)備模型LD1為例，單個邏輯設(shè)備的通信延時在0.000 50～0.000 20 s范圍波動，大致穩(wěn)定在0.000 30 s，即0.3 ms，其負(fù)載大致在0.5～1 kbits/s范圍波動。該結(jié)果說明在邏輯設(shè)備模型內(nèi)部實現(xiàn)通信的用時比整條供電臂中實現(xiàn)通信的用時要短，同時，在現(xiàn)有的通信媒介（如光纖）下，擔(dān)負(fù)該程度的負(fù)載是切實可靠的。

6 結(jié)語

目前，IEC 61850通信規(guī)約在國內(nèi)鐵路行業(yè)的應(yīng)用仍處于研發(fā)和實驗階段，沒有成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，但在國際和國內(nèi)的電力行業(yè)中已經(jīng)進(jìn)行了多年的實踐應(yīng)用，積累了許多可以借鑒的成熟經(jīng)驗。鐵路具有的與國計民生息息相關(guān)的特殊性決定了對其運(yùn)行安全性、可靠性的苛刻要求，而保證鐵路運(yùn)行安全性與可靠性的關(guān)鍵之一在于應(yīng)用一套兼具選擇性與速動性的可靠的繼電保護(hù)方案。應(yīng)用成熟的IEC 61850通信規(guī)約，借鑒其統(tǒng)一通信標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建一體化的繼電保護(hù)模型，實現(xiàn)保護(hù)裝置之間互聯(lián)互通，無疑是一條事半功倍的技術(shù)路線。