智能牽引供電廣域保護測控系統層次化保護試驗研究

楊斯泐，王永亭，郭晨曦，郭旭剛，董文哲

0 引言

智能牽引供電系統是智能高鐵的重要組成部分，廣域保護測控系統是其智能化關鍵子系統，層次化保護是實現廣域保護測控功能的核心技術之一。繼電保護作為牽引供電系統安全保障的第一道重要屏障，實現其智能化、數字化對智能高鐵牽引供電系統的發展具有重要意義。

牽引供電系統的傳統繼電保護依據變壓器、牽引網保護等元件本地信息判斷故障，利用設備冗余和上下級保護的時間配合，實現繼電保護的選擇性和可靠性。隨著高速鐵路的快速發展，對繼電保護的可靠性、快速性提出了更高的要求，傳統繼電保 護基于被保護對象自身信息，在較復雜供電方式下，整定配合越來越困難，造成動作時間長、靈敏性不高，特別是在無法實現各種保護間的信息共享、無法對整個牽引供電系統的運行工況和故障情況綜合分析判斷情況下，可能產生聯鎖跳閘導致整個牽引供電系統的癱瘓，從而無法實現減小故障影響范圍的目的[1]。

電網系統已研究和發展多種適用于電力系統網絡的層次化保護方案，在現有保護配置基礎上增加站域級和廣域級保護控制，優化繼電保護與控制策略，提高繼電保護性能的同時增強了其對電網運行的適應能力，主要運用于后備保護和就地主保護的補充[2，3]。牽引供電系統相對于電網系統，結合其運用特殊性和供電方式的特點，其層次化保護快速性、靈敏性較強，能夠縮小故障停電范圍，并能夠基于層次化保護進一步完成自愈重構等智能化功能。

智能牽引變電所支持系統級全域所亭實時在線分析和控制決策，通過先進網絡架構融合層級化智能保護配合動作。廣域測控系統基于牽引變電所、分區所、開閉所、AT所的網絡數據共享，綜合利用各所的電氣量、開關量和保護設備狀態等信息，實現對牽引供電設施主要設備的自動監視、測量、控制、保護。層次化保護是智能牽引變電所廣域保護測控系統的核心功能，以就地保護、站域保護、廣域保護3個層面完成層次化保護功能，是在最短時間內完成牽引供電系統故障狀態評估、故障區段隔離、非故障區段恢復運行的良好方式，對未來智能牽引供電系統的廣泛運用具有重要意義[4]。

1 智能牽引供電系統繼電保護新特點

1.1 傳統牽引所繼電保護配置要求

傳統牽引所以牽引網保護、牽引變壓器保護、自耦變壓器（AT）保護、并聯補償電容器保護等本地保護為基礎，適用于牽引供電系統變電所、AT所、分區所、開閉所配置，基本能夠滿足現有鐵路牽引供電系統的保護需求。

傳統繼電保護配置及整定計算應滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求。牽引供電系統繼電保護裝置應充分考慮電氣化鐵路供電產生的不對稱分量、沖擊負荷、諧波分量等影響因素，并采取可靠有效的措施防止保護不正確動作、頻繁啟動、拒動等情況的發生。

目前實際運營中，繼電保護上下級保護配合的時限級差宜取0.2 s。牽引網饋線保護采用多邊形動作特性作為距離保護判據標準。電流速斷、電流增量、距離Ⅰ段保護時限均建議取0.1 s，重合閘時限整定為2 s。牽引網重合閘應具備后加速保護功能，當重合于故障線路時加速各保護元件動作[5]。

1.2 智能牽引所層次化保護的新功能

智能化繼電保護裝置的配置應滿足層次化保護的需求，按就地保護、站域保護和廣域保護配置，就地保護裝置按牽引變電所內保護對象單個對應配置，站域保護裝置可與廣域保護裝置合并。就地保護、站域保護及廣域保護裝置產生的故障信息統一歸類后進行綜合分析，基于網絡體系完成故障保護功能，并采用充分的冗余配置。廣域保護和站域保護主要功能如下：

（1）供電臂保護。以牽引變電所、AT所、分區所智能化饋線保護裝置為基礎，投入供電臂保護元件后，實現上行（下行）發生故障時供電臂內上行（下行）斷路器保護跳閘，下行（上行）斷路器不動作，不影響下行（上行）供電臂正常運行。AT所、分區所母線故障時，僅跳本所上下行斷路器，不影響主所正常運行。

（2）母線快速保護。變壓器低壓側過流保護利用饋線保護是否啟動對故障位置進行判斷，若故障發生于母線側，則母線保護快速跳閘，實現母線快速保護。

2 廣域保護測控系統層次化保護

2.1 系統架構

層次化保護綜合運用牽引供電系統（包括變電所、分區所、AT所等）全局信息，通過分布式智能化網絡架構，層級化布局在統一時鐘下，極短時間內實現時間、空間和功能多維的協調配合，完成全局化繼電保護功能，準確識別故障類型和位置，縮小故障影響范圍，保障系統的安全穩定運行。

330、220、110、27.5 kV各電壓等級就地保護、安全自動裝置宜采用點對點數字量采樣、跳閘、測量、控制；站域保護、廣域保護、網絡報文記錄宜采用網絡數字量采樣和跳閘，主變壓器非電量保護裝置應采用電纜直接跳閘[6，7]。

2.2 層級研究

就地保護是以牽引變電所內單個被保護對象為單元，利用被保護對象自身信息獨立決策實現的繼電保護。工程實施中，就地保護相當于傳統牽引變電所的繼電保護，但由于廣域保護的運用，使就地保護作為其后備保護使用。就地保護包括了傳統繼電保護的饋線保護、變壓器保護等功能。智能牽引供電系統就地保護區別于電力系統就地化保護的概念，主要泛指傳統牽引所繼電保護功能。就地保護應具備TB/T 3226—2010和NB/T 42014—2013規定的全部功能，牽引變壓器就地保護應配置母線快速保護功能。

站域保護作為就地保護的冗余，是基于牽引變電所網絡數據共享，綜合利用全所的電氣量、開關量和就地級保護設備狀態等信息，實現所內保護冗余、優化、補充等功能的繼電保護，具備斷路器失靈保護、母線快速保護等功能，可集成備自投、故障測距等功能。

廣域保護是基于牽引變電所、分區所、開閉所、AT所的網絡數據共享，綜合利用各所的電氣量、開關量和保護設備狀態等信息而實現的以供電單元為對象的網絡型繼電保護，其具備跳閘故障區段識別功能，使保護動作更為準確，提高保護的選擇性和速動性。廣域保護系統架構如圖1所示。

圖1 廣域保護系統構架

就地保護配置要求類似于傳統保護，配合級差和判據要求均相同，但保護時限為100 ms，較廣域保護長，作為其后備保護使用。廣域保護配置要求其供電臂保護時限為20 ms。

層次化保護基于廣域保護測控系統的信息共享，供電范圍內的智能牽引變電所、分區所、AT所、開閉所等通過廣域保護通道實現信息共享，完成以供電臂為單元的廣域保護測控功能；廣域保護通道應滿足越區條件下的廣域保護需求；廣域保護通道可冗余設置，廣域保護測控裝置和就地保護測控裝置分別接入冗余通道[8]。

2.3 層級關系

330、220、110 、27.5 kV各電壓等級就地保護裝置、站域保護裝置的就地保護功能應同時投入（雙重化配置的保護功能除外），實現就地保護功能的冗余。廣域保護控制全域保護控制和測量信息，并經廣域保護控制系統下達指令，廣域保護控制直接采集過程層信息，不經就地級保護直接下達控制指令。而就地保護相對獨立，不受站域保護控制和廣域保護控制影響。就地保護、廣域保護應同時投入，實現廣域保護功能的冗余，其中廣域保護為饋線的主保護，就地保護為其后備保護。

2.4 網絡通信要求

廣域保護通信通道應冗余配置，滿足正常供電、越區供電等各種運行方式下最大供電區間內的全部所亭構成以太共享通道環網，通過傳輸專線或所亭間光纖直聯，通道帶寬不應低于2 Mbps。按繼電保護動作特性要求，任何組網方式下各所亭間傳輸的保護通信報文時延不應大于10 ms。

京沈高鐵綜合試驗數據表明，智能牽引供電系統區段廣域測控保護通道利用通信專業獨立敷設的48芯光纜組網（雙環網方式），速率為100 Mbit/s，廣域測控保護通道在成環及不成環的情況下的轉發時延在0.64～8.7 ms范圍內，滿足時延不大于10 ms的要求。而采用故障測距通道的組網方式作為以太共享環網，速率為2 Mbit/s，故障測距通道的轉發時延在10.4～56 ms范圍內，大于10 ms，故障測距通道不滿足廣域測控保護需求[9，10]。

京張及崇禮鐵路智能牽引供電系統短路試驗結果表明，組網方式和通信時延指標要求直接影響廣域保護功能的實現效果。

3 智能牽引供電系統層次化保護試驗

結合新建京張及崇禮鐵路聯調聯試、動態檢測及運行試驗，層次化保護試驗基于接觸網人工短路測試進行。本試驗結果檢驗牽引供電系統廣域保護裝置功能及層次化保護動作程序的正確性，且能分析接觸網故障點標定裝置的精確度，確定故障點標定裝置定值調整建議方案。

智能牽引供電系統短路試驗分別在京張高鐵新保安—四營村上下行供電臂和崇禮鐵路小白陽—太子城供電臂進行，如圖2所示。

圖2 接觸網短路試驗區段、短路位置示意圖

短路操作包括T線永久性接地短路（T-R短路），F線永久性接地短路（F-R），T、F線永久性短路（T-F）3種主要類型，短路點分別布置在試驗供電臂的上下行中、末端。下文以新保安—四營村供電臂短路試驗為例，分析層次化保護試驗情況。

3.1 T-R短路故障試驗

3.1.1 試驗方法

采用全并聯AT供電方式，短路點位于第1個AT區間，為下行T-R故障，共進行2次對比試驗。第1次試驗：就地保護、站域保護、廣域保護全部投入，層次化保護正確配置；第2次試驗：就地保護投入，站域保護、廣域保護（供電臂保護）退出，層次化保護缺損配置。

此次試驗驗證全并聯模式下變電所—AT所區間T-R故障時層次化保護的正確性，就地保護作為廣域保護的后備保護的可靠性以及測距的準確性。

短路故障層次化保護試驗對比如圖3所示。

圖3 T-R短路故障層次化保護試驗對比

3.1.2 就地、站域、廣域保護均投入時保護動作分析

就地、站域、廣域保護均投入，T-R故障時保護動作分析如表1所示，短路波形如圖4所示。

圖4 T-R故障時所亭短路波形（廣域保護）

表1 T-R故障保護動作分析（第1次試驗）

由表1可知，層次化保護均投入時，供電臂保護作為主保護，因短路點設置于AT所附近，在20 ms內已完成下行變電所、AT所供電臂保護出口，分區所供電臂保護未啟動，但觸發保護聯跳機制，分區所聯跳出口，從而發生故障的下行接觸線被準確切除，就地保護中距離Ⅰ段、過流、增量保護均滿足定值要求，作為后備保護正常啟動并返回，實現了廣域保護的良好功能。

對圖4（a）所示變電所短路波形進行分析，T-R短路發生后，變電所上下行T、F饋線電流均突增，下行電流變化更大，供電臂保護出口后饋線保護動作，在4.5個周波（90 ms）內下行T線斷路器完全跳開，下行短路故障切除，上行T、F線繼續運行，存在小電流。分析圖4（b）所示AT所波形，短路電流滿足供電臂阻抗元件啟動條件，形成供電臂保護直接出口。圖4（c）所示分區所短路電流較小，未達到供電臂保護啟動條件，由通信聯絡后產生分區所供電臂聯跳信號出口，其下行短路電流均在4.5個周波（90 ms）內切除，AT吸上電流恢復正常。

由上述分析可知，廣域保護在90 ms內完成了供電臂內全部保護動作，就地保護100 ms時限未到，無法出口，正常返回。由電壓曲線可以看出，短路時電壓明顯降低，廣域保護使故障點所在下行211饋線供電臂保護跳開，上行212饋線繼續供電。

層次化保護的優勢在于能夠在更短的時間內完成保護跳閘（100 ms內），可精準隔離故障區段，非故障行別正常供電不受影響，供電臂內各所間通過聯跳機制形成全局化快速保護，實現上下行故障的精準判別，使故障停電范圍縮小一半。

3.1.3 就地保護投入，站域、廣域保護退出時保護動作分析

就地保護投入，站域、廣域保護退出時動作分析如表2所示。層次化保護缺損配置（供電臂保護退出）時，就地保護作為主保護，在100 ms實現上下行饋線保護出口，發生故障的下行饋線被準確切除，同時切除了未發生故障的上行饋線，符合傳統牽引供電系統繼電保護要求。波形如圖5所示。

圖5 T-R故障時所亭短路波形（就地保護）

僅投入就地保護時，變電所短路波形如圖5（a）所示。T-R短路發生后，上下行T、F線電流均突增，下行電流變化更大，就地保護出口后上下行饋線保護均動作，電流速斷、過電流、電流增量保護均滿足定值要求并出口，在9個周波（180 ms）后，上下行饋線斷路器完全跳開，下行短路故障切除。如圖5（b）、圖5（c）所示，分區所與AT所短路故障均在9個周波（180 ms）后切除，保護跳開。因此，就地保護需在180 ms內完成供電臂內全部保護動作。

就地保護能夠完成故障切除，保護正常跳閘，但動作時長較廣域保護增加一倍，故障停電范圍也增加一倍。

3.1.4 小結

層次化保護功能的正確應用不會影響測距精度，T-R故障測距誤差為390 m。采用廣域保護配置，下行211供電臂能夠在傳統保護出口前準確切除，未發生故障的上行212供電臂正常供電，保護動作時限短，能夠準確判別故障行別，有選擇性地切除故障，AT所和分區所下行斷路器切除后，仍保持上行正常AT供電。

通過兩次不同配置方式的層次化保護試驗對比，就地保護與廣域保護均正常啟動，就地保護可作為廣域保護的后備保護，可在廣域保護失效時完成保護出口。

3.2 F-R短路故障試驗

3.2.1 試驗方法

采用全并聯AT供電方式，短路點位于第1個AT區間，上行F-R故障。試驗中就地保護、站域保護、廣域保護全部投入，層次化保護正確配置。

此次試驗驗證全并聯模式下變電所—AT所區間F-R故障時層次化保護的正確性、就地保護作為廣域保護后備保護的可靠性、測距的準確性以及自愈重構可實施性。

3.2.2 保護動作分析

F-R故障保護動作分析（廣域保護）見表3。

表3 F-R故障保護動作分析（廣域保護）

層次化保護均投入時，供電臂保護作為主保護，因短路點在AT所附近，在20 ms已完成牽引變電所和AT所供電臂保護出口，分區所供電臂保護未啟動，但觸發保護聯跳機制，21 ms完成分區所聯跳出口。100 ms時限內完成了上行故障行別饋線故障切除，下行牽引網電流突增，但未跳閘，繼續保持供電狀態。就地保護作為后備保護正常啟動并返回，實現了層次化保護的良好功能。

F-R短路故障時，T線狀態具備自愈重構條件，廣域保護測控裝置啟動自愈重構程序，斷開上行線F線上網隔開，重合212饋線斷路器，上行T線繼續帶電運行，故障切除，并能保證上下行接觸網均帶電，滿足列車行車要求。

3.2.3 小結

F-R故障測距誤差為10 m。上行212供電臂能夠在傳統保護出口前被準確切除，未發生故障的下行211供電臂正常供電，能夠準確判別故障行別，有選擇性地切除故障后，滿足自愈重構條件，自愈重構后恢復T線供電，僅切除故障行別F線。

就地保護與廣域保護均正常啟動，層次化保護的快速判別使自愈重構成功，配合上網開關控制，使故障影響減到最小，且不影響后續系統運行。

3.3 T-F短路故障試驗

3.3.1 試驗方法

采用全并聯AT供電，短路點位于第2個AT區間，下行T-F故障。試驗中就地保護、站域保護、廣域保護全部投入，層次化保護正確配置。

此次試驗驗證全并聯模式下變電所—AT所區間T-F故障時層次化保護的正確性、測距的準確性。

3.3.2 保護動作分析

T-F短路時層次化保護動作分析如圖6、表4所示。

表4 T-F故障保護動作分析（廣域保護）

圖6 T-F短路層次化保護動作分析

層次化保護均投入時，廣域保護作為主保護，T-F故障發生后，下行211饋線在20 ms內完成保護出口，100 ms內完成了故障行別的切除，就地保護作為后備保護正常啟動并返回，實現了層次化保護的良好功能。自愈重構后，分區所至分相隔開上行停電，新保安變電所下行饋線至分相隔開處恢復供電，懷來站恢復供電。

3.3.3 小結

T-F故障測距誤差為8 m。下行211供電臂能夠在傳統保護出口前準確切除，未發生故障的上行212供電臂正常供電，能夠準確判別故障行別，有選擇性地切除故障后，滿足自愈重構條件，本區段網上隔開的特殊設置具備自愈重構條件，實現了自愈后部分區段的供電恢復。

就地保護與廣域保護均正常啟動，層次化保護的快速判別使自愈重構成功，恢復了部分區段的供電，保證車站等重要場所（區段）供電要求。

4 網絡通信對層次化保護的影響

層次化保護對各所亭之間網絡通信提出了時延小于10 ms的要求，常規故障測距通道時延通常大于10 ms，不滿足層次化保護技術要求。下文以某次短路試驗為例，分析網絡時延對層次化保護的影響。

試驗區段設計未采用光纖直連方式，部分區段因環網網絡節點通信速度限制出現無法滿足通信時限要求的情況。試驗下行F-R短路故障，故障后下行F線電流突增，變電所供電臂保護啟動，故障發生后，因網絡通信原因造成末端分區所、AT所收到供電臂保護聯跳信號出現延遲，造成上行供電臂保護閉鎖信號的延時。故障點下行饋線供電臂保護跳開，上行供電臂保護正確閉鎖，未出口，但上行饋線就地保護的距離、過流、電流增量保護均出口，實際造成上下行均跳閘。網絡通信延時造成廣域保護失敗分析及波形如圖7、圖8所示。

圖7 網絡通信延時造成廣域保護失敗分析

圖8 網絡通信延時造成廣域保護失敗波形

結合圖7、圖8進行波形分析和保護時間分析，在其保護時限100 ms內故障未被切除，測試廣域通道延時發現AT所、分區所網絡通信延時達到10 ms以上，加上供電臂保護20 ms延時，斷路器動作時間60 ms，故障切除時間大于100 ms，造成廣域保護未及時封鎖上行線保護動作，100 ms時達到就地保護時限和定值，就地保護正常動作。

網絡時延造成層次化保護無法按要求動作，現場試驗將廣域保護時限由20 ms調整為30 ms，就地保護時限由100 ms調整為120 ms，通過調整保護時限級差來應對時延對保護的影響，但整體保護動作時限由90 ms增加為110 ms。調整后保護動作波形及分析如圖9、圖10所示。

圖9 調整層次化保護時限后保護動作波形

圖10 調整時限后廣域保護成功分析

運行實踐表明，智能化牽引供電保護系統采用3層體系架構[4]，同步性也是保證層次化保護正常發揮作用的關鍵。要求站控層對時精度誤差不大于±10 ms；間隔層保護測控裝置對時精度誤差不大于±1 ms；過程層智能終端對時精度誤差不大于±1 ms，合并單元對時精度誤差不大于±1 μs。

5 結論

通過研究智能牽引供電系統廣域保護測控系統層次化保護系統的總體架構，對比傳統牽引變電所繼電保護的特點進行了分析，梳理了層次化保護配置的需求和對網絡通信的特殊要求。結合接觸網短路測試結果驗證了智能牽引供電設施之間聯動控制與層次化快速保護功能，得出以下結論：

（1）智能牽引供電系統能夠完成所間信息共享、層次化保護的協同配合、故障的快速判斷。

（2）廣域保護能夠準確識別故障行別，有選擇性切除故障，且廣域保護的定值時限較傳統保護短，在傳統保護出口前切除故障。

（3）傳統保護可作為廣域保護的后備保護，在廣域保護失效時完成可靠的保護出口。

（4）所間網絡通信時延對層次化保護影響較大，應保證通道時延小于10 ms，無法滿足時可通過調整保護動作時限和保護級差方法過渡。