（电力电子与电力传动专业论文）地铁直流牵引供电保护技术与系统实现.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r c t t h ed ct r a c t i o ns u p p l ys y s t e mi sa c o m p l e xs y s t e m , a n di t sc r i t i c a lt e e l m o l o g yi s t h ec o n t r o la n dp r o t e c t i o ns y s t e mi nd c s u p p l ys y s t e m t h ep r o t e c t i o nd e v i c e so f d c s u p p l ys y s t e m ，w h i c hp r o v i d er e l a yp r o t e c t i o nf o rd ct r a c t i o ns u p p l ys y s t e ma n dp l a y ak e yr o l ei nk e e p i n gs a f e t ya n dr e l i a b i l i t ya st h es u b w a yi sw h e e l i n g , a r ef i x e di n s w i t c hc a b i n e t s a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd c p r o t e c t i o nd e v i c ei n 0 1 1 1 c o u n t r yi ss t i l l 曩| t h e 艇雒垃n gs t a g e ，h o w e v e r , d e v e l o p i n gh o m ee q u i p m e n ti s8 珏 i n e v i t a b l et r e n d ，s oi th a si m p o r t a n ta c t u a lv a l u ea n de x t e n s i v em a r k e tp r o s p e c tt o r e s e a r c ha n dd e v e l o ph i g h l yr e l i a b l ea n di n t e l l i g e n tp r o t e c t i o nd e v i c ei nd ct r a c t i o n s u p p l ys y s t e m t h ep r o t e c t i o no ff e e d e rl i n ei nd ct r a c t i o n s u p p l ys y s t e mi sb a s e do n m i c r o c o m p u t e r , w h i c hi su s e dt oc o n t r o la n dp r o t e c tt h eh i 曲一s p e e dc i r c u i tb r e a k e r s t h ep r o t e c t i o nd e v i c ei n t e g r a t e sm a n yk i n d so ff i m c t i o n ss u c ha sm o n i t o r i n g 、 c a l c u l a t i o n 、c o n t r o l 、i n p u t 、o u t p u ta n dc o m m u n i c a t i o n t h ed c c o n t r o la n dp r o t e c t i o n s y s t e ms h o u l dp o s s e s st h ec h a r a c t e r i s t i co f m o d u l a r i z a t i o na n dh i 曲a d a p t a b i l i t y , s oa s t os a t i s f ya l lk i n d so f n e e di nd ct r a c t i o ns u p p l ys y s t e m t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e s t h e s u b w a yd cp r o t e c t i o na n dc o n t r o lp r i n c i p a la n dt h e h a r d w a r ea t t a i n a b l e p r o g r a m m e - f i r s t l y , t h ep a p e rm a k e ss o m ed i s c u s s i o na n dr e s e a r c ho nt h ef u n c t i o n a ln e e da n d a t t a i n a b l ep r o g r a m m eo fs u b w ：a yd c s u p p l ys y s t e m , a n di n t r o d u c e st h ec o n f i g u r a t i o n o f s w i t c hc a b i n e ti ne l e c t r i cs u b s t a t i o nf o rs u b w a yd ct r a c t i o n s e c o n d l y , t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ep r o t e c t i o np r i n c i p a l ，w h o s es c o r ei sd d l p r o t e c t i o nm o d e a n dt h e no i l t h i sb a s i s ，i t a n a l y s e s t h ed i g i t a lc o n t r o l l o g i c c o m b i n i n g 谢t l l t h e p r o t e c t i o n a n d c o n t r o lf u n c t i o n s ， f i n a l l y , t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e t a i l e dh a r d w a r ec o n s t i t u t i o no fd cp r o t e c t i o n d e v i c e ，i td e s i g 】a se v e r ym o d u l eo ft h ep r o t e c t i o ns y s t e m , a n dp r e s e n t st h eh a r d w a r e c o n f i g u r a t i o na n dt h ec i r c u i t sd i a g r a m ，s ot h a tac o m p l e t e dh a r d w a r ea t t a i n a b l e p r o g r a m m eo f t h ed cp r o t e c t i o nd e v i c ei sb a s i c a l l yf o r m e d k e yw o r d s ：d ct r a c t i o np o w e rs u p p l y ：d cp r o t e c t i o nd e v i c e ：r e l a y p r o t e c t i o n ：s u b w a y ；s w i t c hc a b i n e t i | 豫苏大学硕士学位论文 插图翻录 图2 1 典型的牵引变电站的电气主接线9 图2 2 双边供电接触网分区敬示意匿9 图2 3 直流牵引供电系统接线示意图l o 图2 4 牵g | 变电站自动亿系统实现方棠1 3 图2 5 封闭警车式商压开关橇1 5 图2 6 直流傈护装霰安装示意图1 7 图3 。l 远_ i 眨端短路电流特性示意图2 0 图3 2d d l 保护原理圈2 1 图3 3 保护典型动稼特性2 2 图3 4 电流增量保护动作特性2 2 圈3 5 直流枣引供媳系统模型及等效刚路2 4 图3 6 电流e 升率保护处理流程2 6 图3 。7 电流增量保护麴处理浚程2 7 图3 8 正向过流保护曲线2 8 銎3 9 反彝遮流缳护曲线圈2 9 图3 1 0 电压下降阻抗圈3 0 墅3 。l l 走行孰对遣电位分毒燃3 l 图3 1 2 过电聪保护装置原理图3 l 强3 。1 3 过毫器保护装置靛控毒l 雄图3 2 图3 1 4 正极接地保护接线示意图3 3 圈3 1 骞接熬瓣熬过受楚保护动毒# 瓣枣黼3 4 图3 1 6 接触网反时限过负荷保护3 5 蛰3 。1 7 接魅瓣熬过饕保护整宠鹭线3 5 图3 1 8 直流馈线电缆断面示意图3 6 整3 1 9 壹流缓线电缆绝缘蕊黎鬻护纛瑾接线嚣3 7 图3 2 0 电缆绝缘监察保护等效电路图3 7 餮4 。l 区阍联魏势毒示意蚕4 0 旺芬大学硕士学位论文 图4 2 塑4 3 图4 4 溷4 。5 图5 1 踅5 2 图5 3 蓬5 4 图5 5 鹭5 。6 图5 7 匿5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 f 图5 1 2 图5 。1 3 匿5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 圈5 1 8 圈5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 豳5 。2 3 图5 2 4 保护功能触发与联跳的控制逻辑4 1 阈畿藿合翊豹控裁逻罄4 3 线路测试的典型线路图4 4 线爨瓣试功戆豹控裁逻辑蟠 直流保护装置的基本结构4 6 x c 9 5 0 0 器静绪穗框盈4 8 主控模块结构4 9 电源藏控与鞋锋电路s 0 s r a m 6 2 6 4 扩展电路5 0 保护模块总体结梅5 2 隔离放大数据采集单元5 3 淞x 1 9 7 ； 凝及每镦囊e 瓒嚣静连接涎 开关爨采集框图5 5 1 ) a c 0 8 3 2 结鞫与g l 脚5 6 开关攥输出接口5 6 d a c 0 8 3 2 输出驱动电路5 7 保护装置通信方式5 8 r s 2 3 2 接口6 l s p c 3 内部结构6 2 基予s p c 3 开发的硬件舔埋框圈6 3 m 6 8 h c l 2 和s p c 3a 连接6 3 r s 4 8 5 接口6 4 p r o f i b u sd p 通信主程序流程6 5 完整的通信接口6 5 s p i 模块结构慰” 6 6 a d s 7 8 4 6 和单片机之间的硬件滚接6 7 s p i 炊态转换圈6 8 s p i 中断处理流程6 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文俸者完全了解学鼓蠢关绦整、镬瘸学整论文豹怒定，爨蠢学校绦 留并向豳家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阕。本入授蔽江蓦大学可戳将本学位论文数全部内容域鬈势蠹容编入露美数据瘴 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段傺存和虻编本学位论文。 绦密ll ，在年簿密螽适用本授权书。 l j 本学位论文属于 不保密囫 学位论文终者签名： 王4 陡指导教舜签名 2 旗妇2 。磊年弼嚣 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：三二铤 工m 6 年6 殷口日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 城市轨道交通及其发展 城市轨道交通系统包括地铁、轻轨、有轨电车、独轨等。随着我国国民经济 的持续发展，城市交通日趋紧张，轨道交通成为解决我国大中城市交通拥挤问题 的最佳方案【l 】。城市轨道交通由于运载能力大、噪音废气污染小、运行快速准时、 占用土地少等特点，对于缓解城市交通拥挤、改善城市大气环境以及推动城市经 济和社会发展具有十分重要的意义。因而大力发展城市轨道交通，已成为各国的 共识。 自从1 8 6 3 年伦敦修建第一条地铁以来，世界上许多大城市纷纷建立快速轨道 交通系统。现在世界上有地铁的城市已增加到1 0 0 多座，线路长达5 2 0 0 公里。我 国城市轨道交通系统起步晚，发展缓慢，严重滞后于城市人口增长的需要。目前 我国已将轨道交通作为解决城市交通问题的一项重要政策措施。在国民经济和 社会发展第十个五年计划纲要中，根据经济迅速发展和城市化进程加快的趋势， 党中央明确提出了要“发展大城市轨道交通”，鼓励特大城市根据自身条件，发 展城市轨道交通。并已制定颁布了地下铁道设计规范、城市快速轨道交通项 目建设标准。 近1 0 年来，已有2 0 多座城市进行了不同程度的轨道交通项目建设前期工作和 可行性研究。目前，很多大城市都纷纷在策划修建大、中运量的地铁或轻轨交通 项目，全国己建成有1 4 5 公里以地铁为主的轨道交通线路。同时，还有许多城市 正在筹建轨道交通系统。仅从中国1 5 座大城市的轨道交通规划统计，线网总里程 就已有2 2 8 0 k n 疣右。至l j 2 0 1 0 年之前，中国至少将有3 6 0 k m 长度的轨道交通投入运 行，而这些数量仅占已知规划总里程2 2 8 0 k m 的1 6 左右。另外，还有一些大、中 城市，虽然尚未公布其轨道交通的建设规划，但大量的前期工作都已在开展，这 说明我国城市轨道交通的建设总规模和建设进度都会超过现在的市场与社会需 求，城市交通正面临一场大变革。 由此可见，中国的轨道交通发展前景是宏大的，有着广阔的市场，该行业的 发展壮大，将推动轨道交通的各种配套技术尤其是高新技术产业的跟踪发展，进 而形成城市轨道交通行业的产业化生产体系。 江嚣大学硕士学位论文 1 2 研究鞔遘交遴宣流髅毫保护酶目的鞫意义 建设轻轨与地铁等需要巨大的资金，目髓影响我国轨道交通建设的主要制 约因素是投资大，轨道交通设备造价高，几乎可占到总投资的1 3 ；拆迁安靛费 用也缀簿，可占总投资的1 0 0 , 4 1 5 ；建设周期长，特嬲是资会到饺不及时。会 造成利息超支。从目前已建成的京穗沪项目来看，地铁造价均在6 8 亿元每千米， 轻轨的造价望g 在媲铁的够一1 妈之闻，经济实力一般的诚实均黩默承受。沪穗地 铁修建中使用了翅钋的贷款，面其跗加条i 牛就是购拱凰外的机车与设备。根据统 计，国步 避墨设蛰与国内设冬鳇菱馈为3 1 0 ，势且每年为了维持地铁正常逐葶亍 霪装从旃美国家进嗣零部 牛多花上亿元，逸使得运慧费用大大增加。嗣务院棚有 关部委及时发褒了这一翊逛，决心篱l 业熟铁造爨及遮行费用遘蠢豹超越，指出发 展辕遵交逶静大裁提是蟪铁建机电设备必须国产化( 2 ，为此疆家计委已经岛各地 发布逶躲，提出叛搬遣铁矮秘必须蹩潋蕃产佬为条秽，枣国塞统一缓织撼铁设备 瀑产化工搏。醚饕以她铁为主匏孰遴交通聚缀教快速发展，嶷激牵弓 供瞧系绞褥 到了越采懑广泛静应用，纂予潜在静帮场甏交，我瓣囊主磷镧舞性裁秘霹靠弱蠹 滚供电德妒系统楚爨毒重要爨义懿。 城市辘道交遴采用蠢流供电。作为城市辘遂交邋蠹流供逛粥龟豁配套装嚣， 嚣滚樊彀澎翻萃譬绦护装爨楚英棱心叠毫技术。邀铁壹流零；| 袋瞧系统的安全可霉遵 行是由蠹流供电控麓和僚护装置掇供保障。在傈 正帮f 供电系统安全霹靠逢囱歹硅 车供窀方蕊，壹流牵 供电系统熬搽护发拣7 校箕霾要豹终髑。盏滚撰壤系绕包 裕直流汗关柜、控带和缣护系统、直流电缆、接触醛等。其中擦锖l 和僳护系统辩 礴绦孰遴交速酶安全、露爨懿运行艇蠢拳菇轻藿熬 辜璃。它一方疆确保囱地铁列 率提供蜜全可靠的供电，减少甚至清除不必簧的停电时阉，跃而掇高经济效益；笳 一方蘑往蠹流牵 l 供电系统发生敲障的 毒躐下，瘟裔逡择往缝避速秘滁酸障，黻 保证列车、设备和旅客的人身安全。除了可靠性的骥求之外，蠢流牵引供电僳护 系统必缀谯系统发生故障辩快速、准确遣弱除故障，鞫时还簧避免列车正常运行 时一些电气参数的变化g f 起保护装露误跳闸。此外，在有效切除远端短路故障鼓 及区分机率启动电流和远瑞短路等同题上，依然值褥深入磺究。对鼗，奉课糕将 围绕地铁供电系统的直流保护和控制及其硬件实现进行分析和研究。 2 江苏大学硕士学位论文 1 3 直流供电保护系统的研究现状和发展趋势 在轨道交通发展初期，在直流供电系统保护方面还没有性能好、可靠性高的 保护装置，一般仅靠电流速断和过流保护来切断短路故障，效果往往不理想。传 统的直流牵引系统二次保护系统，都是由电磁式继电器所构成。到9 0 年代末， 北京地铁建成通车的“复一八线”，它的直流牵引系统的二次保护，也只是在电 量保护中引进了国外的微机综合保护装置，而非电量保护仍然沿用电磁式继电保 护方式。在这种保护系统中，使用了大量的中问继电器、时间继电器、重合闸继 电器等分立元器件。由于使用的元器件数量和品种多，使得系统接线复杂，给系 统调试以及修改接线带来困难。因其潜在故障点多，故降低了整个系统的安全可 靠性。同时，还由于对各种继电器每年必须进行动作值、返回值、动作时间等项 目的校验，维护时还要打磨继电器接点、并检测接点的开闭特性、检查和清扫二 次线等，因而维护、计表工作十分繁重。 从以上的情况可以看出产生这些问题的关键是使用了大量的电磁式继电器， 如果我们能找到一种先进而又成熟的技术产品，并结合工程技术人员多年的设 计、运营和维护经验，在其基础上进行二次开发，从而替代目前使用的各种传统 的电磁式继电器，并结合已有的电量保护装置组成具有地铁特色的、全新的直流 保护系统，就能顺利地解决这些问题，进而加快地铁保护系统的设备改造和技术 进步，提高整个保护系统的安全可靠性。 随着电子技术、计算机技术的发展，人们采用微处理器，并结合先进的保护 和控制理论，实现了电流上升率和电流增量等保护，极大地提高了供电保护的可 靠性和准确率。目前比较流行的保护方式是基于单片机或p l c ( 可编程逻辑控制 器) 的数字式继电保护装置取代传统的继电器等保护装置，文献 3 对此有详细 介绍。并且，针对各保护触发信号的数字控制逻辑部分，开始使用高密度可编程 器件c p l d 和f p g a 。c p l d 和f p g a 采用了先进的在系统编程方法，并具有工作 速度快、可靠、高效等特点，文献【4 6 】详细介绍了这两类器件的特点及应用。这 些新的理论和技术的应用，大大提高了直流供电系统的可靠性、保护性能以及配 电自动化程度。 在轨道交通直流供电保护领域内，国产保护设备还处于起步阶段。目前，国 内的地铁直流保护设备主要引进国外保护单元，在国内各地的工程建设中，因各 江苏大学硕士学能论文 地的实际情况不同，所采用的保护装置也不相同，如南京地铁采用了s e c h e r o n 公 羽约s e p c o s 保护攀元，广州她铁慕羯了s i e m e n s 公翅的d p u 9 6 保护单元，上海 地铁采用了a d t 黜悄s 的d c p l 0 6 保护单元1 7 j 等。 s e p c o s 是瑞士s e c h r o n 公司磅剃戆远方控潮穗捉护系统，矮子城亩鞔道交 通系统、铁路系统等。它是基于几个微处理器的多功能电子系统，对直流变电所 麴镄毫单元窝整流嚣萃元掇供控铡_ 秘擦护。s e p c o s 基寿攘块豫、耍予扩展、 适应性强( 通过软件) 等特点。此外，它是一个非常开放的系统，能与就他通信 设餐透露邋信。s e p c o s 爨寄覆多羧豢l 亵像护葫薤，茸潢是帝g | 爨电豢统静各 种需要。这些功能分为模拟输入测量和保护、控制、记录和通信四组。测量、保 护秘遥傣凌戆簌髂存于e p r o m ，擦案l 程序存貉在e e p r o m ，蠢显胃鼓率嚣线或 网络下载，重新编程。 德国s i e m e n s 公司懿串央处理搜( d p u 9 6 p u ) 爵双塞d c l l 0 v 电滚供龟， 同时它又可以输出d c 2 4 v 电源给隔离放大器供电。中央处理仪安装在标准安装 鞔上，盘金耩努壳辩装，霹潋有效耱止电磁干扰。孛夹缝瑾纹 i 蓍嚣鬏蠢指示舞、 l c d 显示屏、l c d 显示屏，以及操作员触摸键组成。所有的操作都可以通过触 羧按键完成( 包括参数整邈，信号簧蹩等) 。操律对l c d 嚣耩有文字撵示，毒 六种语言可选择，包括简体中文。d p u 9 6 p u 的数字设计使其勘能范围可以得到 极大静扩麟。它不襁能满足基本酶簸控、灞鬃、保护、控隶l 帮遴谲努，述哥戳满 足可靠性、选择性、灵活性和速动性的要求。它可以广泛而灵活地进行参数设置， 强适应各种独特的技术条件。 当今，轨道交通供电保护系统由于科学发展与技术推动，弧走向全面的自动 化、数字他和高智麓亿，逐步体现麓一些重瑟盼发展趋势： 1 先进的保护方式和控制算法的应用，将会不断改善其保护性能。近年来的 人工智髓技术，如：自适应控制辩、神经网络f 9 l f l 霹、谶传算法“1 、进化麓爱日等在 电力系统继电保护领域也开始了应用的研究。自适应继电保护是继电保护基本原 壤的发展和扩充，它使得继电保护能自动地对各种保护功能进行调节或改变：神 缀网络方法是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂非 线性问题，应用神经网络方法可以迎刃而解；其它如遗传算法、进化规则也都有 其独特的求解复阉题的能力，这些技术在继电保护领域必将会得到广泛应用，以 解决目前用常规方法难以解决的问飚。 4 江苏大学硕士学位论文 2 在保护系统微处理器方面，商性能的微处理构成的硬件结构，运算能力也 大大加强，出现无须进行外部扩展的所谓总线不出芯片的特点。新型的微机保护 的电路设计也会非常简单。性能优越的数字信号处理器( d s p ) 和a r m 1 2 1 处理 器，正被越来越多的应用。将d s p 应用于微机保护时，不但可完成数据采集、 信号处理功能，还可快速完成运算功能，甚至独立的继电保护功能；a r m 微处 理器内部集成了多级流水线，大大增加了处理速度，其可利用的软件丰富，几乎 所有常见的嵌入式系统在a r m 内核处理器上都有成熟应用，它非常适合作为微 机保护装置的控制核心。 3 在数字控制方面，复杂可编程逻辑器件c p l d 和现场可编程门阵列f p g a 等器件在继电保护领域被广泛使用。c p l d 和f p g a 作为现代可编程专用集成电 路( a s c i ) ，其高度的功能集成，能把多个微机系统的功能集成在一块芯片中， 如l a t t i c e 公司推出的i s p l s l 8 0 0 0 系列i l “中的c p l d 单片集成密度达到4 5 0 0 0 个 可用门，包含了8 4 0 个宏单元、2 4 0 个用户i o 脚，最高工作频率为11 0 m h z ， 这给电子系统设计带来极大的变革，将使保护系统向高度集成、快速、高可靠性 等方向发展，并将会有效缩短保护装置的研发周期。 4 各种新型电力检测元器件的应用，例如：更高参数等级的高压互感器【1 4 】【1 5 】 的应用，将直接影响电力系统测量和继电保护装置动作的可靠性。 5 高可靠性和开放性的信息平台，这种信息平台应具有良好的扩展性，可以 无缝按入地铁供电护装置等子系统。每个保护单元能共享全系统运行和故障信息 的数据，保护装置对故障的性质、位置的判断将更为准确。 1 4 本课题的研究内容 本课题属于江苏大学电气学院与长江集团的合作项目。长江集团是致力于地 铁设各国产化单位的重要一员，目前重点开发城市轨道交通直流供电配电成套设 备，而直流供电控制和保护装置是其中的核心技术，它与轨道交通的供配电保护 技术、现场总线技术、嵌入式实时多任务操作系统、单片机应用技术、电磁兼容 技术、先进的算法和控制方法、p l c 应用技术等众多高新技术相关。研究和开发 出高性能、高可靠性的直流保护装置正是本课题的目的所在。本项目研究内容主 要包括以下两个方面： 1 地铁供电保护的内容及原理的研究 江苏大学硕士学位论文 地铁供电保护的内容成该在借鉴国外同类保护裟置的基础上，根据国内轨道 交透静特点及冀宅税电设餐豹性熊豹实际需要禹制定，癍满足激下凡耱基本要 求： a 。缝逶雳予掰骞线鼹缨电方案，变动灵活，热攀选摸毫，疑一变邀蘑内几 个整流器并列供电等。 b 。疲充分考纛各魏爨妒之闰懿糖互嚣会关系，戳器嚣在庭流系统发生短路 故障时，能可靠地切断故障，例如：联跳、防跳等： c 戆正确可嚣遗区分牵；l 电滚帮敌障壤渡、蒌零绦护鲞l 基备保护。壹滚绦 护系统应保证列车在正常运行时，不会误跳闸而影响列车运行，例如：列率 疟动对造成鹣短对阗起动电流避大、蘸蔗下降麴澎舔，翻莩过接触瓣分段瓣 由于车头内滤波电容充电引起的吐d l 、a i 冲躜变化的影响； d 。赢流保护系统应充分考虑菜些特殊的故障形彗：下的保护，懿接触网与繁 空接地线的短路、接触网与隧道内电缆支架的短路故障镶。 主要保护内容有； a 大电流脱捆保护。属于断路器的本体装置，采用电磁脱扣原理，对于：i 琏 端短路故障，能快速俊断路器脱扣跳闻。 b d d l 保护。主要涉及电流变化率e , 吐、a 与时间船的关系- 区分短 路电流与机翠启动电流等； c ，。+ 与t 。一保护。主要涉及短路故障电流与低过载墩流： d 电压类保护。主要有轨道带电保护、a u 、u 。保护、过压保护及电雁 降保护，用寒防止孰道带电、实现线路溅试等磅姥： e 艇它保护。包括热保护、点流电缆绝缘监察保护、断续电弧保护、框架 保护等。 主要的控制功能有： $ 。戆蘩撩墅帮磁保持燮瑟路嚣豹分台隧潦终。圭要包括合耀凌溺遴电持续 时间的控制。 b 羯一阚终供电瑟黪器豹联跳凌g l 。警检涮爨短路数薄瓣，麓帮鞋分开羧 路器，并能发出联跳信号，使给该线路线该网络供电的熟它断路器跳闸，并 镶定。 6 江苏走学硕士学莅论文 c 自动重合趣和防跳功能。在合闸蘑，对线路进章亍攫试，以防止断鼹器与 其i 驻端短路敞障点接通。 2 出镰护原理期控毒功携设计出整个微枫搡护的数字系缝 在理解供电保护自动化系统、廒流保护和控制的内容基础上，实现直流供电 保护和控制斡内容赝需求的诗算秘控制方法、时闯及其它参数魄整定。对各 像 护流程形成基本流程图，对于控制功能整理出其中的数字逻辑关系。蒋根据实际 瓣霉要形成整个皴褫测控绦护控刳系统豹疆 孛结掏，避蠢使邀望傣护和控裁功裁 体现在新的直流保护产品中。 各耄节瞧安掺魏下： 第二章前半部分介绍域铁供电变电站自动化系统的结构、功能以及实现方 菠，后半辫分舟绥了遥铁豢漆牵；l 交电劈内磐静牙关框携结鞠及冀装瓤效缳护秘 能。 第三章详缨分绍了耱整流袋瞧绦护方式，分耱其强理帮结褥，遴当建幸筝爨 了一些重要保护方式的软件流程图，并针对参数整定及一些保护的难点做必要的 分辑。箕中d d l 保护方式是挟心酌保护方式，将重点研究。 第四章是保护系统的控制功能及其原理，在理觯控制原理基础上给出直流保 护装置静数字控蠹| 逶辑。 第五章是直流供电保护系统的微机保护装置，给出了直流保护装置的硬件绺 构、配甏及电路逢接等其体实施方案。 7 江苏大学硕士学位论文 第= 章地铁供电变电站自动化系统及实现方法 可靠的供电是地铁安全运营的重要保障，功能强大的地铁供电变电站自动化 系统又是傺证供宅旗量酶基勰。琏铁供电变电站的一次设备、荑运行方式及蜜动 化系统的功能与大电网变电站相比存在着不少差异，本章就这些具有地铁特色的 功能要求、实现方案将进行探讨和研究。诧拜，遗铁赢流供电的继电保护是地铗 变电站自动化系统的重要功能，也是本课题的核心内窑，而各种保护功能是安置 在开关柜内的，直流开关柜二次部分全部采用数字型微机控制缣护装置，本章的 詹半部分槔介绍地铁直流牵g l 变电所内各开关拒的配鼹。 2 1 一次豢统的缀成 地铁静供电系统隽弛缓避营提供电麓。蘸铁翔车燕电力牵臻静电动翻车，其 动力是电能；此外，地铁中的辅助设施包括照明、通风、空调、排水、通信、信 罨、防灾掇警、自动扶梯等，也都莜赖电髓。 地铁供电变电站按功能划分主要有4 种类型：主变电站、牵引变电站、降压 变电站和跟随变电站。主变电所将1 1 0 k v 电网淑匿降为3 5 k v ，绘牵；l 变电站和降 鹰变电站供电( 电滕等级仅为参考值，进口一次设备可能略有靛异，以下同) ； 牵引变电辩强口是将3 5 k v 交流电经变压器、整流器转换为直流1 5 0 0 v , r 5 0 v ，给接 触网接触轨供电；降压变电站则是将3 5 k v 电阏电压降为4 0 0 v ，提供车站的动力 和照明电源，同时也是跟随嶷电站的迸线电源；跟随变电站无变压器，楚降压变 电站4 0 0 v 侧在地理上的延伸，是为离降压变电站较远煦地铁设备供电。主变电 站、降压变电站、躐随变电站与交流电网上的其他变电站并无本质的区剐，无论 是电气接线方式还楚运行方式均与普通变电站类似，只有直流牵引变电站是地铁 供电系统所特有的。地铁变电站自动化系统的很多独特之处也多与直流牵引变电 站寄关。 图2 1 燧典型的牵g f 变电站的电气接线图。图2 1 中，1 0 2 、1 0 3 为进翁断路器， 来是于主变电站嬲两段不周的3 3k v 母线；1 0 1 、1 0 4 为出线断鼹器，绘两边相邻 的降压变电站供电。2 0 1 、2 0 2 为直流进线开关；2 11 、2 1 2 、2 1 3 、2 1 4 为直 浚馈线开关，分别绘上行秘下毒亍接触湖供电。2 1 1 2 、2 1 3 4 为接触潮分段蕊离开关， 8 江苏大学硕士学位论文 仅当该站直流停止供电时才能合上。 上行 下 了 2 0 1 2 8 2 2 o c l 5 0 0v n c nv 2 1 l 摹1 2 1 2 12 1 疆1 2 1 4 2 1 h 2 1 12 1 2 1 2 1 仁斜i2 h ：接触用l2l1 c 黜网 图2 t 典型的牵i l 变电站的电气童接线 图2 2 显示的是采用双边供电酾上行接触网的分医段示意图( 下行亦相同) ， 个区段由相邻的两个牵引变电所同时供电，这种双边供电的方式掘商了供电的 可靠性。同时，分区段的方式使故障被疆离在某个区段以内，西不致影响其他供 电区段。因而被广泛采用。 2 1 3l2 1 | 2 1 3 4 2 1 3 l 2 t 4 了2 1 3 4 2 1 3 l 2 1 4 z2 1 3 4 + c 一 a 站b 站c 站 鼹2 。2 双遥糖电接融璃分莲段示意毽 地铁直流供电系统主凄由牵引降压变电所、架空接触网系统等部分组成。牵 ；l 簿压变电瑟将3 k v 主变壤菇戆交滚3 3 k v 壤蓬羟醛藤、夔滚交隽壹浚1 5 0 0 v 螽。 通过直流开关柜向接触网供电。我阑上海和广9 - i 1 地铁的直流牵引供电系统均是如 j 乏，兹寨遮铁采霸戆是第三鞔受浚器( 上海帮广鲻趣铁鼷是絮空接触n ) ，冀後 电电压为7 5 0 v 1 1 哪。由于7 5 0 v 馈电电压的供电距离较短，现在多采用1 5 0 0 v 。敷 流牵； 供篷系统接线翔强2 ，3 所示： 9 “苏大学硕士学位论文 图2 3 直流牵i f 供电系统接线母意厨 2 2 囊蠹铁变毫蛙自爱纯系统凌蕤 现代意义的变电站自动化系统的功能在i e c 6 1 8 5 0 5 ：2 0 0 3 ”1 中作了系统、全 面的阐述。它把变电活鑫动亿系统的功能献逻辑上分为变e 醒蛄层、间隔层帮过程 层3 个屡次和系统支持功能( 如自检、时钟同步) 、系统配置或维护功能( 如测 试、配置参数) 、运行或控制功能( 如遥控) 、本地过程自动化功能( 如数据采 集、继电保护) 、分布式自动化支持功能( 如联锁) 和分布式过程自动化功能( 如 顺控、电压无功控制) ，共6 种类掰。而传统意义的变电站自动化系统指的怒数 据采集与处理( s c a d a ) 系统( 不包括继电保护等功能) 的子站部分，或称为 远动终端设备。远动终端设备可以视为现代意义的变电站自动化系统的一部分。 铁道萼亍业标准t b t 2 8 3 1 1 9 9 7 电气化铁道牵引供电远动系统技术条件【1 勘对 系统功能作出了针对行业应用的艇体的要求。地铁变电站自动化系统的功能不仅 要符合上述有关远动终燃设备的标准，还应该尽快将继电僳护、故障录波等功能 有机地、无缝地融入到自动化系统中去。以下将重点探讨几个具有娥铁变电站典 型特征豹自动化系统的基本功能。 2 2 1 避控功能 电气纯镰遴牵；l 供毫远动系统接术条件掇出静璃麓要求蛰捺六项内容： 遥控、遥信、遥测、打印、接口和自检。邂信、遥测、打印、接口和自检功能的 要求与变电站自动化系统的一般簦求是基本一致酶。丽遥控渤能爱酾予了萁更多 的内涵【1 9 】。 趣铁变电站自动化系统的遥控功毹按受控对象的数量分为单控和程控两种。 l o 江苏大学硕士学位论文 单控是指对单个对象的控制，也就是通常所指的基本遥控功能；而程控则是对多 个对象的程序控制。单控、程控的概念是地铁变电站所特有的，不管是单控还是 程控，其内涵均包括控制和相关的联锁两部分。单控联锁功能通常是由受控的间 隔层设各来完成的。例如，牵引变电站直流馈线开关的合闸，是由安装于直流开 关柜内的保护测控单元来实现的。合闸出口继电器动作以前，必须进行一系列的 联锁逻辑判断：首先检查开关是否处于分位，手车是否处于运行位：然后检查是 否有合闸闭锁信号；最后进行线路测试，确认无短路后，方可进行合闸。若受控 的间隔层设备无联锁功能，则可由变电站层的通信控制器来完成。程控功能按操 作对象和联锁关系分为两个层次： 1 操作对象和联锁关系均在同一变电站内，称为站内程控功能。例如，降压 变电站的动力变压器的停电恢复，需要对相邻的多个断路器进行操作。站内程 控功能通常由变电站层的通信控制器来完成。 2 操作对象或联锁关系涉及多个变电站，称为站间程控功能。例如，接触网 接触轨的越区供电，需要对多个牵引变电站的多个直流断路器以及分段隔离开关 进行操作。站间程控功能可由某一变电站的通信控制器来完成，也可由运行控制 中心( o c c ) 电调主站来完成。前者需将邻站纳入采集和监控的范围，增加了硬 件投资，但可脱离o c c 电调运行；后者只能由o c c 电调进行操作，对主站的依赖 性太高，不利于紧急情况的处理。所以前一个方案更可取。值得一提的是，程控 并不是简单的多个单控的组合，因为受控的多个对象之间可能存在复杂的联锁或 闭锁的关系。而单控仅存在受控对象与其他非受控对象之问的联锁逻辑关系。单 控属于控制和分布式联锁功能的组合，而程控属于分布式顺控和分布式联锁功能 的组合。 2 2 2 网络通信功能 网络通信功能也应作为地铁变电站自动化系统的基本功能要求，而不是选配 功能。网络通信功能是现代意义的变电站自动化系统区别于传统r t u ( 远动终端 设备) 的本质特征之一，地铁变电站自动化系统不应仅包括远动终端设备的功能。 网络通信是今后变电站自动化系统的发展方向，将来它不再是独立的功能，因为 它已是所有功能的基础。 网络通信已在地铁变电站自动化系统中得到了大量的应用。如本世纪已经投 江苏大学硕士学位论文 入运行的上海、广卅f 南京等地铁( 或轻轨) 。他们的变电站颈目，无一例外地其 餐了网络通信的功能。事安上，地铁变电站盘动化系缝不仅是已具备了网络通偿 功能，而且还在同一个站内具备了静种各样的通信碗件和软件协议，这与大的电 嬲变电站霄 疑大的送别，因为太电阚变电蚋是动化系统的网终遵信已擞统一到 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 的标准上，而地铁变电站( 尤其是牵引变电站) 自动化系统间隔 摆设各的邂络遥绩出于诸多原因爨笼法统一。在逶信网络短时间内不能统一的翦 提下，地铁变电站自动化系统要能支持各种通信硬件和网络协议。从长远看，地 铁变电撼骞动耽袭统静遥镰鄹络也器统一到定静瓠准上来。 2 2 3 继电保护功能 继电保护设备与远动终端设备一样，鼹现代变电站自动能系统的核心设备。 自从i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 诞生以来，二者就已经是一个有机的整体，而不张是两个孤 立的子系统。对予地铁供电领域来说，除了牵引变墩站外，其他类型变电站( 赫 主变电站、降压变电站) 的继电保护功能姆大电网交流变电站的继电保护功熊 是完全相同的。而牵引变电站采用赢流馈线，使其继电保护功能具有显著的差异。 目前，国内尚无饺何标准对直流牵引变电站的继电像护功能作出完整的描述，从 国外成熟的保护设备的来褥，大致具各以下功能： 1 。所霄直流断鼹器本体必须安装太电流脱扣保护： 2 直流馈线以d 。以及保护为主保护，定时限过流保护及其他类型的多种 攥护力嚣罄保护。嗣时必须具有囊凑重合阉鹣功憩，莱用双边供电的还必须具螯 联跳邻站断路器的功能。关于保护原理和控制功能是本课磁重点，将在以下几 喾详缨分辑。 3 直流进线则必须有逆流保护 4 。框絮保护。 其他的保护功能可根据实际需要选配。 2 3 自渤化系统功髭酶实现方法 地铁变电站魍动纯系绫的实现没有统一的标准或模式，只要满足系统的所荫 功能和性能的要求即可。 2 3 。1 蠢錾铁变电辩壹镑耗系统棱残 江苏大学硕士学位论文 图2 4 怒本方案戆系统槐成图，它基于无人僮孝熬枣g l 变电涎，所默系统图 中并未出现人机对话工作站。图2 4 中的通信控制器是糖个系统的核心和所有数 据( 本港懿全部数撰及专戆瓣奏关数掇) 的浚入蠡，搦果该设冬单瓿黪霹靠性不 够高，则可考虑采用冗余配鼹。冗余不是必需的，所以在图中显示的是单机配置。 逶接控毒l 黎宠或程按及程控联镂熙秘缝、宠戚转发站内数据至淫度鹣功髓，它邋 常还带有一个人机接口，用于简单的在线运行监视。维护计算机用于离线的系统 醮霪、数瓣渗瑟瓣凌麓。逶穰控嚣l 嚣帮潺渡诗冀瓿螯精于变鬯滚层瓣设备。 ijj 一 一t ll 一1 一一1 。抽一弧壮# 哗薛一。臌蛙 - 一一 j l j 一一 上上 - 王一 _ j 一 上 一一 斋簧 羹 裁 并 监 赢 亲 商 3 53 53 5 低低憾 监 棼 蘩 蓑僳囊 “k vi v 压 矮 上螽 档谣 豢 攮 护 氆 藿 铡 囊 零 控 护势 元 艰 舱 测涮 鏊 控 单 篱 萝t 强 j 6， ，b ：， 铡 控控 单m ， l23l23l2 3 l 2 3 图2 4 牵引变电站自动化系统实现方案 鹜2 ，4 孛浆菩静绦护囊l 控攀元窝其链监控攀元是阕隔屡设备，主要突藏傈护、 测摄、控制、单控联锁的功能。介于间隔层设铸与变电站层设备之间的鼹通信网 络。班下将霪点播述遥控、辩络通倍动麓静实现方案。 2 3 2 单控及程控实现方案 在地铁供电领域，有些间隔层设备是用可编程逻辑控制器( p l c ) 来实现的， 甚至早期鲍变电站层设冬也楚用p l c 袋实瑷熬，相应款控制、联谈琏毙墩要通过 对p l c 编程寐实现，p l c 的编程语言绝大多数发持i e c l l 3 1 3 ：1 9 9 3 1 2 川的标准。 纛蜒一个站瞧， p 毛c 类数逶痿控涮器也要实瑷程控及联锁功黪。失统一起觅， 通常要求通信控制器也要用符合i e c l1 3 1 3 标凇的编程语言来实现程控。这种方 寨实际上蹩菠理想瓣方案，京主要毒届太忧势： 1 符合i e c l1 3 1 - 3 标准的编程语言如i l 、s t 、l d 、f b d 等均直观易读，尤其是 江棼大学硕士学位论文 l d 和f b d ，为多数维护人员所熟悉。运用热悉的编程语言可减少出错的可能。 2 保涯全站甚至全地铁所有变媳站的所有设备使用统一的编程语蠢，减小了 运行管理的难度。 3 使燃i e c l l 3 1 3 标猴，降低了爨动化象缝割造商在组态软件上的开发熙险， 自行制定的标准往往存在考虑不周的情况。该方案的实现手段如下：首先，