（电力系统及其自动化专业论文）牵引变电所集成保护方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t t h ep r o t e c t i v es c h e m e so ft r a c t i o ne l e c t r i cs y s t e ms h o u l db er e a s o n a b l e ，n o r m a la n d a c c u r a t e ，w h i c hs h o u l ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fq u i c k - b r e a k ，r e l i a b i l i t y , s e l e c t i v i t y , a n d s e n s i t i v i t y r e c e n t l y , t h es e p a r a t ee l e m e n tp r o t e c t i o nm o s t l yi su s e di nt r a c t i o ns u b s t a t i o n , i n s o m ec a s e sw h i c hi st oa g a i n s tt h er a p i di d e n t i f i c a t i o na n dr e m o v a lo ff a u l t s ，i te v e nd e t e r i o r a t e s o p e r a t i n gc o n d i t i o n s i n t e g r a t e dp r o t e c t i o nc a r lo b t a i nn u m e r o u si n f o r m a t i o no fs u b s t a t i o na tt h e s a m et i m e ，w h i c hc o u l dn o to n l yi n t e g r a t et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o np r i n c i p l e sb u ta l s og e n e r a t en e w p r o t e c t i o nf u n c t i o n st oi m p r o v et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fp r o t e c t i o n b a s e do nr e a l i t yo f t r a c t i o ns u b s t a t i o n , t h i sp a p e rh a ss u m m a r i z e df e a t u r e sa n da d v a n t a g eo fi n t e g r a t e dp r o t e c t i o n a n dp e r f o r m e ds o m ew o r k sa sb e l o w ： ( 1 ) t h ei n t e g r a t e dp r o t e c t i o ns c h e m eo ft r a c t i o ns u b s t a t i o ni sp r o p o s e d f i r s t l yt h ep r o t e c t i v e s c h e m e so ft r a c t i o ns u b s t a t i o na r ea n a l y z e di nt h i sp a p e nw i t ht h et h e o r yo fl a y e r e da n d d i s t r i b u t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，t h et r a c t i o ns u b s t a t i o nc o u l db ep a r t i t i o n e di n t o s e v e r a lb a y s t h e nt h ei n t e g r a t e dp r o t e c t i o ns c h e m eo ft r a c t i o ns u b s t a t i o ni sd e s i g n e db y d r a w i n gl e s s o n sf r o mi n t e g r a t e dp r o t e c t i o np r i n c i p l e so fp o w e rs y s t e m a ni n t e g r a t e d p r o t e c t i o nc r i t e r i o no fl o w - v o l t a g eb u si sp r o p o s e dw h i c hc o u l di d e n t i f yb u sf a u l tr a p i d l y i t a l s oh a sp r a c t i c a lm e a n i n g sb e c a u s eo fi t ss i m p l ea r i t h m e t i c ，e a s ya c h i e v e m e n ta n dh i l g h r e l i a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，i ti sd i s c u s s e dt h a ti n t e g r a t e dp r o t e c t i o nc o u l da l s of a c ea g a i n s t w r o n g - p h a s ec o u p l i n go ft r a c t i o nf e e d e r se x a c t l 5c o m b i n i n gc o r r e l a t i o na n a l y s i so ff a u l t c o m p o n e n t ( 2 ) t h ei n t e g r a t e db a c k u pp r o t e c t i o nu n i to ft r a c t i o ns u b s t a t i o ni sd e v i s e db a s e do nf u n c t i o n s i t c o u l dc o m p l e t ep r o t e c t i o nf u n c t i o n sb yu s i n gi n f o r m a t i o nf r o md i f f e r e n tb a y sw h e no n e b a y sp r o t e c t i o nb e c o m e si n v a l i d i th a so b v i o u sa d v a n t a g et h a ns e p a r a t ee l e m e n t p r o t e c t i o nw h i c hn o to n l yl o w e r e da c t i o nt i m eb u ta l s oa v o i d e de x t e n d i n gp o w e rf a i l u r e r a n g e t h et h e o r yi sv e r i f i e db ys o f t w a r ep s c a d e m t d cs i m u l a t i o n ( 3 ) t h er e l i a b i l i t yo fi n t e g r a t e dp r o t e c t i o nu s i n gi nt r a c t i o ns u b s t a t i o ni sa l s op r e l i m i n a r i l y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第| | i 页 d i s c u s s e d e x c e p te n s u r i n gt h ea c c u r a c yo fi n t e g r a t e dp r o t e c t i o nt h e o r y , t h er e l i a b i l i t y l e a d i na l le c o n o m i ci n d i c a t o r si sa l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h e ni t i sc e r t i f i e db y c a l c u l a t i n ga n dc o m p a r i n gt h a ti n t e g r a t e dp r o t e c t i o nh a sh i g h e rl e v e lo fr e l i a b i l i t yt h a n s e p a r a t e e l e m e n tp r o t e c t i o n f i n a l l y , t h es h o r t c o m i n g so fi n t e g r a t e dp r o t e c t i o n a r e m e n t i o n e d e v e ns o ，i n t e g r a t e dp r o t e c t i o nc o u l da l s op l a yi m p o r t a n tr o l e si nt r a c t i o n e l e c t r i cs y s t e mt h r o u g hs t u d y i n ga n di m p r o v i n g k e yw o r d s ：t r a c t i o ns u b s t a t i o n ；i n t e g r a t e dp r o t e c t i o n ；s i m u l a t i o n ；r e l i a b i l i t y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国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阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名 日期：硼hj ，弓 指导老师签名： 日期：姗p 岁m 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 本文提出一个基于集成概念的保护判据能快速识别低压侧母线故障，算法简单，实 现方便，可靠性高，可以考虑应用作为变电所母线主保护；同时论证了应用集成保 护能更好地识别牵引馈线异相短路故障，为馈线提供更好的保护； 2 本文设计的牵引变电所集成保护方案在某间隔保护拒动时，可利用其他间隔的保护 信息来判定本间隔故障，迅速跳开本间隔断路器，这样既降低了动作时限，同时又 不扩大停电范围，具有比较明显的优势； 3 本文通过一种引入了经济指标可靠性评价方法对集成保护和独立保护进行了计算 分析，通过计算保护误动和拒动的造成的经济损失来比较两种方案的优劣。计算对 比后发现集成保护可靠性比独立保护提高了四个多百分点，具有一定优势； 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：矽口j - 孔 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 近年来，随着我国电气化铁路的发展，电气化铁路的营运里程不断增加，特别是高速 电气化铁路的发展以及铁路的大面积提速，新修和改建电气化铁路的速度不断加快，这 就要求电气化铁道牵引供电设备的技术先进性、运行可靠性与之相适应。作为电气化铁 道供电核心的牵引变电所继电保护则是重中之重，保护的抗拒动和抗误动的能力，直接 影响到电气化铁路的运营状况，给铁路企业的经济和社会效益带来很大的影响。因此， 牵引变电所的保护的配置必须合理、规范、准确，满足保护的速断性、可靠性、选择性、 灵敏性的要求【l 】 电气化铁路以电力机车作为牵引动力，具有牵引功率大、节能、无污染，以及可大幅 度提高干线铁路运能等特点【2 。3 1 。由于电气化铁路的特殊性【4 】，电能通过接触网由牵引网传 送至电力机车并沿线路快速移动，接触网导线的损伤和故障都可能导致牵引网的短路，使 得牵引网的结构比电力系统馈电线路更为复杂，对继电保护装置动作的可靠性要求也更 高。 牵引供电系统的主要供电对象是电力机车。而电力机车是移动的、大功率的单相负 荷，它有别于电力系统的位置固定三相基本对称的负载，具有其特殊性和复杂性【5 吲。 1 牵引网的结构和牵引供电方式比电力系统馈电线路复杂，工作环境更恶劣。机车的受 电弓与接触导线一直处于快速滑动接触状态，弓网之间是复杂的带有振动和压力的动 态接触取流过程，当接触不良时，就会产生电火花或电弧，使接触导线过热或烧伤， 造成断线或短路故障，从而对继电保护动作的可靠性要求更高。 2 牵引负荷不仅是移动的，而且其大小是随时变化的。牵引网的电流值的变化范围极宽， 牵引负荷的变化频率和幅度远远大于一般的电力负荷。 3 整流式电力机车的电流包含有大量的高次谐波，其中三次谐波成分最高，因此必需考 虑谐波分量对保护的影响。 4 电力机车空载投入接触网时，机车上变压器将产生励磁涌流，与电力系统输电线路相 比出现励磁涌流的机率大大增加。因此牵引馈线保护要考虑励磁涌流的影响。 5 电气化铁路的牵引负荷为单相负荷，反映到三相系统中是不对称的。在正常负荷情况 下，存在着负序电流。因此，在电力系统中的负序保护，而在牵引供电系统中不能应 用。 6 牵引网的线路阻抗较大，输送距离较长，故末端最小短路电流较小；而馈线的最大负 荷电流很大，与最小短路电流往往很接近。为此，牵引馈线采用电流保护，不能满足 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 灵敏度的要求，必须采用特殊办法提高馈线保护的灵敏度。 7 在长距离的供电臂上，当线路末端发生短路时，靠近变电所的机车，开始由于接触网 电压降低，电动机转入发电机状态，经一定过渡过程再转为电动机状态，该过程将直 接影响短路电流的变化。因此，在长供电臂运输繁忙的区段应考虑机车负荷对短路电 流的影响。 除此之外，牵引网结构形式和运行方式有很多种【9 】，牵引网结构形式主要有全补偿简 单链型悬挂及弹性链型悬挂；牵引网供电方式主要有直接供电方式、带回流线的直接供 电方式、吸流变压器供电方式、自耦变压器供电方式( 以下简称a t 供电方式) ，从现场运 营的运行方式上有上下行分开供电运行方式，末端并联供电运行方式，全并联运行供电 等。 综上所述，铁路牵引网结构形式和运行方式的多样性、特殊性和复杂性决定了牵引 供电系统保护的特殊性和复杂性，这就要求其技术特性指标必须满足精度( 速动性) 和选 择性、灵敏性、可靠性等的要求，保护装置不应拒动或误动作。在设计牵引供电系统的 保护时，不仅要满足常规保护的技术条件，而且要根据牵引供电系统运行方式和牵引网 结构形式的具体情况设计保护的具体内容。 目前电力牵引系统中运行的保护及安全自动装置大多采用独立元件保护 i o - 1 2 ，其工作 方式是采集装置安装处的系统电流、电压量，经过计算后得到一些反映系统状态的参数 值，然后与预先整定的门槛值进行比较，若超过门槛值则执行某种动作。按该方法整定 的保护定值对系统其他运行方式来说不是最佳整定值，同时这些装置的动作原理和动作 时间不同，互相之间又缺乏有效的协调，因此在某些情况下( 如发生联锁故障时) 会恶 化系统的运行状况。集成保护是指将变电站内多个独立的保护设备集成于一个计算机保 护中以形成一个集中式保护系统【1 0 , 1 3 】。它通过各种传感设备，采用软硬件相结合的方法， 同时获取变电站内的多处信息，在实现各独立保护功能的基础上，各种保护功能之间易 于协调配合，集成保护可以集成传统保护原理，也可产生新的保护功能，提高保护的整 体性能。 本课题的研究主要围绕牵引变电所目前采用的独立保护配置进行分析，运用集成保 护的思想提出新的保护原理和保护判据，进而为牵引变电所设计集成保护控制单元，并 计算分析集成保护的可靠性和经济性。其研究意义在于探索集成保护在牵引供电系统中 运用的可行性，为牵引变电所选择集成保护方案的合理性提供理论依据。 1 2 集成保护的发展和现状 自过电流继电器在电力系统第一次问世以来，至今已过了一个世纪。大部分的保护 原理，如过电流保护、方向保护、距离保护以及差动保护，都是在上个世纪三十年代以 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 前研究出来的。随着现代技术的进步，保护装置技术从机电式、晶体管式、集成电路式 发展到了微处理机式。目前，在继电保护领域里，以微处理机为基础的数字式继电器己 逐步取代传统继电器。计算机的应用在电力系统保护的发展过程中是一个重要里程碑。 上个世纪六十年代后期，洛克菲勒引入了一种基于中央计算机系统的集中式变电站保护 系统。这种保护方案提供了一个理想的环境来进行全面的集成保护，保护装置不仅监视 电厂的独立装置，而且监视整个网络。但迄今为止，这个想法尚未投入实用，之所以如 此，是因为过去一段时间来，计算机硬件、软件以及通信技术尚不支持这样的想法。尽 管如此，在引入了计算机继电保护后，用于电力系统保护的数字技术已经得到了快速发 展。上个世纪八十年代，保护装置中，引入了微处理器后，实现了分布式处理平台，这些 分布处理平台专门保护基于传统方法的系统的各独立装置，以后备保护的形式，提供有 限的集成保护。上个世纪七十年代后期，随着电力网络的不断扩张，对快速清除故障、从 而改进系统稳定性的需求，引发了人们利用非工频故障检测技术来提高继电器响应速度 的研究热情。从而导致了人们对基于行波和叠加故障分量的所谓超高速继电器的研究， 利用故障生成的暂态过程来实现输电线路的保护。但是，由于当时的数字处理技术限制 了基于这些原理的保护的研究，因此没有能够成为电力线路中的主要保护装置。现代科 学技术的不断发展，为电力系统继电保护的研究提供了很多新的手段，推进了上个世纪 八十年代和九十年代的自适应保护和基于人工智能( a i ) 的保护技术的发展，从而使保护 继电器的性能得到了极大提高。然而，这些发展主要集中于传统继电器原理的改进上，一 直没有产生新的有重要意义的应用自适应技术和人工智能技术的继电器原理i l3 | 。 近年来，微型计算机技术以及新式传感器技术的快速发展，使得过去认为不可能的故 障检测技术变为可行，进一步激发了人们把故障产生的暂态过程应用于保护的兴趣。研 究发现，故障产生的高频暂态过程，不仅可以被检出，而且可以用于开发新的保护原理和 保护技术。人们在对高频暂态过程检测的研究中，做了相当大的努力，提出了很多新技 术建议，并就相关的测量和信号处理技术进行了大量研究。 同时，继电器通用硬件技术的发展，以及多种通信技术及方案的可利用性，使人们 再次想起了集成保护的概念。研究发现，从多个发电厂( 站) 电力设备所获得的信息中， 有更多的信息可以用于推导新的保护原理和方案，相对于现有的针对单独电设备的独立 保护技术，这些保护原理和方案具有明显的优势。在这点上，人们发现，基于暂态过程 的新式保护技术不仅继承了单个用电设备保护的特点，而且在现代通信技术的支持下， 新式保护技术还可以用来创造新的电力网络集成保护方案。在这方面，近年来有许多带 有集成性质的新保护方案的研究【1 4 1 ，例如： 1 双回线的保护，包括横差及方向比较等方案。 2 基于全球卫星定位系统( g p s ) 的超高压线路保护，该保护通过记录和比较故障暂态行 波到达网络各电厂站的时间来确定故障的位置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 3 配网自动化保护，该保护由一个继电器负责保护相邻的两条线路并具有配网自动化功 能。 4 母线与线路的集成保护，该保护由一个继电器负责与变电站相连的所有的线路的故障 方向保护和母线的保护。 研究表明，这些新的技术方案不仅为单独输电线路和设备提供了新的保护，而且还具 有集成保护特性。 集成保护系统主要由三大部分组成i l u j ： 1 接口单元：测量控制单元，通过不同类型的传感器与各个设备相连，比如传统的c t 和p t 、光互感器等。接口单元可按变电站内二次系统的实际情况集中或分布设置， 通过大容量的光纤网络将测量值实时传送至集成保护单元。接口单元同时也可以通过 控制回路接收和发送控制信号。结合i e c 6 1 8 5 0 的应用，接口单元可以按合并单元设 计。 2 光纤网：应用光纤以太网作为集成保护的通信网络，为保证可靠性采用环网或双冗余 结构，使用标准的网络通讯协议如i e c 6 1 8 5 0 ，使接口单元或合并单元、集成保护单 元与系统间实现无缝通信。 3 集成计算机继电保护单元：集成继电保护的功能在大型机上实现，通过网络接收到来 自变电站各地的测量信息，并通过通信网与各相关变电站交换信息。集成保护的各功 能模块通过分析计算，确定在该变电站内或者与其相连的线路是否有故障发生。如有 故障，相应的功能模块通过判断分析将发出指令，驱动相应的控制回路跳开故障相关 的断路器。集成保护与控制装置安装在变电站，对连接于变电站的每条线路和设备都 能起到保护作用，各变电站集成保护装置可通过大容量光纤网络进行通信；光纤通信 网络不仅与合并单元( 接口单元) 、集成继电保护单元通过通信网关相连，并接于全球 卫星定位系统g p s 时钟等实现不同变电站间同步对时。 集成保护能获得一定范围内相关保护和断路器的信息，因此可以发挥更强大的作用， 由于集成带来的信息共享、资源丰富和多种保护功能的协调配合，可使集成保护在电力 系统中既可以起到保护设备的作用，也将具有一定的安全控制功能。目前用于解决以下 几个问题【1 4 - 1 5 , 1 8 】： 1 当主保护拒动时加速近后备保护动作。 2 当继电保护装置失效时直接发控制命令让其对应的断路器跳闸以切除故障，这对于只 配置单套保护的低压电网有重要意义。 3 对于未装设断路器失灵保护的系统，当断路器失灵时缩短远后备保护的动作时间以及 达到类似于断路器失灵保护动作的效果。 4 区分线路过载与故障，与控制系统一起提前解除过负荷状态。 集成保护与现有独立设备的保护相比，将有如下优点l l ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 有利于提高保护的运行管理水平 由于集成保护将变电站所有的保护功能集于一体，统一协调配合，有利于继电保护报 文的标准化、定值管理集中，易于实现定值的及时切换，防误操作：保护功能投、退可实 现集中管理，不必去各设备间隔操作，降低工作量及操作出错机会。有利于提高保护的 运行管理水平。 2 装置易于标准化，试验工作量大大减少 现在保护厂家众多，软件版本层出不穷，比如每个装置都有人机接口，不仅成本高， 给操作和管理也带来很大困难，集成之后，采集、控制装置易于实现标准化，可降低管 理费用，简化维护，减少由于配置错误而引起的系统停机事件。而且保护功能集中在大 型计算机上，易于实现保护软件的自动测试、故障再现、控制方案模拟等功能，采集和 操作单元仅需要校验其精度、速度等几个简单的指标即可，装置试验的工作量大大减少。 标准化和集成，减少了工程量、现场验收、运行、监视、诊断和维护等费用，节约大量 时间，增加了自动化水平。 3 在线修改保护逻辑，可增强保护的适应性 可以根据运行情况，在线修改保护逻辑，保证系统运行在可靠的前提下的最大利用。 如根据变压器中性点运行方式自动投入间隙电流或间隙电压保护等。 4 保护采用大型计算机带来一系列优点 保护功能在大型机上实现，运行环境好，湿度、温度、电磁干扰强度等易控制，抗干 扰能力大大增强；计算精度高，能研究更复杂有效的算法，可采用标准函数充分实现软 件标准化、模块化，大大增加了软件的可维护性：集成保护实现高冗余度不需要增加成本， 可使用的后续处理手段丰富，自诊断功能更强：可集中录波，容量大，便于事故追溯、分 析，不必每台装置都设录波功能，可降低总成本等等。 5 使得变电站实现i e c 6 1 8 5 0 的成本降低 原来独立装设的保护，由于各个制造厂生产的继电保护设备差异很大，因而从变电站 综合自动化的要求来看，要将各个厂生产的继电保护设备连接起来非常困难。随着变电 站i e c 6 1 8 5 0 标准协议的应用，每个单元都要考虑支持i e c 6 1 8 5 0 的很多规约、定值、报 文等，需要很强的处理能力。而对于集成保护，因各保护模块在一个集中的系统内，相 互之间的协调配合通过软件调用来实现，省略了相互间自我描述的过程，同时也减少了 由于软件错误升级造成的损失。只需要整个集成保护系统对变电站层的自我描述，统一 于采集及执行单元的接口，不需太复杂的处理。 6 有利于无缝通信系统协议的实现 由于网络技术的迅猛发展，提供了通过网络交换数据的可能性。随着电力市场的兴起 和电力系统的扩大，信息量越来越大，要求在各种自动化系统内快速、准确的集成、合 并和传播从发电厂( 站) 到用户接口的实时信息。各电力公司花费大量资金用于实时信息 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 交换，数据集成和维护，而且费用还在剧增。集成保护将集成的保护及监测的所有信息 通过满足i e c 6 1 8 5 0 标准的以太网通信送至变电站层，改善信息技术和自动化技术的设备 数据集成。并且由于规约简单，只是传送采样、开关量数据，没有定值修改、报文等麻 烦的通讯约定，通讯的可靠性会大大增加。 随着变电站通信技术的发展，i e c 6 1 8 5 0 标准协议的应用、光互感器的发展应用等， 集成保护将有广阔的研究应用前景。 1 3 本文主要工作 随着我国能源战略的转变，作为清洁无污染的电力资源将得到大力发展，电气化铁 路的蓬勃发展将成为今后铁路发展的重点。新建和改建电气化铁路的设计成为了电气化 铁路建设的先行军，设计人员肩负着为电气化铁路“多拉快跑”做贡献的义务和责任。 优化设计方案，提高设计质量，应用现代化的设计手段，为电气化铁路安全、可靠运行 创造条件、打好基础。基于以上目标，本文在前人研究成果的基础上认真总结和归纳了 电力系统集成保护的特点和优势，根据电气化实际运营的需求，力求能够将集成保护这 一先进的保护理念和技术应用于牵引供电系统，发挥出它应有的作用，论文主要的研究 内容包括以下几个方面： 1 从牵引变电所结构出发，借鉴电力系统集成保护的思想和方法，提出牵引变电所集成 保护的初步设计方案； 2 从变电所现有各间隔的保护信号出发，加以合理简化，从功能上设计出牵引变电所集 成保护单元，旨在提高后备保护的动作速率； 3 仿真分析，通过p s c a d 软件验证提出的集成保护理论的正确性； 4 对牵引变电所集成保护进行可靠性评价，通过详细的分析计算与独立保护进行比较， 在此基础上讨论牵引变电所集成保护的优势和局限性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章基于集成概念的保护判据 目前牵引变电所中运行的保护及安全自动装置大多采用独立元件保护【l o 1 2 】，按该方 法整定的保护定值对系统其他元件来说不是最佳整定值，不利于迅速识别和切除故障， 甚至有可能恶化系统状况。采用集成保护后，由于可以同时获取变电所内的多处信息， 即可以集成传统保护原理，也可产生新的保护功能，提高保护的整体性能。本章通过分 析目前牵引变电所的保护配置，结合变电站分层分布式原理，借鉴电力系统集成保护的 思想和方法，初步设计出牵引变电所集成保护实现方案。在此基础上，提出一个基于集 成概念的牵引变电所母线保护判据，并探讨集成保护在牵引馈线异相短路故障中的应用。 2 1 目前牵引变电所保护配置方案 在目前的电气化牵引供电系统中，a t 供电方式具有供电距离长、供电能力强、牵引 网电压损耗小、对通信干扰小等优点，是我国高速铁路主要选择的供电方式之一【9 】。如图 2 1 所示，a t 变电所虽然其结构比较复杂，但对本文而言，由于着重探讨的是现有保护 之间的相互协调和配合，因此可对变电所主接线进行适当合理地简化，再进行分析时更 容易抓住问题的实质。 b ca bca ，一 r “ 。鬲阢泳。搞。箍 一 原 t 行 图2 1 典型a t 供电方式牵引变电所主接线简化图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 当前变电所保护测控均采用综合自动化系统。以某公司生产的t a 2 1 型牵引变电所综 合自动化系统为例，该系统采用的是一套装置负责一个( 组) 断路器及相关隔离开关的 保护、测量与控制单元的工作模式。整个系统包含w b h 8 9 2 z 主变保护装置，w b h 8 9 2 h 主变后备保护装置，w b b 8 9 2 并补保护装置，w k h 8 9 2 馈线保护装置以及若干通用测 控装置构成。每套装置完成独立的数据测量、保护、控制功能，并按照现场运行的要求 配置1 2 0 1 。如表2 1 。 表2 1 牵引变电所保护配置 设备保护配置备注 牵引变压器带二次谐波闭锁的比率差动保护；比率差动与差流速断为 差流速断保护； 变压器主保护，其余为后 失压保护； 备保护( 根据实际情况投 高压侧三相过电流保护； 入其中几套) ，其中低压 低压侧单相过电流保护； 侧过电流保护既保护低 零序过电流保护； 压侧母线，同时作为馈线 零序过电压保护； 和并联补偿装置的后备 过电压保护； 保护 反时限过电流保护； 各种非电量保护 馈线三段距离保护：三段距离保护与电流增 电流速断保护；量保护共同构成牵引网 电流增量保护；馈线保护的双重保护。电 过电流保护； 流保护等为近后备保护 反时限过负荷保护； 并联补偿装置电流速断保护；用于断路器到电容器连 过电流保护；接线短路故障、并联电容 低电压保护；器内部故障、接地故障等 差电压保护；的保护，根据现场实际情 差电流保护；况投入其中的几套 谐波过电流保护； 谐波阻抗保护： 动力变压器电流速断保护；根据现场实际情况投入 过电流保护；其中的几套 失压保护； 反时限过负荷保护； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 分析以上保护配置，由于采用的是独立保护，即一套装置负责一个( 组) 断路器及 相关隔离开关的保护，因此保护可靠性高，动作迅速，可根据不同的故障设置多套保护， 大大提高被保护设备的安全性，能够满足现场运行的要求，同时测试检修都较为方便， 目前我国的牵引变电所基本都采用这种方式。 但这样的方式也有存在一定问题，由于这些装置的动作原理和动作时间不同，互相 之间缺乏有效的协调，还有可改进的地方。 1 具有后备功能的保护动作时限较长，在某些情况下不利于迅速切除故障 以馈线保护的远后备为例，在独立保护模式下，馈线保护的远后备保护为主变 低压侧过流保护，当馈线保护失效时，低压侧过流保护将故障切除。为保证选择性， 考虑时限配合原则，作为馈线远后备的低压侧过流保护的动作时限往往设为1 s ，当 变压器低压侧母线发生故障时，这样的保护配置不利于迅速切除故障。 2 对于某些故障识别效果不佳，保护算法复杂 当牵引网发生异相短路故障时，独立保护有一定困难。 3 当断路器无法正常动作时，远后备保护动作时限过长 4 无法识别保护误动作 由于采用的一套装置负责一个( 组) 断路器及相关隔离开关的保护，当本间隔内 某个保护误动时，装置无法识别。 针对以上问题，许多学者和各保护厂家做了大量工作，也提出了一些解决方案，如 采用更复杂的保护算法，提高设备在故障情况下的承受能力等，取得了一定的效果。 随着继电器通用硬件技术的发展，以及多种通信技术及方案的可利用性，使人们再 次想起了集成保护的概念，由于集成保护的一系列优势，可利用获得的有效信息研究一 些新的功能算法，改进以上保护配置的缺陷，将这一思想运用于牵引供电系统，探索集 成性质的牵引变电所保护原理是一件有意义的工作。 2 2 牵引变电所集成保护方案初步设计 集成保护的概念来源于电力系统，电力系统保护中集成的概念包括两方面i l5 j ： 1 物理集成，即变电站内所有保护的集成，意味着变电站的集成保护要与站内每个 保护通信，作为站内保护的主站，并将集成保护的决策下传到站内设备，从这个 意义上看，它与变电站监控系统有类似功能，因此集成保护可接于监控系统，从 监控系统中获得保护和断路器信息，并将集成保护的决策通过控制中心实施： 2 概念集成，即与被保护设备相关的保护集成。以输电线路为例，概念集成通常包 括输电线本端保护、对端保护、相邻线路保护、有重要影响的其它输电线路保护 等。有重要影响的保护是指它们所对应的断路器状态的改变对被保护设备的负荷 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 状态有重要影响； 物理集成和概念集成是集成保护的基本思想，虽然牵引供电系统本身与电力系统有 很大不同，但依然可以运用这两个概念来分析牵引变电所的保护配置。由于牵引供电系 统自身的特点，概念集成中线路对端和相邻线路的影响、电力系统中广域网保护等等思 想都无法应用，本文考虑的牵引供电系统集成保护集中在牵引变电所范围内。 随着变电站通信技术的发展，i e c 6 1 8 5 0 标准协议的应用、光互感器的发展应用，数 字化变电站的技术将逐步引领未来变电站自动化系统技术发展的趋势。系统的分层分布 式是数字化变电站的重要特征，因此本文讨论的牵引变电所集成保护方案也按分层分布 式设计。根据变电站分层分布式原则，变电站自动化系统的分布式结构与间隔的划分有 密切关系，i e c 6 1 8 5 0 对间隔的定义为：一个变电站由具有一些相同功能的紧密连接的子 部分组成。变电站间隔层的划分与变电站的类型、一次设备的配置和布局、变电站内设 备的数据流及通信总线的结构有关。根据变电站的具体情况，一个电力系统元件，两种 电压等级之间带断路器的变压器、带断路器和相关隔离开关及接地刀闸的母联断路器、 在进线或出现及母线之间的断路器等都可定义为间隔。 图2 2 为牵引变电所主接线简图，整个牵引变电所的间隔可做如下划分： 上行 下行 图2 2 牵引变电所主接线 1 主变间隔，将与牵引变压器高低压侧相连的断路器划分为一个间隔； 2 母线间隔，将与母线相连的断路器划分为一个间隔； 3 馈线间隔，将所有馈线断路器划分为一个间隔，并补装置作馈线处理； 在牵引变电所内可布置数个合并单元来采集各间隔的测量信号和保护信号。按照 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 g b t 2 0 8 4 0 对合并单元的规定，结合变电所主接线图，可按以下方案布置合并单元：在 变压器的高压侧进线配置m u l 、m u 2 以测量高压侧的三相电压、电流，在低压侧配置 m u 3 、m u 4 以测量低压侧电流和母线电压，馈线侧可将多条馈线电流数据送往合并单元 进行合并，需要注意的是合并单元电流电压信号通路不能混用，本文设计将与同一条母 线相连的馈线电流送往一个合并单元，如图中的m u 5 、m u 6 。全变电所各个合并单元在 采集数据的时候应保证同步，文献 1 7 1 提出了一种基于g p s 与数字倍频技术相结合的方 法，能够实现同步准确测量数据。由于牵引变压器是变电所中最重要的设备，对于其两 侧的互感器和合并单元均应该采用双冗余配置。 上行 下行 图2 3 牵引变电所合并单元布置方案 当合并单元采集完信号后，将数据上传至光纤网，集成保护装置通过网络与各合并 单元通信获得各间隔的保护电压和保护电流，以实现保护功能。由于整个变电所的信息 量相当大，现阶段保护装置与所有合并单元实现通信可能会有困难，同时也面临数据处 理速度的问题，因此不能将所有的保护功能集中在一台计算机上实现。分析牵引变电所 需配置的保护，按功能可将其分为两大类： 1 无配合关系的保护，即只识别单个设备故障的保护，如变压器差动保护，馈线 阻抗保护等； 2 有配合关系的保护，即后备保护，牵引变电所中主要是以动作时限作为配合的 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 过电流保护，保护本设备和下级设备( 馈线为母线的下级，母线为变压器的下 级) ； 因此可考虑在牵引变电所每个间隔的用一台计算机完成对应间隔的保护功能，主变 间隔保护与合并单元m u l 、m u 2 、m u 3 、m u 4 通信，可以同时采集主变高压侧三相电 压，电流，低压侧电流和母线电压，利用这些信号来完成对牵引变压器的保护功能；母 线间隔保护与合并单元m u 3 、m u 4 、m u 5 、m u 6 通信，可同时采集低压侧电流，母线 电压，各馈线电流，完成对母线的保护；馈线间隔保护与合并单元m u 3 、m u 4 、m u 5 、 m u 6 通信，可采集母线电压，各馈线电流，完成对馈线的保护。对于无配合关系的保护， 计算机完成保护的启动，出口，返回等功能，并可发跳闸命令控制本间隔的断路器，对 于有配合关系的保护，通过计算后输出各保护的启动信号。再用一台计算机作为后备保 护单元，利用这些启动信号和开关状态，以完成后备保护的功能，这就要求后备保护单 元能控制整个变电所的所有断路器。整个牵引变电所保护由四台集成计算机保护单元构 成。值得注意的是，为完成集成保护的功能，需要对现有的工控机进行改造，具体的改 造方案需结合实际进行详细设计。而随着计算机技术与通信技术的发展，有理由相信未 来将能够用一台计算机完成整个牵引变电所的保护功能，进一步提高保护的可靠性。 基于以上思路，本章先提出一个基于集成概念的牵引变电所母线保护判据，并探讨 集成保护在牵引馈线异相短路故障中的应用，下一章再具体探讨各间隔集成计算机保护 单元的功能设计。 2 3 基于集成概念的低压侧母线保护 目前牵引变电所低压侧母线没有配置专用保护，大多是采用变压器后备保护中的低 压侧过电流保护来切除故障，由于变压器低压侧过电流保护本身也作为馈线的远后备保 护，为保证选择性，其动作时限需要与馈线过电流保护配合，因此动作时限设得较长， 大约为1 s 。当变压器低压侧母线发生故障时，这样的保护配置不利于迅速切除故障。而 牵引变电所的母线是牵引供电系统中最重要的电器设备之一，它是牵引变压器和馈线汇 合的枢纽，所以当母线发生故障时，后果是十分严重的，可能造成变电所全所停电，或 是电气设备遭到严重的破坏。因此，快速识别并切除变压器低压侧母线故障，对提高牵 引供电系统可靠性具有重要的意义【2 l 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 2 3 1 保护基本原理 运用集成保护，同时可采集到变电站所有间隔的信息，包括电气量和开关量。当变 电所低压侧母线发生短路故障时，以口相为例，如图2 4 ，变压器低压侧( 1 d l 处) 流过 短路电流，但馈线端( 即3 d l ) 没有短路电流流过， 图2 4 牵引变电所低压侧故障示意图 综合两者，本文提出一种低压侧过流保护判据： il d l i g l 厶砚乞。 l - 乙k ( 2 1 ) 式中，乞一口相过流定值，馈线过电流保护整定值，乞，保护动作时限( 取 变压器差动保护固有动作时间，一般为几个毫秒，远小于馈线过电流保护时限) 该判据有以下优点： 1 可迅速准确判断出变电所低压侧母线故障，大大降低原有保护的动作时限，进而 将故障快速切除； 2 保护原理简单易行，没有复杂的算法和数据处理过程，因而具有较高的可靠性。 3 该原理通过有效运用变电所其他间隔的信息，提高了保护的性能，但无需另设测 量设备，没有增加成本，经济性较好； 2 3 2 整定计算中的相关问题 1 馈线过电流整定计算，2 3 】 馈线过电流整定值关心的是馈线的最大负荷电流情况，其他馈线电流的计算将不讨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 论。馈线瞬间最大电流与列车带电电流、列车启动电流、区间列车最大对数等有关。 为了计算馈线电流和最大负荷电流，首先要计算列车电流。电力牵引供电的列车电 流有列车瞬时电流、列车平均电流、列车用电平均电流、列车用电均方根电流等。其中 列车用电平均电流是供电臂最大负荷电流计算的基础。列车用电平均电流就是指列车在 计算区段内运行时，在用电运行时间内，列车瞬时电流的平均值。即 ，2 抄 衍 协2 ， 式中，h 为供电臂内运行的列车数。结合上式( 2 - 2 ) ，根据文献1 2 5 ，线路的分类可 以简化为下面几个公式： 1 ) 单线区段供电臂内第i 个区间列车用电平均电流 ，；：2 4 垒( 2 3 ) tg i 式中，a ，为在第i 个区间列车用电平均能耗( k v a h ) ，几，t 为在第i 个区间 列车带电走行时间。 2 ) 复线区段上( 下) 行供电臂内第i 个追踪间隔内列车用电平均电流 k ( 下) ：2 4 冬旦 ( 2 4 ) 酊上( 下) 3 ) 供电臂内列车用电平均电流 ，：2 4 鱼( 2 5 ) t 掣 4 ) 复线区段上( 下) 行供电臂列车用电平均电流 缸( 下) = 2 4 等盟 ( 2 - 6 ) 为了整定继电保护装置、计算牵引变压器的最大容量和校验牵引变压器的过负荷能 力，还需要计算馈线瞬时最大工作电流、最大有效电流和最大工作电流。最大瞬时工作 电流是用于整定保护装置，通常是按- - 歹o y u 车在供电臂末端起动，而在其余区间都同时 有车用电运行来计算。馈线瞬时最大电流分为单线和复线两种情况。 1 ) 单线区段 i 蛐。戕= i 出+ ( 珑d 一1 ) i ( 2 - 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 式中，由为列车起动电流峰值，在双机牵引区段可取1 5 1 由1 7 5 i 由供电臂内可 能出现的最大列车数，通常取聊d = 船。 2 ) 复线区段 对于复线区段，上、下行馈线瞬时最大工作电流按照分开供电时，重负荷方向的馈 线瞬时最大工作电流计算，计算方法同单线区段。通常