基于供電臂的AT牽引網網絡化保護模型研究

殷梓健，宋金川，田行軍，王 喆，姚 琪

0 引言

鐵路作為綜合運輸體系的骨干和主要運輸方式之一，對我國經濟社會發展起著至關重要的作用。現行的高速鐵路一般采用電力牽引供電，列車通過接觸網取用電流。由于國鐵多在戶外運營，氣候、環境條件復雜多變，在較為惡劣的氣候和環境條件下，以電力牽引運行的高速鐵路容易發生電氣故障。因此，采用一套高效可靠的繼電保護系統對高速鐵路的安全運營至關重要。

目前，高速鐵路的繼電保護依然采用傳統的保護方式，設置各種保護的動作時間，通過保護動作時差保證保護的選擇性、速動性。文獻[1]指出，牽引網的負荷、電力機車或動車組會在牽引網區段內沿線路移動，因此電力系統中廣泛運用的電流差動保護無法完全勝任牽引網的保護。文獻[2]指出，由于電氣化鐵路的負荷出現在差動保護的保護范圍之內，即使采用光纖縱向差動保護，其保護范圍和靈敏度與基于單端信息量的過電流保護也沒有區別。這也凸顯了對電氣化鐵路的繼電保護方案進行專門研究的必要性。

隨著我國第一條自主研發的智能高速鐵路—京張高鐵的開通運營，中國鐵路進入了智能化時代。《鐵路“十三五”發展規劃》提出，要加強信息、智能化建設，提高安監自動化水平，推進信息綜合應用[3]。在此背景下，考慮到鐵路運營對安全性、可靠性的特殊要求，提升高速鐵路繼電保護的智能化水平至關重要。

為提升繼電保護的智能化水平，文獻[4]提出了電網故障診斷的改進模型，通過引入貢獻因子改善模型效果，用于分析電網故障。同時，電網故障診斷的分階段解析模型[5]及電力系統二維重組法數據壓縮算法[6]的問世，對高速鐵路的繼電保護也有著重要的參考價值。在同樣屬于軌道交通的地鐵領域，文獻[7]提出了利用IEC 61850通信規約實現保護裝置間的無縫通信，這為同樣屬于軌道交通的高速鐵路提升繼電保護水平提供了新思路。利用IEC 61850通信網絡與系統標準規約，構建包含整條供電臂的通信繼保網絡，打破信息孤島，實現保護區段內繼保設備的互聯互通，解決各繼保設備的聯絡難題，無疑對提高繼電保護的可靠性、速動性及高速鐵路的智能化、信息化水平具有重要意義。

1 現行供電臂繼保方案分析

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

牽引變電所中安置有主變壓器；AT所中配置有自耦變壓器；分區所的主要任務是控制上下行線路之間的聯通，全并聯運行方式即通過分區所調控實現；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，將故障對鐵路運輸的影響降到最低。

在一般的繼電保護分析中，通常不考慮開閉所，僅分析變電所、AT所與分區所之間的保護配置關系。目前，由于高鐵的全并聯AT牽引網在AT所處通常是并聯運行的，而保護裝置的配置通常采用分立方式[8]，具體的保護配置關系如圖1所示。

圖1 供電臂保護示意圖

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

（2）位于AT所的3QF、4QF和位于分區所的5QF、6QF分別檢測到上、下行線路失壓，失壓保護啟動，斷路器各自分別跳開，從而使供電系統從系統并聯運行退化為各自獨立運行的形式，系統發生解列。

（3）牽引變電所斷路器1QF、2QF在到達設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所和分區所檢測到上行供電臂電壓恢復，具有電壓檢測功能的自動重合閘將會啟動，分別重合閘AT所和分區所處的斷路器，上行供電臂恢復供電；如果下行供電臂合閘成功，AT所和分區所將會檢測到下行供電臂電壓恢復，具有電壓檢測功能的自動重合閘將會啟動，分別重合閘AT所和分區所處的斷路器，下行供電臂恢復供電。如果在供電臂的供電區段內出現的是臨時性故障，則經過這一過程之后，臨時性故障可以得到排除。

（4）如果在供電臂的供電區段內發生的是永久性故障，則當故障發生在上行供電臂區段內時，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供電，上行供電臂供電切斷；同理，若故障發生在下行供電臂區段內，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供電，下行供電臂完成故障切除。

通過對上述繼電保護動作流程及相關資料分析，可以總結得到在現行供電臂繼電保護方案下的保護與自動裝置配置，如表1所示。

表1 保護與自動裝置配置及LD節點配置

2 基于IEC 61850的邏輯設備模型建立

在對現行的、基于供電臂的繼保方案進行分析后，利用分析結果，依據IEC 61850通信規約第7部分第4節有關系統節點的配置規則進行邏輯設備建模。在建模過程中，如有與通信規約中已列出的保護與自動裝置配置表中保護類型一致的LD節點，則可直接借用，若不完全一致，則需依照規則自行搭建，模型搭建及LD節點配置結果如表1所示，模型內LN節點的邏輯關系如圖2所示。

圖2 供電臂保護IED的LN分配

圖2 中，除表1中已經注明的節點外，均來自于保護與自動裝置配置表，這些節點均有對應的保護功能。但一套完整的供電臂保護方案還應有監控、測量、人工干預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中出現表1中未注明的其他節點的原因。各節點的作用：PTRC代表預先設定的跳閘門限；PIID代表電流增量保護；MMXU節點擔負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；RDRE節點向人機交互層面傳輸錄波、故障、日志和報告等信息供值班人員整理分析；RDRS處理擾動；IHMI是值班人員手動操作的基礎；XCBR節點代表斷路器；TCTR、TVTR節點分別代表電流、電流互感器[9]。

3 基于IEC 61850規約的邏輯設備節點配置

建立邏輯設備模型后，應根據IEC 61850通信規約第7部分第2節所規定的配置規則，對涉及到的邏輯設備節點逐一配置，配置過程較為冗長，下文選擇以距離保護（PDIS）邏輯設備節點為例，展示邏輯設備模型的配置結果，其他邏輯設備節點模型的配置結果從略。距離保護（PDIS）邏輯設備節點的配置結果如表2所示。

表2 PDIS屬性列表

4 整個供電臂的IED模型建立

在完成供電臂保護各邏輯設備節點的配置后，可建立供電臂線路保護的IED模型，如圖3所示。

圖3 供電臂線路保護IED模型

在供電臂保護的IED模型中，將整個供電臂的功能大致分為3類，分別是保護功能、測量與記錄功能和人機接口功能，分別用3個邏輯設備實現：LD1負責保護功能，LD2負責測量與記錄功能，LD3負責實現人機接口功能。

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

LD1、LD2、LD3三個邏輯設備組成服務器，再將Server單獨作為整個供電臂的IED模型。

5 使用OPNET軟件測試建立的網絡性能

根據圖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作為邏輯設備模型的中心交換機，以交換機為核心通過星形連接的方式連接各自的邏輯節點，同時為滿足交換機的正常運行及仿真統計需要，每臺交換機均配置一臺服務器。以CS_2514_1S_e2_S12作為路由器連接各邏輯模型設備的交換機，實現各邏輯設備模型的互聯互通。

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

模型中所有節點全部正常工作的概率RN為

式中，N為模型中的節點數。

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，A為(M,N)矩陣。

整個模型的正常工作概率RM為

聯立式（1）—式（4），代入數據計算，得到該模型的正常工作概率約為98.49%。

現將仿真時間設置為1 h，即仿真模擬運行1 h，仿真結果如圖5和圖6所示。

圖5 整個供電臂的IED通信延時

圖6 LD1邏輯設備的負載與通信延時

從圖5可以看出，整個供電臂IED模型的通信延時大致穩定在0.000 40 s附近，表明在供電臂內各自動保護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果。

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

6 結語

目前，IEC 61850通信規約在國內鐵路行業的應用仍處于研發和實驗階段，沒有成熟的商業化產品，但在國際和國內的電力行業中已經進行了多年的實踐應用，積累了許多可以借鑒的成熟經驗。鐵路具有的與國計民生息息相關的特殊性決定了對其運行安全性、可靠性的苛刻要求，而保證鐵路運行安全性與可靠性的關鍵之一在于應用一套兼具選擇性與速動性的可靠的繼電保護方案。應用成熟的IEC 61850通信規約，借鑒其統一通信標準，構建一體化的繼電保護模型，實現保護裝置之間互聯互通，無疑是一條事半功倍的技術路線。