電氣化鐵路廣域保護測控系統工程實踐

劉 通

0 引言

從電力系統智能變電站的建設經驗來看，智能變電站具有技術先進、安全可靠、環境友好、節約資源等優勢。借鑒其成功經驗，智能牽引變電所也必將成為電氣化鐵路未來的發展趨勢[1]。分析電力系統變電站智能化發展過程可以預測，電氣化鐵路智能牽引變電所的建設將是一個長期漸進的過程，在確保鐵路供電可靠性、安全性、經濟性和高效性的前提下，從規劃、設計、建設到運行管理各個環節一體化考慮，逐漸形成適應于鐵路牽引供電特點的智能化構建方案。

鐵路牽引供電采用以牽引變電所為中心的區域分段供電模式，智能變電所建設方案應綜合考慮供電臂內牽引變電所、分區所、AT所之間的協同互動的高級應用功能[2]。在工程建設階段，智能牽引變電所的構建方案應遵循以下原則：智能牽引變電所的構建應以安全為第一目標，充分考慮信息的共享與網絡安全；智能變電所建設方案應立足于分階段實施與逐步推進的技術路線，設備與系統應充 分考慮兼容性與開放性，易于升級與替換；在設備選型和建設階段需充分考慮保護功能的獨立性，避免保護功能過度依賴通信網絡[3]。

本文針對電氣化牽引供電系統的特點，結合現階段廣域保護系統在鐵路牽引供電領域的應用研究[4]，描述了一種與傳統牽引變電所自動化相比結構更緊湊、可靠性更高、功能更優化的廣域保護測控系統設計方案，通過在朝凌高鐵的建設應用及現場功能測試，驗證該方案的有效性和正確性。

1 系統組網總體設計方案

現有牽引供電系統間隔層繼電保護主要存在以下問題：全并聯供電方式下線路發生故障時，保護選擇性失效，使得上下行接觸網均跳閘，擴大了停電范圍，影響無故障側線路列車的運行；后備保護以階梯時限原則進行整定，整定配合復雜，雖滿足保護的選擇性，卻對快速切除故障不利，在一定程度上犧牲了速動性；目前牽引變電所27.5 kV母線未配置獨立的快速保護，其保護功能由變壓器低壓側過流保護實現，故障切除時間較長。

為解決上述問題，提出一種面向被保護對象的就地級、面向變電所的站域級、面向供電臂的廣域級三級層次化保護。三級保護協調配合，改善了保護的選擇性、速動性和可靠性。站域級保護和廣域級保護提高了保護配置的冗余度，對全并聯供電方式準確判斷故障位置和故障類型的作用尤為突出。就地級保護不依賴于外部通信通道，即使通信通道受到破壞，也能完成保護功能。站域級保護和廣域級保護控制通過光纖通信實現數據交換，受制于光纖通信網的可靠性限制，在極端情況下會喪失部分控制功能，但作為整個保護系統性能提升的有效補充，站域和廣域級保護控制系統的失效不影響就地級保護控制功能。

為了提高保護的選擇性，配置廣域保護用于以供電臂為單元的區域智能協同互動；配置站域保護實現27.5 kV母線保護、全站失靈保護并融合備自投功能，采用GOOSE技術極大簡化了備自投的電纜接線；光纜具有帶寬高、不受電磁騷擾、便于自校驗的顯著優點，智能設備之間采用光纜連接，能夠避免電纜之間的相互耦合以及過電壓問題，以數字化方式實現智能設備之間的信息共享和互動功能。朝凌高鐵牽引變電所保護系統組網方案如圖1所示。

圖1 朝凌高鐵牽引變電所保護系統組網方案

2 牽引變電所保護配置方案

2.1 牽引變壓器保護配置

朝凌高鐵廣域保護測控系統采用數字化保護、合并單元、智能終端合一的變壓器保護裝置，保護裝置在控制室集中組屏安裝。變壓器保護裝置通過電纜方式完成模擬量采樣和開關控制，并將電流、電壓等信息數字化，以SV數據方式發送到過程層網絡進行數據共享，實現27.5 kV母線快速保護、斷路器失靈保護、錄波等功能。同時可通過GOOSE網絡發出或接收其他保護的聯鎖信號。

變壓器智能本體保護在主控室集中組屏安裝，通過電纜完成信號采集及跳閘。全所共設置兩臺智能本體保護裝置，分別完成1#、3#變壓器和2#、4#變壓器的本體保護。

2.2 饋線保護配置

饋線保護與主變保護裝置原理一致，使用數字化保護、合并單元、智能終端合一的饋線保護裝置，通過電纜完成模擬量采樣和開關控制，并將電流電壓等信息數字化。相比于數字化保護、合并單元、智能終端獨立設置的模式，饋線間隔保護的可靠性更高，且中間環節少，保護速動性更好。

在主控室內設立饋線保護盤，安裝三合一饋線保護裝置，同時仍在盤頂設立電壓小母線，用于電壓采集。饋線保護通過電纜完成電流、電壓采樣后，將采樣數據以SV的方式發送至過程層網絡進行數據共享，同時以點對點光纖方式連接廣域保護，實現故障測距以及上下行的選跳。

2.3 站域保護配置

相比于傳統牽引變電所，智能牽引變電所的顯著優勢是信息共享，間隔內設備信息可通過SV、GOOSE等方式在間隔之間實現共享，利用這些信息可實現諸多高級應用，站域保護即是其中之一。智能牽引變電所站域保護具有以下功能：

（1）備自投功能。通過GOOSE開入、開出完成信號采集和開關控制，無需外部電纜，極大簡化了接線。

（2）27.5 kV快速母線保護。通過接收變壓器保護、饋線保護的保護啟動信息可迅速判斷故障位置，改變了以電流定值、時間定值設立級差確保選擇性的方式，可縮短故障時間，保護一次設備。

（3）全所失靈保護。統一管理全所開關失靈信息，通過合理配置跳開上級斷路器。

（4）供電模式重構自愈功能。通過預設的邏輯，采用自動或手動控制方式實現牽引變電所模式重構。

2.4 廣域保護配置

朝凌高鐵采用全并聯供電模式，在傳統保護配置模式下當牽引網故障時，供電臂上下行無選擇性跳閘，后續通過檢有壓重合閘將無故障線路投入運行。該方式在實際運行中擴大事故停電范圍，縮短設備使用壽命。

智能牽引變電所中，供電臂上各所亭信息充分共享，可實現供電臂網絡選跳保護功能，當線路發生故障時，利用這些信息可在極短時間內判別故障位置，利用GOOSE技術跳開相應開關，將故障隔離，非故障側饋線維持運行，縮小故障范圍。

供電臂網絡選跳保護通過區間所亭間架設通信通道，在供電臂范圍內實時交互信息，其網絡架構如圖1所示。廣域保護裝置集成故障測距功能，通過點對點光纖從饋線保護裝置或其他裝置實時獲取SV數據，實現廣域保護功能和故障測距。以凌海南變電所至唐家嶺變電所供電單元為例，廣域保護測控裝置的網絡配置如圖2所示。

圖2 朝凌高鐵廣域保護裝置組網示意圖

3 廣域保護測控裝置功能

3.1 故障測距功能

針對AT供電方式的接觸網故障測距，支持供電模式固定及模式自適應兩種測距方式，適應全并聯AT供電方式、AT全解列的直供方式、變電所1臺斷路器帶2路饋線方式、AT所并聯點解列分區所并聯方式、單線AT供電方式等的故障測距。牽引所故障測距流程如圖3所示。

3.2 網絡選跳功能

網絡選跳功能以供電臂為單元，每個所亭均需配置廣域保護裝置，各裝置通過所間GOOSE實現模擬量數據的快速采集及傳輸。本工程廣域保護通道利用全線干線光纜的備用芯實現，要求所間GOOSE傳輸延時不大于10 ms（包含交換機延時）。當接觸網故障發生，網絡選跳功能迅速判斷故障行別（上行或下行），閉鎖變電所非故障側饋線保護固定時長（0.25 s），變電所故障側饋線保護動作后，再迅速分閘AT所、分區所故障側斷路器，實現故障行別的隔離，同時保證非故障側線路繼續運行。

圖3 故障測距流程

3.3 自愈重構功能

廣域保護裝置根據發生故障時各所的電氣量，綜合采用AT吸上電流比、橫聯線電流比、上下行電流比和電抗法測距原理，實現測距功能并識別故障發生的區段及類型等信息。當保護裝置動作完成后，可根據需要自動啟動（自啟動時間可通過裝置定值設置）或調度遙控啟動自愈重構，單獨隔離故障區間[5]。

供電臂重構動作邏輯參照國鐵集團發布的《智能牽引變電所及智能供電調度系統總體技術要求》（Q/CR721—2019）執行。供電臂重構過程中會涉及到變壓器低壓側開關、饋線開關、接觸網隔離開關的控制。當被控開關的控制權位于牽引變電所時，變電所內的站域保護裝置通過所內的過程層通道向接觸網隔離開關控制裝置發出控制命令。當被控開關的控制權位于分區所或AT所時，牽引變電所內的站域保護測控裝置會經由廣域保護通道向相應所亭的站域保護裝置發送指令，收到命令后通過所亭內的過程層網絡向接觸網隔離開關控制裝置發出控制命令[6]。

4 廣域保護系統效果測試

為驗證廣域保護系統的應用效果，在朝凌高鐵唐家嶺變電所、翠巖AT所、大勝村AT分區所、錦州AT所、凌海南變電所共進行8次短路試驗。短路操作方式：短路點T線、F線經斷路器與鋼軌連接（或T、F直接短接），變電所、AT所、分區所操作完畢，實現按既定方案供電后，合上現場斷路器（T-F短路，最后合上主變低壓側開關）。以唐家嶺變電所至翠巖AT所之間短路點的試驗數據為例進行分析，該區段短路試驗位置如圖4所示。

短路試驗設置故障類型為全并聯AT供電方式，下行T-R故障，就地保護、站域保護、廣域保護、重構自愈功能均投入。短路試驗動作報告如表1所示。

從試驗結果可以看出，發生短路故障時變電所饋線保護可靠動作，重合閘功能正常，系統采集數據同步、準確，故障測距誤差滿足要求。廣域保護裝置選跳保護功能可在故障發生后的100 ms以內判斷出故障位置，并根據故障位置跳開供電臂上相應的斷路器，將故障隔離在最小范圍內，減少了開關動作次數，減少了故障電流對一次設備的沖擊，最大程度保證了供電的連續性。

圖4 短路試驗位置示意圖

表1 短路試驗動作報告

5 結語

牽引變電所的智能化提升是技術發展的趨勢，廣域保護系統在電氣化鐵路牽引供電系統中的成功應用提升了繼電保護的速動性、選擇性。通過層次化閉鎖、層次化保護、全站錄波等為牽引供電提供全面的監控與保護。在朝凌高鐵的具體保護方案設計中，通過使用數字化保護、合并單元、智能終端功能合一的保護裝置，

利用了既有電纜，同時又在設備間隔之間實現了信息共享，具備了智能牽引變電所部分功能，在一定程度上提高了保護的可靠性，并具備較好的經濟性。