基于数字通信的城市轨道交通直流牵引供电系统双边联跳保护系统研究

摘 要：本文研究了一种基于数字通信的城市轨道交通直流牵引供电系统的双边联跳保护系统，对应每一个牵引变电站均设有直流牵引保护测控装置、大双边联跳转换继电器和RS485转光纤转换器，建立直流牵引保护测控装置之间的通信回路，实现任意接触网区间的两条馈电线的故障信息交换。

关键词：双边联跳；系统；数字通信

中图分类号：U231.7 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）05-0053-04

Research on Double Jump Protection System for DC Traction Power Supply System of Urban Rail Transit Based on Digital Communication

JIN Hui1，LIAO Quanbao2，LAI Peixin2

（1. Guangzhou Metro Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510080，China；

2.Guangzhou Baiyun Electric Equipment Limited by Share Ltd.，Guangzhou 510080，China）

Abstract：This paper researches two way inner-tripping protection system based on digital communication for urban rail transit DC traction power supply system. Traction substations consist a DC traction protected measuring control device，a two way inner-tripping transition relay and an optical fiber converter of RS485. Traction substations build a communication loop among DC traction protected measuring control devices in order to realize fault information exchange between two feeder lines in any contact network zone.

Keywords：two way inner-tripping；system；digital communications

0 引 言

在城市轨道交通直流牵引供电系统中，按照《地铁设计规范》的要求，直流牵引馈线应设置双边联跳保护，即当一个双边供电区段内发生短路时，本区段两端馈线断路器联动跳闸。距离故障点较远的馈线断路器流过的短路电流较小，达到整定的时间较晚或者达不到整定值。此时，首先到达整定的断路器先跳闸，并将联跳信号发送给对端断路器，对段断路器收到联跳信号后也迅速跳闸，从而切断故障区段[1]。

直流牵引双边联跳保护是直流保护中的后备保护。一旦双边联跳保护拒动，就可能给直流牵引系统带来灾难性后果；一旦双边联跳保护误动作，虽然可能通过自动重合闸功能尽快恢复供电，但还是会给直流牵引系统可靠性运行带来隐患[2]。因而基于数字通信的城市轨道交通直流牵引供电系统双边联跳保护系统研究的目的就是为了寻找一种更好的实现方式，既可提高直流牵引供电系统双边联跳保护的可靠性，又可实现良好的经济性和实时性。

1 实现双边联跳保护中存在的问题

目前，国内各大城市的地铁直流牵引系统普遍采用多芯控制电缆传输电信号的方案实现双边联跳保护，其二次回路构造简单，可靠性高，但也存在以下三个方面的问题：

（1）对二次回路本身可能发生的故障难以实时监测，当出现断线或者接触不良的情况时，保护可能误动或者拒动，并且诊断二次回路故障点的过程较繁琐；

（2）大、小双边切换时需要采用越区隔离开关本体的辅助触点，触点数量不够的情况下要采用中间继电器扩展。当中间继电器出现故障时，不能反映越区隔开的真实状态，双边联跳回路无法正确切换，工程中存在安全隐患，在设计之初应该尽量避免；

（3）电信号传输过程存在损耗，如果站点相隔得远，信号传输距离长，要详细确认联跳接收继电器与联跳回路的匹配性，避免联跳接收继电器无法进行相应的动作。

相对于控制电缆联跳方案，基于数字通信的双边联跳保护系统方案具有一些优势。其中，最大的优点在于抗干扰性能好，对各种复杂的工程环境有很强的适应性。另外，光纤广泛应用于长距离传输信号，适合作为地铁供电系统中区间通信的传输介质。

2 基于数字通信的双边联跳保护系统

2.1 系统结构

图1中，V1～V6均表示直流电源；CL表示接触网；CR表示回流回路；CL-1表示第一接触网区间；CL-2表示第二接触网区间；FC1表示第一馈电线；FC2表示第二馈电线；QF表示馈线断路器；QS表示馈线隔离开关；YQS表示越区隔离开关；CK1表示第一直流牵引保护测控装置；CK2表示第二直流牵引保护测控装置；OUT01和IN01表示第一直流牵引保护测控装置CK1的联跳保护输出端和框架泄漏保护输入端，OUT02和IN02表示第二直流牵引保护测控装置CK2的联跳保护输出端和框架泄漏保护输入端，K1和K2表示框架泄漏保护装置；DSL1和DSL2分别表示第一和第二大双边联跳转换继电器；DSL1-1和DSL1-2分别表示第一大双边联跳转换继电器的第一和第二常闭触点；DSL2-1表示第二大双边联跳转换继电器的敞开触点；FC表示光纤接口；RS485表示RS485接口。

2.2 系统特征

上述的越区隔离开关设有与其分合位状态同步的辅助触点。

上述的双边联跳保护系统对应每一个牵引变电站均设有两个直流牵引保护测控装置、两个大双边联跳转换继电器和两个RS485转光纤转换器。其中，第一大双边联跳转换继电器设有两个常闭触点，第二大双边联跳转换继电器设有一个常开触点。

任意一个上述牵引变电站的两个直流牵引保护测控装置、两个大双边联跳转换继电器和两个RS485转光纤转换器均具有如下线路构造：第一直流牵引保护测控装置的故障检测回路连接对应牵引变电站的第一馈电线、RS485接口通过第一大双边联跳转换继电器的第一常闭触点连接第一RS485转光纤转换器的RS485接口以及联跳保护输出端通过第一联跳动作节点连接对应牵引变电站第一馈电线的馈线断路器的分合闸控制端，第二直流牵引保护测控装置的故障检测回路连接对应牵引变电站的第二馈电线、RS485接口通过第一大双边联跳转换继电器的第二常闭触点连接第二RS485转光纤转换器的RS485接口以及联跳保护输出端通过第二联跳动作节点连接对应牵引变电站第二馈电线的馈线断路器的分合闸控制端；第一大双边联跳转换继电器和第二大双边联跳转换继电器的线圈并联并且该线圈并联支路与上述越区隔离开关的辅助触点串接在直流电源上，第二大双边联跳转换继电器的常开触点串接在第一RS485转光纤转换器的RS485接口与第二RS485转光纤转换器的RS485接口之间。

任意一个上述中间位置牵引变电站均具有如下线路构造：该中间位置牵引变电站的第一RS485转光纤转换器的光纤接口与其前方位置牵引变电站的第二RS485转光纤转换器的光纤接口通过光纤连接，该中间位置牵引变电站的第二RS485转光纤转换器的光纤接口与其后方位置牵引变电站的第一RS485转光纤转换器的光纤接口通过光纤连接。其中，直流牵引保护测控装置的型号为DCR150。

2.3 系统工作原理

在A、B、C站正常运行时，B站的越区隔离开关YQS及其辅助触点RT1均处于分位状态，A站的第二馈电线FC2和B站的第一馈电线FC1对第一接触网区间CL-1进行双边供电，B站的第二馈电线FC2和C站的第一馈电线FC1对第二接触网区间CL-2进行双边供电。此时，A、B、C站的第一大双边联跳转换继电器DSL1和第二大双边联跳转换继电器DSL2的线圈均由于辅助触点RT1分位而无电。故而第一大双边联跳转换继电器DSL1的两个常闭触点DSL1-1、DSL1-2均处于合位状态，第二大双边联跳转换继电器DSL2的常开触点DSL2-1则处于分位状态，使得此时B站的第一直流牵引保护测控装置CK1与A站的第二直流牵引保护测控装置CK2处于实时通信状态，B站的第二直流牵引保护测控装置CK2与C站的第一直流牵引保护测控装置CK1处于实时通信状态，从而A站的第二直流牵引保护测控装置CK2和B站的第一直流牵引保护测控装置CK1均能够通过直流牵引保护测控装置之间可直接互相通信的规约进行两个站的故障信息交换，以同时获得A站第二馈电线FC2和B站第一馈电线FC1的故障检测信息，B站的第二直流牵引保护测控装置CK2和C站的第一直流牵引保护测控装置CK1均能够通过直流牵引保护测控装置之间可直接互相通信的规约进行两个站的故障信息交换，以同时获得B站第二馈电线FC2和C站第一馈电线FC1的故障检测信息。

由此，在A、B、C站正常运行的状态下，第一接触网区间CL-1和二接触网区间CL-2的双边联跳保护能够得以可靠实现。举例来说：当第一接触网区间CL-1发生故障事故时，如果A站的第二直流牵引保护测控装置CK2和B站的第一直流牵引保护测控装置CK1均能检测到故障信号，则A站的第二直流牵引保护测控装置CK2和B站的第一直流牵引保护测控装置CK1将分别动作；而当第一接触网区间CL-1的故障事故发生点靠近于A站，使得仅A站的第二直流牵引保护测控装置CK2检测到故障信号、但B站的第一直流牵引保护测控装置CK1未能检测到故障信号时，例如A站第二馈电线FC2过流、而B站第一馈电线FC1电流正常，则A站的第二直流牵引保护测控装置CK2首先动作；B站的第一直流牵引保护测控装置CK1通过RS485转光纤转换器形成的通信通道获得A站的第二直流牵引保护测控装置CK2发出的故障信息后再行动作。其中，上述A站的第二直流牵引保护测控装置CK2动作是指其通过第二联跳动作节点断开第一接触网区间CL-1对应的第二馈电线FC2的馈线断路器QF，B站的第一直流牵引保护测控装置CK1动作是指其通过第一联跳动作节点断开第一接触网区间CL-1对应的第一馈电线FC1的馈线断路器QF。

在A、B、C站越区运行时，B站的第一馈电线FC1和第二馈电线FC2退出运行，B站的越区隔离开关YQS及其辅助触点RT1均处于合位状态，A站的第二馈电线FC2和C站的第一馈电线FC1对第一接触网区间CL-1和第二接触网区间CL-2连成的组合区间进行大双边供电。此时，B站的第一大双边联跳转换继电器DSL1和第二大双边联跳转换继电器DSL2的线圈均由于辅助触点RT1合位而得电，因而B站的第一大双边联跳转换继电器DSL1的两个常闭触点DSL1-1、DSL1-2均处于分位状态，第二大双边联跳转换继电器DSL2的常开触点DSL2-1则处于合位状态，而A、C站的两个大双边联跳转换继电器DSL1、DSL2的触点状态不变，使得此时B站的第一直流牵引保护测控装置CK1与A站的第二直流牵引保护测控装置CK2的通信回路断开。B站的第二直流牵引保护测控装置CK2与C站的第一直流牵引保护测控装置CK1的通信回路断开，而A站的第二直流牵引保护测控装置CK2与C站的第一直流牵引保护测控装置CK1则处于实时通信状态。从而A站的第二直流牵引保护测控装置CK2和C站的第一直流牵引保护测控装置CK1均能够通过直流牵引保护测控装置之间，可直接互相通信的规约进行两个站的故障信息交换，以同时获得A站第二馈电线FC2和C站第一馈电线FC1的故障检测信息。

由此，在A、B、C站越区运行的状态下，第一接触网区间CL-1和二接触网区间CL-2的双边联跳保护同样能够得以可靠实现，其实现过程与上述正常运行状态下的实现过程类似，在此不再赘述。

如图2所示，系统正常运行时，相邻两个站的直流牵引保护测控装置之间不间断地交换16位数据，包括8个发送数据位TMB1X-TMB8X（X为通道A或B）和8个接收数据位RMB1X-RMB8X（X为直流牵引保护测控装置的通道A或B）。装置之间交换的16位数据可通过直流牵引保护测控装置的逻辑方程编辑功能实现双边联跳保护的各种方案，从而实现两个站之间快速、安全、可靠的双边联跳保护相关数据信息的交换。当通信回路出现通信异常时，直流牵引保护测控装置会发出报警信息，提醒值班工作人员进行检修，以防故障发生时不能正确动作。

对于区分是否启动直流牵引保护测控装置的线路测试自动重合闸功能，只需通过逻辑方程的编辑，将信号分成不同的数据位传送到相邻站即可。相关部分逻辑方程如下所示：

//通道A发送位1=相关保护动作信号（需要启动线路测试）

TMB1A=49T+76P1+1dI+1didt

//通道A发送位2=框架泄漏保护信号（不需要启动线路测试）

TMB2A=IN01

//联跳保护动作出口=相邻站保护动作信号+相邻站框架泄漏保护动作信号

OUT01=RMB1A+RMB2A

//启动线路测试=本站保护动作信号+相邻站保护动作信号

LTREX=TMB1A+RMB1A其中，TMB1A为通道A发送位1，49T为过热保护，76P1为过流I段保护，1dI为I段△I保护，1didt为I段di/dt保护，TMB2A为通道A发送位2，IN01为装置开入01，OUT01为装置开出01，RMB1A为通道A接收位1，RMB2A为通道A接收位2，LTREX为启动线路测试继电器字，+表示逻辑或。

3 基于数字通信的双边联跳保护系统的特点

与现有技术相比，该系统具有以下有特点：

（1）光纤通信可以实现信号在传播媒介中的全反射，能够减少信号源的信息失真率，提高信息接收端的正确性和原信号的质量[3]，更适用于接触网区间的长距离通信，从而提高了直流牵引供电系统双边联跳保护的可靠性；

（2）通过直流牵引保护测控装置进行信息交换，不需要扩充继电器的输出接点动作来传递信息，消除了中间继电器的延时时间，缩短了双边联跳保护的整体动作时间，提高了实时性；

（3）无需过多利用馈线断路器和上网隔离开关的辅助触点，其回路更加简单，节省了部分继电器和设备成本，提高了经济性。

4 结 论

进行基于数字通信双边联跳保护系统的研究，一方面是创新，在技术上突破，采用光电转换通信技术和逻辑编程的思想实现双边联跳保护，为提高直流牵引供电系统的安全性、可靠性提供多一种可选择的手段；另一方面是探索，本研究为解决地铁变电所内部和各所之间的联锁、闭锁、联跳关系复杂的问题提供了新的设计思路。

参考文献：

[1] 胡伟然.两种直流双边联跳回路的对比分析 [J].都市快轨交通，2009，22（4）：83-85.

[2] 章新华，岳宏波.地铁直流牵引双边联跳保护的探讨 [J].机车电传动，2009（2）：40-41.

[3] 段武.光纤通信的技术优势与应用弊端分析 [J].中国新通信，2013，15（7）：60.

作者简介：金辉（1980.06-），男，安徽安庆人，高级工程师，本科。研究方向：建筑工程管理、电气工程；廖权保（1990.10-），男，广东梅州人，助理工程师，本科。研究方向：继电保护技术；赖沛鑫（1988.04-），男，广东揭阳人，助理工程师，本科。研究方向：网络通信技术。