城市轨道交通交流供电系统快速自愈方案研究

刘永生，魏 巍，王 旭，侯 炜，陈 俊



城市轨道交通交流供电系统快速自愈方案研究

刘永生，魏 巍，王 旭，侯 炜，陈 俊

城市轨道交通供电系统的快速自愈对城市轨道交通的正常运营意义重大。本文介绍了城市轨道交通交流供电系统的自愈特点及自愈方案，并针对现有方案的不足提出一种新型交流供电系统快速自愈方案，通过动作逻辑分析以及PSCAD仿真，验证了该方案的可行性。

城市轨道交通；交流供电系统；系统自愈；PSCAD

0 引言

城市轨道交通供电系统为城市轨道交通的正常运行提供所需电能，城市轨道交通在运营过程中一旦发生长时间的供电中断，不仅会造成运输瘫痪，甚至会危及乘客的生命并造成财产损失。故障后系统的快速自愈可以有效缩小事故的影响范围，并减少其可能造成的损失。目前，城市轨道交通交流供电系统自愈多采用差动启动备自投或失压启动备自投方案，均是针对单一故障实现系统的自愈，或针对单一运行方式下环网故障完成系统的自愈，具有一定的局限性。本文提出一种交流供电系统新型快速自愈方案，对于不同运行方式下故障以及不同故障类型，均可实现供电系统的快速自愈，确保城市轨道交通的安全运行。

1 交流供电系统自愈特点

城市轨道交通交流供电系统由多个供电分区组成，各个供电分区采用单侧电源供电的多变电所环串结构，不同供电分区可通过联络开关和联络电缆实现相互之间的支援供电，该拓扑结构使得交流供电系统具有较强的韧性。

正常供电方式下，联络开关处于断开状态，当某一供电分区的主所退出运行，联络开关合上，完成供电网络的拓扑重构，形成支援供电方式。城市轨道交通交流供电系统自愈方案应考虑正常供电和支援供电2种运行方式。

图1为交流供电系统正常供电方式系统示意图。现针对该运行方式下不同故障的自愈特点进行分析。当发生K1点环网故障后，跳开304、402开关，完成故障的切除和隔离，合上400开关便可实现系统的恢复供电；当发生K2点母线故障后，通过402、404、502开关的跳开实现故障的切除和隔离，由于变电所4的II母故障，合上站内的母联开关400，不仅不会使II母供电恢复，还可能将故障范围扩大，所以应合上500开关实现下级站的供电恢复。

图2为交流供电系统支援供电方式系统图。由于在支援供电方式下被支援的供电分区潮流方向发生变化，因此当同样发生K1点环网故障时，应通过合上变电所3母联开关完成系统自愈；当发生K2点母线故障时，通过开关404、402、304的动作将故障切除和隔离，合上变电所3内的母联开关，实现下级变电所II母的供电恢复。

图1 正常供电方式系统图

图2 支援供电方式系统图

2 现有自愈方案

2.1 差动保护动作启动备自投

城市轨道交通交流供电系统站间采用电缆环串的结构，环串变电所数量较多，环网电缆较长，且环网电缆多敷设在潮湿的地下环境中，交流系统发生环网故障的概率较大[4]。针对上述特点，采用差动保护动作启动备自投，即环网电缆发生故障后，差动保护装置动作同时启动站内备自投保护装置。当故障电缆两侧的断路器跳开且所在母线失压时，备自投装置快速动作合上母联开关，完成系统的快速自愈。其备自投动作逻辑如图3所示。

图3 差动保护动作启动备自投逻辑

差动保护装置准确定位并隔离了故障，为系统的快速自愈提供了有利条件，因此该自愈方案可适用于不同运行方式下环网故障后的系统快速自愈。

2.2 失压启动备自投

差动保护动作启动备自投的自愈方案虽然解决了环网电缆故障后交流供电系统的快速自愈，但是发生母线故障时，差动保护装置无法动作，便无法启动站内备自投保护装置，使得变电所及下级变电所失电，供电系统无法自愈。鉴于以上问题，国内某些城市轨道交通交流供电系统自愈方案采用失压启动备自投，即当站内某段母线失压，备自投装置向失压母线所在的进线断路器发出跳闸命令，进线断路器跳开后，备自投装置向母联开关发出合闸信号，完成系统的恢复供电[5，6]。其备自投动作逻辑如图4所示。

由于失压启动备自投是通过站内某段母线失压来启动本站内备自投装置，因此上级变电所无论发生何种故障，本站母线失压后均能启动备自投动作，从而实现不同类型故障下的系统自愈。

图4 失压启动备自投逻辑

3 新型系统快速自愈方案

3.1 现有自愈方案的困境

通过上一节的介绍可知，差动保护动作启动备自投方案只能解决环网电缆故障后的系统快速自愈，对于其他类型故障诸如母线故障则无法实现系统自愈。失压启动备自投虽然可以解决多类型故障下的系统自愈，然而失压启动备自投具有一定的局限性。首先，由于失压启动备自投方案需先跳开失压母线的进线开关，因此需要预先明确母线的进线开关。当系统潮流发生变化后，进出线开关发生转换，该方案便不再适用。当系统切换运行方式，需将失压启动备自投退出，否则会造成开关的误动作。其次，由于供电分区内的变电所是通过电缆环串在一起，某个站内母线失压会造成其下级变电所的母线同时失压，不同站内的失压备自投需要通过时间级差进行配合，以防止多个变电所内的失压备自投同时动作。根据国内某些线路的经验来看，相邻变电所之间失压自投的时间级差通常都在2 s以上，这对于环串变电所数量较多的供电系统，越靠近供电分区末端的变电所自愈延时越长。

3.2 新型系统快速自愈方案

针对上述问题以及城市轨道交通交流供电系统的供电特点，本文提出一种新型交流供电系统快速自愈方案。由于交流供电系统采用单侧电源供电的多变电所环串的结构，因此当环网电缆两侧断路器其中一侧跳开，下级变电所均会失电，环网电缆两侧断路器同时跳开并不会扩大停电范围。当发生环网故障后，本方案与差动保护动作启动备自投一致，此处不作说明。当发生母线故障后，以图1为例进行说明。当发生K2故障，变电所4的II母进线开关402过流保护动作将故障切除，同时向出线开关404以及其环网对侧开关502的保护装置发出联跳信号；502开关联跳的同时启动所内500开关的备自投装置动作，完成系统供电的快速恢复。其动作逻辑如图5所示。

图5 新型系统快速自愈方案动作逻辑

该自愈方案是基于故障发生后的供电快速恢复方案，适用于多种运行方式下环网故障以及多种类型故障。故障发生后，通过跳开故障点下级变电所的进线断路器，完成故障的完全隔离，与此同时快速启动所内备自投装置。

4 仿真分析

为了验证新型系统快速自愈方案的效果，在PSCAD中搭建了如图1、图2的交流供电系统仿真模型以及保护控制模型，其中牵引所1、2、3、4、5、6构成供电分区1，牵引所7、8、9构成供电分区2，牵引所6的603、604开关作为联络开关，仿真参数如表1所示。

表1 城市轨道交通交流供电系统仿真参数

4.1 正常供电方式下系统快速自愈

正常供电方式下，联络开关603、604处于断开状态。为了更好地观察不同自愈方案下的系统恢复情况，环网故障的模拟故障点选在供电分区1的开关304和402之间的环网电缆，母线故障的模拟故障点选在供电分区1的牵引所4的II母母线。图6、图7分别为正常供电方式下环网故障和母线故障时系统快速自愈示意图。

图6 正常供电方式下环网故障系统快速自愈

图7 正常供电方式下母线故障系统快速自愈

从图6可以看出，当304和402之间环网电缆发生故障，环网电缆两侧的304和402开关的差动保护动作将故障切除并隔离，所内的400母联保护装置检测到牵引所4内的II母失压，并接收到402开关的差动保护动作信号后，经短延时备自投动作，合上母联开关，使得牵引所4内的I母通过母联开关给II母供电，实现牵引所4以及下级变电所的供电快速恢复。

从图7可以看出，当牵引所4内发生母线故障，进线开关402的过流保护动作，同时通过502开关的保护装置联跳502开关，完成故障切除及隔离，500开关保护装置接收到502开关的联跳保护动作信号后，经短延时备自投动作，合上母联开关，使得牵引所5内的I母通过母联开关给II母供电，实现牵引所5以及下级变电所的供电快速恢复。

4.2 支援供电方式下系统自愈

将供电分区1的101、102开关断开，合上联络开关603、604，实现供电分区2向供电分区1的支援供电。环网故障的模拟故障点选在供电分区1的开关304和402之间的环网电缆，母线故障的模拟故障点选在供电分区1的牵引所3的II母母线。图8、图9分别为支援供电方式下环网故障和母线故障时系统快速自愈示意图。

从图8可以看出，当304和402开关之间环网电缆发生故障，环网电缆两侧的304和402开关的差动保护动作将故障切除并隔离，牵引所3内的300母联保护装置检测到牵引所4内的II母失压，并接收到304开关的差动保护动作信号后，经短延时备自投动作，合上母联开关，使得牵引所3内的I母通过母联开关给II母供电，实现牵引所3以及下级变电所的供电快速恢复。

图8 支援供电方式下环网故障系统快速自愈

从图9可以看出，当牵引所3内发生母线故障，进线开关304的过流保护动作，同时通过204开关的保护装置联跳204开关，完成故障的切除及隔离，200开关保护装置接收到204开关的联跳保护动作信号后，经短延时备自投动作，合上母联开关，使牵引所2内的I母通过母联开关给II母供电，实现牵引所2以及下级牵引所的供电快速恢复。

图9 支援供电方式下母线故障系统快速自愈

5 结语

理论分析和系统仿真结果说明本文所提出的交流供电系统新型快速自愈方案切实有效，适用于多种不同运行方式下环网故障以及多种类型故障的快速自愈，解决了现有自愈方案在城市轨道交通交流供电系统应用中存在的问题，对交流供电系统的快速自愈具有实际参考意义，并具有较大的工程应用价值。

[1] 李建民. 城市轨道交通供电系统模式的分析与研究[J].城市轨道交通研究，2004，17(6)：54-56.

[2] 韩连祥，张钢. 城市轨道交通中压网络供电分区的划分[J]. 都市快轨交通，2007，20（4）：75-77.

[3] 张建根. 广州地铁供电系统33 kV环网接线方式的思考[J]. 城市轨道交通研究，2006，9（7）：1-5.

[4] 赵立峰，李延强，姚刚. 线路光纤纵差保护在北京地铁5号线的应用[J]. 城市轨道交通研究，2008，11（4）：14-17.

[5] 张洪陵. 浅谈地铁低压配电自投自复功能的设置[J]. 电气化铁道，2011（3）：42-45.

[6] 韩连祥，牛广斌，孙静. 城铁低压配电系统运行方式及自投自复原理[J]. 都市快轨交通，2003（1）：40-47.

The quick self-healing of power supply system of urban mass transit has great significance to normal operation of urban mass transit. The paper introduces the self-healing characteristics and self-healing schemes for AC power supply system of urban mass transit, and a new scheme for system self-healing has been put forward with regard to the disadvantages of existed schemes, the feasibility of the scheme has been verified on the basis of logic analysis of actions and PSCAD simulation.

Urban mass transit; AC power supply system; system self-healing; PSCAD

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.016

U231.8

B

1007-936X(2018)05-0061-04

2018-01-23

刘永生.南京南瑞继保电气有限公司，工程师；

魏 巍，侯 炜，陈 俊.南京南瑞继保电气有限公司，高级工程师；

王 旭.南京地铁运营有限责任公司，工程师。