智能牵引供电广域保护测控系统层次化保护试验研究

杨斯泐，王永亭，郭晨曦，郭旭刚，董文哲

0 引言

智能牵引供电系统是智能高铁的重要组成部分，广域保护测控系统是其智能化关键子系统，层次化保护是实现广域保护测控功能的核心技术之一。继电保护作为牵引供电系统安全保障的第一道重要屏障，实现其智能化、数字化对智能高铁牵引供电系统的发展具有重要意义。

牵引供电系统的传统继电保护依据变压器、牵引网保护等元件本地信息判断故障，利用设备冗余和上下级保护的时间配合，实现继电保护的选择性和可靠性。随着高速铁路的快速发展，对继电保护的可靠性、快速性提出了更高的要求，传统继电保 护基于被保护对象自身信息，在较复杂供电方式下，整定配合越来越困难，造成动作时间长、灵敏性不高，特别是在无法实现各种保护间的信息共享、无法对整个牵引供电系统的运行工况和故障情况综合分析判断情况下，可能产生联锁跳闸导致整个牵引供电系统的瘫痪，从而无法实现减小故障影响范围的目的[1]。

电网系统已研究和发展多种适用于电力系统网络的层次化保护方案，在现有保护配置基础上增加站域级和广域级保护控制，优化继电保护与控制策略，提高继电保护性能的同时增强了其对电网运行的适应能力，主要运用于后备保护和就地主保护的补充[2，3]。牵引供电系统相对于电网系统，结合其运用特殊性和供电方式的特点，其层次化保护快速性、灵敏性较强，能够缩小故障停电范围，并能够基于层次化保护进一步完成自愈重构等智能化功能。

智能牵引变电所支持系统级全域所亭实时在线分析和控制决策，通过先进网络架构融合层级化智能保护配合动作。广域测控系统基于牵引变电所、分区所、开闭所、AT所的网络数据共享，综合利用各所的电气量、开关量和保护设备状态等信息，实现对牵引供电设施主要设备的自动监视、测量、控制、保护。层次化保护是智能牵引变电所广域保护测控系统的核心功能，以就地保护、站域保护、广域保护3个层面完成层次化保护功能，是在最短时间内完成牵引供电系统故障状态评估、故障区段隔离、非故障区段恢复运行的良好方式，对未来智能牵引供电系统的广泛运用具有重要意义[4]。

1 智能牵引供电系统继电保护新特点

1.1 传统牵引所继电保护配置要求

传统牵引所以牵引网保护、牵引变压器保护、自耦变压器（AT）保护、并联补偿电容器保护等本地保护为基础，适用于牵引供电系统变电所、AT所、分区所、开闭所配置，基本能够满足现有铁路牵引供电系统的保护需求。

传统继电保护配置及整定计算应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。牵引供电系统继电保护装置应充分考虑电气化铁路供电产生的不对称分量、冲击负荷、谐波分量等影响因素，并采取可靠有效的措施防止保护不正确动作、频繁启动、拒动等情况的发生。

目前实际运营中，继电保护上下级保护配合的时限级差宜取0.2 s。牵引网馈线保护采用多边形动作特性作为距离保护判据标准。电流速断、电流增量、距离Ⅰ段保护时限均建议取0.1 s，重合闸时限整定为2 s。牵引网重合闸应具备后加速保护功能，当重合于故障线路时加速各保护元件动作[5]。

1.2 智能牵引所层次化保护的新功能

智能化继电保护装置的配置应满足层次化保护的需求，按就地保护、站域保护和广域保护配置，就地保护装置按牵引变电所内保护对象单个对应配置，站域保护装置可与广域保护装置合并。就地保护、站域保护及广域保护装置产生的故障信息统一归类后进行综合分析，基于网络体系完成故障保护功能，并采用充分的冗余配置。广域保护和站域保护主要功能如下：

（1）供电臂保护。以牵引变电所、AT所、分区所智能化馈线保护装置为基础，投入供电臂保护元件后，实现上行（下行）发生故障时供电臂内上行（下行）断路器保护跳闸，下行（上行）断路器不动作，不影响下行（上行）供电臂正常运行。AT所、分区所母线故障时，仅跳本所上下行断路器，不影响主所正常运行。

（2）母线快速保护。变压器低压侧过流保护利用馈线保护是否启动对故障位置进行判断，若故障发生于母线侧，则母线保护快速跳闸，实现母线快速保护。

2 广域保护测控系统层次化保护

2.1 系统架构

层次化保护综合运用牵引供电系统（包括变电所、分区所、AT所等）全局信息，通过分布式智能化网络架构，层级化布局在统一时钟下，极短时间内实现时间、空间和功能多维的协调配合，完成全局化继电保护功能，准确识别故障类型和位置，缩小故障影响范围，保障系统的安全稳定运行。

330、220、110、27.5 kV各电压等级就地保护、安全自动装置宜采用点对点数字量采样、跳闸、测量、控制；站域保护、广域保护、网络报文记录宜采用网络数字量采样和跳闸，主变压器非电量保护装置应采用电缆直接跳闸[6，7]。

2.2 层级研究

就地保护是以牵引变电所内单个被保护对象为单元，利用被保护对象自身信息独立决策实现的继电保护。工程实施中，就地保护相当于传统牵引变电所的继电保护，但由于广域保护的运用，使就地保护作为其后备保护使用。就地保护包括了传统继电保护的馈线保护、变压器保护等功能。智能牵引供电系统就地保护区别于电力系统就地化保护的概念，主要泛指传统牵引所继电保护功能。就地保护应具备TB/T 3226—2010和NB/T 42014—2013规定的全部功能，牵引变压器就地保护应配置母线快速保护功能。

站域保护作为就地保护的冗余，是基于牵引变电所网络数据共享，综合利用全所的电气量、开关量和就地级保护设备状态等信息，实现所内保护冗余、优化、补充等功能的继电保护，具备断路器失灵保护、母线快速保护等功能，可集成备自投、故障测距等功能。

广域保护是基于牵引变电所、分区所、开闭所、AT所的网络数据共享，综合利用各所的电气量、开关量和保护设备状态等信息而实现的以供电单元为对象的网络型继电保护，其具备跳闸故障区段识别功能，使保护动作更为准确，提高保护的选择性和速动性。广域保护系统架构如图1所示。

图1 广域保护系统构架

就地保护配置要求类似于传统保护，配合级差和判据要求均相同，但保护时限为100 ms，较广域保护长，作为其后备保护使用。广域保护配置要求其供电臂保护时限为20 ms。

层次化保护基于广域保护测控系统的信息共享，供电范围内的智能牵引变电所、分区所、AT所、开闭所等通过广域保护通道实现信息共享，完成以供电臂为单元的广域保护测控功能；广域保护通道应满足越区条件下的广域保护需求；广域保护通道可冗余设置，广域保护测控装置和就地保护测控装置分别接入冗余通道[8]。

2.3 层级关系

330、220、110 、27.5 kV各电压等级就地保护装置、站域保护装置的就地保护功能应同时投入（双重化配置的保护功能除外），实现就地保护功能的冗余。广域保护控制全域保护控制和测量信息，并经广域保护控制系统下达指令，广域保护控制直接采集过程层信息，不经就地级保护直接下达控制指令。而就地保护相对独立，不受站域保护控制和广域保护控制影响。就地保护、广域保护应同时投入，实现广域保护功能的冗余，其中广域保护为馈线的主保护，就地保护为其后备保护。

2.4 网络通信要求

广域保护通信通道应冗余配置，满足正常供电、越区供电等各种运行方式下最大供电区间内的全部所亭构成以太共享通道环网，通过传输专线或所亭间光纤直联，通道带宽不应低于2 Mbps。按继电保护动作特性要求，任何组网方式下各所亭间传输的保护通信报文时延不应大于10 ms。

京沈高铁综合试验数据表明，智能牵引供电系统区段广域测控保护通道利用通信专业独立敷设的48芯光缆组网（双环网方式），速率为100 Mbit/s，广域测控保护通道在成环及不成环的情况下的转发时延在0.64～8.7 ms范围内，满足时延不大于10 ms的要求。而采用故障测距通道的组网方式作为以太共享环网，速率为2 Mbit/s，故障测距通道的转发时延在10.4～56 ms范围内，大于10 ms，故障测距通道不满足广域测控保护需求[9，10]。

京张及崇礼铁路智能牵引供电系统短路试验结果表明，组网方式和通信时延指标要求直接影响广域保护功能的实现效果。

3 智能牵引供电系统层次化保护试验

结合新建京张及崇礼铁路联调联试、动态检测及运行试验，层次化保护试验基于接触网人工短路测试进行。本试验结果检验牵引供电系统广域保护装置功能及层次化保护动作程序的正确性，且能分析接触网故障点标定装置的精确度，确定故障点标定装置定值调整建议方案。

智能牵引供电系统短路试验分别在京张高铁新保安—四营村上下行供电臂和崇礼铁路小白阳—太子城供电臂进行，如图2所示。

图2 接触网短路试验区段、短路位置示意图

短路操作包括T线永久性接地短路（T-R短路），F线永久性接地短路（F-R），T、F线永久性短路（T-F）3种主要类型，短路点分别布置在试验供电臂的上下行中、末端。下文以新保安—四营村供电臂短路试验为例，分析层次化保护试验情况。

3.1 T-R短路故障试验

3.1.1 试验方法

采用全并联AT供电方式，短路点位于第1个AT区间，为下行T-R故障，共进行2次对比试验。第1次试验：就地保护、站域保护、广域保护全部投入，层次化保护正确配置；第2次试验：就地保护投入，站域保护、广域保护（供电臂保护）退出，层次化保护缺损配置。

此次试验验证全并联模式下变电所—AT所区间T-R故障时层次化保护的正确性，就地保护作为广域保护的后备保护的可靠性以及测距的准确性。

短路故障层次化保护试验对比如图3所示。

图3 T-R短路故障层次化保护试验对比

3.1.2 就地、站域、广域保护均投入时保护动作分析

就地、站域、广域保护均投入，T-R故障时保护动作分析如表1所示，短路波形如图4所示。

图4 T-R故障时所亭短路波形（广域保护）

表1 T-R故障保护动作分析（第1次试验）

由表1可知，层次化保护均投入时，供电臂保护作为主保护，因短路点设置于AT所附近，在20 ms内已完成下行变电所、AT所供电臂保护出口，分区所供电臂保护未启动，但触发保护联跳机制，分区所联跳出口，从而发生故障的下行接触线被准确切除，就地保护中距离Ⅰ段、过流、增量保护均满足定值要求，作为后备保护正常启动并返回，实现了广域保护的良好功能。

对图4（a）所示变电所短路波形进行分析，T-R短路发生后，变电所上下行T、F馈线电流均突增，下行电流变化更大，供电臂保护出口后馈线保护动作，在4.5个周波（90 ms）内下行T线断路器完全跳开，下行短路故障切除，上行T、F线继续运行，存在小电流。分析图4（b）所示AT所波形，短路电流满足供电臂阻抗元件启动条件，形成供电臂保护直接出口。图4（c）所示分区所短路电流较小，未达到供电臂保护启动条件，由通信联络后产生分区所供电臂联跳信号出口，其下行短路电流均在4.5个周波（90 ms）内切除，AT吸上电流恢复正常。

由上述分析可知，广域保护在90 ms内完成了供电臂内全部保护动作，就地保护100 ms时限未到，无法出口，正常返回。由电压曲线可以看出，短路时电压明显降低，广域保护使故障点所在下行211馈线供电臂保护跳开，上行212馈线继续供电。

层次化保护的优势在于能够在更短的时间内完成保护跳闸（100 ms内），可精准隔离故障区段，非故障行别正常供电不受影响，供电臂内各所间通过联跳机制形成全局化快速保护，实现上下行故障的精准判别，使故障停电范围缩小一半。

3.1.3 就地保护投入，站域、广域保护退出时保护动作分析

就地保护投入，站域、广域保护退出时动作分析如表2所示。层次化保护缺损配置（供电臂保护退出）时，就地保护作为主保护，在100 ms实现上下行馈线保护出口，发生故障的下行馈线被准确切除，同时切除了未发生故障的上行馈线，符合传统牵引供电系统继电保护要求。波形如图5所示。

图5 T-R故障时所亭短路波形（就地保护）

仅投入就地保护时，变电所短路波形如图5（a）所示。T-R短路发生后，上下行T、F线电流均突增，下行电流变化更大，就地保护出口后上下行馈线保护均动作，电流速断、过电流、电流增量保护均满足定值要求并出口，在9个周波（180 ms）后，上下行馈线断路器完全跳开，下行短路故障切除。如图5（b）、图5（c）所示，分区所与AT所短路故障均在9个周波（180 ms）后切除，保护跳开。因此，就地保护需在180 ms内完成供电臂内全部保护动作。

就地保护能够完成故障切除，保护正常跳闸，但动作时长较广域保护增加一倍，故障停电范围也增加一倍。

3.1.4 小结

层次化保护功能的正确应用不会影响测距精度，T-R故障测距误差为390 m。采用广域保护配置，下行211供电臂能够在传统保护出口前准确切除，未发生故障的上行212供电臂正常供电，保护动作时限短，能够准确判别故障行别，有选择性地切除故障，AT所和分区所下行断路器切除后，仍保持上行正常AT供电。

通过两次不同配置方式的层次化保护试验对比，就地保护与广域保护均正常启动，就地保护可作为广域保护的后备保护，可在广域保护失效时完成保护出口。

3.2 F-R短路故障试验

3.2.1 试验方法

采用全并联AT供电方式，短路点位于第1个AT区间，上行F-R故障。试验中就地保护、站域保护、广域保护全部投入，层次化保护正确配置。

此次试验验证全并联模式下变电所—AT所区间F-R故障时层次化保护的正确性、就地保护作为广域保护后备保护的可靠性、测距的准确性以及自愈重构可实施性。

3.2.2 保护动作分析

F-R故障保护动作分析（广域保护）见表3。

表3 F-R故障保护动作分析（广域保护）

层次化保护均投入时，供电臂保护作为主保护，因短路点在AT所附近，在20 ms已完成牵引变电所和AT所供电臂保护出口，分区所供电臂保护未启动，但触发保护联跳机制，21 ms完成分区所联跳出口。100 ms时限内完成了上行故障行别馈线故障切除，下行牵引网电流突增，但未跳闸，继续保持供电状态。就地保护作为后备保护正常启动并返回，实现了层次化保护的良好功能。

F-R短路故障时，T线状态具备自愈重构条件，广域保护测控装置启动自愈重构程序，断开上行线F线上网隔开，重合212馈线断路器，上行T线继续带电运行，故障切除，并能保证上下行接触网均带电，满足列车行车要求。

3.2.3 小结

F-R故障测距误差为10 m。上行212供电臂能够在传统保护出口前被准确切除，未发生故障的下行211供电臂正常供电，能够准确判别故障行别，有选择性地切除故障后，满足自愈重构条件，自愈重构后恢复T线供电，仅切除故障行别F线。

就地保护与广域保护均正常启动，层次化保护的快速判别使自愈重构成功，配合上网开关控制，使故障影响减到最小，且不影响后续系统运行。

3.3 T-F短路故障试验

3.3.1 试验方法

采用全并联AT供电，短路点位于第2个AT区间，下行T-F故障。试验中就地保护、站域保护、广域保护全部投入，层次化保护正确配置。

此次试验验证全并联模式下变电所—AT所区间T-F故障时层次化保护的正确性、测距的准确性。

3.3.2 保护动作分析

T-F短路时层次化保护动作分析如图6、表4所示。

表4 T-F故障保护动作分析（广域保护）

图6 T-F短路层次化保护动作分析

层次化保护均投入时，广域保护作为主保护，T-F故障发生后，下行211馈线在20 ms内完成保护出口，100 ms内完成了故障行别的切除，就地保护作为后备保护正常启动并返回，实现了层次化保护的良好功能。自愈重构后，分区所至分相隔开上行停电，新保安变电所下行馈线至分相隔开处恢复供电，怀来站恢复供电。

3.3.3 小结

T-F故障测距误差为8 m。下行211供电臂能够在传统保护出口前准确切除，未发生故障的上行212供电臂正常供电，能够准确判别故障行别，有选择性地切除故障后，满足自愈重构条件，本区段网上隔开的特殊设置具备自愈重构条件，实现了自愈后部分区段的供电恢复。

就地保护与广域保护均正常启动，层次化保护的快速判别使自愈重构成功，恢复了部分区段的供电，保证车站等重要场所（区段）供电要求。

4 网络通信对层次化保护的影响

层次化保护对各所亭之间网络通信提出了时延小于10 ms的要求，常规故障测距通道时延通常大于10 ms，不满足层次化保护技术要求。下文以某次短路试验为例，分析网络时延对层次化保护的影响。

试验区段设计未采用光纤直连方式，部分区段因环网网络节点通信速度限制出现无法满足通信时限要求的情况。试验下行F-R短路故障，故障后下行F线电流突增，变电所供电臂保护启动，故障发生后，因网络通信原因造成末端分区所、AT所收到供电臂保护联跳信号出现延迟，造成上行供电臂保护闭锁信号的延时。故障点下行馈线供电臂保护跳开，上行供电臂保护正确闭锁，未出口，但上行馈线就地保护的距离、过流、电流增量保护均出口，实际造成上下行均跳闸。网络通信延时造成广域保护失败分析及波形如图7、图8所示。

图7 网络通信延时造成广域保护失败分析

图8 网络通信延时造成广域保护失败波形

结合图7、图8进行波形分析和保护时间分析，在其保护时限100 ms内故障未被切除，测试广域通道延时发现AT所、分区所网络通信延时达到10 ms以上，加上供电臂保护20 ms延时，断路器动作时间60 ms，故障切除时间大于100 ms，造成广域保护未及时封锁上行线保护动作，100 ms时达到就地保护时限和定值，就地保护正常动作。

网络时延造成层次化保护无法按要求动作，现场试验将广域保护时限由20 ms调整为30 ms，就地保护时限由100 ms调整为120 ms，通过调整保护时限级差来应对时延对保护的影响，但整体保护动作时限由90 ms增加为110 ms。调整后保护动作波形及分析如图9、图10所示。

图9 调整层次化保护时限后保护动作波形

图10 调整时限后广域保护成功分析

运行实践表明，智能化牵引供电保护系统采用3层体系架构[4]，同步性也是保证层次化保护正常发挥作用的关键。要求站控层对时精度误差不大于±10 ms；间隔层保护测控装置对时精度误差不大于±1 ms；过程层智能终端对时精度误差不大于±1 ms，合并单元对时精度误差不大于±1 μs。

5 结论

通过研究智能牵引供电系统广域保护测控系统层次化保护系统的总体架构，对比传统牵引变电所继电保护的特点进行了分析，梳理了层次化保护配置的需求和对网络通信的特殊要求。结合接触网短路测试结果验证了智能牵引供电设施之间联动控制与层次化快速保护功能，得出以下结论：

（1）智能牵引供电系统能够完成所间信息共享、层次化保护的协同配合、故障的快速判断。

（2）广域保护能够准确识别故障行别，有选择性切除故障，且广域保护的定值时限较传统保护短，在传统保护出口前切除故障。

（3）传统保护可作为广域保护的后备保护，在广域保护失效时完成可靠的保护出口。

（4）所间网络通信时延对层次化保护影响较大，应保证通道时延小于10 ms，无法满足时可通过调整保护动作时限和保护级差方法过渡。