电气化铁路广域保护测控系统工程实践

刘 通

0 引言

从电力系统智能变电站的建设经验来看，智能变电站具有技术先进、安全可靠、环境友好、节约资源等优势。借鉴其成功经验，智能牵引变电所也必将成为电气化铁路未来的发展趋势[1]。分析电力系统变电站智能化发展过程可以预测，电气化铁路智能牵引变电所的建设将是一个长期渐进的过程，在确保铁路供电可靠性、安全性、经济性和高效性的前提下，从规划、设计、建设到运行管理各个环节一体化考虑，逐渐形成适应于铁路牵引供电特点的智能化构建方案。

铁路牵引供电采用以牵引变电所为中心的区域分段供电模式，智能变电所建设方案应综合考虑供电臂内牵引变电所、分区所、AT所之间的协同互动的高级应用功能[2]。在工程建设阶段，智能牵引变电所的构建方案应遵循以下原则：智能牵引变电所的构建应以安全为第一目标，充分考虑信息的共享与网络安全；智能变电所建设方案应立足于分阶段实施与逐步推进的技术路线，设备与系统应充 分考虑兼容性与开放性，易于升级与替换；在设备选型和建设阶段需充分考虑保护功能的独立性，避免保护功能过度依赖通信网络[3]。

本文针对电气化牵引供电系统的特点，结合现阶段广域保护系统在铁路牵引供电领域的应用研究[4]，描述了一种与传统牵引变电所自动化相比结构更紧凑、可靠性更高、功能更优化的广域保护测控系统设计方案，通过在朝凌高铁的建设应用及现场功能测试，验证该方案的有效性和正确性。

1 系统组网总体设计方案

现有牵引供电系统间隔层继电保护主要存在以下问题：全并联供电方式下线路发生故障时，保护选择性失效，使得上下行接触网均跳闸，扩大了停电范围，影响无故障侧线路列车的运行；后备保护以阶梯时限原则进行整定，整定配合复杂，虽满足保护的选择性，却对快速切除故障不利，在一定程度上牺牲了速动性；目前牵引变电所27.5 kV母线未配置独立的快速保护，其保护功能由变压器低压侧过流保护实现，故障切除时间较长。

为解决上述问题，提出一种面向被保护对象的就地级、面向变电所的站域级、面向供电臂的广域级三级层次化保护。三级保护协调配合，改善了保护的选择性、速动性和可靠性。站域级保护和广域级保护提高了保护配置的冗余度，对全并联供电方式准确判断故障位置和故障类型的作用尤为突出。就地级保护不依赖于外部通信通道，即使通信通道受到破坏，也能完成保护功能。站域级保护和广域级保护控制通过光纤通信实现数据交换，受制于光纤通信网的可靠性限制，在极端情况下会丧失部分控制功能，但作为整个保护系统性能提升的有效补充，站域和广域级保护控制系统的失效不影响就地级保护控制功能。

为了提高保护的选择性，配置广域保护用于以供电臂为单元的区域智能协同互动；配置站域保护实现27.5 kV母线保护、全站失灵保护并融合备自投功能，采用GOOSE技术极大简化了备自投的电缆接线；光缆具有带宽高、不受电磁骚扰、便于自校验的显著优点，智能设备之间采用光缆连接，能够避免电缆之间的相互耦合以及过电压问题，以数字化方式实现智能设备之间的信息共享和互动功能。朝凌高铁牵引变电所保护系统组网方案如图1所示。

图1 朝凌高铁牵引变电所保护系统组网方案

2 牵引变电所保护配置方案

2.1 牵引变压器保护配置

朝凌高铁广域保护测控系统采用数字化保护、合并单元、智能终端合一的变压器保护装置，保护装置在控制室集中组屏安装。变压器保护装置通过电缆方式完成模拟量采样和开关控制，并将电流、电压等信息数字化，以SV数据方式发送到过程层网络进行数据共享，实现27.5 kV母线快速保护、断路器失灵保护、录波等功能。同时可通过GOOSE网络发出或接收其他保护的联锁信号。

变压器智能本体保护在主控室集中组屏安装，通过电缆完成信号采集及跳闸。全所共设置两台智能本体保护装置，分别完成1#、3#变压器和2#、4#变压器的本体保护。

2.2 馈线保护配置

馈线保护与主变保护装置原理一致，使用数字化保护、合并单元、智能终端合一的馈线保护装置，通过电缆完成模拟量采样和开关控制，并将电流电压等信息数字化。相比于数字化保护、合并单元、智能终端独立设置的模式，馈线间隔保护的可靠性更高，且中间环节少，保护速动性更好。

在主控室内设立馈线保护盘，安装三合一馈线保护装置，同时仍在盘顶设立电压小母线，用于电压采集。馈线保护通过电缆完成电流、电压采样后，将采样数据以SV的方式发送至过程层网络进行数据共享，同时以点对点光纤方式连接广域保护，实现故障测距以及上下行的选跳。

2.3 站域保护配置

相比于传统牵引变电所，智能牵引变电所的显著优势是信息共享，间隔内设备信息可通过SV、GOOSE等方式在间隔之间实现共享，利用这些信息可实现诸多高级应用，站域保护即是其中之一。智能牵引变电所站域保护具有以下功能：

（1）备自投功能。通过GOOSE开入、开出完成信号采集和开关控制，无需外部电缆，极大简化了接线。

（2）27.5 kV快速母线保护。通过接收变压器保护、馈线保护的保护启动信息可迅速判断故障位置，改变了以电流定值、时间定值设立级差确保选择性的方式，可缩短故障时间，保护一次设备。

（3）全所失灵保护。统一管理全所开关失灵信息，通过合理配置跳开上级断路器。

（4）供电模式重构自愈功能。通过预设的逻辑，采用自动或手动控制方式实现牵引变电所模式重构。

2.4 广域保护配置

朝凌高铁采用全并联供电模式，在传统保护配置模式下当牵引网故障时，供电臂上下行无选择性跳闸，后续通过检有压重合闸将无故障线路投入运行。该方式在实际运行中扩大事故停电范围，缩短设备使用寿命。

智能牵引变电所中，供电臂上各所亭信息充分共享，可实现供电臂网络选跳保护功能，当线路发生故障时，利用这些信息可在极短时间内判别故障位置，利用GOOSE技术跳开相应开关，将故障隔离，非故障侧馈线维持运行，缩小故障范围。

供电臂网络选跳保护通过区间所亭间架设通信通道，在供电臂范围内实时交互信息，其网络架构如图1所示。广域保护装置集成故障测距功能，通过点对点光纤从馈线保护装置或其他装置实时获取SV数据，实现广域保护功能和故障测距。以凌海南变电所至唐家岭变电所供电单元为例，广域保护测控装置的网络配置如图2所示。

图2 朝凌高铁广域保护装置组网示意图

3 广域保护测控装置功能

3.1 故障测距功能

针对AT供电方式的接触网故障测距，支持供电模式固定及模式自适应两种测距方式，适应全并联AT供电方式、AT全解列的直供方式、变电所1台断路器带2路馈线方式、AT所并联点解列分区所并联方式、单线AT供电方式等的故障测距。牵引所故障测距流程如图3所示。

3.2 网络选跳功能

网络选跳功能以供电臂为单元，每个所亭均需配置广域保护装置，各装置通过所间GOOSE实现模拟量数据的快速采集及传输。本工程广域保护通道利用全线干线光缆的备用芯实现，要求所间GOOSE传输延时不大于10 ms（包含交换机延时）。当接触网故障发生，网络选跳功能迅速判断故障行别（上行或下行），闭锁变电所非故障侧馈线保护固定时长（0.25 s），变电所故障侧馈线保护动作后，再迅速分闸AT所、分区所故障侧断路器，实现故障行别的隔离，同时保证非故障侧线路继续运行。

图3 故障测距流程

3.3 自愈重构功能

广域保护装置根据发生故障时各所的电气量，综合采用AT吸上电流比、横联线电流比、上下行电流比和电抗法测距原理，实现测距功能并识别故障发生的区段及类型等信息。当保护装置动作完成后，可根据需要自动启动（自启动时间可通过装置定值设置）或调度遥控启动自愈重构，单独隔离故障区间[5]。

供电臂重构动作逻辑参照国铁集团发布的《智能牵引变电所及智能供电调度系统总体技术要求》（Q/CR721—2019）执行。供电臂重构过程中会涉及到变压器低压侧开关、馈线开关、接触网隔离开关的控制。当被控开关的控制权位于牵引变电所时，变电所内的站域保护装置通过所内的过程层通道向接触网隔离开关控制装置发出控制命令。当被控开关的控制权位于分区所或AT所时，牵引变电所内的站域保护测控装置会经由广域保护通道向相应所亭的站域保护装置发送指令，收到命令后通过所亭内的过程层网络向接触网隔离开关控制装置发出控制命令[6]。

4 广域保护系统效果测试

为验证广域保护系统的应用效果，在朝凌高铁唐家岭变电所、翠岩AT所、大胜村AT分区所、锦州AT所、凌海南变电所共进行8次短路试验。短路操作方式：短路点T线、F线经断路器与钢轨连接（或T、F直接短接），变电所、AT所、分区所操作完毕，实现按既定方案供电后，合上现场断路器（T-F短路，最后合上主变低压侧开关）。以唐家岭变电所至翠岩AT所之间短路点的试验数据为例进行分析，该区段短路试验位置如图4所示。

短路试验设置故障类型为全并联AT供电方式，下行T-R故障，就地保护、站域保护、广域保护、重构自愈功能均投入。短路试验动作报告如表1所示。

从试验结果可以看出，发生短路故障时变电所馈线保护可靠动作，重合闸功能正常，系统采集数据同步、准确，故障测距误差满足要求。广域保护装置选跳保护功能可在故障发生后的100 ms以内判断出故障位置，并根据故障位置跳开供电臂上相应的断路器，将故障隔离在最小范围内，减少了开关动作次数，减少了故障电流对一次设备的冲击，最大程度保证了供电的连续性。

图4 短路试验位置示意图

表1 短路试验动作报告

5 结语

牵引变电所的智能化提升是技术发展的趋势，广域保护系统在电气化铁路牵引供电系统中的成功应用提升了继电保护的速动性、选择性。通过层次化闭锁、层次化保护、全站录波等为牵引供电提供全面的监控与保护。在朝凌高铁的具体保护方案设计中，通过使用数字化保护、合并单元、智能终端功能合一的保护装置，

利用了既有电缆，同时又在设备间隔之间实现了信息共享，具备了智能牵引变电所部分功能，在一定程度上提高了保护的可靠性，并具备较好的经济性。