計(jì)及牽引供電系統(tǒng)整定系統(tǒng)的研究

侯瑞鵬 楊明玉 張玉潔 夏 蕓 周慶捷

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.天津市寶坻供電有限公司，天津 301800；3.北京中恒博瑞數(shù)字電力科技有限公司，北京 100096）

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國逐步開展新一輪的大規(guī)模鐵路建設(shè)。根據(jù)2003年實(shí)施的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年，全國鐵路里程預(yù)計(jì)將達(dá)到10萬km，實(shí)現(xiàn)主要繁忙干線客貨分離；主要通道復(fù)線電氣化；且實(shí)現(xiàn)50%復(fù)線率和電化率[1-6]。電氣化鐵路的飛速發(fā)展，特別是高速電氣化鐵路的發(fā)展以及鐵路的大面積提速，新修和改建電氣化鐵路的速度不斷加快，其供電網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，用電設(shè)備的數(shù)量也急劇增加，對用電設(shè)備和供電設(shè)備的保護(hù)也提出了越來越高的要求。

目前，電網(wǎng)和發(fā)電廠的繼電保護(hù)整定軟件的研究都已取得豐碩成果，開發(fā)技術(shù)也較為成熟，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。但目前計(jì)及牽引供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)整定軟件的研究開發(fā)還處于起步階段，而牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)的定值和牽引供電系統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)保護(hù)的定值仍處于人工整定階段，這與當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展不相適應(yīng)。同時(shí)電氣化鐵路的發(fā)展使繼電保護(hù)整定計(jì)算人員的工作量劇增。

為了減輕牽引供電系統(tǒng)整定計(jì)算人員的工作量，提高工作效率，減少誤整定，確保牽引供電系統(tǒng)和其電網(wǎng)側(cè)的安全運(yùn)行，加強(qiáng)計(jì)及牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)整定系統(tǒng)的研究勢在必行。

1 研究現(xiàn)狀

隨著我國電網(wǎng)的發(fā)展和電氣化鐵路的建設(shè)，越來越多的牽引變壓器引入到電力輸電網(wǎng)絡(luò)。目前我國采用兩相交流供電系統(tǒng)和三相交流供電系統(tǒng)的牽引模式。采用兩相式供電方式的電氣化鐵路由電網(wǎng)的 220kV電源經(jīng)牽引變壓器降壓至 25kV，變壓器高壓側(cè)的兩條進(jìn)線取自系統(tǒng)三相中的兩相，對相關(guān)供電分區(qū)供電，各牽引站接入系統(tǒng)采用換相連接，即三個(gè)牽引變電站為一個(gè)單元，接入系統(tǒng)時(shí)相序選擇AB—BC—CA構(gòu)成一個(gè)循環(huán)[1]。采用三相式供電方式的電氣化鐵路采用以下4種類型的三相變壓器作為其牽引變壓器，即單相V/V，單相V/X，三相-二相斯科特接線和三相 Y/D11。兩種模式下采用的變壓器的類型不同，它們的引入對上級線路的整定影響不同，需要分情況進(jìn)行分析。

1.1 三相式牽引供電系統(tǒng)故障計(jì)算方法

針對電氣化鐵路采用三相式供電系統(tǒng)的情況，主要包含以下幾種分析計(jì)算方法：應(yīng)用三相對稱分量法，按照相分量法進(jìn)行分析計(jì)算[2]；使用系統(tǒng)變換法技術(shù)將牽引變電所的高壓側(cè)三相系統(tǒng)變換到牽引側(cè)兩相系統(tǒng)進(jìn)行的分析計(jì)算[3-7]；將牽引變壓器低壓側(cè)看成是三相不對稱串聯(lián)阻抗，應(yīng)用對稱分量法進(jìn)行求解[8-10]。對于現(xiàn)有電網(wǎng)的繼電保護(hù)整定軟件，采用對稱分量法。文獻(xiàn)[2-9]采用變換技術(shù)，需要針對不同的牽引變壓器進(jìn)行系統(tǒng)變換，且采用相分量法進(jìn)行計(jì)算，需要開發(fā)代碼較多。文獻(xiàn)[6,9-15]同時(shí)也需要考慮不同的接線變壓器，開發(fā)代碼較多。雖然文獻(xiàn)[10]敘述了一種通用的采用序分量坐標(biāo)的計(jì)算機(jī)算法，但是結(jié)論不合理。建立不同牽引變壓器的通用的序網(wǎng)模型或通用的計(jì)算機(jī)算法方法是解決該問題的一個(gè)重要思路。

1.2 兩相式牽引供電系統(tǒng)故障計(jì)算方法

對于兩相式供電系統(tǒng)，具有嚴(yán)重的不對稱性。東北電網(wǎng)在哈爾濱—大連電氣化鐵路投入運(yùn)行后，對這種兩相式供電系統(tǒng)作了一定的研究。文獻(xiàn)[11]將兩相式供電系統(tǒng)看成是牽引變壓器高壓側(cè)發(fā)生經(jīng)不對稱過渡阻抗的不對稱短路，采用對稱分量法進(jìn)行故障分析。文獻(xiàn)[16]采用 EMTP對兩相運(yùn)行條件下發(fā)生短路故障進(jìn)行了仿真分析，故障電流的分布規(guī)律。兩相式供電系統(tǒng)在我國應(yīng)用時(shí)間較短，尚未形成較為系統(tǒng)的分析方法。

1.3 牽引供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)配置及整定計(jì)算

1）計(jì)及牽引供電系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)繼電保護(hù)配置及整定計(jì)算

目前，我國在高鐵供電線路電網(wǎng)側(cè)配置雙套微機(jī)型線路保護(hù)，每套保護(hù)裝置中包括三段相間距離保護(hù)、三段接地距離保護(hù)和四段（或兩段）零序電流保護(hù)，并具備 TV斷線后過流和零序過流保護(hù)功能[17-18]。

由于單相V/V，單相V/X，三相-二相斯科特接線和三相Y/D11的接線方式不同，使得牽引變壓器的等效模型不同，因此它們對電氣化鐵路供電系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)繼電保護(hù)整定的影響不同，需要分別考慮它們對整定計(jì)算的影響。由于牽引變壓器的特殊接線方式，在牽引變壓器末端故障時(shí)，在電源側(cè)線路的距離保護(hù)的感受阻抗將可能變小，流過保護(hù)的最大短路電流將可能變大。

2）牽引供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)配置及整定計(jì)算

（1）高速鐵路牽引網(wǎng)饋線保護(hù)

目前，我國廣深高速鐵路和哈大線的接觸網(wǎng)饋線采用Siemens公司生產(chǎn)的7SAsl8／519保護(hù)裝置。其保護(hù)配置有如下功能：具有電流速斷保護(hù)、過電流后備保護(hù)、組合特性的兩段距離保護(hù)、兩段斷路器失靈保護(hù)、反映負(fù)荷電流的接觸導(dǎo)線溫度保護(hù)、自動(dòng)重合閘、溫度保護(hù)自動(dòng)重合閘、故障測距、可編程指令、信號(hào)繼電器、LED顯示與二進(jìn)制輸入、故障錄波、運(yùn)行與故障指示等[19-22]。

（2）牽引變壓器保護(hù)配置

目前牽引變壓器保護(hù)的主要研究成果集中在差動(dòng)保護(hù)方面。一般均設(shè)有二次諧波閉鎖的比率差動(dòng)保護(hù)、差動(dòng)速斷電流保護(hù)作為主保護(hù)，過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)，低壓啟動(dòng)過電流保護(hù)和非電量保護(hù)等[23-25]。

電鐵供電線路的繼電保護(hù)有其特殊性，主要有以下幾方面：牽引供電系統(tǒng)供電線路在運(yùn)行時(shí)僅僅是單側(cè)電源線運(yùn)行，因此保護(hù)裝置只需配置于電源側(cè)，牽引站側(cè)不用配置相關(guān)保護(hù)裝置；為確保其供電可靠性，每條電氣化鐵路供電線路系統(tǒng)在變電所側(cè)需要配置兩套微機(jī)型線路保護(hù)裝置；保護(hù)裝置設(shè)起動(dòng)元件，在電鐵沖擊負(fù)荷作用下，保護(hù)起動(dòng)元件能夠可靠防止誤起動(dòng)；保護(hù)裝置應(yīng)具有良好的濾波功能，從而消除諧波電流對保護(hù)的影響；保護(hù)裝置應(yīng)能適應(yīng)電鐵負(fù)荷擾動(dòng)的影響，能正確反應(yīng)被保護(hù)線路上發(fā)生的各種故障，并快速有選擇性跳閘；線路故障切除后不需重合，由牽引站側(cè)自動(dòng)投入備用線路。

1.4 計(jì)及牽引供電系統(tǒng)整定軟件研究概況

目前國內(nèi)電力系統(tǒng)整定軟件主要采用了類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)方法，結(jié)構(gòu)一般為：模型建立、故障計(jì)算、整定計(jì)算、數(shù)據(jù)管理、仿真校驗(yàn)等。邏輯架構(gòu)和部署架構(gòu)如圖1所示。

圖1 邏輯架構(gòu)和部署架構(gòu)

模型建立是整定計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)的前提，目前對電網(wǎng)建模的方法一般只針對一次設(shè)備，大多應(yīng)用IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的 CIM圖形建模方法以及國際通用的矢量圖形擴(kuò)展格式 SVG進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取圖形數(shù)據(jù)，但是對二次繼電保護(hù)裝置的建模沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[26]；故障計(jì)算是繼電保護(hù)整定計(jì)算和繼電保護(hù)定值校驗(yàn)的基礎(chǔ)，方法主要是以阻抗型網(wǎng)絡(luò)方程為基礎(chǔ)的阻抗矩陣法，或者以導(dǎo)納型網(wǎng)絡(luò)方程為基礎(chǔ)的導(dǎo)納矩陣法[27]；整定計(jì)算模塊是繼電保護(hù)系統(tǒng)的核心，現(xiàn)在的整定計(jì)算系統(tǒng)基本都是采用面向整定原則編程的方法實(shí)現(xiàn)，很少有同時(shí)按照原理和裝置進(jìn)行整定計(jì)算的系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理主要是基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫 access或 SQL server，在 Delphi、Visual basic、VC++、C#開發(fā)環(huán)境下，數(shù)據(jù)庫引擎采用 ADO，基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)參數(shù)的存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)和綜合分析。

文獻(xiàn)[28－29]指出國內(nèi)的一些大學(xué)在牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算方面做了一定的研究，開發(fā)出一些適用于特定產(chǎn)品或者特定部分的整定程序包，由于這些程序是針對某一特定環(huán)節(jié)開發(fā)，在通用性上有一定的局限性，還沒有形成一套成型的通用的牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)整定系統(tǒng)。但其只涉及到牽引側(cè)的整定計(jì)算，尚未涉及牽引變上級線路保護(hù)的整定。文獻(xiàn)[30]雖然涉及到牽引側(cè)和牽引變的上級線路，但它只解決了涉及 v/v牽引變電站的情況，尚不具有通用性。

2 結(jié)論

1）計(jì)及電氣化鐵路供電系統(tǒng)故障計(jì)算方面研究電氣化鐵路供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，尋求一種可以對包括電氣化鐵路不對稱供電結(jié)構(gòu)的復(fù)雜電網(wǎng)進(jìn)行故障計(jì)算的算法。建立通用的序網(wǎng)模型或通用的計(jì)算方法，從而減少輸電網(wǎng)故障計(jì)算程序的特殊模塊代碼量。

2）計(jì)及牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算的注意事項(xiàng)

（1）對牽引變電站的上級線路距離保護(hù)和零序電流保護(hù)進(jìn)行整定計(jì)算時(shí)，需要對距離保護(hù)和零序電流保護(hù)的整定值進(jìn)行了修正，防止了距離保護(hù)和零序電流保護(hù)的保護(hù)范圍伸出牽引變低壓側(cè)，從而保證了距離保護(hù)和零序電流保護(hù)的選擇性。

（2）電氣化鐵路供電線路屬于終端線路，并未配置縱聯(lián)保護(hù)，其整定原則有其特殊之處，主要由以下幾個(gè)方面：①采用低電壓作為相間故障起動(dòng)元件，其值應(yīng)按照線末故障有足夠靈敏度來整定；②其相間距離I段以及和流保護(hù)I段定值應(yīng)保證全線故障有足夠靈敏度以實(shí)現(xiàn)全線速動(dòng)。

3）整定計(jì)算軟件研究

目前尚未形成成熟的計(jì)及牽引供電系統(tǒng)的整定軟件?？稍趫D1的應(yīng)用層中增加牽引供電系統(tǒng)參數(shù)管理模塊。該模塊主要包括牽引變壓器參數(shù)、牽引網(wǎng)參數(shù)和保護(hù)配置等信息。通過這些參數(shù)來描述牽引供電系統(tǒng)與電網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行計(jì)及電氣化鐵路供電系統(tǒng)故障計(jì)算及整定計(jì)算。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠較簡潔的實(shí)現(xiàn)計(jì)及牽引供電系統(tǒng)的整定功能，增加代碼量較少。

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