智能牽引供電廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)層次化保護(hù)試驗(yàn)研究

楊斯泐，王永亭，郭晨曦，郭旭剛，董文哲

0 引言

智能牽引供電系統(tǒng)是智能高鐵的重要組成部分，廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)是其智能化關(guān)鍵子系統(tǒng)，層次化保護(hù)是實(shí)現(xiàn)廣域保護(hù)測(cè)控功能的核心技術(shù)之一。繼電保護(hù)作為牽引供電系統(tǒng)安全保障的第一道重要屏障，實(shí)現(xiàn)其智能化、數(shù)字化對(duì)智能高鐵牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

牽引供電系統(tǒng)的傳統(tǒng)繼電保護(hù)依據(jù)變壓器、牽引網(wǎng)保護(hù)等元件本地信息判斷故障，利用設(shè)備冗余和上下級(jí)保護(hù)的時(shí)間配合，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的選擇性和可靠性。隨著高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)繼電保護(hù)的可靠性、快速性提出了更高的要求，傳統(tǒng)繼電保 護(hù)基于被保護(hù)對(duì)象自身信息，在較復(fù)雜供電方式下，整定配合越來越困難，造成動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)、靈敏性不高，特別是在無(wú)法實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)間的信息共享、無(wú)法對(duì)整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行工況和故障情況綜合分析判斷情況下，可能產(chǎn)生聯(lián)鎖跳閘導(dǎo)致整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的癱瘓，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)減小故障影響范圍的目的[1]。

電網(wǎng)系統(tǒng)已研究和發(fā)展多種適用于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的層次化保護(hù)方案，在現(xiàn)有保護(hù)配置基礎(chǔ)上增加站域級(jí)和廣域級(jí)保護(hù)控制，優(yōu)化繼電保護(hù)與控制策略，提高繼電保護(hù)性能的同時(shí)增強(qiáng)了其對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的適應(yīng)能力，主要運(yùn)用于后備保護(hù)和就地主保護(hù)的補(bǔ)充[2，3]。牽引供電系統(tǒng)相對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合其運(yùn)用特殊性和供電方式的特點(diǎn)，其層次化保護(hù)快速性、靈敏性較強(qiáng)，能夠縮小故障停電范圍，并能夠基于層次化保護(hù)進(jìn)一步完成自愈重構(gòu)等智能化功能。

智能牽引變電所支持系統(tǒng)級(jí)全域所亭實(shí)時(shí)在線分析和控制決策，通過先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)融合層級(jí)化智能保護(hù)配合動(dòng)作。廣域測(cè)控系統(tǒng)基于牽引變電所、分區(qū)所、開閉所、AT所的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，綜合利用各所的電氣量、開關(guān)量和保護(hù)設(shè)備狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引供電設(shè)施主要設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、控制、保護(hù)。層次化保護(hù)是智能牽引變電所廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)的核心功能，以就地保護(hù)、站域保護(hù)、廣域保護(hù)3個(gè)層面完成層次化保護(hù)功能，是在最短時(shí)間內(nèi)完成牽引供電系統(tǒng)故障狀態(tài)評(píng)估、故障區(qū)段隔離、非故障區(qū)段恢復(fù)運(yùn)行的良好方式，對(duì)未來智能牽引供電系統(tǒng)的廣泛運(yùn)用具有重要意義[4]。

1 智能牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)新特點(diǎn)

1.1 傳統(tǒng)牽引所繼電保護(hù)配置要求

傳統(tǒng)牽引所以牽引網(wǎng)保護(hù)、牽引變壓器保護(hù)、自耦變壓器（AT）保護(hù)、并聯(lián)補(bǔ)償電容器保護(hù)等本地保護(hù)為基礎(chǔ)，適用于牽引供電系統(tǒng)變電所、AT所、分區(qū)所、開閉所配置，基本能夠滿足現(xiàn)有鐵路牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)需求。

傳統(tǒng)繼電保護(hù)配置及整定計(jì)算應(yīng)滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性的要求。牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置應(yīng)充分考慮電氣化鐵路供電產(chǎn)生的不對(duì)稱分量、沖擊負(fù)荷、諧波分量等影響因素，并采取可靠有效的措施防止保護(hù)不正確動(dòng)作、頻繁啟動(dòng)、拒動(dòng)等情況的發(fā)生。

目前實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，繼電保護(hù)上下級(jí)保護(hù)配合的時(shí)限級(jí)差宜取0.2 s。牽引網(wǎng)饋線保護(hù)采用多邊形動(dòng)作特性作為距離保護(hù)判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。電流速斷、電流增量、距離Ⅰ段保護(hù)時(shí)限均建議取0.1 s，重合閘時(shí)限整定為2 s。牽引網(wǎng)重合閘應(yīng)具備后加速保護(hù)功能，當(dāng)重合于故障線路時(shí)加速各保護(hù)元件動(dòng)作[5]。

1.2 智能牽引所層次化保護(hù)的新功能

智能化繼電保護(hù)裝置的配置應(yīng)滿足層次化保護(hù)的需求，按就地保護(hù)、站域保護(hù)和廣域保護(hù)配置，就地保護(hù)裝置按牽引變電所內(nèi)保護(hù)對(duì)象單個(gè)對(duì)應(yīng)配置，站域保護(hù)裝置可與廣域保護(hù)裝置合并。就地保護(hù)、站域保護(hù)及廣域保護(hù)裝置產(chǎn)生的故障信息統(tǒng)一歸類后進(jìn)行綜合分析，基于網(wǎng)絡(luò)體系完成故障保護(hù)功能，并采用充分的冗余配置。廣域保護(hù)和站域保護(hù)主要功能如下：

（1）供電臂保護(hù)。以牽引變電所、AT所、分區(qū)所智能化饋線保護(hù)裝置為基礎(chǔ)，投入供電臂保護(hù)元件后，實(shí)現(xiàn)上行（下行）發(fā)生故障時(shí)供電臂內(nèi)上行（下行）斷路器保護(hù)跳閘，下行（上行）斷路器不動(dòng)作，不影響下行（上行）供電臂正常運(yùn)行。AT所、分區(qū)所母線故障時(shí)，僅跳本所上下行斷路器，不影響主所正常運(yùn)行。

（2）母線快速保護(hù)。變壓器低壓側(cè)過流保護(hù)利用饋線保護(hù)是否啟動(dòng)對(duì)故障位置進(jìn)行判斷，若故障發(fā)生于母線側(cè)，則母線保護(hù)快速跳閘，實(shí)現(xiàn)母線快速保護(hù)。

2 廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)層次化保護(hù)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

層次化保護(hù)綜合運(yùn)用牽引供電系統(tǒng)（包括變電所、分區(qū)所、AT所等）全局信息，通過分布式智能化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，層級(jí)化布局在統(tǒng)一時(shí)鐘下，極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí)間、空間和功能多維的協(xié)調(diào)配合，完成全局化繼電保護(hù)功能，準(zhǔn)確識(shí)別故障類型和位置，縮小故障影響范圍，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

330、220、110、27.5 kV各電壓等級(jí)就地保護(hù)、安全自動(dòng)裝置宜采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字量采樣、跳閘、測(cè)量、控制；站域保護(hù)、廣域保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄宜采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)字量采樣和跳閘，主變壓器非電量保護(hù)裝置應(yīng)采用電纜直接跳閘[6，7]。

2.2 層級(jí)研究

就地保護(hù)是以牽引變電所內(nèi)單個(gè)被保護(hù)對(duì)象為單元，利用被保護(hù)對(duì)象自身信息獨(dú)立決策實(shí)現(xiàn)的繼電保護(hù)。工程實(shí)施中，就地保護(hù)相當(dāng)于傳統(tǒng)牽引變電所的繼電保護(hù)，但由于廣域保護(hù)的運(yùn)用，使就地保護(hù)作為其后備保護(hù)使用。就地保護(hù)包括了傳統(tǒng)繼電保護(hù)的饋線保護(hù)、變壓器保護(hù)等功能。智能牽引供電系統(tǒng)就地保護(hù)區(qū)別于電力系統(tǒng)就地化保護(hù)的概念，主要泛指?jìng)鹘y(tǒng)牽引所繼電保護(hù)功能。就地保護(hù)應(yīng)具備TB/T 3226—2010和NB/T 42014—2013規(guī)定的全部功能，牽引變壓器就地保護(hù)應(yīng)配置母線快速保護(hù)功能。

站域保護(hù)作為就地保護(hù)的冗余，是基于牽引變電所網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，綜合利用全所的電氣量、開關(guān)量和就地級(jí)保護(hù)設(shè)備狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)所內(nèi)保護(hù)冗余、優(yōu)化、補(bǔ)充等功能的繼電保護(hù)，具備斷路器失靈保護(hù)、母線快速保護(hù)等功能，可集成備自投、故障測(cè)距等功能。

廣域保護(hù)是基于牽引變電所、分區(qū)所、開閉所、AT所的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，綜合利用各所的電氣量、開關(guān)量和保護(hù)設(shè)備狀態(tài)等信息而實(shí)現(xiàn)的以供電單元為對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)型繼電保護(hù)，其具備跳閘故障區(qū)段識(shí)別功能，使保護(hù)動(dòng)作更為準(zhǔn)確，提高保護(hù)的選擇性和速動(dòng)性。廣域保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 廣域保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)架

就地保護(hù)配置要求類似于傳統(tǒng)保護(hù)，配合級(jí)差和判據(jù)要求均相同，但保護(hù)時(shí)限為100 ms，較廣域保護(hù)長(zhǎng)，作為其后備保護(hù)使用。廣域保護(hù)配置要求其供電臂保護(hù)時(shí)限為20 ms。

層次化保護(hù)基于廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)的信息共享，供電范圍內(nèi)的智能牽引變電所、分區(qū)所、AT所、開閉所等通過廣域保護(hù)通道實(shí)現(xiàn)信息共享，完成以供電臂為單元的廣域保護(hù)測(cè)控功能；廣域保護(hù)通道應(yīng)滿足越區(qū)條件下的廣域保護(hù)需求；廣域保護(hù)通道可冗余設(shè)置，廣域保護(hù)測(cè)控裝置和就地保護(hù)測(cè)控裝置分別接入冗余通道[8]。

2.3 層級(jí)關(guān)系

330、220、110 、27.5 kV各電壓等級(jí)就地保護(hù)裝置、站域保護(hù)裝置的就地保護(hù)功能應(yīng)同時(shí)投入（雙重化配置的保護(hù)功能除外），實(shí)現(xiàn)就地保護(hù)功能的冗余。廣域保護(hù)控制全域保護(hù)控制和測(cè)量信息，并經(jīng)廣域保護(hù)控制系統(tǒng)下達(dá)指令，廣域保護(hù)控制直接采集過程層信息，不經(jīng)就地級(jí)保護(hù)直接下達(dá)控制指令。而就地保護(hù)相對(duì)獨(dú)立，不受站域保護(hù)控制和廣域保護(hù)控制影響。就地保護(hù)、廣域保護(hù)應(yīng)同時(shí)投入，實(shí)現(xiàn)廣域保護(hù)功能的冗余，其中廣域保護(hù)為饋線的主保護(hù)，就地保護(hù)為其后備保護(hù)。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信要求

廣域保護(hù)通信通道應(yīng)冗余配置，滿足正常供電、越區(qū)供電等各種運(yùn)行方式下最大供電區(qū)間內(nèi)的全部所亭構(gòu)成以太共享通道環(huán)網(wǎng)，通過傳輸專線或所亭間光纖直聯(lián)，通道帶寬不應(yīng)低于2 Mbps。按繼電保護(hù)動(dòng)作特性要求，任何組網(wǎng)方式下各所亭間傳輸?shù)谋Ｗo(hù)通信報(bào)文時(shí)延不應(yīng)大于10 ms。

京沈高鐵綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，智能牽引供電系統(tǒng)區(qū)段廣域測(cè)控保護(hù)通道利用通信專業(yè)獨(dú)立敷設(shè)的48芯光纜組網(wǎng)（雙環(huán)網(wǎng)方式），速率為100 Mbit/s，廣域測(cè)控保護(hù)通道在成環(huán)及不成環(huán)的情況下的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延在0.64～8.7 ms范圍內(nèi)，滿足時(shí)延不大于10 ms的要求。而采用故障測(cè)距通道的組網(wǎng)方式作為以太共享環(huán)網(wǎng)，速率為2 Mbit/s，故障測(cè)距通道的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延在10.4～56 ms范圍內(nèi)，大于10 ms，故障測(cè)距通道不滿足廣域測(cè)控保護(hù)需求[9，10]。

京張及崇禮鐵路智能牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)結(jié)果表明，組網(wǎng)方式和通信時(shí)延指標(biāo)要求直接影響廣域保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)效果。

3 智能牽引供電系統(tǒng)層次化保護(hù)試驗(yàn)

結(jié)合新建京張及崇禮鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試、動(dòng)態(tài)檢測(cè)及運(yùn)行試驗(yàn)，層次化保護(hù)試驗(yàn)基于接觸網(wǎng)人工短路測(cè)試進(jìn)行。本試驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)牽引供電系統(tǒng)廣域保護(hù)裝置功能及層次化保護(hù)動(dòng)作程序的正確性，且能分析接觸網(wǎng)故障點(diǎn)標(biāo)定裝置的精確度，確定故障點(diǎn)標(biāo)定裝置定值調(diào)整建議方案。

智能牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)分別在京張高鐵新保安—四營(yíng)村上下行供電臂和崇禮鐵路小白陽(yáng)—太子城供電臂進(jìn)行，如圖2所示。

圖2 接觸網(wǎng)短路試驗(yàn)區(qū)段、短路位置示意圖

短路操作包括T線永久性接地短路（T-R短路），F(xiàn)線永久性接地短路（F-R），T、F線永久性短路（T-F）3種主要類型，短路點(diǎn)分別布置在試驗(yàn)供電臂的上下行中、末端。下文以新保安—四營(yíng)村供電臂短路試驗(yàn)為例，分析層次化保護(hù)試驗(yàn)情況。

3.1 T-R短路故障試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)方法

采用全并聯(lián)AT供電方式，短路點(diǎn)位于第1個(gè)AT區(qū)間，為下行T-R故障，共進(jìn)行2次對(duì)比試驗(yàn)。第1次試驗(yàn)：就地保護(hù)、站域保護(hù)、廣域保護(hù)全部投入，層次化保護(hù)正確配置；第2次試驗(yàn)：就地保護(hù)投入，站域保護(hù)、廣域保護(hù)（供電臂保護(hù)）退出，層次化保護(hù)缺損配置。

此次試驗(yàn)驗(yàn)證全并聯(lián)模式下變電所—AT所區(qū)間T-R故障時(shí)層次化保護(hù)的正確性，就地保護(hù)作為廣域保護(hù)的后備保護(hù)的可靠性以及測(cè)距的準(zhǔn)確性。

短路故障層次化保護(hù)試驗(yàn)對(duì)比如圖3所示。

圖3 T-R短路故障層次化保護(hù)試驗(yàn)對(duì)比

3.1.2 就地、站域、廣域保護(hù)均投入時(shí)保護(hù)動(dòng)作分析

就地、站域、廣域保護(hù)均投入，T-R故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作分析如表1所示，短路波形如圖4所示。

圖4 T-R故障時(shí)所亭短路波形（廣域保護(hù)）

表1 T-R故障保護(hù)動(dòng)作分析（第1次試驗(yàn)）

由表1可知，層次化保護(hù)均投入時(shí)，供電臂保護(hù)作為主保護(hù)，因短路點(diǎn)設(shè)置于AT所附近，在20 ms內(nèi)已完成下行變電所、AT所供電臂保護(hù)出口，分區(qū)所供電臂保護(hù)未啟動(dòng)，但觸發(fā)保護(hù)聯(lián)跳機(jī)制，分區(qū)所聯(lián)跳出口，從而發(fā)生故障的下行接觸線被準(zhǔn)確切除，就地保護(hù)中距離Ⅰ段、過流、增量保護(hù)均滿足定值要求，作為后備保護(hù)正常啟動(dòng)并返回，實(shí)現(xiàn)了廣域保護(hù)的良好功能。

對(duì)圖4（a）所示變電所短路波形進(jìn)行分析，T-R短路發(fā)生后，變電所上下行T、F饋線電流均突增，下行電流變化更大，供電臂保護(hù)出口后饋線保護(hù)動(dòng)作，在4.5個(gè)周波（90 ms）內(nèi)下行T線斷路器完全跳開，下行短路故障切除，上行T、F線繼續(xù)運(yùn)行，存在小電流。分析圖4（b）所示AT所波形，短路電流滿足供電臂阻抗元件啟動(dòng)條件，形成供電臂保護(hù)直接出口。圖4（c）所示分區(qū)所短路電流較小，未達(dá)到供電臂保護(hù)啟動(dòng)條件，由通信聯(lián)絡(luò)后產(chǎn)生分區(qū)所供電臂聯(lián)跳信號(hào)出口，其下行短路電流均在4.5個(gè)周波（90 ms）內(nèi)切除，AT吸上電流恢復(fù)正常。

由上述分析可知，廣域保護(hù)在90 ms內(nèi)完成了供電臂內(nèi)全部保護(hù)動(dòng)作，就地保護(hù)100 ms時(shí)限未到，無(wú)法出口，正常返回。由電壓曲線可以看出，短路時(shí)電壓明顯降低，廣域保護(hù)使故障點(diǎn)所在下行211饋線供電臂保護(hù)跳開，上行212饋線繼續(xù)供電。

層次化保護(hù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠在更短的時(shí)間內(nèi)完成保護(hù)跳閘（100 ms內(nèi)），可精準(zhǔn)隔離故障區(qū)段，非故障行別正常供電不受影響，供電臂內(nèi)各所間通過聯(lián)跳機(jī)制形成全局化快速保護(hù)，實(shí)現(xiàn)上下行故障的精準(zhǔn)判別，使故障停電范圍縮小一半。

3.1.3 就地保護(hù)投入，站域、廣域保護(hù)退出時(shí)保護(hù)動(dòng)作分析

就地保護(hù)投入，站域、廣域保護(hù)退出時(shí)動(dòng)作分析如表2所示。層次化保護(hù)缺損配置（供電臂保護(hù)退出）時(shí)，就地保護(hù)作為主保護(hù)，在100 ms實(shí)現(xiàn)上下行饋線保護(hù)出口，發(fā)生故障的下行饋線被準(zhǔn)確切除，同時(shí)切除了未發(fā)生故障的上行饋線，符合傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)要求。波形如圖5所示。

圖5 T-R故障時(shí)所亭短路波形（就地保護(hù)）

僅投入就地保護(hù)時(shí)，變電所短路波形如圖5（a）所示。T-R短路發(fā)生后，上下行T、F線電流均突增，下行電流變化更大，就地保護(hù)出口后上下行饋線保護(hù)均動(dòng)作，電流速斷、過電流、電流增量保護(hù)均滿足定值要求并出口，在9個(gè)周波（180 ms）后，上下行饋線斷路器完全跳開，下行短路故障切除。如圖5（b）、圖5（c）所示，分區(qū)所與AT所短路故障均在9個(gè)周波（180 ms）后切除，保護(hù)跳開。因此，就地保護(hù)需在180 ms內(nèi)完成供電臂內(nèi)全部保護(hù)動(dòng)作。

就地保護(hù)能夠完成故障切除，保護(hù)正常跳閘，但動(dòng)作時(shí)長(zhǎng)較廣域保護(hù)增加一倍，故障停電范圍也增加一倍。

3.1.4 小結(jié)

層次化保護(hù)功能的正確應(yīng)用不會(huì)影響測(cè)距精度，T-R故障測(cè)距誤差為390 m。采用廣域保護(hù)配置，下行211供電臂能夠在傳統(tǒng)保護(hù)出口前準(zhǔn)確切除，未發(fā)生故障的上行212供電臂正常供電，保護(hù)動(dòng)作時(shí)限短，能夠準(zhǔn)確判別故障行別，有選擇性地切除故障，AT所和分區(qū)所下行斷路器切除后，仍保持上行正常AT供電。

通過兩次不同配置方式的層次化保護(hù)試驗(yàn)對(duì)比，就地保護(hù)與廣域保護(hù)均正常啟動(dòng)，就地保護(hù)可作為廣域保護(hù)的后備保護(hù)，可在廣域保護(hù)失效時(shí)完成保護(hù)出口。

3.2 F-R短路故障試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方法

采用全并聯(lián)AT供電方式，短路點(diǎn)位于第1個(gè)AT區(qū)間，上行F-R故障。試驗(yàn)中就地保護(hù)、站域保護(hù)、廣域保護(hù)全部投入，層次化保護(hù)正確配置。

此次試驗(yàn)驗(yàn)證全并聯(lián)模式下變電所—AT所區(qū)間F-R故障時(shí)層次化保護(hù)的正確性、就地保護(hù)作為廣域保護(hù)后備保護(hù)的可靠性、測(cè)距的準(zhǔn)確性以及自愈重構(gòu)可實(shí)施性。

3.2.2 保護(hù)動(dòng)作分析

F-R故障保護(hù)動(dòng)作分析（廣域保護(hù)）見表3。

表3 F-R故障保護(hù)動(dòng)作分析（廣域保護(hù)）

層次化保護(hù)均投入時(shí)，供電臂保護(hù)作為主保護(hù)，因短路點(diǎn)在AT所附近，在20 ms已完成牽引變電所和AT所供電臂保護(hù)出口，分區(qū)所供電臂保護(hù)未啟動(dòng)，但觸發(fā)保護(hù)聯(lián)跳機(jī)制，21 ms完成分區(qū)所聯(lián)跳出口。100 ms時(shí)限內(nèi)完成了上行故障行別饋線故障切除，下行牽引網(wǎng)電流突增，但未跳閘，繼續(xù)保持供電狀態(tài)。就地保護(hù)作為后備保護(hù)正常啟動(dòng)并返回，實(shí)現(xiàn)了層次化保護(hù)的良好功能。

F-R短路故障時(shí)，T線狀態(tài)具備自愈重構(gòu)條件，廣域保護(hù)測(cè)控裝置啟動(dòng)自愈重構(gòu)程序，斷開上行線F線上網(wǎng)隔開，重合212饋線斷路器，上行T線繼續(xù)帶電運(yùn)行，故障切除，并能保證上下行接觸網(wǎng)均帶電，滿足列車行車要求。

3.2.3 小結(jié)

F-R故障測(cè)距誤差為10 m。上行212供電臂能夠在傳統(tǒng)保護(hù)出口前被準(zhǔn)確切除，未發(fā)生故障的下行211供電臂正常供電，能夠準(zhǔn)確判別故障行別，有選擇性地切除故障后，滿足自愈重構(gòu)條件，自愈重構(gòu)后恢復(fù)T線供電，僅切除故障行別F線。

就地保護(hù)與廣域保護(hù)均正常啟動(dòng)，層次化保護(hù)的快速判別使自愈重構(gòu)成功，配合上網(wǎng)開關(guān)控制，使故障影響減到最小，且不影響后續(xù)系統(tǒng)運(yùn)行。

3.3 T-F短路故障試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方法

采用全并聯(lián)AT供電，短路點(diǎn)位于第2個(gè)AT區(qū)間，下行T-F故障。試驗(yàn)中就地保護(hù)、站域保護(hù)、廣域保護(hù)全部投入，層次化保護(hù)正確配置。

此次試驗(yàn)驗(yàn)證全并聯(lián)模式下變電所—AT所區(qū)間T-F故障時(shí)層次化保護(hù)的正確性、測(cè)距的準(zhǔn)確性。

3.3.2 保護(hù)動(dòng)作分析

T-F短路時(shí)層次化保護(hù)動(dòng)作分析如圖6、表4所示。

表4 T-F故障保護(hù)動(dòng)作分析（廣域保護(hù)）

圖6 T-F短路層次化保護(hù)動(dòng)作分析

層次化保護(hù)均投入時(shí)，廣域保護(hù)作為主保護(hù)，T-F故障發(fā)生后，下行211饋線在20 ms內(nèi)完成保護(hù)出口，100 ms內(nèi)完成了故障行別的切除，就地保護(hù)作為后備保護(hù)正常啟動(dòng)并返回，實(shí)現(xiàn)了層次化保護(hù)的良好功能。自愈重構(gòu)后，分區(qū)所至分相隔開上行停電，新保安變電所下行饋線至分相隔開處恢復(fù)供電，懷來站恢復(fù)供電。

3.3.3 小結(jié)

T-F故障測(cè)距誤差為8 m。下行211供電臂能夠在傳統(tǒng)保護(hù)出口前準(zhǔn)確切除，未發(fā)生故障的上行212供電臂正常供電，能夠準(zhǔn)確判別故障行別，有選擇性地切除故障后，滿足自愈重構(gòu)條件，本區(qū)段網(wǎng)上隔開的特殊設(shè)置具備自愈重構(gòu)條件，實(shí)現(xiàn)了自愈后部分區(qū)段的供電恢復(fù)。

就地保護(hù)與廣域保護(hù)均正常啟動(dòng)，層次化保護(hù)的快速判別使自愈重構(gòu)成功，恢復(fù)了部分區(qū)段的供電，保證車站等重要場(chǎng)所（區(qū)段）供電要求。

4 網(wǎng)絡(luò)通信對(duì)層次化保護(hù)的影響

層次化保護(hù)對(duì)各所亭之間網(wǎng)絡(luò)通信提出了時(shí)延小于10 ms的要求，常規(guī)故障測(cè)距通道時(shí)延通常大于10 ms，不滿足層次化保護(hù)技術(shù)要求。下文以某次短路試驗(yàn)為例，分析網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)層次化保護(hù)的影響。

試驗(yàn)區(qū)段設(shè)計(jì)未采用光纖直連方式，部分區(qū)段因環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信速度限制出現(xiàn)無(wú)法滿足通信時(shí)限要求的情況。試驗(yàn)下行F-R短路故障，故障后下行F線電流突增，變電所供電臂保護(hù)啟動(dòng)，故障發(fā)生后，因網(wǎng)絡(luò)通信原因造成末端分區(qū)所、AT所收到供電臂保護(hù)聯(lián)跳信號(hào)出現(xiàn)延遲，造成上行供電臂保護(hù)閉鎖信號(hào)的延時(shí)。故障點(diǎn)下行饋線供電臂保護(hù)跳開，上行供電臂保護(hù)正確閉鎖，未出口，但上行饋線就地保護(hù)的距離、過流、電流增量保護(hù)均出口，實(shí)際造成上下行均跳閘。網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)造成廣域保護(hù)失敗分析及波形如圖7、圖8所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)造成廣域保護(hù)失敗分析

圖8 網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)造成廣域保護(hù)失敗波形

結(jié)合圖7、圖8進(jìn)行波形分析和保護(hù)時(shí)間分析，在其保護(hù)時(shí)限100 ms內(nèi)故障未被切除，測(cè)試廣域通道延時(shí)發(fā)現(xiàn)AT所、分區(qū)所網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)達(dá)到10 ms以上，加上供電臂保護(hù)20 ms延時(shí)，斷路器動(dòng)作時(shí)間60 ms，故障切除時(shí)間大于100 ms，造成廣域保護(hù)未及時(shí)封鎖上行線保護(hù)動(dòng)作，100 ms時(shí)達(dá)到就地保護(hù)時(shí)限和定值，就地保護(hù)正常動(dòng)作。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延造成層次化保護(hù)無(wú)法按要求動(dòng)作，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)將廣域保護(hù)時(shí)限由20 ms調(diào)整為30 ms，就地保護(hù)時(shí)限由100 ms調(diào)整為120 ms，通過調(diào)整保護(hù)時(shí)限級(jí)差來應(yīng)對(duì)時(shí)延對(duì)保護(hù)的影響，但整體保護(hù)動(dòng)作時(shí)限由90 ms增加為110 ms。調(diào)整后保護(hù)動(dòng)作波形及分析如圖9、圖10所示。

圖9 調(diào)整層次化保護(hù)時(shí)限后保護(hù)動(dòng)作波形

圖10 調(diào)整時(shí)限后廣域保護(hù)成功分析

運(yùn)行實(shí)踐表明，智能化牽引供電保護(hù)系統(tǒng)采用3層體系架構(gòu)[4]，同步性也是保證層次化保護(hù)正常發(fā)揮作用的關(guān)鍵。要求站控層對(duì)時(shí)精度誤差不大于±10 ms；間隔層保護(hù)測(cè)控裝置對(duì)時(shí)精度誤差不大于±1 ms；過程層智能終端對(duì)時(shí)精度誤差不大于±1 ms，合并單元對(duì)時(shí)精度誤差不大于±1 μs。

5 結(jié)論

通過研究智能牽引供電系統(tǒng)廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)層次化保護(hù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)，對(duì)比傳統(tǒng)牽引變電所繼電保護(hù)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，梳理了層次化保護(hù)配置的需求和對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的特殊要求。結(jié)合接觸網(wǎng)短路測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了智能牽引供電設(shè)施之間聯(lián)動(dòng)控制與層次化快速保護(hù)功能，得出以下結(jié)論：

（1）智能牽引供電系統(tǒng)能夠完成所間信息共享、層次化保護(hù)的協(xié)同配合、故障的快速判斷。

（2）廣域保護(hù)能夠準(zhǔn)確識(shí)別故障行別，有選擇性切除故障，且廣域保護(hù)的定值時(shí)限較傳統(tǒng)保護(hù)短，在傳統(tǒng)保護(hù)出口前切除故障。

（3）傳統(tǒng)保護(hù)可作為廣域保護(hù)的后備保護(hù)，在廣域保護(hù)失效時(shí)完成可靠的保護(hù)出口。

（4）所間網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延對(duì)層次化保護(hù)影響較大，應(yīng)保證通道時(shí)延小于10 ms，無(wú)法滿足時(shí)可通過調(diào)整保護(hù)動(dòng)作時(shí)限和保護(hù)級(jí)差方法過渡。