高速铁路供电臂网络保护方案

王 昌，熊列彬，李 星，陈海涛

0 引言

电气化铁道牵引供电系统在电气化铁路运输中担负着向电力机车供电的重要作用，一旦发生故障，将严重扰乱正常的运输秩序，造成巨大的经济损失和社会影响，这就要求牵引供电系统安全、稳定、优质、不间断的供电[1～3]。因此，迫切要求在牵引系统出现故障的情况下，通过对牵引变电所、AT 所和分区所内保护测控装置的配合，实现对故障的快速隔离、自动重组供电系统以恢复供电[4]。

在高速铁路供电方式中，全并联AT 供电方式具有供电距离长，良好的供电特性和抗干扰能力，能够满足高速铁路牵引供电稳定可靠的要求，因而被广泛采用。在全并联AT 供电方式中，上下行供电臂在分区所通过断路器实现并联[5]。供电臂上发生故障时，上下行都要跳闸，然后再通过一系列保护配合实现故障区段的隔离。这也决定了在传统的保护、控制方案中, 继电保护功能和控制功能相对独立，相互之间不需要进行信息交换[6，7]。

随着高速客运专线的发展，对牵引供电保护的选择性和快速性提出了更高的要求，本文以供电臂为单元，通过专用网络将牵引变电所、AT 所、分区所纳为一个系统，当发生故障后，通过分析该系统的故障信息，判断出故障所在的供电臂，从而仅跳开故障线路，提高保护的选择性和快速性。

1 传统保护方案的动作过程

全并联AT 供电方式如图1 所示。上下行AT所和分区所通过2 个断路器共用1 台AT 变压器，牵引变电所通过断路器1QF、2QF 分别向上下行供电臂供电，当要越区供电时，通过分区所（SP）实现对供电臂的越区供电。

图1 全并联AT 供电方式示意图

当供电臂发生故障时（如上行线路发生故障），断路器1QF 和2QF 跳闸，停止向上行供电臂供电，此时AT 所和分区所的AT 变压器检有压失败，分别断开断路器3QF、4QF、5QF 和6QF，随后，断路器1QF 和2QF 进行重合闸，故障所在线路（上行线路）重合闸失败，而非故障线路（下行线路）重合闸成功，恢复对下行线路的供电，接着AT 变压器AT2、AT4检有压成功，分别合上断路器4QF和6QF，AT 变压器正常投入工作。

从上述分析可以看出传统保护方案动作过程的主要不足：

（1）当任一供电臂发生故障时，非故障供电臂也会暂时停止供电，随着高速铁路的迅速发展，列车的通行速度也越来越快，这样的暂停供电势必会影响到其他列车的正常通行，甚至影响到整个高速铁路的调度。

（2）传统保护方案中通过对牵引网的解裂和重合闸过程增加了断路器的开合次数，这样会减少断路器的使用寿命。而且在断路器的开合过程中可能会出现误动的情况，这对整个牵引网来说是很大的威胁。

2 供电臂网络保护方案

供电臂网络保护方案的基本思想：当阻抗保护测出供电臂发生故障时，通过专用网络将安装在AT 所、分区所内T、R、F 线上的功率方向元件测得的功率方向信息共享到牵引变电所，不同短路点发生不同的短路故障（T-R、T-F、R-F）时，AT 所和分区所内功率方向元件测得的功率方向都不一样，通过对这些信息的判定，可以找出故障所在的供电臂，最后牵引供电所向故障所在供电臂的断路器发送跳闸信号，断开故障所在供电臂，同时打开AT 所和分区所内的隔离开关，实现对故障供电臂的直接切除，且不影响非故障供电臂的正常运行。

2.1 仿真模型的建立及验证

为了验证上述方案的可行性，利用MATLAB建立模型进行仿真分析，图2 是全并联AT 供电方式仿真图。

仿真模型中主要有牵引供电模块、线路模块、AT 所和分区所以及4 个短路模块。其中线路模块可以设置线路的长度，通过2 个线路模块与短路模块的设置配合可以模拟牵引所与AT 所，AT 所与分区所之间不同地点发生不同类型的短路故障。

图2 全并联AT 供电方式仿真图

为了验证仿真模型的正确性，首先仿真不同地点发生短路故障时牵引变电所出口所测得的阻抗图形，通过设置线路模块的长度参数可以仿真不同地点发生短路故障，从而在牵引变电所出口断路器处测得阻抗值并绘制成阻抗特性曲线（图3）。

图3 阻抗特性曲线图

从图3 可以看出，随着距离变短，阻抗值慢慢减小，当经过AT 所时阻抗值有所增大，整个曲线呈马鞍形，由此可以验证整个牵引网的仿真模型是正确的。

2.2 功率方向的测定

在AT 所和分区所内安装2 台功率方向判断元件，如图4 所示，功率方向元件的电流取T 线电流和F 线电流之差（IT- IF），并规定从上行线路入口到AT 变压器以及从下行线路入口到AT 变压器的方向为正方向。

通过AT 所、分区所内的功率方向元件测量当供电臂上行线路牵引所和AT 所之间（定义为短路A）、供电臂下行线路牵引所和AT 所之间（定义为短路B）、供电臂上行线路AT 所和分区所之间（定义为短路C）、供电臂下行线路AT 所和分区所之间（定义为短路D）发生短路故障（T-R、T-F、R-F）时各个功率方向元件测得的功率方向情况，并对各个功率方向元件进行如下编号：AT 所内上行侧功率方向元件1、AT 所内下行侧功率方向元件2、分区所内上行侧功率方向元件3、分区所内下行侧功率方向元件4，并且都规定供电臂侧流向A 变压器方向为正方向（图5）。

图4 AT 所、分区所功率方向元件示意图

图5 功率方向元件安装点及编号示意图

当供电臂发生T-R 短路时，通过测量T 线与F线电流之差（IT- IF）和T 线电压来确定功率方向，测得各个不同短路点发生短路时每个功率方向元件结果（方向角大于0 表示正方向并规定为1，小于0 为负方向并规定为0）如表1 所示。

用同样的方法可以测得当供电臂发生T-F 故障，不同短路点发生短路故障时每个功率方向元件所测得的功率方向，其结果如表2 所示。

当供电臂发生R-F 故障时，用同样的方法可以测得不同短路点发生短路故障时每个功率方向元件所测得的功率方向，其结果如表3 所示。

通过上述3 种仿真结果可以得出：当供电臂上下行不同地点（A 处、B 处、C 处、D 处）发生不同类型（T-R、T-F、R-F）短路故障时，安装在AT所和分区所内的功率方向元件测得的功率方向结果各不相同，通过事先定义功率方向元件1、2、3、4 分别为二进制编码的高位到低位，由此可知，当故障发生在供电臂上行线路（A 处或C 处发生短路故障）时，4 个功率方向元件的编码值分别为0111和0101；同理当故障发生在供电臂下行线路 （B处或D 处发生短路故障）时，4 个功率方向元件的编码值分别为1011 和1010。

表1 T-R 故障时功率方向情况表

表2 T-F 故障时功率方向情况表

表3 R-F 故障时功率方向情况表

通过把安装在T、R、F 线上4 个功率方向元件的测量结果实时地发送到远方的牵引供电所，故障发生后，牵引变电所通过监测功率方向元件的编码值是上述4 种情况中的哪一种就可以准确地判断出故障所在的供电臂，然后发出跳闸信号断开故障供电臂，同时故障所在供电臂并联隔离开关检有压失败，断开隔离开关，非故障供电臂继续保持正常供电（AT 供电），这样便可以实现仅对故障供电臂的切除而不影响非故障供电臂的正常运行。

3 网络通信

变电所与供电调度中心采用以太网通信，为了实现牵引变电所，AT 所以及分区所之间的信息共