广域保护在铁路牵引供电系统中的应用

刘天奇　卢茜

【摘  要】广域保护测控系统将保护控制功能分为就地层、站域层、广域层，是在数字化变电站技术的基础上、利用数据共享实现，是变电所自动化技术和数字化变电站技术的进一步提升。介绍广域保护的具体功能，同时论述广域保护系统在铁路供电系统中起到的作用及对供电系统的保护作用。同时论述广域保护的可推广性及发展方向。

【关键词】广域保护;数字化;信息;智能

引言

京沈高铁综合试验段从阜新北到黑山北区间的变电所亭采用全数字化设计，共设置阜新北牵引变电所，新邱AT所，申德营子分区所，下石土AT所，黑山北牵引变电所共5个所亭。

数字化变电站相比现有综自系统有很多优点，数字化变电站的主要特点是“一次设备智能化、二次设备网络化”，为提高铁路牵引供电系统的技术水平，数字化牵引变电所的建设必不可少。

1  与传统变电所的区别

对于传统变电所一次设备通过电缆与二次设备连接，数字化变电站对过程层的改变有两种方式，一种方式是采用智能一次设备;另一种方式是对传统一次设备进行数字化改造，使其具有数字化接口。从物理形态和逻辑功能上智能一次设备可理解为“一次设备本体+智能组件（合并单元）”。现阶段智能组件基本上作为一次设备的智能化接口，与一次设备本体间采用传统电缆连接，与保护、测量、控制等二次设备间采用光缆连接交换信息。如下图：

一次设备智能化以后，由于和二次设备链接采用光纤链接，带来了诸多优点：

可保证采样数据的唯一性，方便实现信息共享。通过就地数字化采集，电压、电流的瞬时值数据仅由合并单元输出，不仅实现了数据共享，同时在源头上保证了数据的唯一性，当有多个保护或者测控装置需要相同的模拟量，不再需要像传统综自需要多个采样线圈单独接线，或者由于线圈数量的限制，需要串接电流来实现采样（这样会带来安全隐患），由于数据共享方便，相对于传统综自，数字化变电所更容易实现全所的保护功能冗余，以保证系统的可靠性。

由于一二次设备之间采用光纤，节省了大量的二次电缆，在以后技术成熟后完全考虑取消电缆沟的设计，同时不再需要像传统综自一样设置大量的防雷端子，只需要在电源处设置少量的浪涌保护器即可实现全所保护测控装置的防雷。

数字化变电所由于大量的工作是在设备厂家进行调试，现场只需要实现光纤链接和功能测试，可以节约工程现场大量的调试时间。

由于通讯都是基于IEC61850标准实现，可以很方便的实现设备互换，不会受限于必须用哪个厂家的设备。

在全所实现全数字化以后，相当于建立了一个通用的技术平台，容易在后期实现功能升级，同时不需要对现场系统的硬件部分进行调整或者更换，只需要对软件和配置进行升级。

当前在京沈的数字化方案已经在电力系统验证多年，是在电力系统的基础上新增了更贴合于铁路系统的部分功能，比如广域测控保护中的供电臂保护（已通过短路实验验证），自愈重构功能等等。

比如供电臂保护可实现接触网故障时，上下行分开跳闸，可减少跳闸次数和提高跳闸速度（跳闸出口时间为20ms），比如上行馈线故障时，可迅速跳开上行馈线的3个断路器（变电所馈线，AT和分区所的上行并联断路器），而下行馈线可保持正常供电。如果是瞬时性故障，上行馈线3个断路器可以正常重合，如果是永久性故障，也只有上行3个断路器再次跳开，不会影响下行供电。

自愈重构则是在永久性故障后通过故障定位后，自动分开相关断路器和网开关来切除故障区段，从而保证非故障区段的供电。

智能综合辅助系统包含视频监控子系统、环境监控子系统、安全防范子系统、动力照明子系统、火灾报警子系统、门禁子系统和在线监测子系统等七个子系统，通过对子系统的集中整合、统一管理，实现对变电站视频、环境量、安全报警信息、火灾报警信息、在线监测数据等辅助信息进行统一采集、编码、存储、上传，并由监控平台完成整个系统的全面监控、一体展示、统一管理和维护功能，并能通过系统预置的规则进行各个子系统间的智能联动。

牵引变电系统PHM系统主要是将PHM系统的数据平台与牵引变电所各个关键设备的现有监测装置或未来可能增设的监测装置对接，有效收集并管理设备的各种实时状态数据、环境数据以及非实时记录数据，并依据大量数据实现牵引变电系统及其关键设备的故障预测、健康评估、可靠性及风险评估和维修决策等，为牵引变电系统的安全可靠、高效经济运营维护提供决策依据，同时积累复杂服役环境下高速铁路的数据和技术成果，形成高铁基础设施大数据体系建设的样板试验段。

2  广域保护简介

广域保护测控系统将保护控制功能分为就地层、站域层、广域层，是在数字化变电站技术的基础上、利用数据共享实现，是变电所自动化技术和数字化变电站技术的进一步提升。

就地层保护控制完成了既有综自系统的全部功能，一次设备和二次系统通过光缆连接，实现了一二次设备电气隔离，解决二次系统防雷问题。

站域层保护利用整个变电所的共享数据，通过GOOSE和SV通信，实现了装置之间的实时数据交互（所内任意两个装置之间通信<4ms），一方面解决了全所的保护功能的冗余和优化;另一方面实现了快速母线保护、快速后备保护、断路器失灵保护等新功能，实现了保护的全覆盖，提高了保护的可靠性。同时，还具备间隔间的开关逻辑闭锁和所内供电重组等功能，提高了控制的安全性。

广域层保护以供电臂为单元，基于高速广域通信网络（供电臂任意两个装置之间通信<10ms），实现了供电臂选择性快速跳闸。当牵引网发生故障时只跳故障区段，缩小了停电区域，减少了开关动作次数，提高了供电可靠性;同时，还具备以供电臂为单元的开关逻辑闭锁关系和供电臂自愈重组等功能。

JDA-3000数字化变电站依托铁总“牵引供电自动化关键技术深 实现了就地层、站域层、广域层的保护测控功能，所有功能均可部署在就地级保护测控装置和站域保护测控装置上完成。

综上所述，广域保护测控系统中数字化变电站是基础，站域保护功能和廣域保护功能才能体现数字化变电站技术的优势，并最终实现智能牵引供电系统。，智能供电系统的出现将会大大减少铁路后期运营的故障，同时也为后期的维护提供了有效的保障。

3 结语

随着数字化时代的到来，基于数字化基础的智能化系统越来越多的被应用到人们的生活中。随着智能高铁的推广，智能供电系统的研究与开发也在高速的发展。

广域保护系统作为智能化供电系统的重要组成部分，在京沈客专得到了初步的应用，同时也得到了各界的关注与支持。广域保护系统在京沈客专的成功案例为智能供电系统的推广打下了良好的基础，同时也得到了认可。在今后的高铁建设中智能供电系统将会逐步代替传统的供电系统。

参考文献：

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[3] 杨梅，周喜超，雷延霞，蔡丽﹒基于IEC61850的数字化变电站保护调试[J]﹒工矿自动化，2010（11）：115-118