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地铁直流馈线微机保护装置的研制


? 智能电器及计算机应用 ?

低压电器 ( 2009 №11) 通用低压电器篇

地铁直流馈线微机保护装置的研制
张宏荃 ,     ,     张 杭 裴 军 ( 1. 西安交通大学 电气工程学院 , 陕西 西安  710049; 2. 大全集团 技术中心 , 江苏 扬中  212211 )
摘   : 分析了牵引馈

线非金属性短路电流 (尤其是电弧性短路电流 )和机车过断 要 电区充电电流的变化特征 。采用电流上升率作为启动元件检测的主保护判据 ,并针对 以上变化特征提出应用电流累积和监测作为保护判据 ,两者结合实现地铁直流馈线保 护方案 ; 并以该保护方案为基础开发出微机保护装置 。 关键词 : 直流牵引供电系统 ; 馈线保护 ; 电流上升率 中图分类号 : T 774   M 文献标识码 : B   文章编号 : 1001 2 5531 ( 2009 ) 11 2 0017 2 04 张 宏 荃 ( 1973 —) , 男 ,讲师 , 博士 , 研 究方向为高频功率 变换 技 术 、 能 化 智 电器技术 。
1 1 2

0    引 言

直流牵引保护系统控制保护装置要求能迅速 区分牵引电流和故障电流并可靠动作 。目前我国 关于直流牵引系统中保护装置的研制还不成熟 , 城市轻轨和地铁的直流保护技术和设备仍来自国 外 ,因此 ,研制具有自主知识产权的直流牵引系统 保护技术和装置具有重要意义 , 本文提出了一种 直流牵引系统的馈线保护方案 , 并应用此方案开 发出直流馈线控制保护装置 。

1  馈线保护原理及故障保护问题
[ 12 ] 3

   直流牵引系统有如下运行特征 : ① 一般 采用双端供电方式 ; ② 短路故障发生在近端 , 电

张   ( 1962 —) ,男 ,教授 ,研究方向为继电保护 、 杭 自动控制及智能检测 。 裴   ( 1968 —) ,男 ,高级工程师 ,研究方向为智能化电器技术 。 军

Research of M etro DC M icrocom puter 2Ba sed Feeder Protection D ev ice
ZHAN G Hongquan ,  ZHAN G Hang ,  PE I J un
1 1 2

( 1. College of Electrical Engineering, Xi’ J iaotong University, Xi’ 710049, China; an an 2. Research Center, DAQO Group , Yangzhong 212211, China )

ment for starting component test was rise rate of current A im ing at the above characteristic, it was p roposed that . was i p lemented by combining the both. The m icrocomputer2based feeder p rotection device based on the p roposed m scheme was developed. Key words: DC traction power supply system; feeder protection; r ise ra te of curren t
[ 42 ] 5

  Abstract: The variation characteristic of traction feeder nonmetal short current, especially arcing short cur2
current cumulative2sum monitoring was used as p rotection judgement The p rotection scheme for metro DC feeder . rent, and the charge current which locomotive crosses the power2 area were analyzed. The main p rotection judge2 off

流及电流上升率都很大 , 故障分量明显 , 而在远 端 ,故障电流的变化很小 ,有时甚至与机车起动的 电流很接近 。因此 , 直流牵引系统馈线小短路电 流的保护是直流牵引系统故障保护的重点和难 点。 目前 ,针对直流牵引系统馈线小短路电流故 障最重要的保护方法是利用电流变化量判据 , 即 电流上升率保护和电流增量保护 ,此外 ,还有电流 量保护和双边联跳保护 。 但是 ,由于下面几个因素的影响 ,使得基于电 流变化量判据的保护方法难于准确地区分机车正 常工作和小电流短路故障 : ①随着故障点距离的 增加 ,直流侧电感和电阻增大 ,故障电流呈现出类 似于指数曲线的变化特性 。利用电流增量保护判

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断易与机车起动电流混淆 ; ② 由于机车滑行过供 电分断隔离区时机车滤波器存在一个充放电过 程 ,所产生的充电电流所表现出的电流上升率和 电流增量特征与故障电流极为相似 ,如图 1 所示 。 ③电弧故障时电流上升率变化剧烈 ,造成基于电 流上升率的判据不能正确切除电弧故障 。

进入到 ( 2 ) 。 ( 2 ) 若故障处理的延时 t > T1 (电流上升率保 护延时 ) , 同时满足 d i / d t < d i / d t | F , 则判为故障 , 保护动作 ; 否则进入 ( 3 ) 。
( 3 ) 若故障处理的延时 t > Tm (电流增量保

护延时 ) , 计算出电流值 , 与保护起动时记录的电 流基值作比较 , 若 Δ i >Δ i |D Z (电流增量保护定 值 ) , 则判为故障 , 保护动作 ; 否则进行 ( 1 ) 。 电流判据的故障处理流程如图 2 所示 。

图 1  远端电弧性短路故障的电流及其上升率波形

   因此 ,直流牵引系统小短路电流故障保护的 关键问题是 :    ( 1 ) 能正确地区分机车的正常起动电流与短 路故障电流 ,尤其是能正确判别馈线远端电弧短 路故障 。 ( 2 ) 能躲过机车过断电区的充电电流的影 响 ,避免过断电区保护误动作 。 本文针对机车过断电区充电电流和馈线短路 电流尤其是电弧性非金属性短路电流的特点 , 提 出采用电流变化量判据与二项变量电流累积和 ( CUSUM )监测算法相结合的馈线电流保护方案 。
[ 62 ] 7

图 2  电流判据故障处理流程

   d i / d t | E 一般应躲过机车正常起动时的电流 上升率 ; d i / d t | F 一般取 0. 2 ~0. 4 倍的 d i / d t | E ; T1 的选取应该考虑两个因素 , 一是机车在起动持续 时间 , 二是应大于半个机车过断电区谐振周期 ; Δ i |D Z应躲过机车起动过程在延时区间产生的电流 增量 , 以避免由于重载机车起动造成的保护误动 作 , 同时 Δ i |DZ还应躲过机车过断电区充电电流引 起的电流增量 , 以避免过断电区引起的保护误动 ; Tm 的选取与机车不同启动方式下的短路时间常数 有关 。也就是说 Tm 是一个与 Δ i |D Z有关的参数 , 建 议 Tm 值设定为 1. 5 倍的短路时间常数 , 或为短路 时 d i / d t从 d i / d t | E 到 d i / d t | F 所需时间的 80 % 。 2. 2   二项变量电流 CUSUM 监测算法 CUSUM 故障监测算法主要用于检测各种领 域的突变量 ,这里针对电弧性非金属短路故障和 机车过断电区充电电流的影响 , 采用二项变量电 流累积和监测算法实现对电弧性短路故障和充电

2  保护策略
2. 1   电流变化量保护判据

电流变 化 量 保 护 判 据 起 动 条 件 为 d i / d t >
d i / d t | E (电流上升率起动定值 ) , 记下当时电流值

作为增量判据的基值 , 记下当时时刻作为时间判 据的基值 , 并起动故障处理服务程序 。 故障处理原理如下 :
( 1 ) 计算电流上升率 , 若 d i / d t < d i / d t | F (电

流上升率返回定值 ) , 则退出故障处理服务 ; 否则 — 18 —

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电流的判断 号 ,即

[8]

。在该方法中 , 利用采样值互补信
sk ( 1 ) = sk ( 1)

( 2) sk ( 2 ) = - sk    在算法中取 sk 为电流上升率判据起动后瞬 时馈线电流 i与初始电流 i0 的差值 , 即增量形式 dk 。由于无论机车过断电区或是短路故障 , 其起 始电流波形相似 , 并都满足 sk > ; (起动电流定 值 ) 。因此 , 以电流上升率和 sk > ; 作为保护判断

起动条件 , 这样可避免对起动判断的干扰 。 ; 的 选择很重要 , 为根据实际保护功能设置的变参数 , 起到滤波器的作用并影响监测的效果 。算法 ; 被设置为一定比例 ( K < 1 ) 于最远端的非金属性 短路电流 ir 的电流值 , 以保证对远端非金属性短 路的监测 。即 ; = Kir 。 利用上面两个信号 sk ( 1 )和 变量 CUSUM 测试变量为 gk ( 1 ) = m ax [ gk - 1 ( 1 ) + sk gk ( 2 ) = m ax [ gk - 1 ( 2 ) + sk    当满足 gk ( 1 ) > h1 和 gk ( 2 )
sk ( 2 ) , 选择二项

图 3  二项变量电流累积和 ( CUSUM ) 监测算法的故障处理流程

故障 。 gk ( ) 表示测试变量 ; h1 和 h2 为设置的保 护定值 。随着采样信号的增大 , 当 sk > ; , gk ( ) 增 大 , 可看出 gk ( ) 以 sk 和 ; 的差值增加 , 随着采样 的继续 , 通过累积和运算易判断出故障情况 。 具体地 , CUSUM 监测算法的起动条件为 : 当 故障处理原理如下 : ( 1 ) 取 g0 ( 1 ) = 0, 计算 sk , 利用式 ( 1 ) 和 ( 2 ) 计算 sk ( 1 ) 和 sk ( 2 ) 。 ( 2 ) 利用式 ( 3 ) 和 ( 4 ) 求解 gk ( 1 ) 和 gk ( 2 ) ; 当满足 gk ( 1 ) > h1 和 gk ( 2 ) < h2 时则判为故障 , 保护动作 。 ( 3 ) 当满足 gk ( 1 ) < h1 和 gk ( 2 ) > h2 时 , 则 保护判断返回 。 二项变量电流累积和监测算法的故障处理流 程如图 3 所示 。   ; 应躲过机车起动过程在保护判断时间内的 电流增量 , 以避免由于重载机车起动造成的保护

满足 d i / d t > d i / d t | E , 则记录该时刻电流值作为计 算基值 , 记录该时刻作为时间基值 。计算 sk , 当 t > TK (起动延时判断时间 ) , 不满足 sk > ; , 则退出 监测 ; 当 t < TK 且满足 sk > ; , 则进入故障处理服 务程序 。

( 1) - ; , 0 ] ( 3) ( 2) + ; , 0 ] ( 4)

误动作 ; 同时应小于最远端经大过渡电阻非金属 性短路电流 , 以保证对远端短路电流的监测 ; 建议 TK 值设定为 0. 8 倍的短路时间常数 ; 电流累积和 门限 h1 和 h2 作为电流累积和保护动作出口条 件 , h1 整定原则应根据最远端经大过渡电阻短路 电流 ir 和 ; 及充电电流谐振时间确定 , h2 根据 ; 和充电电流谐振时间确定 。

< h2 时表示发生

3  装置的硬件和软件实现

保护装置硬件平台整体结构如图 4 所示 , 其

结构设计分为两个部分 。

图 4  保护装置整体结构图

3. 1   测控保护单元

直流牵引系统中 , 电流和电压信号分别由分

流器和分压器获得 , 并经过隔离放大及低通滤波 处理送至保护装置 。测控保护单元接收显示控制 接口及变电站遥控指令 , 并结合开关柜外部输入 信号 ,实时对输入模拟量的变化进行判断 ,实现保 护和逻辑判断功能 。
3. 2   显示控制接口和通信接口

实现当地人机界面功能 ,负责键盘处理 、 液晶 — 19 —

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显示 、 菜单操作和 LED 指示等 ; 并与上一级变电 站通信 ,传输控制指令和保护信息 。

4  实验分析
实验主要针对机车过断电区充电电流和短路 故障电流的判断 。图 5 为机车过断电区时和短路 故障 (包括电弧性非金属性短路故障 ) 时的电流 拟合曲线图 , 曲线 A 代表故障电流波形 , 曲线 B 代表机车过断电区电流波形 。

图 7  电流 CUSUM 方法判断条件 2

图 5  机车过断电区和故障时的电流拟合曲线图

   6、 为电流 CUSUM 方法判断条件 gk ( 1 ) 、 图 7 gk ( 2 ) 的波形图 。由图 6 可见 , 在短路故障情况 下 ,只要 sk > ; ,由于累积效应不断增加 , gk ( 1 ) 不 断加速增大 。而对于机车过断电区的充电电流 , 当时间大于 1 /4 谐振周期后 sk 开始减小 ,但 sk 仍 超过 ; , gk ( 1 )保持增大但上升率减小 。随着时间 的增长 ,在时间小于 1 /2 谐振周期时 , sk 会出现小 于 ; 的情况 ,同样由于累积效应 , gk ( 1 ) 不断加速 减小 。每次故障监测后 , gk ( 1 ) 值回归为零 。由 图 7 可知 ,短路故障情况下 ,只要 sk > ; , gk ( 2 ) 始 为零 。
图 6  电流 CUSUM 方法判断条件 1

   从上面分析可知 , 电流变化量保护可以有效 地区分非电弧性短路电流和起动电流 , 但对于机 车过断电区充电电流和电弧性短路电流 , 其判断 有其局限性 。尤其是对于电弧性非金属性短路电 流 ,由于其电流上升率变化剧烈 ,电流上升率起动 元件会多次动作 , 其起动和复归之间的延时及电 流增量均小于保护定值 , 造成基于电流的判据难 于准确动作 。但是 , 二项变量电流累积和监测算 法能有效地识别电弧性短路电流和充电电流 , 只 要在起动延时判断时间窗内电流增量超过整定 值 ,并根据二项变量电流 CUSUM 测试变量判断 保护动作或复归 ,克服了单纯变化量判据的缺点 。

5    结 语
机车过断电区充电电流和短路故障电流 , 尤 其是电弧性非金属性短路电流是直流牵引系统馈 线保护的难点 ,传统的电流变化量保护难以准确 判断 ,从而发生误动和拒动 。本文提出了采用电 流变化量判据 、 二项变量电流累积和监测算法相 结合的故障保护方案 , 并利用该保护策略开发了 直流牵引馈线微机保护装置 。二项变量电流累积 和监测算法在有效判断机车过断电区充电的情况 下 ,又能有效地识别电弧性非金属性短路故障 。 【 考文献】 参
[ 1 ]  BROWN J C, ALLAN J, M ELL ITT B. Calculation of remote short circuit fault currents for DC railw ays[ J ]. Electric Power App lications, 1992, 139 (4) : 289 2 294. cago, I , USA: 97 2 L 102. IEE Proceedings2 , B

终保持为 0。而对于机车过断电区的充电电流 , 随着时间的增长 ,在时间小于 1 /2 谐振周期时 , sk 会出现小于 ; 的情况 ,由于累积效应 , gk ( 2 ) 不断 加速增大 。同样 ,每次故障监测后 , gk ( 2 ) 值回归    因此 ,当满足 gk ( 1 ) > h1 和 gk ( 2 ) < h2 时表 示发生短路故障 ,当满足 gk ( 1 ) < h1 和 gk ( 2 ) >
h2 时表示机车过断电区 。

— 20 —

[ 2 ]  FRACCH I M , H I L R J, POZZOBON P, et a l Ac2 A L . curate track modelling for fault current studies on third2rail metro railw ays [ C ] / / Railroad Conference, Proceedings of the 1994 AS E,M ar 22 2 M 24, 1994, Chi2

(下转第 35 页 )

? 现场总线 ?

低压电器 ( 2009 №11) 通用低压电器篇

1 + 4 ×4 = 118 m s

[ 2]  刘曙光 . 现场总线技术的进展与展望 [ J ]. 自动化 [ 3]  唐济扬 . 现场总线与工厂底层自动化及信息集成 [ 4]  缪学勤 . 德国 Profibus现场总线技术概况 [ J ]. 仪器 [ 5 ]  TOVER E, VASQUES F. Cycle tim e p roperties of the p rofibus ti ed 2token p rotocol[ J ]. Elsevier Science on m Compute Communications, 1999, 22 ( 13 ) : 1206 2 1216. 933 2 936. 2005, 26 (8) : 790 2 795. Toronto, 2003. Industrial Electronics, 1999, 46 ( 6 ) : 1241 2 1251. cations using p rofibus networks [ J ]. IEEE Trans on

   ( 3 ) 假定 TTR 、 RR 、 T 令牌传递时间分别为 1、 6 τ,计算 h5 的最大排队延迟时 和 1 m s。由于 TTR = 间应采用式 ( 5 ) 。
Tqueue = ( 4 + 1 ) × + ( 3 + 1 ) × + 15 5 ( 4 + 1 ) × = 115 m s 4

l- 1

   由以上计算实例分析可知 : 当 TTR < TTR TC时 , 高优先级报文的最大排队延时要大于 TTR > TTR TC 时的情况 ; 而当 TTR =τ时 , 虽然高优先级报文的 排队延时减少了 ,但是低优先级报文得不到响应 。 因此 ,在设置令牌目标循环时间时应充分考虑其 取值大小对高 、 低优先级报文的影响 。

2    结 语
Profibus现场总线的报文排队延时 Tqueue与网

络组态时的目标令牌循环时间 TTR 的设定值有 关 ,本文根据不同的 TTR 设定值 , 给出了 Profibus 单主站系统高优先级报文的排队延时数学模型 , 为 Profibus总线单主站系统的报文传输延时 Tdelay 的分析打下基础 。由于 Tdelay由排队时间和帧时 间组成 , 因此 , 下一步的工作是对帧时间进行分 析 ,从而完善 Profibus总线单主站系统报文传输 延时 Tdelay数学模型的建立 。 【 考文献】 参
[ 1]  刑江 ,关治洪 . 网络化控制系统的研究现状与展望 [ J ]. 控制工程 , 2006, 13 ( 4 ) : 294 2 296. PAOLO.

[ 10 ]   范兴刚 ,王智 , 王天然 , 等 . 一种增强 Profibus总线

(上接第 20 页 )

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机保护测控探讨 [ J ]. 电网技术 , 2002, 12 ( 26 ) : 57 2 保护装置 [ J ]. 电力系统自动化 , 2005, 1 ( 29 ) : 92 2

short2circuit currents in rectifiers for DC traction sup 2

Transient and steady2state

[ 11 ]  KI J. Delay modeling and controller design for net2 N worked control system [ D ]. Toronto: University of 96. [ 7 ]  ZHU Pangfeng, L I Yongli An adap tive p rotection . scheme in subway DC traction supp ly system [ C ] / / [ 8 ]  MOHANTY S R , PRADHAN A K, ROUTRAY A. A cumulative sum 2based fault detector for power system relaying app lication [ J ]. Delivery, 2008, 1 ( 23 ) : 79 2 86. Con 2002: 716 2 719. Power System Technology, 2002, Proceedings Power2 IEEE Transactions on Power

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技术 [ J ]. 制造业自动化 , 2000, 2 ( 7 ) : 14 2 18. 仪表标准化与测量 , 1998, ( 2 ) : 4 2 10. 表学报 , 2005, 26 ( 4 ) : 399 2 402.

对现场总线 Profibus测控周期的影响 [ J ]. 仪器仪

数分析 [ J ]. 小型微型计算机系统 , 2003, 25 ( 5 ) :

实时通 信能 力的综 合方 法 [ J ]. 仪器 仪 表 学 报 ,

ment and Technology, 2004, 151 ( 5 ) : 335 2 342.

cle tim e [ C ] / / IEEE Proceedings Science, M easure2

收稿日期 : 2008 2 2 11 20 收稿日期 : 2009 2 2 02 19

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