CN101207282B - 一种实现轨道交通直流馈电保护的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种实现轨道交通直流馈电保护装置，由嵌入式系统、开关控制模块、A/D转换模块、I/V转换模块和采集输入接口组成，A/D转换模块通过电流/电压转换模块与采集输入接口连接，嵌入式系统分别与开关控制模块和A/D转换模块连接，其特征在于，所述的嵌入式系统由中央处理器、静态存储器、快闪存储器、扩展接口、Profibus-DP接口、以太网接口和RS-232串行接口组成，中央处理器连接RS-232串行接口，并通过数据地址控制总线分别连接静态存储器、快闪存储器、扩展接口、Profibus-DP接口和以太网接口，嵌入式系统通过扩展接口连接A/D转换模块。本发明的优点是解决了直流牵引网络线路馈电系统发生列车接触线上的短路和过负荷现象时快速、准确地切除故障。

Description

一种实现轨道交通直流馈电保护的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种实现轨道交通直流馈电保护的装置及方法，尤其是涉及一种专用于轨道交通直流牵引馈电系统的保护方法，实现由于架空接触网与钢轨短接而引起的各类短路故障的切除，消除接触网热过负荷故障的装置，适用于城市地铁、轻轨、城际快轨及其他直流馈电系统的保护，属于直流馈电保护技术领域。

背景技术

21世纪将是中国城市轨道交通的纪元，随着国民经济的持续发展，将会伴随更大的都市化，促使城市交通日趋紧张，甚至成为一个更急迫的任务，不适当的、低效率的交通系统会抑制和妨碍社会与经济的发展，城市轨道交通成为解决大中城市交通拥挤问题的最佳方案。随着轨道交通系统的快速发展，直流牵引供电系统得到了越来越广泛的应用，从而使直流牵引网络线路馈电系统保护装置在直流牵引供电系统中得到广泛应用。

目前国外有些国家的轨道交通直流馈电保护装置有：

1.德国ADTRANZ公司的DCP106，DCP106是一种控制和保护的组合装置，适用于成套配电开关设备，其过电流瞬时保护、过电流延时保护、热反时限过电流保护都比较完整，但是其di/dt近远区短路保护功能不完善；

2.俄罗斯ATI公司的BEM，其只能满足一般的保护功能，实时性能较差，不能满足牵引系统对于di/dt近远区短路保护的功能需要，而且没有热反时限过电流保护；

3.德国西门子公司的DPU96及3UB61、DPU96没有定时限过电流保护，且其di/dt近远区短路保护功能不灵活、不完善；3UB61只有di/dt近远区短路保护，而且其使用的是模拟保护方式，存在保护界限的含糊及不确定，容易出现拒动及误动；

4.美国PPECO公司的MPR，MPR没有di/dt近区短路保护。

但国内自行设计和生产此类装置的企业和厂家还是空白，所需装置完全依赖进口。

发明内容

本发明的目的是提供一种国内自己开发研制的实现轨道交通直流馈电保护的装置及方法。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种实现轨道交通直流馈电保护装置，由嵌入式系统、开关控制模块、A/D转换模块、电流/电压转换模块和采集输入接口组成，A/D转换模块通过电流/电压转换模块与采集输入接口连接，其特征在于，嵌入式系统分别与开关控制模块和A/D转换模块连接，直流牵引供电系统馈线电流依次经过分流器、电流变送器送入电流/电压转换模块后，再经过A/D转换模块换算送至嵌入式系统的中央处理器计算出电流值；对采集的馈线电流进行相应的过流、短路、热保护分析运算，判断负载状态及故障；通过开关控制模块驱动控制回路切断直流开关，并记录故障波形，其特征在于，所述的嵌入式系统由中央处理器、静态存储器、快闪存储器、扩展接口、Profibus-DP接口、以太网接口和RS-232串行接口组成，中央处理器连接RS-232串行接口，并通过数据地址控制总线分别连接静态存储器、快闪存储器、扩展接口、Profibus-DP接口和以太网接口，嵌入式系统通过扩展接口连接A/D转换模块。

所述的A/D转换模块由A/D芯片、基准芯片、模拟电压输入组成，A/D芯片分别与基准芯片和模拟电压输入连接。

所述的电流/电压转换模块由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、采样电阻Rs和运算放大器U1组成，采集输入接口连接采样电阻Rs轨道交通直流馈电保护装置电流采集的正输入端AIN1+与轨道交通直流馈电保护装置电流采集的负输入端AIN1-，采样电阻Rs一端与第一电阻R1连接，第一电阻R1的另一端与运算放大器U1的反向输入端2脚及第二电阻R2连接，第二电阻R2的另一端与运算放大器U1的输出端6脚及第五电阻R5连接，第五电阻R5的另一端连接电流/电压转换模块的输出电压Vin，采样电阻Rs的另一端与第三电阻(R3)连接，第三电阻R3的另一端与运算放大器U1的正向输入3脚及第四电阻R4连接，第四电阻R4的另一端接电源地。

一种实现轨道交通直流馈电保护的方法，其特征在于采用C语言和汇编语言在嵌入式操作系统平台上编制程序，运行在轨道交通直流馈电保护装置上，其保护方法为：

第一步：采样数据滤波

采样频率为40kHz，每4次采样滤波得1次采样点，采用中值算术平均滤波方式计算算术平均值；

第二步：采样数据换算

把采样滤波后的数据换算成实际输入电流值，接着对电流值进行区间转换：

$I_{\mathrm{IN}}=V_{\mathrm{REF}}\×\frac{D}{6404505}---\left(1\right)$

I_CON＝(I_IN-CON_LP)×CON_M    (2)

其中I_IN为实际输入电流值，V_REF为基准参考电压，D为从AD寄存器读取到的二进制码元的十进制表现形式，I_CON为区间转换后的电流值，CON_LP为区间转换的零偏，CON_M为区间转换的满度系数；

第三步：保护检测

对每个采样数据进行过电流瞬时保护、过电流延时保护、热反时限保护、近区短路保护、远区短路保护各自独立的保护检测：

A、过电流瞬时保护

当检测到I_CON(即馈线测量电流I_mes)大于过电流瞬时保护正向电流值参数+I＞＞或者小于过电流瞬时保护反向电流值参数-I＞＞，则依据过电流瞬时保护延迟时间参数t＞＞启动瞬时保护功能的延迟计数，在延迟计数时间段内，如果I_mes一直大于+I＞＞或者小于-I＞＞，则在延迟计数结束后过电流瞬时保护脱扣动作；如果I_mes出现小于+I＞＞或者大于-I＞＞，则退出过电流瞬时保护延迟计数等待下一次启动；

B、过电流延时保护

当检测到I_CON(即馈线测量电流I_mes)大于过电流延时保护正向电流值参数+I＞或者小于过电流延时保护反向电流值参数-I＞，则依据过电流延时保护延迟时间参数t＞启动延时保护功能的延迟计数。在延迟计数时间段内，如果I_mes一直大于+I＞或者小于-I＞，则在延迟计数结束后过电流延时保护脱扣动作；如果I_mes出现小于+I＞或者大于-I＞，则退出过电流延时保护延迟计数等待下一次启动；

C、热反时限保护

当检测到I_CON(即馈线测量电流I_mes)大于I_th，则依据热反时限保护公式计算得到对应的热反时限保护脱扣动作延迟时间t_trip，热反时限保护报警延迟时间t_alarm，热反时限保护复位电流I_reset，并启动延迟计数。在t_alarm计数时间段内，如果I_mes一直大于I_th，则在延迟计数结束后热反时限保护报警。在t_trip计数时间段内，如果I_mes一直大于I_th，则在延迟计数结束后热反时限保护脱扣动作，如果I_mes出现小于I_reset，则退出t_alarm延迟计数，退出t_trip延迟计数等待下一次启动，解除报警。

热反时限保护脱扣动作公式为：

$t\_\mathrm{trip}=T\_\mathrm{th}\×\ln \frac{{(I\_\mathrm{mes}\×K\_\mathrm{spl}\÷I\_\mathrm{th})}^2}{{(I\_\mathrm{mes}\×K\_\mathrm{spl}\÷I\_\mathrm{th})}^2-K\_\mathrm{trip}}---\left(3\right)$

热反时限保护报警公式为：

$t\_\mathrm{alarm}=T\_\mathrm{th}\×\ln \frac{{(I\_\mathrm{mes}\×K\_\mathrm{spl}\÷I\_\mathrm{th})}^2}{{(I\_\mathrm{mes}\×K\_\mathrm{spl}\÷I\_\mathrm{th})}^2-K\_\mathrm{warn}}---\left(4\right)$

其中I_th为热反时限保护基本电流，T_th为时间常数，K_spl为修正因数，K_warn为告警值，K_trip为脱扣值，K_reset为复位值；

D、di/dt近区短路保护

当检测到I_CON(即馈线测量电流I_mes)的电流上升率大于di/dt_ins(此时t＝0、I＝I₀)，则依据di/dt近区短路保护延迟时间参数t_ins启动延迟计数。如果在延迟计数时间段内，I_CON的电流上升率一直大于di/dt_ins，且在延迟计数结束时的ΔI(ΔI＝I-I₀)大于近区短路保护电流增量参数I_ins，则di/dt近区短路保护脱扣动作。如果在延迟计数时间段内，I_CON的电流上升率出现小于di/dt_ins，或在延迟计数结束时的ΔI(ΔI＝I-I₀)小于I_ins，则di/dt近区短路保护检测结束等待下一次启动；

E、di/dt远区短路保护

当检测到I_CON(即馈线测量电流I_mes)的电流上升率小于近区短路电流上升率保护启动参数di/dt_ins，但又大于远区短路电流上升率保护启动参数di/dt_del(此时t＝0、I＝I₀)，则启动di/dt远区保护检测。直到检测到di/dt≈0，依据di/dt远区短路保护延迟时间参数t_del启动延迟计数，在延迟计数后，如果ΔI(ΔI＝I-I₀)大于远区短路保护电流增量参数t_del，则di/dt远区短路保护脱扣动作；如果ΔI(ΔI＝I-I₀)小于t_del，则di/dt远区短路保护检测结束等待下一次启动。

本发明通过过电流瞬时保护、过电流延时保护、热反时限保护、di/dt近区短路保护、di/dt远区短路保护这5类保护的综合运用，在各自保护动作时，可以记录动作时刻前300ms，后200ms的波形数据(100us每数据点)。解决了直流牵引网络线路馈电系统发生列车接触线上的短路和过负荷现象时快速、准确地切除故障，同时通过整定值调整使其能够避免列车正常运行时一些电气参数的变化引起保护装置误跳闸等要求。

本发明的优点是：

1、采用了高速采集芯片，和数据时间片处理，提高了测量精度及响应速度；

2、上升率保护根据近远短路点的不同所产生的上升率不同区域而分别采用近区短路上升率保护、远区短路上升率保护，提高了短路故障的检测可靠性；

3、多种保护方式的共同运用，能够快速、准确地判别故障并给予切除。

附图说明

图1为一种实现轨道交通直流馈电保护装置结构框图；

图2为嵌入式系统结构框图；

图3为A/D转换模块结构框图；

图4为电流/电压转换模块电路原理图；

图5为保护检测流程图；

图6为过电流瞬时保护检测流程图；

图7为过电流延时保护检测流程图；

图8为热反时限保护检测流程图；

图9为di/dt近区短路检测保护检测流程图；

图10为di/dt远区短路保护保护检测流程图；

图11为保护脱钩动作逻辑工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，为一种实现轨道交通直流馈电保护装置，由嵌入式系统、开关控制模块、A/D转换模块、电流/电压转换模块和采集输入接口组成，A/D转换模块通过电流/电压转换模块与采集输入接口连接，嵌入式系统分别与开关控制模块和A/D转换模块连接，直流牵引供电系统馈线电流依次经过分流器、电流变送器送入电流/电压转换模块后，再经过A/D转换模块换算送至嵌入式系统的中央处理器计算出电流值；对采集的馈线电流进行相应的过流、短路、热保护分析运算，判断负载状态及故障；通过开关控制模块驱动控制回路切断直流开关，并记录故障波形。

如图2所示，为嵌入式系统结构框图，所述的嵌入式系统由中央处理器、静态存储器、快闪存储器、扩展接口、Profibus-DP接口、以太网接口和RS-232串行接口组成，中央处理器直接连接RS-232串行接口，并通过数据地址控制总线分别连接静态存储器、快闪存储器、扩展接口、Profibus-DP接口和以太网接口，嵌入式系统通过扩展接口连接A/D转换模块，实现直流馈线电流信号的采集输入，嵌入式系统通过Profibus-DP接口或以太网接口连接计算机，RS-232串行接口是嵌入式系统的调试接口，还可作为指令与数据传输的备用通道。

嵌入式系统的中央处理器采用ARM7系列芯片LPC2214，静态存储器采用芯片IS62LV51216L，快闪存储器采用芯片SST39VF160，Profibus-DP接口采用芯片SPC3，网络接口采用芯片AX88796L，串行接口采用芯片MAX3232，芯片外围电路以及各芯片之间的连接方法，参照相应的芯片使用说明。

如图3所示，为A/D转换模块结构框图，所述的A/D转换模块由A/D芯片、基准芯片、模拟电压输入组成，A/D芯片分别与基准芯片和模拟电压输入连接，基准芯片为A/D芯片提供转换基准，A/D芯片采用250KHz采样频率的16位模/数转换芯片ADS8364，基准芯片采用2.5V基准电压输出芯片MCP1525，

模拟电压输入A/D变换计算公式：

$V_{\mathrm{IN}}=V_{\mathrm{REF}}\×\frac{D}{32768}---\left(1\right)$

其中V_IN为A/D模拟电压输入值，V_REF为基准参考电压，D为从AD寄存器读取到的二进制码元的十进制表现形式。

如图4所示，为电流/电压转换模块电路原理图，所述的电流/电压转换模块由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、采样电阻Rs和运算放大器U1组成，采集输入接口连接采样电阻Rs轨道交通直流馈电保护装置电流采集的正输入端AIN1+与轨道交通直流馈电保护装置电流采集的负输入端AIN1-，采样电阻Rs一端与第一电阻R1连接，第一电阻R1的另一端与运算放大器U1的反向输入端2脚及第二电阻R2连接，第二电阻R2的另一端与运算放大器U1的输出端6脚及第五电阻R5连接，第五电阻R5的另一端连接电流/电压转换模块的输出电压Vin，采样电阻Rs的另一端与第三电阻(R3)连接，第三电阻R3的另一端与运算放大器U1的正向输入3脚及第四电阻R4连接，第四电阻R4的另一端接电源地，运算放大器OPA335与第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4组成了一个平衡输入放大器电路。

因为第一电阻R1＝第二电阻R2、第三电阻R3＝第四电阻R4，得到放大转换输出计算公式：

$V_{\mathrm{IN}}=\frac{R_2}{R_1}\×300\×I_{\mathrm{IN}}---\left(2\right)$

将电路中的实际电阻值代入式(2)得到：

$I_{\mathrm{IN}}=\frac{V_{\mathrm{IN}}}{195.45}---\left(3\right)$

将式(1)代入式(3)得到：

$I_{\mathrm{IN}}=V_{\mathrm{REF}}\×\frac{D}{6404505}---\left(4\right)$

其中I_IN为电流输入值，V_REF为基准参考电压，D为从AD寄存器读取到的二进制码元的十进制表现形式。

如图5所示，为保护检测流程图，一种实现轨道交通直流馈电保护的方法，其特征在于采用C语言和汇编语言在嵌入式操作系统平台上编制程序，运行在轨道交通直流馈电保护装置上，其保护方法为：

第一步：采样数据滤波

采样频率为40kHz，每4次采样滤波得1次采样点，采用中值算术平均滤波方式，取4个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算2个数据的算术平均值。

例如：采样获得4次采样值，分别为31000、31100、31200、31300，经过滤波运算后得到31150。

第二步：采样数据换算

首先，依据公式(4)把采样滤波后的数据换算成实际输入电流值，接着对电流值进行区间转换，区间转换的零偏为CON_LP＝12mA，满度系数为CON_M＝1250×1000，即相当于4～20mA对应于-10000A～10000A。

例如：采样数据换算以D＝31150数据为例，代入式(4)得 $I_{\mathrm{IN}}=V_{\mathrm{REF}}\×\frac{D}{6404505}=12.16\mathrm{mA}.$ 根据零偏CON_LP与满度系数CON_M得

I_CON＝(I_IN-CON_LP)×CON_M＝200A。

第三步：保护检测

对每个采样数据进行过电流瞬时保护、过电流延时保护、热反时限保护、近区短路保护、远区短路保护各自独立的保护检测。

A、过电流瞬时保护

过电流瞬时保护用于切断大的短路电流，大的短路电流对线路会造成巨大的损坏，故大的短路电流一出现应立即切断，其切断时刻应在其达到电流峰值之前，使系统馈电部分免受短路电流伤害，其反应时间以毫秒为单位。

如图6所示，为过电流瞬时保护检测流程图，当检测到I_CON(即馈线测量电流I_mes)大于过电流瞬时保护正向电流值参数+I＞＞或者小于过电流瞬时保护反向电流值参数-I＞＞，则依据过电流瞬时保护延迟时间参数t＞＞启动瞬时保护功能的延迟计数。在延迟计数时间段内，如果I_mes一直大于+I＞＞或者小于-I＞＞，则在延迟计数结束后过电流瞬时保护脱扣动作；如果I_mes出现小于+I＞＞或者大于-I＞＞，则退出过电流瞬时保护延迟计数等待下一次启动。

例如：保护装置的过电流瞬时保护检测参数设置为+I＞＞＝9000A、-I＞＞＝-9000A、t＞＞＝1ms，假如馈线上的实际电流波形为100ms的1000A波形段，接着1.1ms的9450A波形段，接着是100ms的1200A波形段，则保护装置的过电流瞬时保护可靠动作。假如馈线上的实际电流波形为100ms的1000A波形段，接着0.9ms的8550A波形段，接着是100ms的1200A波形段，则保护装置的过电流瞬时保护无误动作。

B、过电流延时保护

过电流延时保护用于馈电单元的过载保护，其量度时间以毫秒为单位。

如图7所示，为过电流延时保护检测流程图，当检测到I_CON(即馈线测量电流I_mes)大于过电流延时保护正向电流值参数+I＞或者小于过电流延时保护反向电流值参数-I＞，则依据过电流延时保护延迟时间参数t＞启动延时保护功能的延迟计数。在延迟计数时间段内，如果I_mes一直大于+I＞或者小于-I＞，则在延迟计数结束后过电流延时保护脱扣动作；如果I_mes出现小于+I＞或者大于-I＞，则退出过电流延时保护延迟计数等待下一次启动。

例如：保护装置的过电流延时保护检测参数设置为+I＞＝6000A、-I＞＝-6000A、t＞＝1s。假如馈线上的实际电流波形为100ms的1000A波形段，接着1.05s的6300A波形段，接着是100ms的1200A波形段，则保护装置的过电流延时保护可靠动作。假如馈线上的实际电流波形为100ms的1000A波形段，接着9.95s的5700A波形段，接着是100ms的1200A波形段，则保护装置的过电流延时保护无误动作。

C、热反时限保护

热反时限保护用于消除热过负荷故障，而非短路故障，其工作原理是根据接触网上流过的电流，计算出接触网的发热量，从而再根据接触网的热负荷特性及环境条件推算出接触网的电缆温度。

如图8所示，为热反时限保护检测流程图，当检测到I_CON(即馈线测量电流I_mes)大于I_th，则依据热反时限保护公式计算得到对应的热反时限保护脱扣动作延迟时间t_trip，热反时限保护报警延迟时间t_alarm，热反时限保护复位电流I_reset，并启动延迟计数。在t_alarm计数时间段内，如果I_mes一直大于I_th，则在延迟计数结束后热反时限保护报警。在t_trip计数时间段内，如果I_mes一直大于I_th，则在延迟计数结束后热反时限保护脱扣动作，如果I_mes出现小于I_reset，则退出t_alarm延迟计数，退出t_trep延迟计数等待下一次启动，解除报警。

热反时限保护脱扣动作公式为：

$t\_\mathrm{trip}=T\_\mathrm{th}\×\ln \frac{{(I\_\mathrm{mes}\×K\_\mathrm{spl}\÷I\_\mathrm{th})}^2}{{(I\_\mathrm{mes}\×K\_\mathrm{spl}\÷I\_\mathrm{th})}^2-K\_\mathrm{trip}}---\left(5\right)$

热反时限保护报警公式为：

$t\_\mathrm{alarm}=T\_\mathrm{th}\×\ln \frac{{(I\_\mathrm{mes}\×K\_\mathrm{spl}\÷I\_\mathrm{th})}^2}{{(I\_\mathrm{mes}\×K\_\mathrm{spl}\÷I\_\mathrm{th})}^2-K\_\mathrm{warn}}---\left(6\right)$

其中I_th为热反时限保护基本电流，T_th为时间常数，K_spl为修正因数，K_warn为告警值，K_trip为脱扣值，K_reset为复位值。

例如：保护装置的热反时限保护检测参数设置为I_th＝2700A、T_th＝300s、K_spl＝100％、K_warn＝80％、K_trip＝94％、K_reset＝80％，以保护脱扣动作方式为例，假如馈线上的实际电流波形为100ms的1000A波形段，接着56.8593s的6000A波形段，接着是10s的1200A波形段，则保护装置的热反时限保护无误脱扣动作。假如馈线上的实际电流波形为100ms的1000A波形段，接着71.064s的6000A波形段，接着是10s的1200A波形段，则保护装置的过电流延时保护可靠脱扣动作，并在第三段波形开始时复位保护脱扣以允许下次保护脱扣检测。

D、di/dt近区短路保护

通过对电流上升率di/dt及电流增量ΔI的检测，对近端短路电流及正常工作电流进行判别，在短路故障发生的初始阶段切断短路电流，使馈电线路免受短路电流伤害。

如图9所示，为di/dt近区短路保护检测流程图，当检测到I_CON(即馈线测量电流I_mes)的电流上升率大于di/dt_ins(此时t＝0、I＝I₀)，则依据di/dt近区短路保护延迟时间参数t_ins启动延迟计数，如果在延迟计数时间段内，I_CON的电流上升率一直大于di/dt_ins，且在延迟计数结束时的ΔI(ΔI＝I-I₀)大于近区短路保护电流增量参数I_ins，则di/dt近区短路保护脱扣动作，如果在延迟计数时间段内，I_CON的电流上升率出现小于di/dt_ins，或在延迟计数结束时的ΔI(ΔI＝I-I₀)小于I_ins，则di/dt近区短路保护检测结束等待下一次启动。

例如：保护装置的di/dt近区短路保护检测参数设置为di/dt_ins＝200A/ms、I_ins＝3000A、t_ins＝2ms，假如馈线上的实际电流波形为100ms的1000A波形段，接着210A/ms上升率维持15ms的波形段，接着是100ms的4150A波形段，则保护装置的di/dt近区短路保护可靠动作，假如馈线上的实际电流波形为100ms的1000A波形段，接着190A/ms上升率维持15ms的波形段，接着是100ms的3850A波形段，则保护装置的di/dt近区短路保护无误动作。

E、di/dt远区短路保护

通过对电流上升率(di/dt)及电流增量(ΔI)的检测，对远端短路电流及正常工作电流进行判别，在短路故障发生的初始阶段切断短路电流，使馈电线路免受短路电流伤害。

如图10所示，为di/dt远区短路保护检测流程图，当检测到I_CON(即馈线测量电流I_mes)的电流上升率小于近区短路电流上升率保护启动参数di/dt_ins，但又大于远区短路电流上升率保护启动参数di/dt_del(此时t＝0、I＝I₀)，则启动di/dt远区保护检测，直到检测到di/dt≈0，依据di/dt远区短路保护延迟时间参数t_del启动延迟计数。在延迟计数后，如果ΔI(ΔI＝I-I₀)大于远区短路保护电流增量参数t_del，则di/dt远区短路保护脱扣动作；如果ΔI(ΔI＝I-I₀)小于t_del，则di/dt远区短路保护检测结束等待下一次启动。

例如：保护装置的di/dt远区短路保护检测参数设置为di/dt_del＝50A/ms、I_del＝3000A、t_del＝40ms。假如馈线上的实际电流波形为100ms的1000A波形段，接着是200ms的从55A/ms上升率逐渐衰减到0A/ms时为4150A的波形段，接着是44ms的4150A波形段，则保护装置的di/dt远区短路保护可靠动作。假如馈线上的实际电流波形为100ms的1000A波形段，接着是200ms的从45A/ms上升率逐渐衰减到0A/ms时为3850A的波形段，接着是36ms的3850A波形段，则保护装置的di/dt远区短路保护无误动作。

如图11所示，为保护脱扣动作逻辑工作流程图，当有任意一种保护产生脱扣动作时，保护装置将发起一保护脱扣信号出口用于联跳邻站保护装置，接着发起一断路器分闸信号用于断开直流开关。接收到邻站过来的保护脱扣信号时，发起一断路器分闸信号用于断开直流开关。

Claims (4)

1.一种实现轨道交通直流馈电保护装置，由嵌入式系统、开关控制模块、A/D转换模块、电流/电压转换模块和采集输入接口组成，A/D转换模块通过电流/电压转换模块与采集输入接口连接，嵌入式系统分别与开关控制模块和A/D转换模块连接，直流牵引供电系统馈线电流依次经过分流器、电流变送器送入电流/电压转换模块后，再经过A/D转换模块换算送至嵌入式系统的中央处理器计算出电流值；对采集的馈线电流进行相应的过流、短路、热保护分析运算，判断负载状态及故障；通过开关控制模块驱动控制回路切断直流开关，并记录故障波形，其特征在于，所述的嵌入式系统由中央处理器、静态存储器、快闪存储器、扩展接口、Profibus-DP接口、以太网接口和RS-232串行接口组成，中央处理器连接RS-232串行接口，并通过数据地址控制总线分别连接静态存储器、快闪存储器、扩展接口、Profibus-DP接口和以太网接口，嵌入式系统通过扩展接口连接A/D转换模块。

2.根据权利要求1所述的一种实现轨道交通直流馈电保护装置，其特征在于，所述的A/D转换模块由A/D芯片、基准芯片、模拟电压输入组成，A/D芯片分别与基准芯片和模拟电压输入连接。

3.根据权利要求1所述的一种实现轨道交通直流馈电保护装置，其特征在于，所述的电流/电压转换模块由第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、采样电阻(Rs)和运算放大器(U1)组成，采集输入接口连接采样电阻(Rs)、轨道交通直流馈电保护装置电流采集的正输入端(AIN1+)与轨道交通直流馈电保护装置电流采集的负输入端(AIN1-)，采样电阻(Rs)一端与第一电阻(R1)连接，第一电阻(R1)的另一端与运算放大器(U1)的反向输入端2脚及第二电阻(R2)连接，第二电阻(R2)的另一端与运算放大器(U1)的输出端6脚及第五电阻(R5)连接，第五电阻(R5)的另一端连接电流/电压转换模块的输出电压(Vin)，采样电阻(Rs)的另一端与第三电阻(R3)连接，第三电阻(R3)的另一端与运算放大器(U1)的正向输入3脚及第四电阻(R4)连接，第四电阻(R4)的另一端接电源地。

4.根据权利要求1所述的一种实现轨道交通直流馈电保护装置的馈电保护的方法，其特征在于，采用C语言和汇编语言在嵌入式操作系统平台上编制程序，运行在实现轨道交通直流馈电保护装置上，其保护方法为：

第一步：采样数据滤波

采样频率为40kHz，每4次采样滤波得1次采样点，采用中值算术平均滤波方式计算算术平均值；

第二步：采样数据换算

把采样滤波后的数据换算成实际输入电流值，接着对电流值进行区间转换：

I_CON＝(I_IN-CON_LP)×CON_M                 (2)

其中I_IN为实际输入电流值，V_REF为基准参考电压，D为从AD寄存器读取到的二进制码元的十进制表现形式，I_CON为区间转换后的电流值，CON_LP为区间转换的零偏，CON_M为区间转换的满度系数；

第三步：保护检测

对每个采样数据进行过电流瞬时保护、过电流延时保护、热反时限保护、近区短路保护、远区短路保护各自独立的保护检测：

A、过电流瞬时保护

当检测到I_CON即馈线测量电流I_mes大于过电流瞬时保护正向电流值参数+I＞＞或者小于过电流瞬时保护反向电流值参数-I＞＞，则依据过电流瞬时保护延迟时间参数t＞＞启动瞬时保护功能的延迟计数，在延迟计数时间段内，如果I_mes一直大于+I＞＞或者小于-I＞＞，则在延迟计数结束后过电流瞬时保护脱扣动作；如果I_mes出现小于+I＞＞或者大于-I＞＞，则退出过电流瞬时保护延迟计数等待下一次启动；

B、过电流延时保护

当检测到I_CON即馈线测量电流I_mes大于过电流延时保护正向电流值参数+I＞或者小于过电流延时保护反向电流值参数-I＞，则依据过电流延时保护延迟时间参数t＞启动延时保护功能的延迟计数，在延迟计数时间段内，如果I_mes一直大于+I＞或者小于-I＞，则在延迟计数结束后过电流延时保护脱扣动作；如果I_mes出现小于+I＞或者大于-I＞，则退出过电流延时保护延迟计数等待下一次启动；

C、热反时限保护

当检测到I_CON，即馈线测量电流I_mes大于I_th，则依据热反时限保护公式计算得到对应的热反时限保护脱扣动作延迟时间t_trip，热反时限保护报警延迟时间t_alarm，热反时限保护复位电流I_reset，并启动延迟计数，在t_alarm计数时间段内，如果I_mes一直大于I_th，则在延迟计数结束后热反时限保护报警，在t_trip计数时间段内，如果I_mes一直大于I_th，则在延迟计数结束后热反时限保护脱扣动作，如果I_mes出现小于I_reset，则退出t_alarm延迟计数，退出t_trip延迟计数等待下一次启动，解除报警；

热反时限保护脱扣动作公式为：

热反时限保护报警公式为：

其中I_th为热反时限保护基本电流，T_th为时间常数，K_spl为修正因数，K_warn为告警值，K_trip为脱扣值，K_reset为复位值；

D、di/dt近区短路保护

当检测到I_CON即馈线测量电流I_mes的电流上升率大于di/dt_ins，此时t＝0、I＝I₀，则依据di/dt近区短路保护延迟时间参数t_ins启动延迟计数，如果在延迟计数时间段内，I_CON的电流上升率一直大于di/dt_ins，且在延迟计数结束时的ΔI，ΔI＝I-I₀大于近区短路保护电流增量参数I_ins，则di/dt近区短路保护脱扣动作，如果在延迟计数时间段内，I_CON的电流上升率出现小于di/dt_ins，或在延迟计数结束时的ΔI，ΔI＝I-I₀小于I_ins，则di/dt远区短路保护检测结束等待下一次启动；

E、di/dt远区短路保护

当检测到I_CON即馈线测量电流I_mes的电流上升率小于近区短路电流上升率保护启动参数di/dt_ins，但又大于远区短路电流上升率保护启动参数di/dt_del，此时t＝0、I＝I₀，则启动di/dt远区保护检测，直到检测到di/dt≈0，依据di/dt远区短路保护延迟时间参数t_del启动延迟计数，在延迟计数后，如果ΔI，ΔI＝I-I₀大于远区短路保护电流增量参数t_del，则di/dt远区短路保护脱扣动作；如果ΔI，ΔI＝I-I₀小于t_del，则di/dt近区短路保护检测结束等待下一次启动。

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