CN101916988B - 一种供电环网的智能保护回路架构系统及智能保护方法 - Google Patents

Abstract

一种供电环网的智能保护回路架构系统及智能保护方法。该系统以供电环网中的各段母线、各环网电缆以及各馈线回路中的变压器作为独立的保护对象，各保护对象通过与之直接连接的进线、出线断路器共同构成了该保护对象的保护域；通过有关电流传感器与相关保护装置联网，达到信息资源共享，保护装置可提取网上任一传感器的输出信息，如保护对象发生短路故障，各相关保护装置能迅速提取到故障区域两端的电流信息，综合判断，以很短的延时迅速切除故障区域两端的断路器，如故障区域的某断路器发生故障而拒绝分闸，则系统将保护扩大到后备区域。本发明系统保护无需整定计算，适合大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

Description

一种供电环网的智能保护回路架构系统及智能保护方法

【技术领域】

本发明涉及城市轨道交通供电系统35kV、10kV、0.4kV中低压环网供电系统继电保护技术领域，特别是涉及一种供电环网的智能保护回路架构系统及智能保护方法。

【背景技术】

轨道交通的供电系统包括提供电力的主变电所或开闭所和分布于各车站的牵引或降压变电所组成，主变电所或开闭所通过电缆将35kV或10kV电力输送到各车站变电所的进线断路器，再经该变电所的35kV或10kV母线连接到出线断路器，再经出线断路器用电缆输出到下一个车站变电所的进线，以此类推，形成供电环网。

轨道交通中压环网采用多分区短环串的接线方式，每个分区内串接3～4个牵引降压变电所组成了短环串。在每个环串内，为了保证选择性，过流保护定值之间按0.3秒的时间级差配合，从末端到主变电所低压母线进线开关的跳闸时间就需要1.8秒，但由于轨道交通主变电所或开闭所一般归电力部门管辖，电力调度提供的主变电所35kV侧母线的定值一般小于1.8秒，甚至可能只有0.5秒，这样只能压缩环网上保护的跳闸时间设定，这会造成环网保护装置之间的级差无法正常配合，或只能压缩变电所间配合级数，牺牲了保护的选择性，也就无法满足环网供电系统对继电保护的要求。另外，为了保证保护的速动性，在2个变电所间的中压环网设置差动保护作为主保护。目前，国内外的保护装置，差动、过流保护一般分别为不同的保护装置。由于差动保护装置价格比较昂贵，且35kV环网馈线的故障率相对来说并不大，这种配置必然提高了工程的造价。

综上所述，利用传统保护配合思路不能较理想地解决这些矛盾。

随着计算机技术和网络通信技术的发展，保护装置无论在原理、元件和功能上都有了长足的进步，目前的保护装置大多采用多CPU结构，信息处理量越来越大，功能越来越多，出现了保护功能集成化的发展趋势；装置之间的通信能力大大增强，能通过光纤或无线通信实现长达三十多公里的远程通信功能；保护装置越来越集成化和可编程功能，装置可以通过多达几十个接点量的二进制触发输入或通过光纤通信传递的输入信息，进行在线编程，智能输出；装置内可以集成多种保护，也可以设多组相同的保护；在这种发展趋势下，控制、保护、信号和通信一体化的多功能综合保护测控单元成为保护装置的发展方向。如果将站内和站间有关综合测控一体化装置进行联网或通过光纤或无线通信直接连接，利用网络信息资源共享和网络通信的快速响应性，将保护的采样信息或保护动作信息在有关保护装置之间进行联网通信，并通过可编程功能参与保护动作判据，能够解决上述矛盾，从而达到降低造价又不失可靠性并增加选择性的目的。

【发明内容】

本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种供电环网的智能保护回路架构系统及智能保护方法。

本发明是将每个变电所进出线环网以及各车站变电所综合保护测控的一体化装置，具备多电流保护和可编程功能，再通过光纤或无线等传输媒介，共享相关的电流信息，从而实现变电所间和变电所内的电流信息资源共享，并通过相关保护装置对相关电流信息的综合利用，可以在增强35kV、10kV环网保护的选择性、速动性、灵敏性、可靠性的前提下，切实可行的解决了保护时限的问题。

本发明提供的供电环网的智能保护回路架构系统是由各个变电所为一个独立单元共同构成，各变电所的具体结构包括：

第一个变电所

进线支路：由串接在一起的第一断路器7和第一电流传感器15构成，用于接收来自外部电源20的电力供应，并向第一段母线49馈出电力；

第一段母线49：一方面向该母线上的馈线输送电力，另一方面通过第一环网电缆50向第二个变电所送电；

第一环网送电支路：由串连在一起的第二断路器8和第二电流传感器16构成，并串接在第一段母线49和第一环网电缆50之间；

第一段母线49上的馈线回路：第一段母线49上的馈线回路至少有一个，均由变压器47以及变压器47两端分别串接的两个电流传感器（19、21）和两个断路器（11、13）组成，用于向馈线送电，两个断路器分别是进线断路器11和出线断路器13；

第一保护装置1：一端分别通过跳闸回路连接第一断路器7和第一段母线49上各馈线回路中的断路器，另一端连接第一交换机或光纤转接箱5；

第二保护装置2：一端分别通过跳闸回路连接第二断路器8和第一段母线49上各馈线回路中的断路器，另一端连接第一交换机或光纤转接箱5；

第一保护装置和第二保护装置用于接收来自直接连接的各断路器上串联的电流传感器中的电流值信息，以及通过其它交换机或光纤转接箱间接连接的各断路器上串联的电流传感器中的电流值信息，并与第一保护装置和第二保护装置内预先设定的电流值比较，当接收到的电流值符合设定的断路器跳闸条件时，则通过输出端连接到跳闸回路，并将相关断路器跳开；

以上所述的第一和第二（包括后面的第三和第四）保护装置是集电流测量、控制和通信为一体的微机型保护装置，硬件形式与目前市场上已有的保护装置相同，在输入和输出回路配置以及算法方面采用本发明中的规定即可，用于接收供电系统中相关支路的电流值信息，也可以通过通信端连接到交换机或光纤转接箱，通过光纤回路接收更远处的电流传感器的信息，保护装置将接收到的电流值信息与装置内预先设定的值比较，当接收到的电流值符合设定的断路器跳闸条件时，则通过输出端连接到跳闸回路，并将断路器跳开。

第一交换机或光纤转接箱5：一方面分别连接第一保护装置1和第二保护装置2，另一方面分别连接进线支路中的第一电流传感器15、第一环网送电支路中的第二电流传感器16以及第一段母线49上各馈线回路中的两个电流传感器，同时通过光纤或跳接光缆连接第二个变电所内的第二交换机或光纤转接箱6；用于将与第一交换机或光纤转接箱5直接连接的各电流传感器中的电流值信息以及通过其它交换机或光纤转接箱间接连接的各电流传感器中的电流值信息传递给第一保护装置1和/或第二保护装置2；

第一环网电缆50：进线端连接第一环网送电支路，用于向第二个变电所送电；以及

第一段光纤或跳接光缆52：连接第一交换机或光纤转接箱5和第二个变电所内的第二交换机或光纤转接箱6；

第二个变电所

第二段母线51的进线支路：由串接在一起的第三断路器9和第三电流传感器17构成，用于接收来自第一环网电缆50的电力供应，并向第二段母线51馈出电力；

第二段母线51：一方面向该母线上的馈线输送电力，另一方面通过第二环网电缆54向第三个变电所送电；

第二环网送电支路：由串连在一起的第四断路器10和第四电流传感器18构成，串接在第二段母线51和第二环网电缆54之间，并通过第二环网电缆54向第三个变电所送电，依次类推；

第二段母线51上的馈线回路：第二段母线51上的馈线回路同样至少有一个，均由变压器48以及变压器48两端分别串接的两个电流传感器（20、22）和两个断路器（12、14）组成，用于向馈线送电，两个断路器分别是进线断路器12和出线断路器14；

第三保护装置3：一端分别通过跳闸回路连接第三断路器9和第二段母线51上各馈线回路中的断路器，另一端连接第二交换机或光纤转接箱6；

第四保护装置4：一端分别通过跳闸回路连接第四断路器10和第二段母线51上各馈线回路中的断路器，另一端连接第二交换机或光纤转接箱6；

第三保护装置和第四保护装置用于接收来自直接连接的各断路器上串联的电流传感器中的电流值信息，以及通过其它交换机或光纤转接箱间接连接的各断路器上串联的电流传感器中的电流值信息，并与第三保护装置和第四保护装置内预先设定的电流值比较，当接收到的电流值符合设定的断路器跳闸条件时，则通过输出端连接到跳闸回路，并将相关断路器跳开；

第二交换机或光纤转接箱6：一方面分别连接第三保护装置3和第四保护装置4，另一方面分别连接第二段母线51的进线支路中的第三电流传感器17、第二环网送电支路中的第四电流传感器18以及第二段母线51上各馈线回路中的两个电流传感器，同时通过第二段光纤或跳接光缆连接第三个变电所内的第三交换机或光纤转接箱，依次类推；用于将与第二交换机或光纤转接箱直接连接的各电流传感器中的电流值信息以及通过其它交换机或光纤转接箱间接连接的各电流传感器中的电流值信息传递给第三保护装置3和/或第四保护装置4；

第二环网电缆54：进线端连接第二环网送电支路，用于向第三个变电所送电，依次类推；以及

第二段光纤或跳接光缆53：连接第二交换机或光纤转接箱6和第三个变电所内的第三交换机或光纤转接箱，用于实现各保护装置对所有的电流传感器信息的共享，依次类推；

上述第一段母线49在第一个变电所内，第二段母线51在第二个变电所内，第一环网电缆50为第一个和第二个变电所之间的联接电缆；

第三个变电所：结构和第一、第二个变电所相同，依次类推至整个环网。

本发明同时提供了实现以上所述系统的供电环网的智能保护方法，该方法包括：

第1、确定保护域：将供电环网中的各段母线、各环网电缆以及各馈线回路中的变压器作为独立的保护对象，与各保护对象直接连接的进线断路器和出线断路器共同构成了该保护对象的保护域；

第2、确定后备保护域：将各保护域中的任何一个断路器后面与之紧邻的最近的断路器与其余断路器一起构成该保护域的后备保护域，各保护域的后备保护域不止一个；

第3、各保护域是否启动工作的判定：各保护装置根据检测到的各电流传感器的电流信息确定各保护域是否启动工作：

第3.1、保护域不动作的判据：当保护域环网上任何一端的电流向量值I_a与本保护域另一端各支路电流的向量和符合如下公式，则保护域不动作：

$I_a+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\≥k{I}_a$

其中，k值取1.2～1.7，n为保护域另一端的总支路数，I_i为n个支路中的第i支路的支路电流向量值，i=1，2，……，n，

表示将保护域另一端所有支路电流向量值求和，

每条支路是由断路器和电流传感器等组成；如果保护域另一端为一个支路，则i=1，n=1，如果另一端有支路数为3，则i取值分别为i=1、2、3，n=3。

第3.2、保护域动作的判据：当保护域环网上任何一端的电流向量值I_a与本保护域另一端各支路电流的向量和符合如下公式，则保护域动作：

$I_a+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_i<k{I}_a;$

第4、后备保护域保护动作的判据：规定保护域保护动作的时限为t₁，后备保护域保护动作的时限为t₂，对于t₂＞t₁时刻，当后备保护域环网上任意与保护域不重叠端的电流向量值I_b符合如下公式，则后备保护域动作：

$I_b+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_i<k{I}_b$

n为后备保护域另一端的总支路数，I_i为n个支路中的第i支路的支路电流向量值，

表示将后备保护域另一端所有支路电流向量值求和；

一般保护域的保护动作时限t₁可以取20～50ms，后备保护域的保护动作时限t₂可以取100ms～200ms；

第5、当相关保护装置检测到所负责的保护域符合第3.2步中保护域动作的判据或第4步后备保护域的保护动作判据时，立即跳开所负责的保护域各端的断路器或后备保护域各端的断路器，切除故障，后备保护域比保护域的保护动作的时限长。

本发明方法第1步所述的保护域包括：

对第一段母线49的保护域：在第一和第二断路器（7、8）以及第一段母线49上的馈线回路中进线断路器11之间组成，第一和第二保护装置（1、2）中的任何一个均可以实施对该保护域的保护任务；

对第一段母线（49）上的馈线回路中变压器47的保护域：在进线断路器11和出线断路器13之间组成，第一和第二保护装置（1、2）中的任何一个均可以实施对该保护域的保护任务；

对第一环网电缆50的保护域：在第二和第三断路器（8、9）之间组成；第一至第四保护装置（1、2、3、4）中的任何一个均可以实施对该保护域的保护任务；

对第二段母线51的保护域：在第三和第四断路器（9、10）以及第二段母线51上的馈线回路中进线断路器12之间组成，第三和第四保护装置（3、4）中的任何一个均可以实施对该保护域的保护任务；

对第二段母线（51）上的馈线回路中变压器48的保护域：在进线断路器12和出线断路器14之间组成，第三和第四保护装置（3、4）中的任何一个均可以实施对该保护域的保护任务。

第2步所述的后备保护域包括：

对第一环网电缆50或对第一段母线49的后备保护域：在第一和第三断路器（7、9）以及第一段母线49上的馈线回路中进线断路器11之间组成，第一和第二保护装置（1、2）中的任何一个均可以实施对该后备保护域的保护任务；

对第一环网电缆50或对第二段母线51的后备保护域：在第二和第四断路器（8、10）以及第二段母线51上的馈线回路中进线断路器12之间组成，第三和第四保护装置（3、4）中的任何一个均可以实施对该后备保护域的保护任务。

本发明的优点和积极效果：

本发明通过有关电流传感器与相关保护装置联网，组成系统保护网，达到信息资源共享，网络上保护装置可以提取网上任何一个传感器输出信息，如果环网上的电缆、母线或变压器设备的自己区域发生短路故障，那么，系统保护网上的相关保护装置能够迅速提取到故障区域两端的电流信息，综合判断，以很短的延时迅速切除故障区域两端的断路器，如果故障区域的提供短路电流侧的断路器发生故障而拒绝分闸，则系统保护将保护区域扩大到后备区域，进行判断，跳闸。与现有技术相比，本发明提供的方法保证了在环网上最大0.5秒的时间内可以拓展出主、后备保护域，保证了环网上保护的选择性，同时，由于任何一个保护域发生故障，均会由两套保护装置进行保护；更主要的，环网和馈线的保护具备智能化自适应特征，无需整定。

本发明系统保护架构不用通过设置保护时差而获得选择性，切实可行地解决了保护时限小的问题，增强了35kV或10kV环网保护的选择性、速动性、灵敏性、可靠性，适合大规模的推广应用，从而实现传统分立的继电保护装置无法实现的功能要求，满足了城市轨道交通供电环网的有效保护，具有重大的生产实践意义。

【附图说明】

图1为本发明提供的一种针对环网系统保护架构（部分）示意图；

图2为本发明提供的环网中正常负荷电流的流向示意图；

图3为本发明提供的环网中母线51短路故障电流的流向示意图；

图4为本发明提供的环网中环网电缆50短路故障电流的流向示意图；

图5为本发明提供的变压器48短路故障电流的流向示意图。

图中，1-4第一至第四保护装置，5-6第一和第二交换机或光纤转接箱，7-10第一至第四断路器，11-14馈线回路中的断路器，52-53第一、第二段光纤或跳接光缆，15-18第一至第四电流传感器，19-22馈线回路中的电流传感器，47-48变压器，49和51为第一、第二段母线，50和54为第一、第二环网电缆，23-30为电流传感器输出信号传输线，31-46为断路器跳闸连接线组成的跳闸回路。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例1、供电环网的智能保护回路架构系统，如图1所示包括：

第一个变电所

进线支路：由串接在一起的第一断路器7和第一电流传感器15构成，用于接收来自外部电源20的电力供应，并向第一段母线49馈送电力；

第一段母线49：一方面向第一馈线输送电力，另一方面通过第一环网电缆50向远距离的下一个回路（即第二个变电所）送电；

第一环网送电支路：由串连在一起的第二断路器8和第二电流传感器16构成，并串接在第一段母线49和第一环网电缆50之间；

第一段母线49上的馈线回路：第一段母线49上的馈线回路至少有一个，均由变压器以及变压器两端分别串接的两个电流传感器和两个断路器组成，用于向馈线送电；

第一保护装置1：一端分别通过跳闸回路连接第一断路器7和第一段母线49上各馈线回路中的断路器，另一端连接第一交换机或光纤转接箱5；

第二保护装置2：一端分别通过跳闸回路连接第二断路器8和第一段母线49上各馈线回路中的断路器，另一端连接第一交换机或光纤转接箱5；

第一和第二保护装置用于接收来自直接连接的各断路器上串联的电流传感器中的电流值信息，以及通过其它交换机或光纤转接箱间接连接的各断路器上串联的电流传感器中的电流值信息，并与保护装置内预先设定的电流值比较，当接收到的电流值符合设定的断路器跳闸条件时，则通过输出端连接到跳闸回路，并将相关断路器跳开；

以上所述的第一和第二（包括后面的第三和第四）保护装置是集电流测量、控制和通信为一体的微机型保护装置，硬件形式与目前市场上已有的保护装置相同，在输入和输出回路配置以及算法方面采用本发明中的规定即可，用于接收供电系统中相关支路的电流值信息，也可以通过通信端连接到交换机或光纤转接箱，通过光纤回路接收更远处的电流传感器的信息，保护装置将接收到的电流值信息与装置内预先设定的值比较，当接收到的电流值符合设定的断路器跳闸条件时，则通过输出端连接到跳闸回路，并将断路器跳开。

第一交换机或光纤转接箱5：一方面分别连接第一保护装置1和第二保护装置2，另一方面分别连接进线支路中的第一电流传感器15、第一环网送电支路中的第二电流传感器16以及第一段母线49上各馈线回路中的两个电流传感器，同时通过光纤或跳接光缆连接第二交换机或光纤转接箱；用于将与该交换机或光纤转接箱直接连接的各电流传感器中的电流值信息以及通过其它交换机或光纤转接箱间接连接的各电流传感器中的电流值信息传递给第一保护装置1和/或第二保护装置2；

第一环网电缆50：进线端连接第一环网送电支路，用于向远距离的下一个回路送电；

第一段光纤或跳接光缆52：连接第一交换机或光纤转接箱5和第二交换机或光纤转接箱6。

第二个变电所

第二段母线51的进线支路：由串接在一起的第三断路器9和第三电流传感器17构成，用于接收来自第一环网电缆50的电力供应，并向第二段母线51馈出电力；

第二段母线51：一方面向该母线上的馈线输送电力，另一方面通过第二环网电缆54向远距离的另一个回路（即第三变电所）送电；

第二环网送电支路：由串连在一起的第四断路器10和第四电流传感器18构成，串接在第二段母线51和第二环网电缆54之间，并通过第二段环网电缆54向第三个变电所送电，依次类推；

第二段母线51上的馈线回路：第二段母线51上的馈线回路同样至少有一个，均由变压器以及变压器两端分别串接的两个电流传感器和两个断路器组成，用于向馈线送电；

第三保护装置3：一端分别通过跳闸回路连接第三断路器9和第二段母线51上各馈线回路中的断路器，另一端连接第二交换机或光纤转接箱6；

第四保护装置4：一端分别通过跳闸回路连接第四断路器10和第二段母线51上各馈线回路中的断路器，另一端连接第二交换机或光纤转接箱6；

第三和第四保护装置用于接收来自直接连接的各断路器上串联的电流传感器中的电流值信息，以及通过其它交换机或光纤转接箱间接连接的各断路器上串联的电流传感器中的电流值信息，并与保护装置内预先设定的电流值比较，当接收到的电流值符合设定的断路器跳闸条件时，则通过输出端连接到跳闸回路，并将相关断路器跳开；

第二交换机或光纤转接箱5：一方面分别连接第三保护装置3和第四保护装置4，另一方面分别连接第二段母线51的进线支路中的第三电流传感器17、第二环网送电支路中的第四电流传感器18以及第二段母线51上各馈线回路中的两个电流传感器，同时通过光纤或跳接光缆连接其它交换机或光纤转接箱，依次类推；用于将与该交换机或光纤转接箱直接连接的各电流传感器中的电流值信息以及通过其它交换机或光纤转接箱间接连接的各电流传感器中的电流值信息传递给第三保护装置3和/或第四保护装置4；

第二环网电缆54：进线端连接第二环网送电支路，用于向远距离的另一个回路送电，依次类推；

第二段光纤或跳接光缆53：连接第二交换机或光纤转接箱6和第三交换机或光纤转接箱，用于实现各保护装置对所有的电流传感器信息的共享，依次类推；

上述第一段母线49在第一个变电所内，第二段母线51在第二个变电所内，第一段环网电缆50为两个变电站之间的联接电缆；

第三个变电所：结构和第一第二个变电所相同，依次类推至整个环网。

本发明在具体的设计中，可以充分考虑通信或转接箱5和6的高可靠性，以保证某一个电流传感器的输出可以经过不同的路径到达相关保护装置中，光缆52或53可以是一组多光纤芯线。

第一和第二保护装置1和2中的保护配置相同，包含的电流传感器的信息相同，第三和第四保护装置3和4中的保护配置相同，包含的电流传感器的信息相同。第一保护装置1也可以直接令第二断路器8跳闸，第二保护装置2也可以直接令第一断路器7跳闸；第三保护装置3也可以直接令第四断路器10跳闸，第四保护装置4也可以直接令第三断路器9跳闸。

正常运行时，可以设置第二和第三保护装置2和3负责有关主保护域的监控和保护，而设置第一和第四保护装置1和4负责相关后备保护域的监视和保护；也可以设置第二和第三保护装置2和3为主保护，负责主保护域和后备保护域的监视和保护工作，如果第二保护装置2故障，则直接由第一保护装置1代替其工作，如果第三保护装置3故障，则第四保护装置4代替其工作。

第一保护装置1通过跳闸回路31可以令第一断路器7跳闸，通过跳闸回路34令第一馈线回路中的断路器11跳闸，或通过跳闸回路33可以令断路器13跳闸。第二保护装置2通过跳闸回路35可以令第二断路器8跳闸，通过跳闸回路38令第一馈线回路中的断路器11跳闸，或通过跳闸回路37可以令断路器13跳闸。

第三保护装置3通过跳闸回路39可以令第三断路器9跳闸，通过跳闸回路42令第二馈线回路中的断路器12跳闸，或通过跳闸回路41可以令断路器14跳闸。第四保护装置4通过跳闸回路43可以令第四断路器10跳闸，通过跳闸回路45令第二馈线回路中的断路器12跳闸，或通过跳闸回路46可以令断路器14跳闸。

图1表达了简化的三相环网供电网络，每一条线表达的是三相。

如图3所示，图3表达了当第二段母线51发生短路时，有关短路相的电流分布。本发明所述系统保护的主要保护域是一段环网电缆或母线，当电缆或母线发生故障时，需要保护域两端的断路器跳闸，同时，该保护域的后备保护域的保护也启动，只是后备保护域的动作时限比主保护域的稍长，因此，如果保护域的一段断路器拒动，则将备用保护域经过一段延时后保护动作，后备保护域比主保护域的范围大，保护动作的时间长。

由此可见，与现有技术相比，本发明提供的保护方法保证了在环网上最大0.5秒的时间内可以拓展出主、后备保护，保证了环网上保护的选择性，同时，由于任何一个保护域发生故障，则均会由两套保护装置进行保护；更主要的，环网和馈线的保护具备智能化自适应特征，无需整定，具有重大的生产实践意义。

实施例2、供电环网的智能保护方法，包括：

第1、确定保护域：将供电环网中的各段母线、各环网电缆以及各馈线回路中的变压器作为独立的保护对象，与各保护对象直接连接的进线断路器和出线断路器共同构成了该保护对象的保护域；

第2、确定后备保护域：将各保护域中的任何一个断路器后面与之紧邻的最近的断路器与其余断路器一起构成该保护域的后备保护域，各保护域的后备保护域不止一个；

第3、各保护域是否启动工作的判定：各保护装置根据检测到的各电流传感器的电流信息确定各保护域是否启动工作：

第3.1、保护域不动作的判据：当各保护域环网上任何一端的电流向量值I_a符合如下公式，则保护域不动作：

$I_a+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_i\&GreaterEqual;k{I}_a$

其中，k值取1.2～1.7，n为保护域另一端的总支路数，I_i为n个支路中的第i支路的支路电流向量值，i=1，2，……，n，

表示将保护域另一端所有支路电流求和，

每条支路是由断路器和电流传感器等组成；如果保护域另一端为一个支路，则i=1，n=1，如果另一端有支路数为3，则i取值分别为i=1、2、3，n=3。

第3.2、保护域动作的判据：当各保护域环网上任何一端的电流向量值I_a符合如下公式，则保护域动作：

$I_a+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_i<k{I}_a;$

第4、后备保护域的保护动作判据：规定保护域保护动作的时限为t₁，后备保护域保护动作的时限为t₂，对于t₂＞t₁时刻，当后备保护域环网上任意与保护域不重叠端的电流向量值I_b符合如下公式，则后备保护域动作：

$I_b+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_i<k{I}_b$

n为后备保护域另一端的总支路数，I_i为n个支路中的第i支路的支路电流，

表示将后备保护域另一端所有支路电流求和；

一般保护域的保护动作时限t₁可以取20～50ms，后备保护域的保护动作时限t₂可以取100ms～200ms；

第5、当相关保护装置检测到所负责的保护域中各个端的电流传感器的电流值符合第3.2步中保护域动作的判据或第4步后备保护域的保护动作判据时，立即跳开所负责的保护域各端的断路器，切除故障，后备保护域比保护域的保护动作时间长。

实施例3、

如图2所示，图2表达了当环网有正常负荷电流时，有关回路中电流传感器中的电流分布，为了表达清晰，隐藏了各点电流传感器的图形符号。本发明所述系统的保护方法：

图2中，把I₁电流的箭头方向（指向环网电缆50）规定为正，I₂电流方向与I₁电流方向相同，因此，环网电缆50两侧的电流I₁和I₂电流大小相等，方向相同：

I₁+I₂≥kI₁，其中，k取值1.2～1.7，说明短路点不在断路器8和断路器9之间，符合不动作判据，故第二断路器8和第三断路器9均不跳闸。

对于母线51的保护域（第三和第四断路器9和10、及馈线回路中的断路器12之间），由于流经断路器9的电流I₂（指向母线51，设定为正方向），流经第四断路器10的电流I₃和流经断路器12的I₄均远离母线51，I₃+I₄约等于I₂，故：

I₂+I₃+I₄≥kI₂,说明故障点不在第三和第四断路器9和10、及馈线回路中的断路器12之间，符合不动作判据。

实施例4、

如图3所示，图3表达了母线51短路故障电流的流向示意图

当母线51发生短路时，由于流经第三断路器9的电流I₂指向母线51（规定此电流方向为正），流经第四断路器10的电流I₃和流经断路器12的电流I₄或流向母线51，或为零，或与I₂的方向相反，均为负值，因此，I₃+I₄也相对于I₂为负值，故：

I₂+I₃+I₄＜kI₂，其中，k取值1.2～1.7，说明短路点在断路器9、断路器10和断路器12之间，符合保护域动作判据，经过保护动作时间为t₁。使得断路器9、断路器10和断路器12跳闸。

当母线51发生短路时，由于流经第二断路器8的电流I₁指向母线51（规定此电流方向为正），流经第四断路器10的电流I₃和流经断路器12的电流I₄或流向母线51，或为零，或与I₂的方向相反，均为负值，因此，I₃+I₄也相对于I₁为负值，或为零，故

I₁+I₃+I₄＜kI₁,其中，k取值1.2～1.7，符合后备保护域8、10、12的动作判据。

经过后备保护域保护动作时间为t₂，使得第二断路器8、第四断路器10和断路器12跳闸。

t₂＞t₁，保证了选择性。

显然，当母线51发生短路故障时，主保护域9、10、12和后备保护域8、10、12同时启动，只有当断路器9拒动时，后备保护域8、10、12才能动作。

优选地，所述母线49和51均可以接入任何包含断路器和电流传感器的馈线，同样符合保护动作判据。

实施例5、

如图4所示，图4表达了环网电缆50短路故障电流的流向示意图；

当环网电缆50发生短路时，环网电缆两端的第二和第三断路器8和9应该跳闸，此时，环网电缆一端的电流I₂从第二断路器8指向故障点，规定此电流的方向为正，环网电缆的另一端电流I₃指向故障点（此时I₃电流方向与I₂的电流方向相反，因此为负）或没有故障电流，两个方向的电流和为：

I₂+I₃＜kI₂,其中，k取值1.2～1.7，动作时间为t₁。

当环网电缆50发生短路时，由于流经第一断路器7的电流I₁流向环网电缆50，规定此电流方向为正，流经第三断路器9的电流I₃和流经断路器11的电流I₄或流向环网电缆50（此时I₃或I₄电流方向与I₁的电流方向相反，因此为负），或为零。I₃+I₄相对于I₁为负值，或为零，说明故障点位于第一断路器7、第三断路器9和断路器11之间，故符合后备保护域7、9、11的动作判据：

I₁+I₃+I₄＜kI₁,动作时间为t₂，t₂＞t₁，保证了选择性。

显然，当环网电缆50发生短路故障时，主保护域8、9和后备保护域7、9、11同时启动，只有当第二断路器8拒动时，后备保护域7、9、11才能动作。

实施例6、

如图5所示，图5表达了变压器发生短路故障时电流的流向示意图；

当变压器48发生短路故障，仍然有两个公式：

对于断路器12和14间主保护域：

I₄+I₅＜kI₄,其中，k取值1.2～1.7，动作时间为t₁;

对于第三断路器9、10和14，的后备保护域：

I₂+I₃+I₅＜kI₂,其中，k取值1.2～1.7，动作时间为t₂，t₂＞t₁

而断路器9、10、12间的保护域因满足判据I₂+I₃+I₄+I₆≥kI₂，因此，断路器9、10、12之间的保护域不会发生保护动作。证明如下：

如图5所示，设I₂的电流方向为正，I₃与I₂的电流向相反，符号为负，即I₂=-︱I₃︱，I₆是I₂向短路点48贡献的短路电流，流经过断路器12时，电流方向变得与I₂相同，方向为正，I₄是I₃向短路点48贡献的短路电流，流经过断路器12时，电流方向变得与I₂相同，方向为正，显然，I₆=I₂，I₃的模值与I₄的模值相等，即I₄=+︱I₃︱，所以，当在变压器48处发生短路故障时，对于断路器9、10、12间的保护域，因I₂+I₃+I₄+I₆=I₂-︱I₃︱+︱I₃︱+I₂=2I₂≥kI₂，所以，断路器9、10、12间的保护域不会动作。

对于本发明，可以在35kV或10kV环网智能动态设置保护域和后备保护域，不需要很长的保护动作时限就能迅速切除故障，只要保护装置所能提取到的电流传感器的信息，均能参与保护域的故障的判断，且可以动态伸缩。因此，本发明可以很好地适用于城市轨道交通所有类型的交流供电网络的保护。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种供电环网的智能保护回路架构系统，其特征在于，该系统由各个变电所为一个独立单元共同构成，各变电所的具体结构如下：

第一个变电所包括

进线支路：由串接在一起的第一断路器（7）和第一电流传感器（15）构成，用于接收来自外部电源（20）的电力供应，并向第一段母线（49）馈出电力；

第一段母线（49）：一方面向该母线上的馈线输送电力，另一方面通过第一环网电缆（50）向第二个变电所送电；

第一环网送电支路：由串联在一起的第二断路器（8）和第二电流传感器（16）构成，并串接在第一段母线（49）和第一环网电缆（50）之间；

第一段母线（49）上的馈线回路：第一段母线（49）上的馈线回路至少有一个，均由变压器（47）以及变压器（47）两端分别串接的两个电流传感器（19、21）和两个断路器（11、13）组成，用于向馈线送电，两个断路器分别是进线断路器（11）和出线断路器（13）；

第一保护装置（1）：一端分别通过跳闸回路连接第一断路器（7）和第一段母线（49）上各馈线回路中的断路器，另一端连接第一交换机或光纤转接箱（5）；

第二保护装置（2）：一端分别通过跳闸回路连接第二断路器（8）和第一段母线（49）上各馈线回路中的断路器，另一端连接第一交换机或光纤转接箱（5）；

第一保护装置（1）和第二保护装置（2）用于接收来自直接连接的各断路器上串联的电流传感器中的电流值信息，以及通过其它交换机或光纤转接箱间接连接的各断路器上串联的电流传感器中的电流值信息，并与第一保护装置（1）和第二保护装置（2）内预先设定的电流值比较，当接收到的电流值符合设定的断路器跳闸条件时，则通过输出端连接到跳闸回路，并将相关断路器跳开；

第一交换机或光纤转接箱（5）：一方面分别连接第一保护装置（1）和第二保护装置（2），另一方面分别连接进线支路中的第一电流传感器（15）、第一环网送电支路中的第二电流传感器（16）以及第一段母线（49）上各馈线回路中的两个电流传感器（19、21），同时通过第一段光纤或跳接光缆（52）连接第二个变电所内的第二交换机或光纤转接箱（6），用于将与第一交换机或光纤转接箱（5）直接连接的各电流传感器中的电流值信息以及通过其它交换机或光纤转接箱间接连接的各电流传感器中的电流值信息传递给第一保护装置（1）和/或第二保护装置（2）；

第一环网电缆（50）：进线端连接第一环网送电支路，用于向第二个变电所送电；以及

第一段光纤或跳接光缆（52）：连接第一交换机或光纤转接箱（5）和第二个变电所内的第二交换机或光纤转接箱（6）；

第二个变电所包括

第二段母线（51）的进线支路：由串接在一起的第三断路器（9）和第三电流传感器（17）构成，用于接收来自第一环网电缆（50）的电力供应，并向第二段母线（51）馈出电力；

第二段母线（51）：一方面向该母线上的馈线输送电力，另一方面通过第二环网电缆（54）向第三个变电所送电；

第二环网送电支路：由串联在一起的第四断路器（10）和第四电流传感器（18）构成，串接在第二段母线（51）和第二环网电缆（54）之间，并通过第二环网电缆（54）向第三个变电所送电，依次类推；

第二段母线（51）上的馈线回路：第二段母线（51）上的馈线回路同样至少有一个，均由变压器（48）以及变压器（48）两端分别串接的两个电流传感器（20、22）和两个断路器（12、14）组成，用于向馈线送电，两个断路器分别是进线断路器（12）和出线断路器（14）；

第三保护装置（3）：一端分别通过跳闸回路连接第三断路器（9）和第二段母线（51）上各馈线回路中的断路器，另一端连接第二交换机或光纤转接箱（6）；

第四保护装置（4）：一端分别通过跳闸回路连接第四断路器（10）和第二段母线（51）上各馈线回路中的断路器，另一端连接第二交换机或光纤转接箱（6）；

第三保护装置（3）和第四保护装置（4）用于接收来自直接连接的各断路器上串联的电流传感器中的电流值信息，以及通过其它交换机或光纤转接箱间接连接的各断路器上串联的电流传感器中的电流值信息，并与第三保护装置（3）和第四保护装置（4）内预先设定的电流值比较，当接收到的电流值符合设定的断路器跳闸条件时，则通过输出端连接到跳闸回路，并将相关断路器跳开；

第二交换机或光纤转接箱（6）：一方面分别连接第三保护装置（3）和第四保护装置（4），另一方面分别连接第二段母线（51）的进线支路中的第三电流传感器（17）、第二环网送电支路中的第四电流传感器（18）以及第二段母线（51）上各馈线回路中的两个电流传感器（20、22），同时通过第二段光纤或跳接光缆（53）连接第三个变电所内的第三交换机或光纤转接箱，依次类推，用于将与第二交换机或光纤转接箱（6）直接连接的各电流传感器中的电流值信息以及通过其它交换机或光纤转接箱间接连接的各电流传感器中的电流值信息传递给第三保护装置（3）和/或第四保护装置（4）；

第二环网电缆（54）：进线端连接第二环网送电支路，用于向第三个变电所送电，依次类推；以及

第二段光纤或跳接光缆（53）：连接第二交换机或光纤转接箱（6）和第三个变电所内的第三交换机或光纤转接箱，用于实现各保护装置对所有的电流传感器信息的共享，依次类推；

其中，上述第一段母线（49）在第一个变电所内，第二段母线（51）在第二个变电所内，第一环网电缆（50）为第一个和第二个变电所之间的联接电缆；

第三个变电所的结构和第一第二个变电所相同，依次类推至整个环网。

2.一种实现权利要求1所述系统的供电环网的智能保护方法，其特征在于该方法包括：

第1步、确定保护域：将供电环网中的各段母线、各环网电缆以及各馈线回路中的变压器作为独立的保护对象，与各保护对象直接连接的进线断路器和出线断路器共同构成了该保护对象的保护域；

第2步、确定后备保护域：将各保护域中的任何一个断路器后面与之紧邻的最近的断路器与其余断路器一起构成该保护域的后备保护域，各保护域的后备保护域不止一个；

第3步、各保护域是否启动工作的判定：各保护装置根据检测到的各电流传感器的电流信息确定各保护域是否启动工作：

第3.1步、保护域不动作的判据：当保护域环网上任何一端的电流向量值I_a与本保护域另一端各支路电流的向量和符合如下公式时，则保护域不动作：

$I_a+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_i\&GreaterEqual;k{I}_a$

其中，k值取1.2～1.7，n为保护域另一端的总支路数，I_i为n个支路中的第i支路的支路电流向量值，i=1，2，……，n，

表示将保护域另一端所有支路电流向量值求和；

第3.2步、保护域动作的判据：当保护域环网上任何一端的电流向量值I_a与本保护域另一端各支路电流的向量和符合如下公式时，则保护域动作：

$I_a+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_i<k{I}_a$

第4步、后备保护域保护动作的判据：规定保护域保护动作的时限为t₁，后备保护域保护动作的时限为t₂，对于t₂＞t₁时刻，当后备保护域环网上任意与保护域不重叠端的电流向量值I_b符合如下公式，则后备保护域动作：

$I_b+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_i<k{I}_b$

n为后备保护域另一端的总支路数，I_i为n个支路中的第i支路的支路电流向量值，表示将后备保护域另一端所有支路电流向量值求和；

第5步、当相关保护装置检测到所负责保护域符合第3.2步中保护域动作的判据或第4步后备保护域的保护动作判据时，立即跳开所负责保护域各端的断路器或后备保护域各端的断路器，切除故障，后备保护域比保护域的保护动作的时限长。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于第1步所述的保护域包括：

对第一段母线（49）的保护域：在第一和第二断路器（7、8）以及第一段母线（49）上的馈线回路中进线断路器（11）之间组成，第一和第二保护装置（1、2）中的任何一个均可以实施对该保护域的保护任务；

对于第一段母线（49）上的馈线回路中的变压器（47）的保护域：在进线断路器（11）和出线断路器（13）之间组成，第一和第二保护装置（1、2）中的任何一个均可以实施对该保护域的保护任务；

对第一环网电缆（50）的保护域：在第二和第三断路器（8、9）之间组成；第一至第四保护装置（1、2、3、4）中的任何一个均可以实施对该保护域的保护任务；

对第二段母线（51）的保护域：在第三和第四断路器（9、10）以及第二段母线（51）上的馈线回路中进线断路器（12）之间组成，第三和第四保护装置（3、4）中的任何一个均可以实施对该保护域的保护任务；

对于第二段母线（51）上的馈线回路中的变压器（48）的保护域：在进线断路器（12）和出线断路器（14）之间组成，第三和第四保护装置（3、4）中的任何一个均可以实施对该保护域的保护任务。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于第2步所述的后备保护域包括：

对第一环网电缆（50）或对第一段母线（49）的后备保护域：在第一和第三断路器（7、9）以及与第一段母线（49）连接的进线断路器（11）之间组成，第一和第二保护装置（1、2）中的任何一个均可以实施对该后备保护域的保护任务；

对第一环网电缆（50）或对第二段母线（51）的后备保护域：在第二和第四断路器（8、10）以及第二段母线（51）上的馈线回路中进线断路器（12）之间组成，第三和第四保护装置（3、4）中的任何一个均可以实施对该后备保护域的保护任务。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于第4步所述的保护动作的时限t₁取20～50ms;t₂取100～200ms。

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