CN102340133A - 单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的方法及装置，包括：保护功能模块、辅助功能模块、测控模块、闭锁模块和通讯模块；其中，保护功能模块包括：四段距离、电流断速、低电压过流、高阻I段和失压等保护单元；并且，辅助功能模块包括：断线告警、故障测距、谐波分析、负荷分析、自检、故障记录和GPS对时单元；并且，测控功能模块包括：遥测、遥信和遥控单元；并且，闭锁功能模块包括：合分闸闭锁和闭锁重合闸单元；并且，通讯功能模块包括：RS485接口、可选的FDKBUS、光纤FDKBUS和以太网接口；并且，四段距离保护单元识别故障的方法包括：数据预处理、训练网络与参数生成、综合判断及输出。

Description

单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的方法及装置

技术领域

本发明涉及铁路电气化领域，尤其涉及单相工频交流电气化铁路牵引变电所、开闭所、分区亭馈电线路的保护方法及装置。

背景技术

随着我国中长期铁路网规划的实施，我国的铁路建设迎来了新一轮高峰，尤其是高速铁路成为铁路建设的重点。高速铁路的安全运行离不开牵引供电系统的保护，它在供电系统正常运行状态下能够满足列车运行的需求，在供电系统发生故障时能够迅速切除故障，保障列车、设备和旅客的人身安全。馈电线路保护是供电系统保护的一个重要单元，由于牵引供电系统馈线工作的条件比电力网复杂、恶劣，该类馈线是牵引供电系统中最容易发生故障的点，如何提高馈电线路保护的可靠性、快速性，使在牵引供电系统发生短路故障时能准确切除故障，减小影响范围，并通过线路重合闸或投入备用电源尽快回复供电，一直是国内外研究的重点。

目前，国内外企业和研究机构相继研制了一些铁路牵引馈电线路保护设备，实现了阻抗保护、电流速断保护、电流增量保护、过电流保护、一次自动重合闸和故障测距等功能，部分已经成功投入应用。然而，这些设备大多只有一路馈线保护电流，只能为一条牵引线路提供保护和测距，部分设备虽然实现了多条牵引线路的保护，但是针对过热、失压、PT断线、TWJ异常、故障和负荷录波等情况，尚没有形成完整的判定和保护方法；尤其是作为主保护的四边形特性距离保护，其性能也存在某些严重不足：当系统发生振荡时距离保护可能会误动作，过渡电路的存在可能会使距离保护误动作或拒动等。

发明内容

为了提高电气化铁路牵引变电所、开闭所、分区亭馈电线路的安全性和可靠性，尤其是正确识别各类距离保护故障，本发明提供了一种单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的方法及装置。

本发明提供的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置，包括保护模块、辅助模块、测控模块、闭锁模块和通讯模块，保护模块分别与辅助模块、闭锁模块和测控模块相连接并进行双向通信，通讯模块与闭锁模块的另一端连接并双向通信，辅助模块和闭锁模块之间双向通信连接；

其中，保护模块由四段距离保护单元、电流断速保护单元、低电压过流保护、反时限过电流保护单元、高阻I段保护单元、高阻II段保护单元、失压保护单元、重合闸检有压单元、加速跳闸单元和过热保护单元构成；

辅助模块由断线告警单元、故障测距单元、谐波分析单元、负荷分析单元、检修压板单元、自检单元、故障记录单元和GPS对时单元构成；

测控模块包括由遥测单元、遥信单元和遥控单元构成；

闭锁模块由合分闸闭锁单元和闭锁重合闸单元构成；

此外，通讯模块包括一个标准的RS485接口、一个可选的FDKBUS接口、一个可选的光纤FDKBUS接口和一个可选的以太网接口。

优选的，上述保护功能模块具有以下功能：

电流断速保护单元采用的故障识别及处理方法，即在电流超过电流速断定值时，启动电流速断延时，在延时满足后保护动作跳闸；

低电压过流保护单元采用的故障识别及处理方法，即在电流超过过电流定值时，启动过电流延时，当延时满足后保护动作跳闸；

高阻I段保护单元采用的故障识别及处理方法，即在电流超过高阻I段电流定值，并且阻抗满足高阻I段保护动作条件时，启动高阻I段延时，当延时满足后保护动作跳闸；

高阻II段保护单元采用的故障识别及处理方法，即在电流超过高阻II段电流定值，并且阻抗满足高阻II段保护动作条件时，启动高阻I段延时，当延时满足后保护动作跳闸；

失压保护单元采用的故障识别及处理方法，即在母线电压小于低电压保护定值时，启动低电压保护延时，当延时满足后发跳闸，闭锁重合闸；

保护功能模块的重合闸检有压单元的重合闸启动方式有两种：保护启动及跳位启动、跳位启动可经控制字投退；

加速跳闸单元采用的故障识别及处理方法，即在手动合闸或保护合闸后若干秒内发生故障保护加速跳闸；

过热保护单元采用的故障识别及处理方法，即当接触网电流超过接触网长期允许的电流并达到一定时间，接触网将过热，保护功能模块的过热保护单元将计算热状态，以体现接触网的发热情况。

优选的，上述辅助功能模块的断线告警单元采用的故障识别及处理方法，当电流电压满足PT断线条件时，经一定的延时后，发PT断线告警。

优选的，上述测控功能模块具有以下功能：

上述遥测单元采用的故障识别及处理方法，实时测量接入装置的母线电压U，测量电流CI和频率F；

上述遥信单元采用的故障识别及处理方法，该单元具有16个外部开入量输入，均为高电平(24V)有效；

上述遥控单元采用的故障识别及处理方法，通过通信方式发出正常遥控合闸、跳闸操作；进行远方操作时，需将远方操作开入置为高电平，同时将控制字中远方操作允许投入，上述两个条件满足后，才能由远方控制操作。

本发明还提供了一种使用上述单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置的方法，包括以下步骤：

步骤一、数据预处理，采用傅里叶级数法、差分滤波器或者前置带通滤波器从系统电流互感器和电压互感器二次侧引入的电流、电压数据求出基频分量；

步骤二、训练网络与参数生成，首先确定网络层数、神经元个数和训练方法，其中，选取初始权值属于(-1，1)，选取学习速率属于(0.01，0.8)，训练方法采用如下的公式表示：

w(k+1)＝w(k)+a(k)×D(k)                (1)

a(k)＝2^λ×a(k-1)                      (2)

λ＝sign[D(k)×D(k-1)]                 (3)

其中，w(k)表示权值向量，D(k)为k时刻的负梯度，a(k)为学习率；λ由k时刻和k-1时刻的负梯度决定，初始值可选为1；

步骤三、综合判断及输出，通过给定的输入、输出特征量，获得各子网络中节点的权值和阈值，进而根据不同的故障类型和预处理后的数据，将权值和阈值代入进行检验，获得判定结果。

附图说明

图1是根据本发明实施例的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置的实现框图；

图2是根据本发明实施例的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置的背后端子图；

图3是根据本发明实施例的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置的背后端子说明图；

图4是根据本发明实施例的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置的电流速断保护逻辑框图；

图5是根据本发明实施例的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置的过负荷保护逻辑图；

图6是根据本发明实施例的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置的高阻I段保护逻辑框图；

图7是根据本发明实施例的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置的高阻II段保护逻辑框图；

图8是根据本发明实施例的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置的低电压保护逻辑图；

图9是根据本发明实施例的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置的重合闸保护逻辑框图；

图10是根据本发明实施例的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置的加速跳闸保护逻辑框图；

图11是根据本发明实施例的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置的过热保护逻辑图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

在下面的描述中，给出了某些具体细节以便对本发明多个实施例的充分理解。不过，本领域技术人员可知，没有这些细节也能实现本发明。在其他情况下，没有详细表示或描述与计算机、传输介质、测量设备、记录设备等设备有关的公知结构，以避免不必要的干扰对本发明实施例的描述。

除非内容需要，否则在说明书和权利要求书中，词语“包括”及其变化被理解成开方的“包括”的意思，即“包括，但不限于”。

本发明提出了一种单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的方法及装置，可正确识别各类距离保护故障，提高电气化铁路牵引变电所、开闭所、分区亭馈电线路的安全性和可靠性。

如图1所示，本发明的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的方法及装置的特征在于，包括：保护功能模块、辅助功能模块、测控模块、闭锁模块和通讯模块；

其中，保护功能模块包括：四段距离保护单元、电流断速保护单元、低电压过流保护、反时限过电流保护单元、高阻I段保护单元、高阻II段保护单元、失压保护单元、重合闸检有压单元、加速跳闸单元、过热保护单元；

并且，辅助功能模块包括：断线告警单元、故障测距单元、谐波分析单元、负荷分析单元、检修压板单元、自检单元、故障记录单元、GPS对时单元；

并且，测控功能模块包括：遥测单元、遥信单元、遥控单元；

并且，闭锁功能模块包括：合分闸闭锁单元、闭锁重合闸单元；

并且，通讯功能模块包括：一个标准的RS485接口、一个可选的FDKBUS接口、一个可选的光纤FDKBUS接口、一个可选的以太网接口。

其中，保护功能模块的各个单元通过电流、电压测量装置或温度、湿度传感器采集各自的目标数据，并传回主芯片；主芯片为高性能的32位单片机芯片，实现保护功能、辅助功能和测控功能的计算需求；辅助功能模块进行辅助分析和故障记录，并将分析和记录的结果存放在存储器中；根据保护功能模块和辅助功能模块的判断结果，闭锁功能模块决定是否进行合闸闭锁操作，测控功能模块通过通讯处理装置上传给调度端，同时接受调度端的遥控指令，实现分区所远方控制功能。

上述馈线保护装置的结构为插件式整面板密闭结构；如图2所示，给出了该馈线保护装置的背后端子图，对各端子的注释如图3所示。

上述功能模块的各单元识别故障及采用的保护方法如下：

对于保护功能模块的四段距离保护单元，采用的故障识别方法包括如下步骤：数据预处理、训练网络与参数生成、综合判断及输出。在数据预处理阶段，可采用傅里叶级数法、差分滤波器或者前置带通滤波器从系统电流互感器和电压互感器二次侧引入的电流、电压数据求出基频分量；在训练网络与参数生成阶段，确定网络层数、神经元个数和训练方法；在综合判断及输出阶段，通过给定的输入、输出特征量，获得各子网络中节点的权值和阈值，进而，根据不同的故障类型和预处理后的数据，将权值和阈值代入进行检验，以获得判定结果。在训练网络与参数生成阶段，选取初始权值属于(-1，1)，选取学习速率属于(0.01，0.8)，训练方法可采用如下的公式表示：

w(k+1)＝w(k)+a(k)×D(k)                (1)

a(k)＝2^λ×a(k-1)                      (2)

λ＝sign[D(k)×D(k-1)]                 (3)

其中，w(k)表示权值向量。D(k)为k时刻的负梯度，a为学习率，λ由k时刻和k-1时刻的负梯度决定，初始值可选为1。

并且，如图4所示，保护功能模块的电流断速保护单元在电流超过电流速断定值时，启动电流速断延时，在延时满足后保护动作跳闸。图4中，SD_YB表示电流速断保护的软压板；Isdset为电流速断保护电流定值；Tsd为电流速断保护延时定值；I为保护电流基波有效值。

并且，如图5所示，保护功能模块的低电压过流保护单元在电流超过过电流定值时，启动过电流延时，当延时满足后保护动作跳闸。当低电压闭锁投入时，断路器应处于合位。图5中，GL_YB表示过电流保护的软压板；XB2_GL_CB＝1表示二次谐波闭锁过电流保护控制字投入；Iglset为过电流保护电流定值；Tgl为过电流延时定值，k为综合谐波制动系数定值；I、I2、I3和I5分别为保护电流基波、二次谐波、三次谐波和五次谐波有效值；K2set为二次谐波闭锁系数定值；DY_CB＝1表示低电压闭锁投入；Ulset为低电压闭锁定值。

并且，如图6所示，保护功能模块的高阻I段保护单元在电流超过高阻I段电流定值，并且阻抗满足高阻I段保护动作条件时，启动高阻I段延时，当延时满足后保护动作跳闸。图6中，GZ1_YB表示高阻I段保护的软压板；XB2_GZ1_CB＝1表示二次谐波闭锁高阻I段保护控制字投入；I1set为高阻I段保护电流定值；Tgz1为高阻I段保护延时定值，k为综合谐波制动系数定值；I、I2、I3和I5分别为保护电流基波、二次谐波、三次谐波和五次谐波有效值；K2set为二次谐波闭锁系数定值；Φ是实测阻抗角；Ψ是高阻I段角度；方向包括正方向、正、反双方向。

并且，如图7所示，对于保护功能模块的高阻II段保护单元，GZ2_YB表示高阻II段保护的软压板；XB2_GZ2_CB＝1表示二次谐波闭锁高阻II段保护控制字投入；I2set为高阻II段保护电流定值；Tgz2为高阻II段保护延时定值；I1-I0表示当前周波与前一周波差流，即电流突变量，k为综合谐波制动系数定值；I、I2、I3和I5分别为保护电流基波、二次谐波、三次谐波和五次谐波有效值；K2set为二次谐波闭锁系数定值。

并且，如图8，保护功能模块的失压保护单元在母线电压小于低电压保护定值时，启动低电压保护延时，当延时满足后发跳闸，闭锁重合闸。失压保护可经PT断线闭锁。图8中，YB＝1表示低电压保护软压板投入；Uxmax表示母线电压；Ulset为低压定值；t为低电压保护延时；HWJ＝1、TWJ＝0表示断路器处于合位状态；CB1＝1表示PT断线控制字投入。

并且，如图9所示，保护功能模块的重合闸检有压单元的重合闸启动方式有两种：保护启动及跳位(断路器偷跳)启动。跳位启动可经控制字投退。重合闸脉冲宽度一般为200毫秒。当启动重合闸的保护动作未返回时，重合闸不会启动延时。装置以软件模拟传统的重合闸充放电过程，充电时间一般为20秒。重合闸放电的条件为满足下述的任一条件：

1)手动跳闸开入(内部开入3，既跳闸插件D15接入+110V电源)为高电平；

2)过负荷跳闸或过热保护跳闸；

3)重合闸发合闸脉冲；

4)远方操作跳闸；

并且，当断路器偷跳或保护跳闸后，如果满足重合闸条件，启动重合闸延时；当延时满足后，重合闸。图9中，CHZ_YB表示重合闸保护的软压板；Tchz为重合闸延时定值；DL_TT_CB＝1表示断路器偷跳启动重合闸保护控制字投入；HWJ＝1，TWJ＝0表示馈线断路器处于合闸位置；BHTZ＝1表示保护跳闸启动重合闸；保护跳闸包括：电流速断、过电流、四段阻抗保护、两段高阻；Uset1、Uset2为有压定值；Uf代表分区亭线路电压；Ux代表母线电压，当母线电压额定二次值为220V时，Ux的范围时5V～220V；HV_CW表示有压控制字投入、退出为检无压。

并且，如图10所示，保护功能模块的加速跳闸单元在手动合闸或保护合闸后3秒内发生故障保护加速跳闸。图11中，HWJ＝1、TWJ＝0表示馈线断路器处于合闸位置；Tjs为加速跳闸延时(10ms)；T表示其他保护延时；可以保护加速跳闸的保护包括：过电流保护、四段阻抗保护、两段高阻。

并且，如图11所示，对于保护功能模块的过热保护单元，当接触网电流超过接触网长期允许的电流并达到一定时间，接触网将过热，保护功能模块的过热保护单元将通过如下的公式计算热状态Ith％，以体现接触网的发热情况：

Ith％＝(I/Ith)²*(1-e^-t/Tth)*100％+P*e^-t/Tth           (4)

其中，I表示接触网电流，Ith表示过热动作电流定值，Tth表示过热时间常数，P表示当前稳态热状态。当热状态达到110％时，该保护将跳闸出口，装置可设置过热告警功能，热状态告警范围可在10％～110％之间整定。

并且，保护功能模块的过热保护单元通过如下的公式计算过热保护跳闸动作时间：

$\mathrm{Ttz}=\mathrm{Tth}*\ln \frac{{\mathrm{Ix}}^2-P}{{\mathrm{Ix}}^2-1.1}---\left(5\right)$

并且，保护功能模块的过热保护单元通过如下的公式计算过热保护告警时间：

$\mathrm{T\; gj}=\mathrm{Tth}*\ln \frac{{\mathrm{Ix}}^2-P}{{\mathrm{Ix}}^2-\mathrm{Tx}}---\left(6\right)$

上述两式中，Ix表示接触网过热电流与过热动作电流定值之比，Tx表示过热告警系数。图11中，YB表示过热保护的软压板；Q表示接触网电流热积累；Qgj表示过热告警状态定值；Qtz表示热积累状态达到110％；GR_CB＝0表示过热控制字选择告警，GR_CB＝1表示过热控制字选择跳闸；Tgj表示过热告警的延时，Ttz表示过热跳闸的延时。热状态的累积值可通过过热软压板选择退出清零，当装置的过热功能均为退出状态时保护不计算热状态。

并且，对于辅助功能模块的断线告警单元，当电流电压满足PT断线条件时，经一定的延时后，发PT断线告警。

并且，测控功能模块的遥测单元实时测量接入装置的母线电压U，测量电流CI和频率F。

并且，测控功能模块的遥信单元具有16个外部开入量输入，均为高电平(24V)有效。

并且，对于测控功能模块的遥控单元，通过通信方式发出正常遥控合闸、跳闸操作。进行远方操作时，需将远方操作开入置为高电平，同时将控制字中远方操作允许投入，上述两个条件满足后，才能由远方控制操作。遥测单元实时测量接入装置的母线电压U，测量电流CI和频率F。

以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以限定本发明的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。

Claims (5)

1.一种单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置，包括保护模块、辅助模块、测控模块、闭锁模块和通讯模块，其特征在于：保护模块分别与辅助模块、闭锁模块和测控模块相连接并进行双向通信，通讯模块与闭锁模块的另一端连接并双向通信，辅助模块和闭锁模块之间双向通信连接；

其中，保护模块由四段距离保护单元、电流断速保护单元、低电压过流保护、反时限过电流保护单元、高阻I段保护单元、高阻II段保护单元、失压保护单元、重合闸检有压单元、加速跳闸单元和过热保护单元构成；

辅助模块由断线告警单元、故障测距单元、谐波分析单元、负荷分析单元、检修压板单元、自检单元、故障记录单元和GPS对时单元构成；

测控模块包括由遥测单元、遥信单元和遥控单元构成；

闭锁模块由合分闸闭锁单元和闭锁重合闸单元构成；

此外，通讯模块包括一个标准的RS485接口、一个可选的FDKBUS接口、一个可选的光纤FDKBUS接口和一个可选的以太网接口。

2.根据权利要求1所述的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置，其特征在于，所述保护功能模块具有以下功能：

电流断速保护单元采用的故障识别及处理方法，即在电流超过电流速断定值时，启动电流速断延时，在延时满足后保护动作跳闸；

低电压过流保护单元采用的故障识别及处理方法，即在电流超过过电流定值时，启动过电流延时，当延时满足后保护动作跳闸；

高阻I段保护单元采用的故障识别及处理方法，即在电流超过高阻I段电流定值，并且阻抗满足高阻I段保护动作条件时，启动高阻I段延时，当延时满足后保护动作跳闸；

高阻II段保护单元采用的故障识别及处理方法，即在电流超过高阻II段电流定值，并且阻抗满足高阻II段保护动作条件时，启动高阻I段延时，当延时满足后保护动作跳闸；

失压保护单元采用的故障识别及处理方法，即在母线电压小于低电压保护定值时，启动低电压保护延时，当延时满足后发跳闸，闭锁重合闸；

保护功能模块的重合闸检有压单元的重合闸启动方式有两种：保护启动及跳位启动、跳位启动可经控制字投退；

加速跳闸单元采用的故障识别及处理方法，即在手动合闸或保护合闸后若干秒内发生故障保护加速跳闸；

过热保护单元采用的故障识别及处理方法，即当接触网电流超过接触网长期允许的电流并达到一定时间，接触网将过热，保护功能模块的过热保护单元将计算热状态，以体现接触网的发热情况。

3.根据权利要求1所述的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置，其特征在于，所述辅助功能模块的断线告警单元采用的故障识别及处理方法，当电流电压满足PT断线条件时，经一定的延时后，发PT断线告警。

4.根据权利要求1所述的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置，其特征在于，所述测控功能模块具有以下功能：

所述遥测单元采用的故障识别及处理方法，实时测量接入装置的母线电压U，测量电流CI和频率F；

所述遥信单元采用的故障识别及处理方法，该单元具有16个外部开入量输入，均为高电平(24V)有效；

所述遥控单元采用的故障识别及处理方法，通过通信方式发出正常遥控合闸、跳闸操作；进行远方操作时，需将远方操作开入置为高电平，同时将控制字中远方操作允许投入，上述两个条件满足后，才能由远方控制操作。

5.一种使用如权利要求1-4之一所述的单相工频交流电气化铁路牵引馈线保护的装置的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、数据预处理，采用傅里叶级数法、差分滤波器或者前置带通滤波器从系统电流互感器和电压互感器二次侧引入的电流、电压数据求出基频分量；

步骤二、训练网络与参数生成，首先确定网络层数、神经元个数和训练方法，其中，选取初始权值属于(-1，1)，选取学习速率属于(0.01，0.8)，训练方法采用如下的公式表示：

w(k+1)＝w(k)+a(k)×D(k)            (1)

a(k)＝2^λ×a(k-1)                  (2)

λ＝sign[D(k)×D(k-1)]             (3)

其中，w(k)表示权值向量，D(k)为k时刻的负梯度，a(k)为学习率；λ由k时刻和k-1时刻的负梯度决定，初始值可选为1；

步骤三、综合判断及输出，通过给定的输入、输出特征量，获得各子网络中节点的权值和阈值，进而根据不同的故障类型和预处理后的数据，将权值和阈值代入进行检验，获得判定结果。

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