CN107425510A - 一种高速铁路供电网络系统及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高速铁路供电网络系统，包括：牵引变电所，馈线断路器1DL和2DL，AT所，馈线断路器3DL和4DL，AT分区所，馈线断路器5DL和6DL，以及上、下行牵引网供电臂，第一继电保护装置，第二继电保护装置，第三继电保护装置，所述第一继电保护装置，用于当其检测到的1DL和2DL的保护测量值大于整定值一时，或当检测到的1DL和2DL的保护测量值介于整定值一与整定值二之间、且接收到第二继电保护装置或第三继电保护装置发送的控制信号时，控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电。解决了不能有效区分负荷电流与供电臂末端短路电流的问题。本发明还公开一种高速铁路供电网络系统的保护方法。

Description

一种高速铁路供电网络系统及其保护方法

技术领域

本发明涉及一种高速铁路供电网络系统及其保护方法。

背景技术

目前我国电气化铁路牵引网保护原理多基于负荷电流与短路电流差值，确保灵敏度后，采用阻抗或过流保护作为牵引网保护。当负荷电流与短路电流相差不大时，依靠2、3、5次谐波的综合谐波抑制作为负荷电流与短路电流的判据，来区别负荷电流与短路电流，实现保护动作的可靠性和选择性。

但随着高速铁路的大规模建设和高速动车组列车的大量上线，问题随之而来：首先，高速动车组列车的传动方式为交直交电力传动，其谐波特性是以高次谐波为主，且谐波含量很低，无法作为保护判据进行提取。通过现有技术中的2次谐波电流闭锁或2、3、5次谐波的综合谐波抑制作为负荷电流与短路电流的区别判据已不适用。其次，高速铁路动车组列车功率大，一般为普通电力机车的2～4倍，而且高速铁路动车组列车的取流也远大于电力机车，进而反映到牵引变电所馈线断路器的供电臂末端短路电流与负荷电流极为接近。特别是高阻接地时，阻抗角也无明显差异，这造成牵引网保护可靠性和选择性缺失，进而可能导致保护拒动或误动，影响铁路运输组织。

因此，有必要对现行电气化铁路牵引网保护方法进行改进，使之适应现行铁路技术发展趋势，提高供电安全性和可靠性，确保运输质量。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种高速铁路供电网络系统及其保护方法。

作为本发明的一个方面，提供一种高速铁路供电网络系统，包括：牵引变电所，牵引变电所上、下行馈线断路器1DL和2DL，自耦变压器AT所，AT所上、下行馈线断路器3DL和4DL，AT分区所，AT分区所上、下行馈线断路器5DL和6DL，以及上、下行牵引网供电臂，所述牵引变电所设置有第一继电保护装置，所述AT所设置有第二继电保护装置，所述AT分区所设置有第三继电保护装置；

第一继电保护装置，用于当其检测到的1DL和2DL的保护测量值大于整定值一时，或当检测到的1DL和2DL的保护测量值介于整定值一与整定值二之间、且接收到第二继电保护装置或第三继电保护装置发送的控制信号时，控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电；

第二继电保护装置、第三继电保护装置，分别用于检测到的AT所的3DL和4DL、AT分区所的5DL和6DL的电流测量值大于整定值三时，向第一继电保护装置发送控制信号。

在一个实施例中，可以是，所述整定值一为电流整定值Izd1或阻抗整定值Zzd1，所述整定值一为Izd1时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为电流测量值I_1DL和I_2DL；所述整定值一为Zzd1时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为阻抗测量值Z_1DL或Z_2DLL；

所述整定值二为电流整定值Izd2或阻抗整定值Zzd2，所述整定值二为Izd2时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为电流测量值I_1DL和I_2DL；所述整定值一为Zzd2时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为阻抗测量值Z_1DL或Z_2DLL；

所述AT所或AT分区所上下行馈线断路器3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL和I_6DL大于整定值三，具体包括：

馈线断路器3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL和I_6DL中的至少一个大于指定的电流保护整定值Iset；或者

馈线断路器3DL和4DL的电流测量值之和I_3DL+I_4DL或馈线断路器5DL和6DL的电流测量值之和I_5DL+I_6DL大于指定的电流保护整定值I'set。

在一个实施例中，可以是，所述第一继电保护装置，用于当I_1DL或I_2DL＞Izd1，或者，Z_1DL或Z_2DL＞Zzd1时，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电；还用于当在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥电流保护整定值Izd2，或，Izd1＞Z_1DL或Z_2DL≥阻抗保护整定值Zzd2的情况下，且I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL≥Iset或者I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL≥I'set时接收到第二继电保护装置或第三继电保护装置发送的控制信号，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电；

所述第二继电保护装置，用于在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥电流保护整定值Izd2，或，Izd1＞Z_1DL或Z_2DL≥阻抗保护整定值Zzd2时，当3DL和4DL的电路测量值I_3DL或I_4DL≥电流保护整定值Iset，或，3DL和4DL的电路测量值之和I_3DL+I_4DL≥电流保护整定值I'set时，向第一继电保护装置发送控制信号，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电；

所述第三继电保护装置，用于在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥电流保护整定值Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时，当5DL和6DL的电流测量值I_5DL或I_6DL≥Iset，或，5DL和6DL的电路测量值之和I_5DL+I_6DL≥I'set，向第一继电保护装置发送控制信号，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电。

在一个实施例中，可以是，所述AT分区所还设置有母线保护装置；

所述母线保护装置，用于在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时，当3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，或，3DL和4DL的电路测量值之和I_3DL+I_4DL或5DL和6DL的电路测量值之和I_5DL+I_6DL＜I'set，且AT分区所的母线保护装置的电压测量值Uc＜电压保护整定值Uset，向第一继电保护装置发送控制信号，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电；或，

在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时，当3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，或，3DL和4DL的电路测量值之和I_3DL+I_4DL或5DL和6DL的电路测量值之和I_5DL+I_6DL＜I'set，且Uc≥Uset，母线保护装置发出报警信号。

在一个实施例中，可以是，所述AT分区所的母线保护装置设置在所述AT分区所母线上。

在一个实施例中，可以是，所述第一继电保护装置、所述第二继电保护装置、所述第三继电保护装置和所述母线保护装置设置在同一通信网络上。

在一个实施例中，可以是，所述通信网络包括光纤以太网，所述第一继电保护装置与所述第二继电保护装置、所述第三继电保护装置或所述母线保护装置之间的信号通信时间≤10ms。

作为本发明的另一个方面，提供一种高速铁路供电网络系统的保护方法，包括：

第一继电保护装置检测到的上、下行馈线断路器1DL和2DL的保护测量值大于整定值一时，控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电；

第一继电保护装置检测到的上、下行馈线断路器1DL和2DL的保护测量值介于整定值一与整定值二之间、且接收到第二继电保护装置检测到AT所的3DL和4DL的电流测量值大于整定值三时或第三继电保护装置检测到AT分区所的5DL和6DL的电流测量值大于整定值三时发送的控制信号时，控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电。

在一个实施例中，可以是，所述整定值一为电流保护整定值Izd1或阻抗保护整定值Zzd1，所述整定值一为Izd1时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为电流测量值I_1DL和I_2DL；所述整定值一为Zzd1时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为阻抗测量值Z_1DL或Z_2DLL；

所述整定值二为电流保护整定值Izd2或阻抗保护整定值Zzd2，所述整定值二为Izd2时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为电流测量值I_1DL和I_2DL；所述整定值一为Zzd2时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为阻抗测量值Z_1DL或Z_2DLL；

所述AT所或AT分区所上下行馈线断路器3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL和I_6DL大于整定值三，具体包括：

馈线断路器3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL和I_6DL中的至少一个大于指定的电流保护整定值Iset；或者

馈线断路器3DL和4DL的电流测量值之和I_3DL+I_4DL或馈线断路器5DL和6DL的电流测量值之和I_5DL+I_6DL大于指定的电流保护整定值I'set。

在一个实施例中，可以是，所述的高速铁路供电网络系统的保护方法，当I_1DL或I_2DL≥Izd1，或Z_1DL或Z_2DLL≥Zzd1时，第一继电保护装置控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电；

当Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时：

若I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL≥Iset，第二继电保护装置或第三继电保护装置向第一继电保护装置发送控制信号，所述第一继电保护装置控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电，或，

若I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL≥I'set，第二继电保护装置或第三继电保护装置向第一继电保护装置发送控制信号，所述第一继电保护装置控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电。

在一个实施例中，可以是，所述的高速铁路供电网络系统的保护方法还包括：

当Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时：

若I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，或，I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL＜I'set，且Uc＜Uset，所述AT分区所的母线保护装置向第一继电保护装置发送控制信号，第一继电保护装置控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电；

若I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，或，I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL＜I'set，且Uc≥Uset，母线保护装置发出报警信号。

在一个实施例中，可以是，所述第一继电保护装置与所述第二继电保护装置、所述第三继电保护装置或所述母线保护装置之间的信号通信时间≤10ms。

本发明与现有技术相比具有以下优势：

1)通过分析AT供电方式下负荷电流与供电臂末端短路电流在AT供电网络中的电流分布特点，找出二者主要差异，进而确保继电保护装置实现准确的故障识别。克服了现有继电保护装置在负荷电流与供电臂末端短路电流接近时，无法实现故障识别的缺陷。

2)以上、下行牵引网供电臂为单元进行保护判断作为指导思想，将同一供电臂的牵引变电所、AT所和AT分区所全部的继电保护装置纳入一个通信网络中。利用通信网络进行牵引变电所、AT所和AT分区所继电保护装置之间的保护信息快速传输和交互，报文延时满足继电保护要求，实现同一供电臂的全部继电保护装置信息共享。为牵引变电所馈线保护提供了全面的输入信息，确保牵引变电所馈线保护可靠动作。与现有继电保护仅单一依靠牵引变电所馈线断路器的电流值和牵引变电所母线电压值作为保护输入量相比，进一步提升了保护装置的可靠性、速动性和选择性。

3)现有保护装置只能实现一旦瞬时电流值超过整定值，保护就动作。本发明以供电能力作为保护动作的判据之一，在明确故障性质为负荷电流过大的情况后，对负荷电流过大的情况进行二次评估，判断瞬时负荷电流过大，是否对牵引供电系统的供电能力造成影响，在对供电能力无影响的前提下，保护不动作，仅发出报警信号。与现有技术相比，可有效减少保护跳闸次数和停电次数，减少运输中断，提升运输质量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例的高速铁路供电网络系统的通信网络构成示意图；

图2为本发明实施例的高速铁路供电网络系统的系统构成示意图；

图3为本发明实施例的高速铁路供电网络系统的运行电流分布示意图；

图4为本发明实施例的高速铁路供电网络系统的保护动作流程示意图；

图5为本发明实施例的高速铁路供电网络系统的通信网络保护方法的原理框图一；

图6为本发明实施例的高速铁路供电网络系统的通信网络保护方法的原理框图二。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种高速铁路供电网络系统，包括：牵引变电所，牵引变电所上、下行馈线断路器1DL和2DL，自耦变压器AT所，AT所上、下行馈线断路器3DL和4DL，AT分区所，AT分区所上、下行馈线断路器5DL和6DL，以及上、下行牵引网供电臂，所述牵引变电所设置有第一继电保护装置，所述AT所设置有第二继电保护装置，所述AT分区所设置有第三继电保护装置；

第一继电保护装置，用于当其检测到的1DL和2DL的保护测量值大于整定值一时，或当检测到的1DL和2DL的保护测量值介于整定值一与整定值二之间、且接收到第二继电保护装置或第三继电保护装置发送的控制信号时，控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电；

第二继电保护装置、第三继电保护装置，分别用于检测到的AT所的3DL和4DL、AT分区所的5DL和6DL的电流测量值大于整定值三时，向第一继电保护装置发送控制信号。

在一个实施例中，可以是，所述整定值一为电流整定值Izd1或阻抗整定值Zzd1，所述整定值一为Izd1时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为电流测量值I_1DL和I_2DL；所述整定值一为Zzd1时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为阻抗测量值Z_1DL或Z_2DLL；

所述整定值二为电流整定值Izd2或阻抗整定值Zzd2，所述整定值二为Izd2时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为电流测量值I_1DL和I_2DL；所述整定值一为Zzd2时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为阻抗测量值Z_1DL或Z_2DLL；

所述AT所或AT分区所上下行馈线断路器3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL和I_6DL大于整定值三，具体包括：

馈线断路器3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL和I_6DL中的至少一个大于指定的电流保护整定值Iset；或者

馈线断路器3DL和4DL的电流测量值之和I_3DL+I_4DL或馈线断路器5DL和6DL的电流测量值之和I_5DL+I_6DL大于指定的电流保护整定值I'set。

在一个具体实施例中，可以是，参照图3所示，本发明实施例的高速铁路供电网络系统正常运行时，馈线断路器1DL、2DL、3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_1DL、I_2DL、I_3DL、I_4DL、I_5DL和I_6DL分别为馈线断路器1DL、2DL、3DL、4DL、5DL和6DL在接触悬挂T线侧电流值与正馈线F线侧电流值的矢量之和，即：I_1DL＝I_1DLT+I_1DLF，I_2DL＝I_2DLT+I_2DLF，I_3DL＝I_3DLT+I_3DLF，I_4DL＝I_4DLT+I_4DLF，I_5DL＝I_5DLT+I_5DLF，I_6DL＝I_6DLT+I_6DLF。图3中箭头所指方向，即为电流方向。

在一个实施例中，可以是，所述第一继电保护装置，用于当I_1DL或I_2DL＞Izd1，或者，Z_1DL或Z_2DL＞Zzd1时，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电；还用于当在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥电流保护整定值Izd2，或，Izd1＞Z_1DL或Z_2DL≥阻抗保护整定值Zzd2的情况下，且I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL≥Iset或者I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL≥I'set时接收到第二继电保护装置或第三继电保护装置发送的控制信号，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电；

所述第二继电保护装置，用于在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥电流保护整定值Izd2，或，Izd1＞Z_1DL或Z_2DL≥阻抗保护整定值Zzd2时，当3DL和4DL的电路测量值I_3DL或I_4DL≥电流保护整定值Iset，或，3DL和4DL的电路测量值之和I_3DL+I_4DL≥电流保护整定值I'set时，向第一继电保护装置发送控制信号，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电；

所述第三继电保护装置，用于在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥电流保护整定值Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时，当5DL和6DL的电流测量值I_5DL或I_6DL≥Iset，或，5DL和6DL的电路测量值之和I_5DL+I_6DL≥I'set，向第一继电保护装置发送控制信号，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电。

在一个实施例中，可以是，所述AT分区所还设置有母线保护装置；

所述母线保护装置，用于在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时，当3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，或，3DL和4DL的电路测量值之和I_3DL+I_4DL或5DL和6DL的电路测量值之和I_5DL+I_6DL＜I'set，且AT分区所的母线保护装置的电压测量值Uc＜电压保护整定值Uset，向第一继电保护装置发送控制信号，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电；或，

在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时，当3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，或，3DL和4DL的电路测量值之和I_3DL+I_4DL或5DL和6DL的电路测量值之和I_5DL+I_6DL＜I'set，且Uc≥Uset，母线保护装置向高速铁路供电网络系统的远动系统发出报警信号，从远动系统界面弹出报警框，提醒值班人员注意。

在一个实施例中，可以是，所述AT分区所的母线保护装置设置在所述AT分区所母线上。

在一个实施例中，可以是，所述第一继电保护装置、所述第二继电保护装置、所述第三继电保护装置和所述母线保护装置设置在同一通信网络上。

具体的，可以是，所述通信网络包括光纤以太网。

本发明的发明人在试验过程中分析现有技术的缺陷和本发明所要解决的问题在于：

1、供电臂负荷电流和供电臂末端短路电流接近时，运用现有技术手段无法用现有的继电保护装置通过综合谐波抑制判据区分负荷电流与供电臂末端短路电流。本发明解决的关键技术问题之一是采用何种技术对负荷电流与供电臂末端短路电流进行有效甄别，确保继电保护装置的可靠性和选择性。

2、牵引供电系统的供电能力是基于持续有效电流值和供电臂末端瞬时电压进行考核。现有继电保护装置仅依靠牵引变电所馈线断路器的电流值和牵引变电所母线电压值作为保护输入量，只能实现一旦瞬时电流值超过整定值，保护就动作。如此，对短路电流可实现快速切断，但瞬时负荷电流过大，对牵引供电系统的供电能力可能并无影响，在对供电能力无影响的前提下，保护可不动作。如何实现继电保护装置既能快速切断短路电流，但在负荷电流不影响供电能力的情况下，保护又可不动作，是本发明要解决的第二个关键技术问题。

根据上述技术缺陷和所要解决的技术问题，本发明的发明人通过分析AT供电方式下负荷电流与供电臂末端短路电流在AT供电网络中的电流分布特点，找出二者主要差异。并将同一供电臂的牵引变电所、AT所和AT分区所全部的继电保护装置纳入一个通信网络中，该通信网络可以是利用通信网络技术(包括但不限于光纤以太网技术)实现牵引变电所、AT所和AT分区所继电保护装置之间的保护信息快速传输。通过同一供电臂的全部继电保护装置相互配合和快速通信，实现继电保护装置对负荷电流与供电臂末端短路电流准确区分，确保继电保护的可靠性和选择性。

本发明的发明人根据实验得出：发生在上、下行牵引网供电臂首段(即牵引变电所至AT所区段)的短路电流一般远大于供电臂负荷电流，现有保护技术可以有效区分。难点在于供电臂末端(即AT所至AT分区所区段)短路电流相对较小，有时与负荷电流极为接近。本发明方法重点解决此问题。

基于上、下行牵引网供电臂长度，行车组织及动车组类型，若负荷电流与供电臂末端短路电流接近，负荷电流对应的运行工况为供电臂内有4-6辆动车组，动车组负荷沿供电臂均匀分布，流过AT所和AT分区所断路器的电流较小。而上、下行牵引网供电臂末端发生短路时，由于AT所和AT分区所处为全并联，有较大的电流流过AT所或AT分区所的断路器。可见，负荷电流与供电臂末端短路电流在AT供电网络中的分布有较大差异，可以将流过AT所或AT分区所断路器的电流大小作为判断负荷电流与供电臂末端短路电流的判据。

同时，将同一供电臂的牵引变电所、AT所和AT分区所全部的继电保护装置纳入一个通信网络中，该通信网络通过光纤以太网技术进行信息传输，实现信息共享，通信网络构成参见图1。由流过AT所或AT分区所断路器的电流大小判断出是负荷电流还是供电臂末端短路电流后，由AT所或AT分区所的继电保护装置通过该通信网络快速将信息传输至牵引变电所的继电保护装置，并作为牵引变电所馈线保护装置区分负荷电流与供电臂末端短路电流的判据，如果判断结果表明该电流值为短路电流，牵引变电所馈线保护动作。

如果在明确故障性质为负荷电流过大的情况后，对负荷电流过大的情况进行二次评估，判断瞬时负荷电流过大，是否对牵引供电系统的供电能力造成影响，在对供电能力无影响的前提下，牵引变电所馈线保护不动作，仅由母线保护装置发出报警信号，提醒高速铁路供电网络系统的值班人员进行关注。如果发生供电能力不足，对高速铁路供电网络系统产生影响，牵引变电所馈线保护动作。

如此，以流过AT所或AT分区所断路器的电流大小作为负荷电流与供电臂末端短路电流得区分判据，由AT所或AT分区所的继电保护装置经通信网络快速将信息传输至牵引变电所继电保护装置，以确定牵引变电所馈线保护动作与否，保证继电保护装置的可靠性、选择性和速动性。通过同一供电臂的牵引变电所、AT所和AT分区所继电保护装置之间相互配合和快速通信，实现负荷电流与供电臂末端短路电流区分，确保牵引变电所馈线保护可靠动作。系统构成参见图2。

参照图4所示，本发明的高速铁路供电网络系统的继电保护具体判断及动作流程步骤参照如下所述：

1)以可有效确保供电臂末端短路电流灵敏度的整定值作为牵引变电所馈线保护整定值一的输入(阻抗保护整定值为电阻值Zzd1，过流保护时整定值为电流值Izd1)。对牵引变电所馈线保护装置测量值是否大于等于整定值一进行判断，如大于，可确定为短路故障，通过牵引变电所馈线的继电保护装置动作，切除故障。如小于，转向步骤2。

整定值1的计算方法如下：

Izd1＝K*Idmin。

式中：K：可靠系数，取值范围为1.1-1.4

Idmin：供电臂末端最小短路电流。

Zzd1由电阻和电抗两部分组成

X_ZD1＝K_k·ω·L1

Zzd1＝Rzd1+jXzd1

式中L1：取0.5-0.8倍供电臂长度。

2)取供电臂末端短路电流和负荷电流两种电流中的小者作为牵引变电所馈线保护整定值二的输入(阻抗保护整定值为电阻值Zzd2，过流保护整定值为电流值Izd2)，并计算出整定值二。通过牵引变电所馈线继电保护装置对保护测量值是否大于等于整定值二进行判断，如大于，转向步骤3。如小于，高速铁路供电网络系统，正常供电，未发生短路或负荷电流过大的情形，牵引变电所馈线保护不动作。

整定值二的计算方法如下：

Izd2＝min(供电臂末端短路电流，负荷电流)

Zzd2由电阻和电抗两部分组成

X_ZD2＝K_k·ω·L

Zzd2＝Rzd2+jXzd2

式中L：取0.85-1.0倍供电臂长度。

3)计算AT所和AT分区所的电流的整定值三，通过AT所和AT分区所馈线继电保护装置判断流过AT所和AT分区所上下行断路器的电流测量值是否超过保护整定值，并通过通信网络实时将结果送至牵引变电所馈线保护装置，

此时有两种判断方式：

(1)通过将流过AT所上行断路器、AT所下行断路器、AT分区所上行断路器和AT分区所下行断路器的电流分别取值，此时指定的电流整定值三为电流保护整定值Iset，Iset值大于流过AT所和AT分区所的任一馈线断路器的瞬时最大电流，小于供电臂末端短路故障时流过AT所和AT分区所的任一断路器的电流。如馈线断路器3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I3DL、I4DL、I5DL和I6DL中的至少一个大于指定的电流保护整定值Iset，则牵引变电所馈线保护动作。如流过AT所和AT分区所上下行断路器的电流测量均小于整定值Iset，则转向步骤4。

电流保护整定值Iset的计算方法如下：

Iset＝K*Itrain

Itrain：一辆重联动车组满载电流

K取值范围为0.5-4，结合工程情况确定。

(2)通过将流过AT所上、下行馈线断路器的电流之和，或，流过AT分区所上、下行馈线断路器的电流之和进行取值，此时指定的电流整定值三为电流保护整定值I'set，I'set值大于流过AT所上、下行馈线断路器3DL和4DL的瞬时最大电流值之和，大于流过AT分区所上、下行馈线断路器5DL和6DL的瞬时最大电流值之和，小于供电臂末端短路故障时流过AT所上、下行馈线断路器3DL和4DL的电流值之和，小于供电臂末端短路故障时流过AT分区所的5DL和6DL的电流值之和。如馈线断路器3DL和4DL的电流测量值之和I3DL+I4DL或馈线断路器5DL和6DL的电流测量值之和I5DL+I6DL大于指定的电流保护整定值I'set，则牵引变电所馈线保护动作。如流过AT所和AT分区所上下行断路器的电流测量之和均小于整定值I'set，则转向步骤4。

电流保护整定值I'set的计算方法如下：

I'set＝K*Itrain

Itrain：一辆重联动车组满载电流

K取值范围为0.5-4，结合工程情况确定。

在本发明实施例中，AT所的第二继电保护装置和AT分区所的第三继电保护装置与牵引变电所的第一馈线继电保护装置可以采用光纤以太网技术进行通信，且通信报文时间不大于10ms。

4)判断AT分区所母线保护装置的电压测量值Uc是否小于保护整定值Uset，并通过通信网络实时(报文的延时要求不大于10ms。)将判断结果送至牵引变电所馈线保护装置，通信采用光纤以太网技术。如小于整定值Uset，表明虽未发生短路故障，但供电能力不足，牵引变电所馈线保护动作。如大于等于整定值Uset，表明虽然负荷电流过大，但不影响高速铁路供电网络系统供电，仅由母线保护装置发出报警信号，提示值班人员关注。

Uset整定值如下：Uset＝K*U_ATPe

式中：K：可靠系数，一般取0.65-0.70

U_ATPe：AT分区所母线额定电压

根据上述实验分析，本发明实施例还提供一种高速铁路供电网络系统的保护方法，包括：第一继电保护装置检测到的上、下行馈线断路器1DL和2DL的保护测量值大于整定值一时，控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电；

第一继电保护装置检测到的上、下行馈线断路器1DL和2DL的保护测量值介于整定值一与整定值二之间、且接收到第二继电保护装置检测到AT所的3DL和4DL的电流测量值大于整定值三时或第三继电保护装置检测到AT分区所的5DL和6DL的电流测量值大于整定值三时发送的控制信号时，控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电。

在一个实施例中，可以是，所述整定值一为电流保护整定值Izd1或阻抗保护整定值Zzd1，所述整定值一为Izd1时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为电流测量值I_1DL和I_2DL；所述整定值一为Zzd1时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为阻抗测量值Z_1DL或Z_2DLL；

所述整定值二为电流保护整定值Izd2或阻抗保护整定值Zzd2，所述整定值二为Izd2时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为电流测量值I_1DL和I_2DL；所述整定值一为Zzd2时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为阻抗测量值Z_1DL或Z_2DLL；

所述AT所或AT分区所上下行馈线断路器3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL和I_6DL大于整定值三，具体包括：

馈线断路器3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL和I_6DL中的至少一个大于指定的电流保护整定值Iset；或者

馈线断路器3DL和4DL的电流测量值之和I_3DL+I_4DL或馈线断路器5DL和6DL的电流测量值之和I_5DL+I_6DL大于指定的电流保护整定值I'set。

在一个实施例中，可以是，当I_1DL或I_2DL≥Izd1，或Z_1DL或Z_2DLL≥Zzd1时，第一继电保护装置控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电；

当Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时：

若I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL≥Iset，第二继电保护装置或第三继电保护装置向第一继电保护装置发送控制信号，所述第一继电保护装置控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电，或，

若I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL≥I'set，第二继电保护装置或第三继电保护装置向第一继电保护装置发送控制信号，所述第一继电保护装置控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电。

在一个实施例中，可以是所述的高速铁路供电网络系统的保护方法还包括：

当Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时：

若I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，或，I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL＜I'set，且Uc＜Uset，所述AT分区所的母线保护装置向第一继电保护装置发送控制信号，第一继电保护装置控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电；

若I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，或，I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL＜I'set，且Uc≥Uset，母线保护装置发出报警信号。

在一个实施例中，可以是，所述第一继电保护装置与所述第二继电保护装置、所述第三继电保护装置或所述母线保护装置之间的信号通信时间≤10ms。

具体来讲，本发明实施例提供的高速铁路供电网络系统的保护方法可由两种保护原理来实现，参见图5和图6。两种保护原理框图的区别在于对流过AT所和AT分区所的断路器的电流取法不同。参照图5所示，当Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时，将流过AT所上行断路器、AT所下行断路器、AT分区所上行断路器和AT分区所下行断路器的电流分别取值，若I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，且Uc＜Uset，所述AT分区所的母线保护装置与第一继电保护装置进行信号通信，通过第一继电保护装置使得牵引变电所馈线保护动作，断开牵引变电所供电；若I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，且Uc≥Uset，母线保护装置向高速铁路供电网络系统的远动系统发出报警信号，从远动系统界面弹出报警框，提醒高速铁路供电网络系统的值班人员注意。参照图6所示，当Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时，将流过AT所上、下行断路器的电流值之和、以及流过AT分区所上、下行断路器的电流之和进行取值，若I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL＜I'set，且Uc＜Uset，所述AT分区所的母线保护装置与第一继电保护装置进行信号通信，通过第一继电保护装置使得牵引变电所馈线保护动作，断开牵引变电所供电；若I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL＜I'set，且Uc≥Uset，母线保护装置向高速铁路供电网络系统的远动系统发出报警信号，从远动系统界面弹出报警框，提醒高速铁路供电网络系统的值班人员注意。

本发明与现有技术相比具有以下优势：

1)通过分析AT供电方式下负荷电流与供电臂末端短路电流在AT供电网络中的电流分布特点，找出二者主要差异，进而确保继电保护装置实现准确的故障识别。克服了现有继电保护装置在负荷电流与供电臂末端短路电流接近时，无法实现故障识别的缺陷。

2)以供电臂为单元进行保护判断作为指导思想，将同一供电臂的牵引变电所、AT所和AT分区所全部的继电保护装置纳入一个通信网络中，通信采用光纤以太网技术。利用该通信网络进行牵引变电所、AT所和AT分区所继电保护装置之间的保护信息快速传输和交互，报文延时满足继电保护要求，实现同一供电臂的全部继电保护装置信息共享。通过同一供电臂的牵引变电所、AT所和AT分区所继电保护装置之间快速通信和信息交互，为牵引变电所馈线保护提供了全面的输入信息，确保牵引变电所馈线保护可靠动作。与现有继电保护仅单一依靠牵引变电所馈线断路器的电流值和牵引变电所母线电压值作为保护输入量相比，进一步提升了保护装置的可靠性、速动性和选择性。

3)现有保护装置只能实现一旦瞬时电流值超过整定值，保护就动作。本发明以供电能力作为保护动作的判据之一，在明确故障性质后，对负荷电流过大的情况进行二次评估，判断瞬时负荷电流过大，是否对牵引供电系统的供电能力造成影响，在对供电能力无影响的前提下，保护不动作，仅发出报警信号。与现有技术相比，可有效减少保护跳闸次数，减少运输中断，提升运输质量。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (12)

1.一种高速铁路供电网络系统，包括：牵引变电所，牵引变电所上、下行馈线断路器1DL和2DL，自耦变压器AT所，AT所上、下行馈线断路器3DL和4DL，AT分区所，AT分区所上、下行馈线断路器5DL和6DL，以及上、下行牵引网供电臂，其特征在于，所述牵引变电所设置有第一继电保护装置，所述AT所设置有第二继电保护装置，所述AT分区所设置有第三继电保护装置；

第一继电保护装置，用于当其检测到的1DL和2DL的保护测量值大于整定值一时，或当检测到的1DL和2DL的保护测量值介于整定值一与整定值二之间、且接收到第二继电保护装置或第三继电保护装置发送的控制信号时，控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电；

第二继电保护装置、第三继电保护装置，分别用于检测到的AT所的3DL和4DL、AT分区所的5DL和6DL的电流测量值大于整定值三时，向第一继电保护装置发送控制信号。

2.如权利要求1所述的高速铁路供电网络系统，其特征在于，所述整定值一为电流整定值Izd1或阻抗整定值Zzd1，所述整定值一为Izd1时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为电流测量值I_1DL和I_2DL；所述整定值一为Zzd1时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为阻抗测量值Z_1DL或Z_2DLL；

所述整定值二为电流整定值Izd2或阻抗整定值Zzd2，所述整定值二为Izd2时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为电流测量值I_1DL和I_2DL；所述整定值一为Zzd2时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为阻抗测量值Z_1DL或Z_2DLL；

所述AT所或AT分区所上下行馈线断路器3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL和I_6DL大于整定值三，具体包括：

馈线断路器3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL和I_6DL中的至少一个大于指定的电流保护整定值Iset；或者

馈线断路器3DL和4DL的电流测量值之和I_3DL+I_4DL或馈线断路器5DL和6DL的电流测量值之和I_5DL+I_6DL大于指定的电流保护整定值I'set。

3.如权利要求2所述的高速铁路供电网络系统，其特征在于，所述第一继电保护装置，用于当I_1DL或I_2DL＞Izd1，或者，Z_1DL或Z_2DL＞Zzd1时，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电；还用于当在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥电流保护整定值Izd2，或，Izd1＞Z_1DL或Z_2DL≥阻抗保护整定值Zzd2的情况下，且I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL≥Iset或者I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL≥I'set时接收到第二继电保护装置或第三继电保护装置发送的控制信号，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电；

所述第二继电保护装置，用于在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥电流保护整定值Izd2，或，Izd1＞Z_1DL或Z_2DL≥阻抗保护整定值Zzd2时，当3DL和4DL的电路测量值I_3DL或I_4DL≥电流保护整定值Iset，或，3DL和4DL的电路测量值之和I_3DL+I_4DL≥电流保护整定值I'set时，向第一继电保护装置发送控制信号，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电；

所述第三继电保护装置，用于在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥电流保护整定值Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时，当5DL和6DL的电流测量值I_5DL或I_6DL≥Iset，或，5DL和6DL的电路测量值之和I_5DL+I_6DL≥I'set，向第一继电保护装置发送控制信号，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电。

4.如权利要求3所述的高速铁路供电网络系统，其特征在于，所述AT分区所还设置有母线保护装置；

所述母线保护装置，用于在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时，当3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，或，3DL和4DL的电路测量值之和I_3DL+I_4DL或5DL和6DL的电路测量值之和I_5DL+I_6DL＜I'set，且AT分区所的母线保护装置的电压测量值Uc＜电压保护整定值Uset，向第一继电保护装置发送控制信号，控制上行馈线断路器1DL和/或下行馈线断路器2DL跳闸，切断牵引变电所供电；或，

在Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时，当3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，或，3DL和4DL的电路测量值之和I_3DL+I_4DL或5DL和6DL的电路测量值之和I_5DL+I_6DL＜I'set，且Uc≥Uset，母线保护装置发出报警信号。

5.如权利要求4所述的高速铁路供电网络系统，其特征在于，所述AT分区所的母线保护装置设置在所述AT分区所母线上。

6.如权利要求5所述的高速铁路供电网络系统，其特征在于，所述第一继电保护装置、所述第二继电保护装置、所述第三继电保护装置和所述母线保护装置设置在同一通信网络上。

7.如权利要求6所述的高速铁路供电网络系统，其特征在于，所述通信网络包括光纤以太网，所述第一继电保护装置与所述第二继电保护装置、所述第三继电保护装置或所述母线保护装置之间的信号通信时间≤10ms。

8.一种高速铁路供电网络系统的保护方法，其特征在于，包括：

第一继电保护装置检测到的上、下行馈线断路器1DL和2DL的保护测量值大于整定值一时，控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电；

第一继电保护装置检测到的上、下行馈线断路器1DL和2DL的保护测量值介于整定值一与整定值二之间、且接收到第二继电保护装置检测到AT所的3DL和4DL的电流测量值大于整定值三时或第三继电保护装置检测到AT分区所的5DL和6DL的电流测量值大于整定值三时发送的控制信号时，控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电。

9.如权利要求8所述的高速铁路供电网络系统的保护方法，其特征在于，所述整定值一为电流保护整定值Izd1或阻抗保护整定值Zzd1，所述整定值一为Izd1时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为电流测量值I_1DL和I_2DL；所述整定值一为Zzd1时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为阻抗测量值Z_1DL或Z_2DLL；

所述整定值二为电流保护整定值Izd2或阻抗保护整定值Zzd2，所述整定值二为Izd2时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为电流测量值I_1DL和I_2DL；所述整定值一为Zzd2时，对应的，所述1DL和2DL的保护测量值为阻抗测量值Z_1DL或Z_2DLL；

所述AT所或AT分区所上下行馈线断路器3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL和I_6DL大于整定值三，具体包括：

馈线断路器3DL、4DL、5DL和6DL的电流测量值I_3DL、I_4DL、I_5DL和I_6DL中的至少一个大于指定的电流保护整定值Iset；或者

馈线断路器3DL和4DL的电流测量值之和I_3DL+I_4DL或馈线断路器5DL和6DL的电流测量值之和I_5DL+I_6DL大于指定的电流保护整定值I'set。

10.如权利要求9所述的高速铁路供电网络系统的保护方法，其特征在于，当I_1DL或I_2DL≥Izd1，或Z_1DL或Z_2DLL≥Zzd1时，第一继电保护装置控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电；

当Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时：

若I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL≥Iset，第二继电保护装置或第三继电保护装置向第一继电保护装置发送控制信号，所述第一继电保护装置控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电，或，

若I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL≥I'set，第二继电保护装置或第三继电保护装置向第一继电保护装置发送控制信号，所述第一继电保护装置控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电。

11.如权利要求10所述的高速铁路供电网络系统的保护方法，其特征在于，还包括：

当Izd1＞I_1DL或I_2DL≥Izd2，或，Zzd1＞Z_1DL或Z_2DL≥Zzd2时：

若I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，或，I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL＜I'set，且Uc＜Uset，所述AT分区所的母线保护装置向第一继电保护装置发送控制信号，第一继电保护装置控制牵引变电所的馈线断路器保护动作，断开牵引变电所供电；

若I_3DL、I_4DL、I_5DL或I_6DL＜Iset，或，I_3DL+I_4DL或I_5DL+I_6DL＜I'set，且Uc≥Uset，母线保护装置发出报警信号。

12.如权利要求11所述的高速铁路供电网络系统的保护方法，其特征在于，所述第一继电保护装置与所述第二继电保护装置、所述第三继电保护装置或所述母线保护装置之间的信号通信时间≤10ms。