CN109347070A - 一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统 - Google Patents

一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统，其特征在于，包括牵引网分为三段，分别为变电所、AT所、分区所三段，底层测控装置分别安装在牵引变电所、AT所和分区所内，通过底层测控装置采集电压、电流并将采集数据存储，在采集的同时判断供电单元内正馈线和负馈线支路的潮流方向，并将数据通过高速数据通信发送至上层控制与调度终端，牵引网正常工况时，接收上层控制与调度终端查询指令，完成测控装置监测数据的上传，牵引网短路故障工况时，利用接触网或者负馈线低电压为触发信号，上传故障潮流方向标识，进行故障录波，同时接收上层控制与调度终端的动作指令。

Description

一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统
技术领域
本发明涉及一种测控装置，具体涉及一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统。
背景技术
我国高铁广泛采用全并联AT供电方式，显著提高了供电能力。全并联AT供电方式实现了上下行牵引网电气上的并联关系，但任一部件故障都将导致系统供电中断，其本质上是典型的串联系统，一定程度“捆绑”了牵引供电的可靠性，“限制”了牵引供电的灵活性。
为了满足高速铁路对牵引供电能力的要求，为了提高高速铁路AT供电方式下牵引供电的灵活性和可靠性，提出AT牵引网分段供电方案，研究基于正常和故障潮流分析的牵引供电安全测控原理，研发高速铁路AT牵引网供电状态测控系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是牵引网差动保护，主要用作牵引网的分段间隔的保护和测控，目前的分段间隔的保护和测控的装置集成性差，不能够同时满足保护和测控功能，目的在于提供一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统，解决上述的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统，其特征在于，包括设置有全封闭机箱，通过机箱将强弱电分离，机箱上配置有2个以太网口，支持不同的通讯规约，机箱上还设置有通信接口、差动通道光纤接口、继电保护复用接口，通讯接口采用专用光纤通道，通过复接PDH或SDH系统的数字接口进行数据传输，通信接口将通信数据发送至通信模块内，通信模块接收到的每一帧数据都需经过CRC检验，舍弃或修复错误数据，通道误码严重或通道中断时，将给出通道异常告警信号，差动保护将被闭锁；通道恢复后，保护自动投入；通信接口两侧的线路采用同步通讯进行传输，发送和接收数据采用各自的时钟，分别为发送时钟和接收时钟，接收时钟固定从接收码流中提取，保证接收过程中没有误码和滑码产生。
通信模块接收到的每一帧数据都需经过CRC检验，舍弃或修复错误数据。如果通道误码率＞0.04％，将给出通道异常告警报文信息，表示通道不可靠。通道误码严重或通道中断时，将给出通道异常告警信号，差动保护将被闭锁。通道恢复后，保护自动投入，秒误码数与丢帧数是衡量通道当前状况的重要指标。如果显示秒误码数与丢帧数较大时，可以将通道直接使用尾纤自环然后观察这两个指标以判断引起误码的原因。如果自环后误码与丢帧依然较大，则查看通道时钟模式定值是否整定错误(应为内时钟方式)或者光纤插件的法兰盘是否有损坏处；如果自环后误码与丢帧数均降低至0，则可以确定引起通道误码或丢帧原因在外部通道，再逐级查找。通道告警逻辑受通道投入控制字控制，当通道异常时装置点告警灯；
因为通道延时的计算基于等腰梯形原理，因此要求光纤通道的收发路由延时一致，否则理论基础错误，将导致两侧同步计算偏差，正常负荷电流会引起差流长期存在。
进一步地，所述通讯规约为IEC-60870-5-103和IEC 61850通讯规约。
进一步地，同步数据通讯的对时方式采用SNTP对时、GPS脉冲对、B码对时、1588对时。
进一步地，所述通讯接口采用复用连接方式和专用连接方式进行数据传输。
进一步地，当采用专用连接方式进行连接的光纤通道传输时，在传输距离大于50km，接收功率裕度不够时，配用1550nm激光器件。
进一步地，输电线路两端保护装置上电时刻不同和采样晶振偏差，采用“梯形算法”对两侧通讯接口两侧进行检测，根据两侧采样序号差对齐采样点，并计算出两侧的采样偏差，通过重采样对齐两侧数据。
进一步地，发送时钟可以有两种方式，一是采用内部晶振时钟，二是采用内部晶振时钟作为发送时钟常称为内时钟方式，采用接收时钟作为发送时钟常称为外时钟方式。两侧装置均采用从时钟方式；两侧装置均采用内时钟方式；一侧装置采用内时钟，另一侧装置采用从时钟。
进一步地，通信接口还采用光纤的高速数据传输通道，通过接收牵引供电故障潮流分析数据，实现牵引网短路故障和断路故障准确判定。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统，能够提高通讯接口两方的数据同步率，能够进行差动保护，通过梯形算法控制两侧数据的一致性，保证通讯数据的传输的准确性，提高保护和测控的效果，使其更为精准。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明梯形算法原理图。
图2为本发明差动保护动作特性原理图。
图3为本发明差动保护逻辑框图。
图4为本发明复用连接方式结构原理图。
图5为本发明专用连接方式结构原理图。
图6为本发明实施例二划小供电单元的牵引网分段供电示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1～5所示，本发明一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统，其特征在于，包括设置有全封闭机箱，通过机箱将强弱电分离，机箱上配置有2个以太网口，支持不同的通讯规约，机箱上还设置有通信接口、差动通道光纤接口、继电保护复用接口，通讯接口采用专用光纤通道，通过复接PDH或SDH系统的数字接口进行数据传输，通信接口将通信数据发送至通信模块内，通信模块接收到的每一帧数据都需经过CRC检验，舍弃或修复错误数据，通道误码严重或通道中断时，将给出通道异常告警信号，差动保护将被闭锁；通道恢复后，保护自动投入；通信接口两侧的线路采用同步通讯进行传输，发送和接收数据采用各自的时钟，分别为发送时钟和接收时钟，接收时钟固定从接收码流中提取，保证接收过程中没有误码和滑码产生。
通信模块接收到的每一帧数据都需经过CRC检验，舍弃或修复错误数据。如果通道误码率＞0.04％，将给出通道异常告警报文信息，表示通道不可靠。通道误码严重或通道中断时，将给出通道异常告警信号，差动保护将被闭锁。通道恢复后，保护自动投入，秒误码数与丢帧数是衡量通道当前状况的重要指标。如果显示秒误码数与丢帧数较大时，可以将通道直接使用尾纤自环然后观察这两个指标以判断引起误码的原因。如果自环后误码与丢帧依然较大，则查看通道时钟模式定值是否整定错误(应为内时钟方式)或者光纤插件的法兰盘是否有损坏处；如果自环后误码与丢帧数均降低至0，则可以确定引起通道误码或丢帧原因在外部通道，再逐级查找。通道告警逻辑受通道投入控制字控制，当通道异常时装置点告警灯；
因为通道延时的计算基于等腰梯形原理，因此要求光纤通道的收发路由延时一致，否则理论基础错误，将导致两侧同步计算偏差，正常负荷电流会引起差流长期存在。采用梯形算法计算的通道延时为：Td＝(t3-t2-t1)/2
为提高数字式通道线路保护装置的可靠性，防止光纤通道连接错误，QFBZ-101保护装置设置了可整定的差动通道识别码，用于识别光纤通道是否正确连接。
在定值项中分别有“本侧识别码”和“对侧识别码”，范围均为0～65535，识别码的整定应保证全网运行的保护设备具有唯一性，即正常运行时，本侧识别码和对侧识别码应不同，且与本线的另一套保护的识别码不同，也应该和其它线路保护装置的识别码不同；保护校验自环试验时，本侧识别码和对侧识别码应相同，否则都会告警，报“通道自环状态与整定不一致”。“本侧识别码”和“对侧识别码”需在定值项中整定，且通过通道传送给对侧，当保护接收到的装置识别码与定值整定的“对侧识别码”不一致时，退出差动保护，延时100ms报“装置混联”告警。
本装置差动元件针对线路保护区内各种故障类型配置了稳态量差动、故障分量差动(突变量)。稳态量差动元件设置快速区元件及灵敏区元件，快速区元件采用短窗相量自适应算法实现快速动作；灵敏区采用全周付氏向量算法作为快速区的补充。故障分量差动不受负荷影响，对于区内高阻故障及振荡中故障性能优越，元件本身采用全周付氏向量算法并略带延时保证其可靠性。图中3中的各差动元件动作特性区别仅在于差动电流定值及制动系数的不同，图中ISET为相应差动元件的动作定值门槛，Coef_K为相应差动元件的比率制动系数。
保护装置内设置有差动保护装置，差动保护装置内设有差流启动元件，用于一侧为弱电源或高阻故障时的辅助启动元件。差流启动元件由差流元件和低电压启动元件构成，二者同时满足，差流启动元件动作；
差流元件其判据为：ICD＞0.8Iset
式中Iset为差动电流定值；
复合电压启动元件其判据为：电压小于低电压定值且母线PT未异常告警。
保护装置还设置有稳态量差动元件，其稳态量差动分快速段和延时段。
其中的快速段动作方程：
ICDΦ＞IH
ICDΦ＞0.8*Ir
上式中：动作电流为两侧电流矢量和的幅值；制动电流为两侧电流矢量差的幅值；IH为1.8×ISETΦ和4倍实测电容电流值中的最大值，ISETΦ为差动动作电流定值，由用户整定。
延时段动作方程：
ICDΦ＞ISETΦ
ICDΦ＞0.75*Ir
上式中：动作电流为两侧电流矢量和的幅值；制动电流为两侧电流矢量差的幅值；ISETΦ为差动动作电流定值，由用户整定；整定时应保证末端短路有足够的灵敏度；整定值应大于1.5倍本线路稳态电容电流值。稳态量差动延时段继电器动作后固定经30ms延时动作。
保护装置内还设置有分相故障分量差动元件，其动作方程为：
ΔICDΦ＞ISETΦ
ΔICDΦ＞0.75*ΔIr
上式中：动作电流为两侧电流变化量矢量和的幅值；制动电流为两侧电流矢量差的幅值；ISETΦ为差动动作电流定值，由用户整定。
所述通讯规约为IEC-60870-5-103和IEC 61850通讯规约。同步数据通讯的对时方式采用SNTP对时、GPS脉冲对、B码对时、1588对时。所述通讯接口采用复用连接方式和专用连接方式进行数据传输。当采用专用连接方式进行连接的光纤通道传输时，在传输距离大于50km，接收功率裕度不够时，配用1550nm激光器件。输电线路两端保护装置上电时刻不同和采样晶振偏差，采用“梯形算法”对两侧通讯接口两侧进行检测，根据两侧采样序号差对齐采样点，并计算出两侧的采样偏差，通过重采样对齐两侧数据。
发送时钟可以有两种方式，一是采用内部晶振时钟，二是采用内部晶振时钟作为发送时钟常称为内时钟方式，采用接收时钟作为发送时钟常称为外时钟方式。两侧装置均采用从时钟方式；两侧装置均采用内时钟方式；一侧装置采用内时钟，另一侧装置采用从时钟。
实施例二
本实施例在实施例一基础上进行优化，通信接口还采用光纤的高速数据传输通道，通过接收牵引供电故障潮流分析数据，实现牵引网短路故障和断路故障准确判定。在牵引变电所、AT所和分区所内接触网(T)和负馈线(F)的馈线均串入单极断路器，AT所出口设置电分段，将牵引网T、F支路划分为以AT段为最小供电单元的网络结构。正常运行状态下所有断路器闭合，牵引网构成完整的供电网络，故障状态下由断路器有选择性的动作，隔离故障单元，保护正常单元的供电。基于供电状态检测方案，结合高速数据通信技术，实现从状态检测→故障触发→故障判别→故障切除→故障报警与信息上传等功能，本装置内还设置有底层测控装置，底层测控装置安装在牵引变电所、AT所和分区所内，负责接触网和负馈线电压、电流等主要电气量采集与存储，判断供电单元内接触网和负馈线支路潮流方向，构建与上层控制与调度终端的双向高速数据通信。牵引网正常工况时，接收上层控制与调度终端查询指令，完成测控装置监测数据的上传；牵引网短路故障工况时，利用接触网或者负馈线电压跌落(低电压)为触发信号，上传故障潮流方向标识，启动故障录波功能，同时接收上层控制与调度终端的动作指令，有选择性地动作牵引网分段位置断路器，切除故障供电单元(AT段)的故障支路(接触网或者负馈线)，保证非故障单元的正常供电，待故障切除后，上传故障录波数据，由上层控制与调度终端进行故障定位。
与底层测控装置相对应的设置有上层控制与调度终端，该终端可以安装在牵引变电所，工作时钟与各个底层测控装置保持同步；在牵引网正常工况时，可以查询底层测控装置历史记录数据(含潮流方向标识)，具备带电列车运行状态辨识功能；在牵引网断路故障工况时，可以利用断路故障辨识功能，及时发现断路故障所在的供电单元；在牵引网短路故障工况时，通过接收各个底层测控装置触发上传的同步潮流方向标识，实现短路故障辨识功能，结合故障录波数据，实现故障位置的标定。此外，当判断供电单元内发生短路或者断路故障时，上层控制与调度终端向底层测控装置发出保护启动信号，有选择性动作断路器，切除故障供电单元的故障支路，发出当地报警信号。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统，其特征在于，牵引网分为三段，分别为变电所、AT所、分区所三段，底层测控装置分别安装在牵引变电所、AT所和分区所内，通过底层测控装置采集电压、电流并将采集数据存储，在采集的同时判断供电单元内接触网和负馈线支路潮流方向，并将数据通过高速数据通信发送至上层控制与调度终端，牵引网正常工况时，接收上层控制与调度终端查询指令，完成测控装置监测数据的上传，牵引网短路故障工况时，利用接触网或者负馈线低电压为触发信号，上传故障潮流方向标识，进行故障录波，同时接收上层控制与调度终端的动作指令；
所述底层测控装置包括设置有全封闭机箱，通过机箱将强弱电分离，机箱上配置有2个以太网口，支持不同的通讯规约，机箱上还设置有通信接口、差动通道光纤接口、继电保护复用接口，通讯接口采用专用光纤通道，通过复接PDH或SDH系统的数字接口进行数据传输，通信接口将通信数据发送至通信模块内，通信模块接收到的每一帧数据都需经过CRC检验，舍弃或修复错误数据，通道误码严重或通道中断时，将给出通道异常告警信号，差动保护将被闭锁；通道恢复后，保护自动投入；通信接口两侧的线路采用同步通讯进行传输，发送和接收数据采用各自的时钟，分别为发送时钟和接收时钟，接收时钟固定从接收码流中提取，保证接收过程中没有误码和滑码产生。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统，其特征在于，所述通讯规约为IEC-60870-5-103和IEC 61850通讯规约。
3.根据权利要求1所述的一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统，其特征在于，同步数据通讯的对时方式采用SNTP对时、GPS脉冲对、B码对时、1588对时。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统，其特征在于，所述通讯接口采用复用连接方式和专用连接方式进行数据传输。
5.根据权利要求4所述的一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统，其特征在于，当采用专用连接方式进行连接的光纤通道传输时，在传输距离大于50km，接收功率裕度不够时，配用1550nm激光器件。
6.根据权利要求1所述的一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统，其特征在于，输电线路两端保护装置上电时刻不同和采样晶振偏差，采用“梯形算法”对两侧通讯接口两侧进行检测，根据两侧采样序号差对齐采样点，并计算出两侧的采样偏差，通过重采样对齐两侧数据。
7.根据权利要求1所述的一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统，其特征在于，发送时钟可以有两种方式，一是采用内部晶振时钟，二是采用内部晶振时钟作为发送时钟常称为内时钟方式，采用接收时钟作为发送时钟常称为外时钟方式。
8.根据权利要求1所述的一种适用于高速铁路牵引网的状态测控保护系统，其特征在于，通信接口还采用光纤的高速数据传输通道，通过接收牵引供电故障潮流分析数据，实现牵引网短路故障和断路故障准确判定。
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