CN116742804A - 基于“车-源-网”协同技术的超广域保护测控系统 - Google Patents
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Abstract
基于“车‑源‑网”协同技术的超广域保护测控系统，包括根据功能自下而上划分的过程层网络、间隔层网络、站控层网络、广域层网络，过程层网络、间隔层网络、站控层网络、广域层网络基于分层分布式三层三网架构建立；过程层网络面向一次设备，间隔层网络面向牵引变电所的设备间隔，广域层网络面向整个贯通组群供电系统，站控层网络面向整个牵引变电所设备。本发明既解决了现有单电源牵引供电继电保护系统应用于贯通组群供电方式时，保护灵敏性不足，选择性差的问题，同时将组群供电范围内所亭的一、二次设备信息进行采集和分析，对系统内的设备状态、系统潮流进行监控，实现了对组群供电系统的全面稳定性进行分析和评估。
Description
技术领域
本发明涉及测控技术领域，特别是一种基于“车-源-网”协同技术的超广域保护测控系统。
背景技术
我国国土面积广大且地形条件复杂，在部分铁路工程中受地形条件限制，需设计建造长大坡道的铁路线路。为提高长大坡道的供电能力，解决大坡道电分相问题，建设了牵引变电所组群贯通供电系统，进而形成网格化供电格局，实现了多源供电系统，具体为如下：复线上下行牵引网通过设置断路器方式并联所，实现复线上下行牵引网的互联互通；牵引变电所两侧供电臂牵引网通过采用单相牵引变压器，实现两侧供电臂牵引网的互联互通；相邻牵引变电所的27.5kV侧牵引网通过采用双边供电，实现相邻牵引变电所牵引网的互联互通，同时相邻牵引变电所的高压侧（110kV及以上电压等级）通过接入同一地方电力变电站，实现相邻牵引变电所高压侧的互联互通。
上述供电系统方案通过优化系统结构，将传统单电源供电系统变革为多电源双边环形供电，复杂的系统结构可以带来较高的供电灵活性和可靠性，此外通过互联互通的网格间负荷的调节和补充，能够提高整个牵引供电系统的利用率，也为解决牵引供电系统难题拓展了空间、手段和层次，同时，大量减少了正常运行状态下接触网上的电分相，减少了牵引供电系统中重要的薄弱环节，提高了系统的安全性和可靠性。但是，目前保证牵引变电所组群贯通供电系统安全运行的保护测控技术，均基于单电源供电方式进行配置，这样，当应用于贯通组群供电系统时，存在保护灵敏性不足，选择性差等缺点，同时既有保护测控系统与机车列控系统、电网设备存在通信壁垒，未能实现“车-源-网”协同的保护测控，列车的安全运行存在一定的安全隐患。
发明内容
为了克服现有牵引变电所组群贯通供电系统，所采用的保护测控技术，因技术所限存在如背景所述弊端，本发明提供了在相关设备及方法共同作用下，既解决了现有单电源牵引供电继电保护系统应用于贯通组群供电方式时，保护灵敏性不足，选择性差的问题，同时将组群供电范围内所亭的一、二次设备信息进行采集和分析，对系统内的设备状态、系统潮流进行监控，实现了对组群供电系统的全面稳定性进行分析和评估，为列车的安全可靠供电起到了有利技术支持的基于“车-源-网”协同技术的超广域保护测控系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于“车-源-网”协同技术的超广域保护测控系统，其特征在于，包括根据功能对保护测控系统自下而上划分的过程层网络、间隔层网络、站控层网络、广域层网络，过程层网络、间隔层网络、站控层网络、广域层网络基于分层分布式三层三网架构建立；所述过程层网络面向牵引变电所亭一次设备，具体包括合并单元、智能终端、本体智能终端、网开关智能终端设备，过程层面网络主要功能是完成运行设备电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行；所述间隔层网络面向牵引变电所的设备间隔，具体包括变压器保护、馈线保护、母线保护、故障测距设备、宽频测量单元、站域保护、网络分析和电分相及电分段信息传输设备，间隔层网络主要功能是完成间隔内的保护、测控、牵引网故障测距、系统的量测以及电分相、电分段信息传输任务；所述站控层网络面向整个牵引变电所设备，具体包括所内监控子系统、远动管理机和对时单元设备，站控层网络主要功能是完成对牵引变电所所有间隔的冗余保护和设备的监控；所述广域层网络面向整个贯通组群供电系统，具体包括广域保护控制、重构自愈和动态安全评估子系统设备，广域层网络主要功能是完成贯通组群供电系统内的广域保护、贯通组群供电系统动态安全评估和紧急处置、系统重构自愈功能，广域层网络应用在与电网系统和铁路行调中心接口中，包括集中监控子系统和机车信息接收设备，主要完成根据电网系统的运行工况实现贯通组群系统的自动合、解环操作和“一键停及送电”功能，并接收铁路行调中心的列车信息，完成基于机车信息的保护。
进一步地，所述过程层面网络工作时，过程层网络将牵引变压器、断路器、互感器和网开关子系统的模拟量、开关量信息采集后，转换为数字信号上送给间隔层网络面向的间隔层设备，同时可接收间隔层设备发送的跳、合闸命令。
进一步地，所述间隔层网络中，馈线保护设备完成牵引网的保护测控功能；变压器保护设备能实现牵引变压器的保护功能；母线保护设备能完成220kV母线和27.5kV母线的保护功能；故障测距设备能完成牵引网的故障测距；站域保护设备能完成牵引所亭内所有就地保护设备的冗余保护；宽频测量单元设备能完成组群供电系统内的同步相量计算，记录相量、频率，功率动态数据，并将实时动态数据上送保护测控系统主站；网络分析设备能记录整个贯通组群供电系统内的报文数据；电分段电分相信息传输设备，能将电分相及电分段信息传递给运行机车。
进一步地，所述站控层网络中，监控子系统能完成所内设备信息的监控；远动管理机能完成所内信息上传调度和接收调度下发的命令；设置对时单元能完成所内设备的时钟同步。
进一步地，所述广域层网络中，动态安全评估子系统设备能完成对牵引变电所组群供电系统动态过程的监测和分析，把握系统运行状态，为系统控制策略和运行、规划方案提供依据；重构自愈设备能完成贯通组群供电系统故障后的重构自愈功能；广域保护设备能完成基于组群供电系统的广域保护功能；集中监控子系统设备，能完成与电网信息交互，根据电网供电特征实现组群贯通系统的自动合、解环操作和 “一键停及送电”功能；机车信息接收设备，能接收行车调度中心的发送的机车信息，并转发给保护测控系统。
本发明的有益效果是：本发明在相关设备及应用方法作用下，采用“三层三网”的系统架构，充分利用机车信息和电网信息数据，实现了贯通组群供电方式下的保护测控、重构自愈、系统的安全评估和紧急处置功能，既解决了现有单电源牵引供电继电保护系统应用于贯通组群供电方式时，保护灵敏性不足，选择性差的问题，同时将组群供电范围内所亭的一、二次设备信息进行采集和分析，对系统内的设备状态、系统潮流进行监控，实现了对组群供电系统的全面稳定性进行分析和评估，为列车的安全可靠供电起到了有利技术支持。综上，本发明具有好的应用前景。
附图说明
图1是本发明架构示意图；
图2是牵引变电所组群贯通供电系统拓扑示意图；
图3牵引变电所主接线示意图
图4是进线保护系统结构示意图；
图5是牵引变及母线保护系统结构示意图；
图6牵引网供电单元结构示意图；
图7是27.5kV牵引网保护系统结构示意图；
图8 动态安全评估系统架构示意图。
具体实施方式
图2所示，贯通组群供电系统的拓扑结构，包括3个牵引变电所、4个分区所、6个并联站。牵引变电所内配置两台主变压器，一主一备运行。27.5kV母线采用单母线接线形式，27.5kV牵引网采用双边供电模式，在并联站和分区所将牵引网上、下行并联。牵引变电所及分区所处均设置电分相，可通过中性段供电馈线断路器带电与否实现电分相与电分段模式切换。
图1所示，基于“车-源-网”（电力机车-外部电源-牵引网）协同技术的超广域保护测控系统，包括根据功能自下而上划分的过程层网络、间隔层网络、站控层网络、广域层网络，过程层网络、间隔层网络、站控层网络、广域层网络基于分层分布式三层三网架构建立；所述过程层面网络向一次设备，具体包括合并单元、智能终端、本体智能终端、网开关智能终端设备，过程层面网络主要功能是完成运行设备电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行；所述间隔层网络面向牵引变电所的设备间隔，具体包括变压器保护、馈线保护、母线保护、故障测距设备、宽频测量单元、站域保护、网络分析和电分相及电分段信息传输设备，间隔层网络主要功能是完成间隔内的保护、测控、牵引网故障测距、系统的量测以及电分相（电分段）信息传输任务；所述站控层网络面向整个牵引变电所设备，具体包括所内监控子系统、远动管理机和对时单元设备，站控层网络主要功能是完成对牵引变电所所有间隔的冗余保护和设备的监控；所述广域层网络面向整个贯通组群供电系统设备，具体包括广域保护控制、重构自愈和动态安全评估子系统设备，广域层网络主要功能是完成贯通组群供电系统内的广域保护、贯通组群供电系统动态安全评估和紧急处置、系统重构自愈功能，广域层网络在与电网系统和铁路行调中心接口中，包括集中监控子系统和机车信息接收设备，主要完成根据电网系统的运行工况实现贯通组群系统的自动合、解环操作和“一键停（送）电”功能，并接收铁路行调中心的列车信息，完成基于机车信息的保护。
图1所示，过程层网络应用中，在牵引所亭（变电所、分区所和并联站）设置合并单元、智能终端和本体智能终端和网开关智能终端设备，将牵引变压器、断路器、互感器和网开关系统的模拟量、开关量等信息采集并转换为数字信号上送给间隔层设备，同时可接收间隔层设备发送的跳、合闸命令。间隔层网络应用中，馈线保护设备能完成牵引网的保护测控功能；变压器保护设备能实现牵引变压器的保护功能；设线保护设备能完成220kV母线和27.5kV母线的保护功能；故障测距设备能完成牵引网的故障测距功能；站域保护设备能完成牵引所亭内所有就地保护的冗余保护；宽频测量单元设备能完成组群供电系统内的同步相量计算，记录相量，频率，功率等动态数据，并将实时动态数据上送主站;网络分析设备，能记录整个系统内的报文数据；电分段电分相信息传输设备，能完成电分相（电分段）信息传递给机车。
图1所示，站控层网络应用中，监控字系统能完成所内设备信息的监控；远动管理机设备能完成所内信息上传调度和接收调度下发的命令；对时单元设备能完成所内设备的时钟同步。广域层网络应用中，动态安全评估子系统能完成对组群供电系统动态过程的监测和分析，准确把握系统运行状态，为系统控制策略和运行、规划方案提供依据；重构自愈设备能完成系统故障后的重构自愈功能；广域保护设备，能完成基于组群供电系统的广域保护功能；集中监控子系统，能完成与电网信息交互，根据电网供电特征实现组群贯通系统的自动合、解环操作和 “一键停（送）电”功能；机车信息接收设备，能接收行车调度中心的发送的机车信息，并转发给保护装置。
图3所示，根据牵引变电所主接线方式，本发明按照高压进线、高低压母线、牵引变压器、牵引网四部分详细介绍保护配置方案。牵引变电所进线配置线路保护设备，线路保护设备通过光差双通道实现电网侧和牵引侧线路保护差动保护信息交换，具体进线保护子系统结构如图4所示。双通道光纤差动保护设备按双套设置，设备配置光纤差动保护作为主保护，其中光纤纵差保护元件针对线路保护区内各种故障类型配置了分相稳态量差动、分相故障分量差动，线路发生故障时光纤差动保护跳闸启动重合闸，重合于永久性故障时启动后加速保护。高压母线和27.5kV母线各配置一套母线保护设备，母线保护设备主保护配置比率制动差动保护作为主保护，采用稳态量差动保护和突变量差动保护相结合的原理，大大提高了保护可靠性和高阻接地故障和振荡中故障时保护的灵敏度；后备保护配置分段死区保护、失灵联跳功能和PT 断线告警等功能，通过母线电压量识别母线是否发生相间短路，解决保护装置不能通过电流识别相间故障。
图5所示，牵引变压器保护及母线保护子系统中，牵引变电所牵引变压器，配置主变保护设备，主变保护设备配置差动保护和非电量作为主保护，配置低压方向过电流和过负荷保护作为后备保护；根据牵引网保护系统组网结构特点，配置馈线保护设备。牵引网供电单元结构如图6所示，馈线主保护为基于供电单元的光纤纵差保护和供电臂保护，光纤纵差保护和供电臂保护以供电单元为对象，采集变电所、并联站、分区所三所电气量和开关量，完成三端差动保护和供电臂保护，可提高保护的选择性和灵敏性；配置低压过电流保护、电流速断保护、电流增量保护、基于机车信息的自适应距离保护和高阻故障保护，作为牵引网的后备保护；配置联跳保护，牵引网故障时，后备保护动作时迅速跳开分区所断路器，快速隔离故障区段；在变电所、并联所、分区所各配置1台故障测距设备，经广域保护控制通道进行信息交互，实现供电单元的运行方式识别和故障测距功能；在变电所、并联所、分区所各配置1台广域控制设备，经广域保护控制通道进行信息交互，实现贯通组群供电范围内的供电方式自动切换和故障后快速重构自愈。
图7所示，27.5kV牵引网保护子系统结构中，在广域层配置动态安全评估子系统，以贯通组群供电系统供电范围为单元，将组群供电范围内所亭的一、二次设备信息进行采集和分析，对系统内的设备状态、系统潮流监控，并对系统的全面稳定性进行分析和评估；当发生牵引供电系统异常需要解环或接收到上级电网下发的解环指令时，可实现贯通集群供电系统范围内的自动解环操作，也可实现系统的“一键停（送）电”功能。
图8所示，动态安全评估子系统架构中，在广域层配置集中监控子系统和机车信息接收设备，接收铁路行调中心的机车车信息，并将机车信息经广域网络转发至保护装置。
本发明在相关设备及应用方法作用下，采用“三层三网”的系统架构，充分利用机车信息和电网信息数据，实现了贯通组群供电方式下的保护测控、重构自愈、系统的安全评估和紧急处置功能，既解决了现有单电源牵引供电继电保护系统应用于贯通组群供电方式时，保护灵敏性不足，选择性差的问题，同时将组群供电范围内所亭的一、二次设备信息进行采集和分析，对系统内的设备状态、系统潮流进行监控，实现了对组群供电系统的全面稳定性进行分析和评估，为列车的安全可靠供电起到了有利技术支持。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本本发明限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.基于“车-源-网”协同技术的超广域保护测控系统，其特征在于，包括根据功能对保护测控系统自下而上划分的过程层网络、间隔层网络、站控层网络、广域层网络，过程层网络、间隔层网络、站控层网络、广域层网络基于分层分布式三层三网架构建立；所述过程层网络面向牵引变电所亭一次设备，具体包括合并单元、智能终端、本体智能终端、网开关智能终端设备，过程层面网络主要功能是完成运行设备电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行；所述间隔层网络面向牵引变电所的设备间隔，具体包括变压器保护、馈线保护、母线保护、故障测距设备、宽频测量单元、站域保护、网络分析和电分相及电分段信息传输设备，间隔层网络主要功能是完成间隔内的保护、测控、牵引网故障测距、系统的量测以及电分相、电分段信息传输任务；所述站控层网络面向整个牵引变电所设备，具体包括所内监控子系统、远动管理机和对时单元设备，站控层网络主要功能是完成对牵引变电所所有间隔的冗余保护和设备的监控；所述广域层网络面向整个贯通组群供电系统，具体包括广域保护控制、重构自愈和动态安全评估子系统设备，广域层网络主要功能是完成贯通组群供电系统内的广域保护、贯通组群供电系统动态安全评估和紧急处置、系统重构自愈功能，广域层网络应用在与电网系统和铁路行调中心接口中，包括集中监控子系统和机车信息接收设备，主要完成根据电网系统的运行工况实现贯通组群系统的自动合、解环操作和“一键停及送电”功能，并接收铁路行调中心的列车信息，完成基于机车信息的保护。
2.根据权利要求1所述的基于“车-源-网”协同技术的超广域保护测控系统，其特征在于，过程层面网络工作时，过程层网络将牵引变压器、断路器、互感器和网开关子系统的模拟量、开关量信息采集后，转换为数字信号上送给间隔层网络面向的间隔层设备，同时可接收间隔层设备发送的跳、合闸命令。
3.根据权利要求1所述的基于“车-源-网”协同技术的超广域保护测控系统，其特征在于，间隔层网络中，馈线保护设备完成牵引网的保护测控功能；变压器保护设备能实现牵引变压器的保护功能；母线保护设备能完成220kV母线和27.5kV母线的保护功能；故障测距设备能完成牵引网的故障测距；站域保护设备能完成牵引所亭内所有就地保护设备的冗余保护；宽频测量单元设备能完成组群供电系统内的同步相量计算，记录相量、频率，功率动态数据，并将实时动态数据上送保护测控系统主站；网络分析设备能记录整个贯通组群供电系统内的报文数据；电分段电分相信息传输设备，能将电分相及电分段信息传递给运行机车。
4.根据权利要求1所述的基于“车-源-网”协同技术的超广域保护测控系统，其特征在于，站控层网络中，监控子系统能完成所内设备信息的监控；远动管理机能完成所内信息上传调度和接收调度下发的命令；设置对时单元能完成所内设备的时钟同步。
5.根据权利要求1所述的基于“车-源-网”协同技术的超广域保护测控系统，其特征在于，广域层网络中，动态安全评估子系统设备能完成对牵引变电所组群供电系统动态过程的监测和分析，把握系统运行状态，为系统控制策略和运行、规划方案提供依据；重构自愈设备能完成贯通组群供电系统故障后的重构自愈功能；广域保护设备能完成基于组群供电系统的广域保护功能；集中监控子系统设备，能完成与电网信息交互，根据电网供电特征实现组群贯通系统的自动合、解环操作和 “一键停及送电”功能；机车信息接收设备，能接收行车调度中心的发送的机车信息，并转发给保护测控系统。
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|---|---|---|---|---|
| CN117375062A (zh) * | 2023-11-23 | 2024-01-09 | 中铁电气化勘测设计研究院有限公司 | 一种柔性直流牵引变电所智能控制系统 |
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2023
- 2023-06-15 CN CN202310706771.1A patent/CN116742804A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN117375062A (zh) * | 2023-11-23 | 2024-01-09 | 中铁电气化勘测设计研究院有限公司 | 一种柔性直流牵引变电所智能控制系统 |
| CN117375062B (zh) * | 2023-11-23 | 2024-04-16 | 中铁电气化勘测设计研究院有限公司 | 一种柔性直流牵引变电所智能控制系统 |
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