CN112332382A - 一种基于柔性牵引网的继电保护方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于柔性牵引网的继电保护方法及***，用以解决柔性牵引网继电保护不完善、不可靠、不灵敏的问题。所述继电保护方法，为变电所、分区所配置保护装置并搭建局域网，再由变电所保护装置采集本所及邻所的母线电压、各开关的电流及位置状态并判断运行方式，当母线电压小于预设阈值时，选取进线开关电流为基准电流方向，通过电流相对比相计算其余各开关的电流方向，并与真值表中的电流方向比对；当与真值表一致时，确定故障位置并跳对应开关。本发明可快速、准确地切除故障点，减少停电时间，缩小停电范围，提高牵引网安全可靠性；同时，可自适应所有的运行方式，不需要人工调整定值，并能避免调整定值时人为失误，减少安全隐患。

Description

一种基于柔性牵引网的继电保护方法及***

技术领域

本发明属于铁路电力安全领域，具体涉及一种基于柔性牵引网的继电保护方法及***。

背景技术

铁路列车的正常运行，需要牵引网提供电力。图1所示为现有技术中常规的铁路牵引网结构示意图。如图1所示。因各段牵引网的电压相位不同，在变电所和分区所处的牵引网需要设置电分相，正常运行时，变电所和分区所的母线联络开关必须打开，以联络开关为界，两侧牵引网各自独立运行。该运行方式下的牵引网保护配置如表1所示，其保护配置和配合较简单，但是由于电分相存在无电区，在列车通过牵引网电分相时存在失电降速和易发生相间短路的问题。

表1单电源牵引网保护配置表

开关号	保护配置
		1，2，11，12	变压器差动保护，低电压启动过电流保护
3，4，15，16	距离保护，低电压启动过电流保护
		5，6，13，14	两段距离保护，低电压启动过电流保护
7，8，9，10	距离保护，低电压启动过电流保护

为了提高铁路运营效率和安全性，出现了柔性供电牵引网，图2所示为现有技术中柔性牵引网的结构示意图。如图2所示，两个变电所提供的电源相位相同，正常运行时，各所的母线联络开关闭合，牵引网不设置无电区，可实现列车运行全程不失电、不发生相间短路。柔性牵引网络结构支持扩展变电所和分区所的数量。柔性牵引网的继电保护是列车安全运行的保障。

现有技术中，可应用的继电保护配置如表2所示。

表2柔性牵引网保护配置表

开关号	保护配置
		1，2，11，12	变压器差动保护，低电压启动过电流保护
3，4，15，16	距离保护，低电压启动过电流保护
		5，6，13，14	纵联差动保护，两段距离保护，低电压启动过电流保护
7，8，9，10	纵联差动保护，距离保护，低电压启动过电流保护

其中：

(1)纵联差动保护成对设置，5与8、6与7、9与14、10与13分别成对。

(2)5，6，13，14的两段距离保护中，第一段距离保护的保护范围是从变电所到分区所距离的85％，第二段距离保护的保护范围为两个变电所之间的全范围。

表2所示的现有的柔性牵引网的继电保护存在如下问题：

(1)纵联差动保护仅保护两侧电流互感器之间的范围，保护不到电流互感器之外的范围(如母线)，保护范围不全。

(2)纵联差动保护整定时需要躲过正常运行列车取流带来的差动电流，造成纵联差动保护整定值较大，保护灵敏度不足。

(3)短路后母线电压很低，对于分区所处的距离保护来说，有很大范围不能精确计算阻抗角，会导致分区所4条馈线的保护同时动作，失去保护选择性。

(4)多数故障情况下分区所的4条馈线都有故障电流，使得4条馈线的低电压启动过电流保护同时动作，不具备选择性。

(5)距离保护和低电压启动过电流保护都需要利用母线电压，当发生PT断线时，距离保护会误动作或被闭锁，过电流保护会因负荷电流较大而误动作，这两种保护都不完全可靠，距离保护或过电流保护有可能失效。

(6)对于牵引网不同的运行方式(电源装置故障，支援供电)，距离保护和低电压启动过电流保护设置不同的整定值，整定值的调整需要切换运行方式时人工调整，不方便使用。

发明内容

为了提高柔性牵引网继电保护的可靠性、稳定性及灵敏性，本发明实施例提供了一种基于电流相对比相的柔性牵引网继电保护方法及***，通过配置保护装置，将计算的各开关处的电流相对方向与真值表中的电流方向进行依次比对，快速、准确地切除故障点，减少停电时间，缩小停电范围，提高牵引网安全可靠性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于柔性牵引网的继电保护方法，所述柔性牵引网的继电保护方法包括如下步骤：

步骤S1，柔性牵引网内的变电所、分区所配置保护装置，保护装置之间搭建局域网；

步骤S2，各变电所的保护装置采集本所及邻所的母线电压、各开关的电流及位置状态；

步骤S3，所述保护装置根据开关位置状态判断当前柔性牵引网的运行方式，并根据所述运行方式调用当前运行方式下的一组电流方向真值表；

步骤S4，在当前运行方式下，监测母线电压，当母线电压小于预设阈值时，进入步骤S5；当母线电压大于或等于预设阈值时，重复步骤S4，持续监测母线电压；

步骤S5，选取当前运行方式下进线开关电流为基准电流方向，通过电流相对比相计算其余各开关的电流方向；

步骤S6，将第i个开关的电流方向与真值表中第j个故障位置的第i个开关的电流方向依次进行比对：当电流方向出现不一致时，执行j＝j+1，再重复步骤S6；当每个电流方向均一致时，进入步骤S7；

步骤S7，保护出口，输出第j个故障位置对应的开关号。

作为本发明的一个优选实施例，所述步骤S1中变电所、分区所所配置的保护装置，至少为一个。

作为本发明的一个优选实施例，所述搭建局域网，基于IEC61850搭建SV/GOOSE网络。

作为本发明的一个优选实施例，所述电流相对比相，是将各开关处电流与基准电流进行相位对比的方法，其结果是两个开关间的相对电流方向。

作为本发明的一个优选实施例，相对电流方向判断基于电流总是从高电势点流向低电势点。

作为本发明的一个优选实施例，所述i和j的初始值为1。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于柔性牵引网的继电保护***，所述***包括柔性牵引网、网内变电所、分区所，所述***还包括保护装置及在保护装置之间搭建的局域网，所述保护装置配置在所述变电所和分区所内。

作为本发明的一个优选实施例，所述保护装置包括：数据采集模块、运行方式判断模块、母线电压监测模块、电流相对比相计算模块、电流方向比较模块和结果输出模块；其中，

所述数据采集模块用于采集所述保护装置所在本所及邻所的母线电压、各开关的电流及位置状态；

所述运行方式判断模块用于根据开关位置状态判断当前柔性牵引网的运行方式并将运行方式发送给母线电压监测模块；还用于根据所述运行方式调用当前运行方式下的电流方向真值表，将真值表发送给所述电流方向比较模块；

所述母线电压监测模块，用于在当前运行方式下，监测母线电压，当母线电压小于预设阈值时，启动电流相对比相计算模块；当母线电压大于或等于预设阈值时，持续监测母线电压；

所述电流相对比相计算模块用于选取当前运行方式下进线开关电流为基准电流方向，并计算其余各开关的电流相对方向，同时发送给所述电流方向比较模块；

所述电流方向比较模块用于将第i个开关的电流方向与真值表中第j个故障位置的第i个开关的电流方向进行比对：当电流方向出现不一致时，执行j＝j+1，继续比对操作；当每个电流方向均一致时，判断该真值表适用于当前故障，并将结果发送给结果输出模块。

所述结果输出模块，用于输出当前故障需要跳闸的开关号。

本发明实施例具有如下有益效果：

(1)保护范围全面。该继电保护方法不仅能识别接触网上的短路故障，还能识别各变电所、分区所母线上的短路故障，形成牵引网的全范围保护，没有保护死区。

(2)保护选择性良好。该继电保护方法能区分故障点发生在接触网上行、下行或变电所母线、分区所母线，判断位置明确，跳闸范围清晰，不会扩大跳闸范围，具有完全的保护选择性。

(3)保护速动性好。该继电保护方法能在0.1秒内识别出故障点，无需各处保护之间进行时限配合，相比距离保护、过电流保护等需要时限配合的保护功能，保护速动性更好。

(4)方便使用。该继电保护方法能根据各开关位置自动识别运行方式，并自动适配真值表，切换运行方式时不需要调整定值，使用方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中常规的铁路牵引网结构示意图；

图2为现有技术中铁路柔性牵引网的结构示意图；

图3为本发明实施例的故障位置示意图；

图4为本发明实施例所述基于柔性牵引网的继电保护方法的流程示意图；

图5为本发明实施例所述继电保护方法电流相对比相计算原理示意图；

图6为本发明实例中对变电所1、变电所2及分区所配置保护装置的硬件连接图；

图7为图6中变电所1、变电所2和分区所中的保护装置所搭建的局域网结构第一示例图；

图8为图6中变电所1、变电所2和分区所中的保护装置所搭建的局域网结构第二示例图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

本发明根据柔性牵引网的特点，提出了一种柔性牵引网的继电保护方法，通过判断若干个变电所开关位置状态，自动识别牵引网的当前运行方式；再通过判断电压降来识别正常状态与故障状态；最后通过电流相对比相判断故障点位置，获得具备完善性、选择性和速动性的继电保护，保证柔性牵引网的可靠性、稳定性和灵活性，保障铁路列车安全、平稳地运行。

下面通过具体的实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

第一实施例

本实施例提供了一种基于柔性牵引网的继电保护方法，如图4所示，所述柔性牵引网的继电保护方法，包括如下步骤：

步骤S1，柔性牵引网内的变电所、分区所配置保护装置，保护装置之间搭建局域网；

步骤S2，各变电所、分区所的保护装置采集本所及邻所的27.5kV母线电压、各开关的电流及位置状态；

步骤S3，所述保护装置根据开关位置状态判断当前柔性牵引网的运行方式，并根据所述运行方式调用当前运行方式下的一组电流方向真值表；

步骤S4，在当前运行方式下，监测母线电压，当母线电压小于预设阈值时，进入步骤S5；当母线电压大于或等于预设阈值时，重复步骤S4，持续监测母线电压；

步骤S5，选取当前运行方式下进线开关电流为基准电流方向，通过电流相对比相计算其余各开关的电流方向；

步骤S6，将第i个开关的电流方向与真值表中第j个故障位置的第i个开关的电流方向依次进行比对：当电流方向出现不一致时，执行j＝j+1，再重复步骤S6；当每个电流方向均一致时，进入步骤S7；

步骤S7，保护出口，输出第j个故障位置对应的开关号如上所述的实施例中，所述步骤S1和步骤S2是硬件搭建及数据初始化阶段。

步骤S1中的柔性牵引网，可以是全网，也可以是部分网络。所涉及到的变电所、分区所的数量，可根据实际需要增加或减少。所述变电所、分区所所配置的保护装置，至少为一个，也可以根据实际需要，根据变电所、分区所的规模，配置两个或以上。所述搭建局域网，可以点对点组网，也可以环形组网或利用交换机组网。

所述步骤S2中采集母线电压，开关处电流及位置信息，构建电流方向的真值表。

步骤S3中，所述牵引网运行方式的识别，由保护装置根据开关位置状态进行判断，是一个自动识别的过程。所述柔性牵引网的运行方式，包括正常运行方式、通过分区所母线越区运行方式，通过接触网开关越区运行方式等。每种运行方式，对应于不同的电流相对比相真值表。

所述步骤S5中，选取进线开关的电流作为基准电流，不掺杂对电压的考虑和计算。牵引网多电源的特点，不带方向判别的低电压启动过电流保护无法区分故障电流由哪个方向的电源提供，不具有选择性，不适用于多电源供电***，同时存在因母线电压过低无法精确计算方向的问题。而本实施例中仅采用电流相对方向作为保护判据。

所述电流相对比相，是将各开关处电流与基准电流进行相位对比的方法，其结果是两个开关间的相对电流方向。相对电流方向判断基于一个基本原理：在电源外部，电流总是从高电势点流向低电势点。图5为本实施例计算电流相对比相的原理示意图。如图5所示，当发生G点短路时，以

的方向为参考方向，通过欧姆定律

可推导出各开关处的相对电流方向，如图5中箭头所示。

本实施例中，电流相对方向作为保护判据，适用于单电源牵引网、柔性牵引网，包括若干变电所、分区所构成的长距离牵引网，也可用于柔性牵引网全网。电流相对比相是基于所选取的进线开关电流，且在计算中充分考虑各开关处各自的电流，除提供基准电流的开关，其余开关相互之间并不相影响，因此，可根据开关位置自动适应故障运行方式。

如上所述的实施例中，步骤S6和步骤S7逐一比对所计算的各开关处的电流相对方向和真值表中的电流方向的值，最后判断出故障发生的位置。

第二实施例

本实施例提供了一种基于柔性牵引网的继电保护***，所述***包括柔性牵引网、网内变电所、分区所，还包括保护装置及在保护装置之间搭建的局域网。

所述保护装置配置在所述变电所和分区所内，包括：数据采集模块、运行方式判断模块、母线电压监测模块、电流相对比相计算模块、电流方向比较模块和结果输出模块；其中，

所述数据采集模块用于采集所述保护装置所在本所及邻所的母线电压、各开关的电流及位置状态；

所述运行方式判断模块用于根据开关位置状态判断当前柔性牵引网的运行方式并将运行方式发送给母线电压监测模块；还用于根据所述运行方式调用当前运行方式下的电流方向真值表，将真值表发送给所述电流方向比较模块；

所述母线电压监测模块，用于在当前运行方式下，监测母线电压，当母线电压小于预设阈值时，启动电流相对比相计算模块；当母线电压大于或等于预设阈值时，持续监测母线电压；

所述电流相对比相计算模块用于选取当前运行方式下进线开关电流为基准电流方向，并计算其余各开关的电流相对方向，同时发送给所述电流方向比较模块；

所述电流方向比较模块用于将第i个开关的电流方向与真值表中第j个故障位置的第i个开关的电流方向进行比对：当电流方向出现不一致时，执行j＝j+1，继续比对操作；当每个电流方向均一致时，判断该真值表适用于当前故障，并将结果发送给结果输出模块。

所述结果输出模块，用于输出当前故障需要跳闸的开关号。

本实施例中的所述基于柔性牵引网的继电保护***，与第一实施例的基于柔性牵引网的继电保护方法，是相对应的，所述方法基于所述***实现，第一实施例中对于方法的描述同样适用于本实施例中所述***，在此不再赘述。

以下以变电所1、变电所2及分区所为例，对本发明再通过实例进行具体的说明。

图6所示为对变电所1、变电所2及分区所配置保护装置的硬件连接图。所述保护装置的数据采集模块所采集的数据，包括本所及邻所的数据。如变电所1中的保护装置，采集本所内的数据，同时采集邻所变电所2和分区所的数据。

图7所示为变电所1、变电所2和分区所中的保护装置所搭建的局域网结构第一示例。如图7所示，所搭建的局域网为环形网。图8所示为变电所1、变电所2和分区所中的保护装置所搭建的局域网结构第二示例。如图8所示，所搭建的局域网通过交换机组网。

以变电所1、变电所2及分区所内的A～K个故障位置为例，构建真值表，如表3所示。(表中，i值为1～16，j值为A～K。为了便于描述，j值选用了字母而非数字。)故障位置A～K如图3所示。

表3

在变电所1、变电所2和分区所所搭建的网络内，执行步骤S3至步骤S7，通过所计算的各开关处的电流相对比相与真值表中的数据的对比，结果也如表3所示。通过表3所示的真值表，综合变电所1和分区所的电流相对比相结果，可明确判断A～K故障点位置，驱动对应的开关跳闸。

例如，当变电所1与分区所之间下行接触网发生故障时，上行接触网存在一个故障点使断路器6、7处电流为零。对A行的开关电流方向依次进行对比，当i＝6时，电流方向不一致，执行j＝j+1；对B行的开关电流方向依次进行对比；不断重复对比和换行操作，直至到E行，每个电流方向均一致，该故障点标识为E，输出“保护动作开关6、7”(开关6和7跳闸)。

通过以上技术方案可以看出，本发明所述基于柔性牵引网的继电保护方法及***，可快速、准确地切除故障点，减少停电时间，缩小停电范围，提高牵引网安全可靠性；同时，可自适应所有的运行方式，不需要人工调整定值，提高工作效率，并能避免调整定值时人为失误，减少安全隐患。

以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。应当注意，为了清楚的进行表述，本发明的说明中省略了部分与本发明的保护范围无直接明显的关联但本领域技术人员已知的部件和处理的表述。

Claims (10)

1.一种基于柔性牵引网的继电保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，柔性牵引网内的变电所、分区所配置保护装置，保护装置之间搭建局域网；

步骤S2，各变电所的保护装置采集本所及邻所的母线电压、各开关的电流及位置状态；

步骤S3，所述保护装置根据开关位置状态判断当前柔性牵引网的运行方式，并根据所述运行方式调用当前运行方式下的一组电流方向真值表；

步骤S4，在当前运行方式下，监测母线电压，当母线电压小于预设阈值时，进入步骤S5；当母线电压大于或等于预设阈值时，重复步骤S4，持续监测母线电压；

步骤S5，选取当前运行方式下进线开关电流为基准电流方向，通过电流相对比相计算其余各开关的电流方向；

步骤S6，将第i个开关的电流方向与真值表中第j个故障位置的第i个开关的电流方向依次进行比对：当电流方向出现不一致时，执行j＝j+1，再重复步骤S6；当每个电流方向均一致时，进入步骤S7；

步骤S7，保护出口，输出第j个故障位置对应的开关号。

2.根据权利要求1所述的基于柔性牵引网的继电保护方法，其特征在于，所述步骤S1中变电所、分区所所配置的保护装置，至少为一个。

3.根据权利要求1所述的基于柔性牵引网的继电保护方法，其特征在于，所述搭建局域网，基于IEC61850搭建SV/GOOSE网络。

4.根据权利要求1所述的基于柔性牵引网的继电保护方法，其特征在于，所述电流相对比相，是将各开关处电流与基准电流进行相位对比的方法，其结果是两个开关间的相对电流方向。

5.根据权利要求4所述的基于柔性牵引网的继电保护方法，其特征在于，相对电流方向判断基于电流总是从高电势点流向低电势点。

6.根据权利要求1所述的基于柔性牵引网的继电保护方法，其特征在于，所述i和j的初始值为1。

7.一种基于柔性牵引网的继电保护***，所述***包括柔性牵引网、网内变电所、分区所，其特征在于，所述***还包括保护装置及在保护装置之间搭建的局域网，所述保护装置配置在所述变电所和分区所内。

8.根据权利要求7所述的基于柔性牵引网的继电保护***，其特征在于，所述保护装置包括：数据采集模块、运行方式判断模块、母线电压监测模块、电流相对比相计算模块、电流方向比较模块和结果输出模块；其中，

所述数据采集模块用于采集所述保护装置所在本所及邻所的母线电压、各开关的电流及位置状态；

所述运行方式判断模块用于根据开关位置状态判断当前柔性牵引网的运行方式并将运行方式发送给母线电压监测模块；还用于根据所述运行方式调用当前运行方式下的电流方向真值表，将真值表发送给所述电流方向比较模块；

所述母线电压监测模块，用于在当前运行方式下，监测母线电压，当母线电压小于预设阈值时，启动电流相对比相计算模块；当母线电压大于或等于预设阈值时，持续监测母线电压；

所述电流相对比相计算模块用于选取当前运行方式下进线开关电流为基准电流方向，并计算其余各开关的电流相对方向，同时发送给所述电流方向比较模块；

所述电流方向比较模块用于将第i个开关的电流方向与真值表中第j个故障位置的第i个开关的电流方向进行比对：当电流方向出现不一致时，执行j＝j+1，继续比对操作；当每个电流方向均一致时，判断该真值表适用于当前故障，并将结果发送给结果输出模块。

所述结果输出模块，用于输出当前故障需要跳闸的开关号。

9.根据权利要求8所述的基于柔性牵引网的继电保护***，其特征在于，所述变电所、分区所所配置的保护装置，至少为一个。

10.根据权利要求8所述的基于柔性牵引网的继电保护***，其特征在于，所述i和j的初始值为1。

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