基于供电臂的AT牵引网网络化保护模型研究

殷梓健，宋金川，田行军，王 喆，姚 琪

0 引言

铁路作为综合运输体系的骨干和主要运输方式之一，对我国经济社会发展起着至关重要的作用。现行的高速铁路一般采用电力牵引供电，列车通过接触网取用电流。由于国铁多在户外运营，气候、环境条件复杂多变，在较为恶劣的气候和环境条件下，以电力牵引运行的高速铁路容易发生电气故障。因此，采用一套高效可靠的继电保护系统对高速铁路的安全运营至关重要。

目前，高速铁路的继电保护依然采用传统的保护方式，设置各种保护的动作时间，通过保护动作时差保证保护的选择性、速动性。文献[1]指出，牵引网的负荷、电力机车或动车组会在牵引网区段内沿线路移动，因此电力系统中广泛运用的电流差动保护无法完全胜任牵引网的保护。文献[2]指出，由于电气化铁路的负荷出现在差动保护的保护范围之内，即使采用光纤纵向差动保护，其保护范围和灵敏度与基于单端信息量的过电流保护也没有区别。这也凸显了对电气化铁路的继电保护方案进行专门研究的必要性。

随着我国第一条自主研发的智能高速铁路—京张高铁的开通运营，中国铁路进入了智能化时代。《铁路“十三五”发展规划》提出，要加强信息、智能化建设，提高安监自动化水平，推进信息综合应用[3]。在此背景下，考虑到铁路运营对安全性、可靠性的特殊要求，提升高速铁路继电保护的智能化水平至关重要。

为提升继电保护的智能化水平，文献[4]提出了电网故障诊断的改进模型，通过引入贡献因子改善模型效果，用于分析电网故障。同时，电网故障诊断的分阶段解析模型[5]及电力系统二维重组法数据压缩算法[6]的问世，对高速铁路的继电保护也有着重要的参考价值。在同样属于轨道交通的地铁领域，文献[7]提出了利用IEC 61850通信规约实现保护装置间的无缝通信，这为同样属于轨道交通的高速铁路提升继电保护水平提供了新思路。利用IEC 61850通信网络与系统标准规约，构建包含整条供电臂的通信继保网络，打破信息孤岛，实现保护区段内继保设备的互联互通，解决各继保设备的联络难题，无疑对提高继电保护的可靠性、速动性及高速铁路的智能化、信息化水平具有重要意义。

1 现行供电臂继保方案分析

在全并联AT牵引网线路中，供电臂是最小基本重复单元。在一条供电臂中，一般包含牵引变电所、AT所、分区所与开闭所。

牵引变电所中安置有主变压器；AT所中配置有自耦变压器；分区所的主要任务是控制上下行线路之间的联通，全并联运行方式即通过分区所调控实现；开闭所的主要作用是提高供电的可靠性和缩小故障停电范围，将故障对铁路运输的影响降到最低。

在一般的继电保护分析中，通常不考虑开闭所，仅分析变电所、AT所与分区所之间的保护配置关系。目前，由于高铁的全并联AT牵引网在AT所处通常是并联运行的，而保护装置的配置通常采用分立方式[8]，具体的保护配置关系如图1所示。

图1 供电臂保护示意图

（1）无论是上行线路还是下行线路发生故障，牵引变电所保护分别跳闸断路器1QF、2QF，无选择性地切断所有电源。

（2）位于AT所的3QF、4QF和位于分区所的5QF、6QF分别检测到上、下行线路失压，失压保护启动，断路器各自分别跳开，从而使供电系统从系统并联运行退化为各自独立运行的形式，系统发生解列。

（3）牵引变电所断路器1QF、2QF在到达设定的时间后分别自动重合闸。如果上行供电臂合闸成功，则AT所和分区所检测到上行供电臂电压恢复，具有电压检测功能的自动重合闸将会启动，分别重合闸AT所和分区所处的断路器，上行供电臂恢复供电；如果下行供电臂合闸成功，AT所和分区所将会检测到下行供电臂电压恢复，具有电压检测功能的自动重合闸将会启动，分别重合闸AT所和分区所处的断路器，下行供电臂恢复供电。如果在供电臂的供电区段内出现的是临时性故障，则经过这一过程之后，临时性故障可以得到排除。

（4）如果在供电臂的供电区段内发生的是永久性故障，则当故障发生在上行供电臂区段内时，在（3）的叙述过程中，断路器1QF的自动重合闸便不会成功，上下行供电臂中仅有下行供电臂得以恢复供电，上行供电臂供电切断；同理，若故障发生在下行供电臂区段内，断路器2QF的自动重合闸不会成功，上下行供电臂中仅有上行供电臂得以恢复供电，下行供电臂完成故障切除。

通过对上述继电保护动作流程及相关资料分析，可以总结得到在现行供电臂继电保护方案下的保护与自动装置配置，如表1所示。

表1 保护与自动装置配置及LD节点配置

2 基于IEC 61850的逻辑设备模型建立

在对现行的、基于供电臂的继保方案进行分析后，利用分析结果，依据IEC 61850通信规约第7部分第4节有关系统节点的配置规则进行逻辑设备建模。在建模过程中，如有与通信规约中已列出的保护与自动装置配置表中保护类型一致的LD节点，则可直接借用，若不完全一致，则需依照规则自行搭建，模型搭建及LD节点配置结果如表1所示，模型内LN节点的逻辑关系如图2所示。

图2 供电臂保护IED的LN分配

图2 中，除表1中已经注明的节点外，均来自于保护与自动装置配置表，这些节点均有对应的保护功能。但一套完整的供电臂保护方案还应有监控、测量、人工干预等功能以及部分测控器件，如断路器、电流互感器、电压互感器等，这正是图2中出现表1中未注明的其他节点的原因。各节点的作用：PTRC代表预先设定的跳闸门限；PIID代表电流增量保护；MMXU节点担负在各层之间递送电压互感器、电流互感器采集的电压、电流等信号的任务；RDRE节点向人机交互层面传输录波、故障、日志和报告等信息供值班人员整理分析；RDRS处理扰动；IHMI是值班人员手动操作的基础；XCBR节点代表断路器；TCTR、TVTR节点分别代表电流、电流互感器[9]。

3 基于IEC 61850规约的逻辑设备节点配置

建立逻辑设备模型后，应根据IEC 61850通信规约第7部分第2节所规定的配置规则，对涉及到的逻辑设备节点逐一配置，配置过程较为冗长，下文选择以距离保护（PDIS）逻辑设备节点为例，展示逻辑设备模型的配置结果，其他逻辑设备节点模型的配置结果从略。距离保护（PDIS）逻辑设备节点的配置结果如表2所示。

表2 PDIS属性列表

4 整个供电臂的IED模型建立

在完成供电臂保护各逻辑设备节点的配置后，可建立供电臂线路保护的IED模型，如图3所示。

图3 供电臂线路保护IED模型

在供电臂保护的IED模型中，将整个供电臂的功能大致分为3类，分别是保护功能、测量与记录功能和人机接口功能，分别用3个逻辑设备实现：LD1负责保护功能，LD2负责测量与记录功能，LD3负责实现人机接口功能。

LLN0代表逻辑设备的公共数据，如铭牌、运行状态等；LPDH代表拥有LN的物理设备的公共数据[10]。这两项用于表述逻辑设备的基本信息，是每个逻辑设备所必须包含的组成部分，故出现在LD1、LD2、LD3三个逻辑设备模型中。其余的图中节点在前文中已有解释说明，此处不再赘述。

LD1、LD2、LD3三个逻辑设备组成服务器，再将Server单独作为整个供电臂的IED模型。

5 使用OPNET软件测试建立的网络性能

根据图3所示的IED模型，建立搭建的OPNET仿真模型如图4所示。

图4 OPNET仿真模型

选用3C_SSII_1100_3300_4S_ae52_e48_ge3作为逻辑设备模型的中心交换机，以交换机为核心通过星形连接的方式连接各自的逻辑节点，同时为满足交换机的正常运行及仿真统计需要，每台交换机均配置一台服务器。以CS_2514_1S_e2_S12作为路由器连接各逻辑模型设备的交换机，实现各逻辑设备模型的互联互通。

下文对建立的模型进行简单的可靠性计算，设每个节点的故障率为λn，每条链路的故障率为λ，则节点和链路的正常工作概率分别为

模型中所有节点全部正常工作的概率RN为

式中，N为模型中的节点数。

模型中所有链路均正常工作的概率RL为

式中，M为模型的链路数，A为(M,N)矩阵。

整个模型的正常工作概率RM为

联立式（1）—式（4），代入数据计算，得到该模型的正常工作概率约为98.49%。

现将仿真时间设置为1 h，即仿真模拟运行1 h，仿真结果如图5和图6所示。

图5 整个供电臂的IED通信延时

图6 LD1逻辑设备的负载与通信延时

从图5可以看出，整个供电臂IED模型的通信延时大致稳定在0.000 40 s附近，表明在供电臂内各自动保护装置之间的通信只需要0.4 ms便可完成，对于整条供电臂而言无疑是一个比较理想的结果。

从图6可以看出，以逻辑设备模型LD1为例，单个逻辑设备的通信延时在0.000 50～0.000 20 s范围波动，大致稳定在0.000 30 s，即0.3 ms，其负载大致在0.5～1 kbits/s范围波动。该结果说明在逻辑设备模型内部实现通信的用时比整条供电臂中实现通信的用时要短，同时，在现有的通信媒介（如光纤）下，担负该程度的负载是切实可靠的。

6 结语

目前，IEC 61850通信规约在国内铁路行业的应用仍处于研发和实验阶段，没有成熟的商业化产品，但在国际和国内的电力行业中已经进行了多年的实践应用，积累了许多可以借鉴的成熟经验。铁路具有的与国计民生息息相关的特殊性决定了对其运行安全性、可靠性的苛刻要求，而保证铁路运行安全性与可靠性的关键之一在于应用一套兼具选择性与速动性的可靠的继电保护方案。应用成熟的IEC 61850通信规约，借鉴其统一通信标准，构建一体化的继电保护模型，实现保护装置之间互联互通，无疑是一条事半功倍的技术路线。