保護(hù)信息管理在地鐵交流供電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究
南京南瑞繼保電氣有限公司的研究人員金海奇,在2018年第4期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出,繼電保護(hù)是地鐵供電系統(tǒng)安全運行的保障,其定值與負(fù)荷大小和變動緊密相關(guān),欲確保多定值的繼電保護(hù)整定準(zhǔn)確,必須為地鐵供電系統(tǒng)配備完善的保護(hù)信息管理系統(tǒng),以加強對保護(hù)定值的整定、檢測與管理。
本文中以城市軌道交通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式為基礎(chǔ),設(shè)計一套具有“地鐵供電”特色的保護(hù)信息管理系統(tǒng),以實現(xiàn)定值自動校核、危險預(yù)警、合理化整定建議、故障波形管理等功能。系統(tǒng)采用頂層設(shè)計、模塊化實施的思想,并突出了地鐵供電的特殊性和專業(yè)性。最后,利用典型的實例闡釋了基于RTDS仿真實驗平臺的校驗功能。
繼電保護(hù)裝置是保證地鐵供電系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵二次設(shè)備,而保護(hù)定值又是繼電保護(hù)裝置正確動作的基礎(chǔ),因此合理整定、檢測和管理保護(hù)定值對保障地鐵供電系統(tǒng)的安全具有重要意義[1-3]。
保護(hù)跳閘時的故障波形是分析故障原因和確定故障性質(zhì)的重要基礎(chǔ),也應(yīng)該納入有效管理。
目前城市軌道交通繼電保護(hù)裝置的定值整定是由設(shè)計單位在離線狀態(tài)下根據(jù)已有系統(tǒng)最大負(fù)荷電流和系統(tǒng)阻抗參數(shù)計算獲得的,并由調(diào)試單位輸入保護(hù)裝置并進(jìn)行實驗測試[4]。但是根據(jù)實際應(yīng)用的反饋,這種定值整定和管理模式出現(xiàn)如下問題需要改進(jìn)提高。
1)定值整定標(biāo)準(zhǔn)不同導(dǎo)致的上下級配合問題。地鐵供電系統(tǒng)中主變電所定值一般由電力調(diào)度整定,而牽引降壓變電所定值一般由鐵路專業(yè)設(shè)計院整定,在兩類變電所的設(shè)計接口處由于雙方整定計算方法和標(biāo)準(zhǔn)的差異,常發(fā)生上下級保護(hù)配合方面的問題。
2)地鐵35kV供電系統(tǒng)整定調(diào)試時難以充分驗證保護(hù)配合關(guān)系。受牽引降壓變電所地理位置上的分散和調(diào)試手段的限制,調(diào)試單位調(diào)試?yán)^電保護(hù)裝置時常常僅測試站內(nèi)和鄰站間的保護(hù)配合關(guān)系,對于更復(fù)雜的跨越多個變電站的保護(hù)配合則難以測試,留下了測試盲點。
3)地鐵供電系統(tǒng)運行方式變化多樣,而運行方式切換后,如果保護(hù)裝置的定值組沒有同步切換,將導(dǎo)致運行定值與當(dāng)前運行方式的不匹配,存在保護(hù)誤動和拒動的可能性。
4)特殊運行狀態(tài)時,存在整定方法不完善之處或者整定計算過程中的人為疏漏,系統(tǒng)中部分保護(hù)定值可能不能滿足故障切除靈敏性和選擇性的要求。
5)保護(hù)動作后,保護(hù)裝置會記錄故障波形,但是目前地鐵沒有相應(yīng)的保信系統(tǒng)來管理和查閱波形,檢修人員必須趕到現(xiàn)場才能確定故障原因,導(dǎo)致恢復(fù)供電周期很長。
若能夠?qū)㈦娏ο到y(tǒng)中已經(jīng)普遍應(yīng)用的保護(hù)信息管理系統(tǒng)與地鐵應(yīng)用條件相結(jié)合,研制一套“地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)”,以快速發(fā)現(xiàn)和定位上述問題盲點,則將有利于地鐵供電系統(tǒng)的安全運行能力的進(jìn)一步提升,具有一定的實用意義。
1 地鐵應(yīng)用的特殊性
“繼電保護(hù)定值在線校核”技術(shù)在電力系統(tǒng)已經(jīng)得到了相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的廣泛研究[1,4-6],但是通過研究和比較發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有成果和技術(shù)方案并不完全適合地鐵供電系統(tǒng)的實際情況,因此無法直接移植應(yīng)用。這些差異性主要表現(xiàn)在以下方面。
1)目前電力系統(tǒng)內(nèi)的繼電保護(hù)定值在線校核技術(shù)是針對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的,校核系統(tǒng)通過能量管理系統(tǒng)(energy management system, EMS)采集電力系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)(運行方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、保護(hù)定值等)。而地鐵供電系統(tǒng)內(nèi)并不設(shè)置EMS,更不會提供符合IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的公共信息模型[5]以便在線校核系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。
2)電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為多電源網(wǎng)絡(luò),在線校核定值時需要進(jìn)行潮流計算、分布式處理等[7],而地鐵供電系統(tǒng)為單電源系統(tǒng),不需要考慮潮流等因素,校核算法上相對簡化。而地鐵供電系統(tǒng)運行模式復(fù)雜,因此要求在線校核系統(tǒng)必須在運行模式切換方面具有針對性的解決措施。
3)地鐵負(fù)荷具有沖擊性的特點,鐵路專業(yè)設(shè)計院通常根據(jù)仿真計算得到的最大負(fù)荷電流整定繼電保護(hù)裝置,而傳統(tǒng)電力在線校核方法通常采用短路計算進(jìn)行定值校核,如果在地鐵供電系統(tǒng)中延用電力的在線校核方法,由于整定方法和校核方法之間存在著較大的差異,將不能實現(xiàn)校核目標(biāo)。
因此,為了研制地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng),必須充分考慮以上差異,在現(xiàn)有電力“繼電保護(hù)定值在線校核”技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行重新設(shè)計。
2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)由“保信子站”和“保信主站”組成,其中子站負(fù)責(zé)保護(hù)信息數(shù)據(jù)的收集,主站負(fù)責(zé)保護(hù)信息數(shù)據(jù)的管理和分析。保信主站中,保護(hù)管理計算機(jī)為用戶接口設(shè)備,用于配置在線校核系統(tǒng)和讀取校核報告;在線校核服務(wù)器用于存儲校核數(shù)據(jù)庫和執(zhí)行校核算法;交換機(jī)和前置服務(wù)器用于讀取保護(hù)定值、故障波形和核心斷路器狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
核心斷路器包括環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷路器、主變電所和牽引降壓變電所的饋線斷路器、母聯(lián)斷路器等。由于核心斷路器的變位會導(dǎo)致地鐵供電系統(tǒng)運行模式的切換,所以必須實時監(jiān)控其位置信息,以便于及時識別供電系統(tǒng)的模式切換。定值信息包括保護(hù)裝置內(nèi)的所有運行定值和備用定值。讀取的定值信息存儲在定值數(shù)據(jù)庫中,供在線校核系統(tǒng)調(diào)用。
3 系統(tǒng)功能
地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)的功能圖如圖2所示。
圖2 地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)功能圖
地鐵保護(hù)信息管理系統(tǒng)支持3種校核算法(規(guī)則庫校核算法、定值庫校核算法和在線整定計算校核算法),同時在內(nèi)部設(shè)置了5個專用數(shù)據(jù)庫為校核算法提供運算支持。
這些數(shù)據(jù)庫除了定值數(shù)據(jù)庫外,還包括系統(tǒng)基本參數(shù)數(shù)據(jù)庫(存儲電纜單位阻抗、變壓器參數(shù)等供電系統(tǒng)參數(shù))、設(shè)計定值庫(存儲設(shè)計院提供的設(shè)計整定定值清單)、定值校核規(guī)則庫(存儲如保護(hù)配合延時級差等定值校核規(guī)則)和系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(電氣一次系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和斷路器編號)。
定值數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)從PSCADA系統(tǒng)讀取,其他數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)都需要通過“圖形化用戶配置接口”模塊進(jìn)行設(shè)置。
在線校核系統(tǒng)還設(shè)置了“運行模式識別”功能模塊和“短路計算”功能模塊。運行模式識別模塊實時監(jiān)視核心斷路器的變位信息以判斷系統(tǒng)的當(dāng)前運行模式;短路計算模塊根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和假設(shè)條件計算各類型短路故障情況下的短路電流。
3.1 定值庫校核模式
定值庫校核模式通過比較“設(shè)計定值數(shù)據(jù)庫”和“定值數(shù)據(jù)庫”來核對保護(hù)裝置內(nèi)的運行定值是否為設(shè)計定值。該模式主要用于篩查因人為整定失誤導(dǎo)致的錯誤隱患[8]。
校核算法執(zhí)行時,利用實時采集的核心斷路器位置信息,由“運行模式識別”功能模塊判別系統(tǒng)當(dāng)前的運行模式。定值庫校核模塊再根據(jù)運行模式從設(shè)計定值數(shù)據(jù)庫中讀取該運行模式對應(yīng)的設(shè)計定值組。此后,校核模塊比較定值數(shù)據(jù)庫中每一個裝置內(nèi)的運行定值與設(shè)計定值是否相同,并生成分析報告。若存在差異,則產(chǎn)生告警信息,提醒運行人員:當(dāng)前運行定值存在整定錯誤。
定值庫校核功能支持周期觸發(fā)、事件觸發(fā)和手動觸發(fā)共3種觸發(fā)模式。周期觸發(fā)用于定期檢查系統(tǒng)保護(hù)定值,周期定值由運行人員設(shè)置,可作為一種自動化巡檢手段為保護(hù)裝置“運維”提供便利;事件觸發(fā)用于運行模式切換后對系統(tǒng)保護(hù)定值進(jìn)行即時檢查,避免出現(xiàn)因保護(hù)定值未隨運行模式切換而導(dǎo)致的安全隱患;手動觸發(fā)則由運行人員根據(jù)需要決定是否執(zhí)行校核算法。
3.2 整定計算校核模式
目前關(guān)于在線定值校核系統(tǒng)有靜態(tài)分析和動態(tài)分析兩類方法。動態(tài)分析方法考慮了潮流計算、狀態(tài)突變、負(fù)荷模型、電源參數(shù)等更豐富的數(shù)據(jù),能夠比靜態(tài)方法提供更詳細(xì)、更準(zhǔn)確的信息,因此成為電力系統(tǒng)在線校核的主流[5]。但是對于地鐵供電系統(tǒng),由于潮流數(shù)據(jù)影響極小、電源參數(shù)也變化不大,因此動態(tài)分析方法相比于靜態(tài)分析方法的優(yōu)勢并不明顯。本論文選用靜態(tài)分析方法來計算和校核保護(hù)定值。
地鐵負(fù)荷具有沖擊性的特點,地鐵繼電保護(hù)定值通常根據(jù)仿真計算得到的最大負(fù)荷電流整定,整定計算校核模式的作用就是驗證設(shè)計定值的靈敏度。“短路計算”功能模塊以“系統(tǒng)基本參數(shù)庫”中的電氣參數(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合運行模式識別結(jié)果,采用靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)阻抗分析方法計算單相接地、兩相接地、相間短路不接地和三相短路時各個故障點(母線、站間環(huán)網(wǎng)電纜、整流/動力變壓器高低壓側(cè))的短路數(shù)據(jù),并將計算結(jié)果提交給整定計算校核模塊。
整定計算定值校核模塊主要校核在當(dāng)前系統(tǒng)方式下保護(hù)所在區(qū)域發(fā)生內(nèi)部故障時,當(dāng)前保護(hù)定值的“靈敏度”。
保護(hù)靈敏度的計算公式[2]為
(1)
式中,Km為靈敏度;Idz為待校驗保護(hù)定值;Icur為保護(hù)區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同類型接地故障時流過保護(hù)的最大短路電流。由于地
責(zé)任編輯:售電衡衡
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