劉永生，魏 巍，王 旭，侯 煒，陳 俊

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城市軌道交通交流供電系統(tǒng)快速自愈方案研究

劉永生，魏 巍，王 旭，侯 煒，陳 俊

城市軌道交通供電系統(tǒng)的快速自愈對(duì)城市軌道交通的正常運(yùn)營(yíng)意義重大。本文介紹了城市軌道交通交流供電系統(tǒng)的自愈特點(diǎn)及自愈方案，并針對(duì)現(xiàn)有方案的不足提出一種新型交流供電系統(tǒng)快速自愈方案，通過動(dòng)作邏輯分析以及PSCAD仿真，驗(yàn)證了該方案的可行性。

城市軌道交通；交流供電系統(tǒng)；系統(tǒng)自愈；PSCAD

0 引言

城市軌道交通供電系統(tǒng)為城市軌道交通的正常運(yùn)行提供所需電能，城市軌道交通在運(yùn)營(yíng)過程中一旦發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的供電中斷，不僅會(huì)造成運(yùn)輸癱瘓，甚至?xí)＜俺丝偷纳⒃斐韶?cái)產(chǎn)損失。故障后系統(tǒng)的快速自愈可以有效縮小事故的影響范圍，并減少其可能造成的損失。目前，城市軌道交通交流供電系統(tǒng)自愈多采用差動(dòng)啟動(dòng)備自投或失壓?jiǎn)?dòng)備自投方案，均是針對(duì)單一故障實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自愈，或針對(duì)單一運(yùn)行方式下環(huán)網(wǎng)故障完成系統(tǒng)的自愈，具有一定的局限性。本文提出一種交流供電系統(tǒng)新型快速自愈方案，對(duì)于不同運(yùn)行方式下故障以及不同故障類型，均可實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的快速自愈，確保城市軌道交通的安全運(yùn)行。

1 交流供電系統(tǒng)自愈特點(diǎn)

城市軌道交通交流供電系統(tǒng)由多個(gè)供電分區(qū)組成，各個(gè)供電分區(qū)采用單側(cè)電源供電的多變電所環(huán)串結(jié)構(gòu)，不同供電分區(qū)可通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)和聯(lián)絡(luò)電纜實(shí)現(xiàn)相互之間的支援供電，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得交流供電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的韌性。

正常供電方式下，聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于斷開狀態(tài)，當(dāng)某一供電分區(qū)的主所退出運(yùn)行，聯(lián)絡(luò)開關(guān)合上，完成供電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲貥?gòu)，形成支援供電方式。城市軌道交通交流供電系統(tǒng)自愈方案應(yīng)考慮正常供電和支援供電2種運(yùn)行方式。

圖1為交流供電系統(tǒng)正常供電方式系統(tǒng)示意圖。現(xiàn)針對(duì)該運(yùn)行方式下不同故障的自愈特點(diǎn)進(jìn)行分析。當(dāng)發(fā)生K1點(diǎn)環(huán)網(wǎng)故障后，跳開304、402開關(guān)，完成故障的切除和隔離，合上400開關(guān)便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恢復(fù)供電；當(dāng)發(fā)生K2點(diǎn)母線故障后，通過402、404、502開關(guān)的跳開實(shí)現(xiàn)故障的切除和隔離，由于變電所4的II母故障，合上站內(nèi)的母聯(lián)開關(guān)400，不僅不會(huì)使II母供電恢復(fù)，還可能將故障范圍擴(kuò)大，所以應(yīng)合上500開關(guān)實(shí)現(xiàn)下級(jí)站的供電恢復(fù)。

圖2為交流供電系統(tǒng)支援供電方式系統(tǒng)圖。由于在支援供電方式下被支援的供電分區(qū)潮流方向發(fā)生變化，因此當(dāng)同樣發(fā)生K1點(diǎn)環(huán)網(wǎng)故障時(shí)，應(yīng)通過合上變電所3母聯(lián)開關(guān)完成系統(tǒng)自愈；當(dāng)發(fā)生K2點(diǎn)母線故障時(shí)，通過開關(guān)404、402、304的動(dòng)作將故障切除和隔離，合上變電所3內(nèi)的母聯(lián)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)下級(jí)變電所II母的供電恢復(fù)。

圖1 正常供電方式系統(tǒng)圖

圖2 支援供電方式系統(tǒng)圖

2 現(xiàn)有自愈方案

2.1 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)備自投

城市軌道交通交流供電系統(tǒng)站間采用電纜環(huán)串的結(jié)構(gòu)，環(huán)串變電所數(shù)量較多，環(huán)網(wǎng)電纜較長(zhǎng)，且環(huán)網(wǎng)電纜多敷設(shè)在潮濕的地下環(huán)境中，交流系統(tǒng)發(fā)生環(huán)網(wǎng)故障的概率較大[4]。針對(duì)上述特點(diǎn)，采用差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)備自投，即環(huán)網(wǎng)電纜發(fā)生故障后，差動(dòng)保護(hù)裝置動(dòng)作同時(shí)啟動(dòng)站內(nèi)備自投保護(hù)裝置。當(dāng)故障電纜兩側(cè)的斷路器跳開且所在母線失壓時(shí)，備自投裝置快速動(dòng)作合上母聯(lián)開關(guān)，完成系統(tǒng)的快速自愈。其備自投動(dòng)作邏輯如圖3所示。

圖3 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)備自投邏輯

差動(dòng)保護(hù)裝置準(zhǔn)確定位并隔離了故障，為系統(tǒng)的快速自愈提供了有利條件，因此該自愈方案可適用于不同運(yùn)行方式下環(huán)網(wǎng)故障后的系統(tǒng)快速自愈。

2.2 失壓?jiǎn)?dòng)備自投

差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)備自投的自愈方案雖然解決了環(huán)網(wǎng)電纜故障后交流供電系統(tǒng)的快速自愈，但是發(fā)生母線故障時(shí)，差動(dòng)保護(hù)裝置無法動(dòng)作，便無法啟動(dòng)站內(nèi)備自投保護(hù)裝置，使得變電所及下級(jí)變電所失電，供電系統(tǒng)無法自愈。鑒于以上問題，國(guó)內(nèi)某些城市軌道交通交流供電系統(tǒng)自愈方案采用失壓?jiǎn)?dòng)備自投，即當(dāng)站內(nèi)某段母線失壓，備自投裝置向失壓母線所在的進(jìn)線斷路器發(fā)出跳閘命令，進(jìn)線斷路器跳開后，備自投裝置向母聯(lián)開關(guān)發(fā)出合閘信號(hào)，完成系統(tǒng)的恢復(fù)供電[5，6]。其備自投動(dòng)作邏輯如圖4所示。

由于失壓?jiǎn)?dòng)備自投是通過站內(nèi)某段母線失壓來啟動(dòng)本站內(nèi)備自投裝置，因此上級(jí)變電所無論發(fā)生何種故障，本站母線失壓后均能啟動(dòng)備自投動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)不同類型故障下的系統(tǒng)自愈。

圖4 失壓?jiǎn)?dòng)備自投邏輯

3 新型系統(tǒng)快速自愈方案

3.1 現(xiàn)有自愈方案的困境

通過上一節(jié)的介紹可知，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)備自投方案只能解決環(huán)網(wǎng)電纜故障后的系統(tǒng)快速自愈，對(duì)于其他類型故障諸如母線故障則無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自愈。失壓?jiǎn)?dòng)備自投雖然可以解決多類型故障下的系統(tǒng)自愈，然而失壓?jiǎn)?dòng)備自投具有一定的局限性。首先，由于失壓?jiǎn)?dòng)備自投方案需先跳開失壓母線的進(jìn)線開關(guān)，因此需要預(yù)先明確母線的進(jìn)線開關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)潮流發(fā)生變化后，進(jìn)出線開關(guān)發(fā)生轉(zhuǎn)換，該方案便不再適用。當(dāng)系統(tǒng)切換運(yùn)行方式，需將失壓?jiǎn)?dòng)備自投退出，否則會(huì)造成開關(guān)的誤動(dòng)作。其次，由于供電分區(qū)內(nèi)的變電所是通過電纜環(huán)串在一起，某個(gè)站內(nèi)母線失壓會(huì)造成其下級(jí)變電所的母線同時(shí)失壓，不同站內(nèi)的失壓備自投需要通過時(shí)間級(jí)差進(jìn)行配合，以防止多個(gè)變電所內(nèi)的失壓備自投同時(shí)動(dòng)作。根據(jù)國(guó)內(nèi)某些線路的經(jīng)驗(yàn)來看，相鄰變電所之間失壓自投的時(shí)間級(jí)差通常都在2 s以上，這對(duì)于環(huán)串變電所數(shù)量較多的供電系統(tǒng)，越靠近供電分區(qū)末端的變電所自愈延時(shí)越長(zhǎng)。

3.2 新型系統(tǒng)快速自愈方案

針對(duì)上述問題以及城市軌道交通交流供電系統(tǒng)的供電特點(diǎn)，本文提出一種新型交流供電系統(tǒng)快速自愈方案。由于交流供電系統(tǒng)采用單側(cè)電源供電的多變電所環(huán)串的結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)環(huán)網(wǎng)電纜兩側(cè)斷路器其中一側(cè)跳開，下級(jí)變電所均會(huì)失電，環(huán)網(wǎng)電纜兩側(cè)斷路器同時(shí)跳開并不會(huì)擴(kuò)大停電范圍。當(dāng)發(fā)生環(huán)網(wǎng)故障后，本方案與差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)備自投一致，此處不作說明。當(dāng)發(fā)生母線故障后，以圖1為例進(jìn)行說明。當(dāng)發(fā)生K2故障，變電所4的II母進(jìn)線開關(guān)402過流保護(hù)動(dòng)作將故障切除，同時(shí)向出線開關(guān)404以及其環(huán)網(wǎng)對(duì)側(cè)開關(guān)502的保護(hù)裝置發(fā)出聯(lián)跳信號(hào)；502開關(guān)聯(lián)跳的同時(shí)啟動(dòng)所內(nèi)500開關(guān)的備自投裝置動(dòng)作，完成系統(tǒng)供電的快速恢復(fù)。其動(dòng)作邏輯如圖5所示。

圖5 新型系統(tǒng)快速自愈方案動(dòng)作邏輯

該自愈方案是基于故障發(fā)生后的供電快速恢復(fù)方案，適用于多種運(yùn)行方式下環(huán)網(wǎng)故障以及多種類型故障。故障發(fā)生后，通過跳開故障點(diǎn)下級(jí)變電所的進(jìn)線斷路器，完成故障的完全隔離，與此同時(shí)快速啟動(dòng)所內(nèi)備自投裝置。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證新型系統(tǒng)快速自愈方案的效果，在PSCAD中搭建了如圖1、圖2的交流供電系統(tǒng)仿真模型以及保護(hù)控制模型，其中牽引所1、2、3、4、5、6構(gòu)成供電分區(qū)1，牽引所7、8、9構(gòu)成供電分區(qū)2，牽引所6的603、604開關(guān)作為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 城市軌道交通交流供電系統(tǒng)仿真參數(shù)

4.1 正常供電方式下系統(tǒng)快速自愈

正常供電方式下，聯(lián)絡(luò)開關(guān)603、604處于斷開狀態(tài)。為了更好地觀察不同自愈方案下的系統(tǒng)恢復(fù)情況，環(huán)網(wǎng)故障的模擬故障點(diǎn)選在供電分區(qū)1的開關(guān)304和402之間的環(huán)網(wǎng)電纜，母線故障的模擬故障點(diǎn)選在供電分區(qū)1的牽引所4的II母母線。圖6、圖7分別為正常供電方式下環(huán)網(wǎng)故障和母線故障時(shí)系統(tǒng)快速自愈示意圖。

圖6 正常供電方式下環(huán)網(wǎng)故障系統(tǒng)快速自愈

圖7 正常供電方式下母線故障系統(tǒng)快速自愈

從圖6可以看出，當(dāng)304和402之間環(huán)網(wǎng)電纜發(fā)生故障，環(huán)網(wǎng)電纜兩側(cè)的304和402開關(guān)的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作將故障切除并隔離，所內(nèi)的400母聯(lián)保護(hù)裝置檢測(cè)到牽引所4內(nèi)的II母失壓，并接收到402開關(guān)的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)后，經(jīng)短延時(shí)備自投動(dòng)作，合上母聯(lián)開關(guān)，使得牽引所4內(nèi)的I母通過母聯(lián)開關(guān)給II母供電，實(shí)現(xiàn)牽引所4以及下級(jí)變電所的供電快速恢復(fù)。

從圖7可以看出，當(dāng)牽引所4內(nèi)發(fā)生母線故障，進(jìn)線開關(guān)402的過流保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)通過502開關(guān)的保護(hù)裝置聯(lián)跳502開關(guān)，完成故障切除及隔離，500開關(guān)保護(hù)裝置接收到502開關(guān)的聯(lián)跳保護(hù)動(dòng)作信號(hào)后，經(jīng)短延時(shí)備自投動(dòng)作，合上母聯(lián)開關(guān)，使得牽引所5內(nèi)的I母通過母聯(lián)開關(guān)給II母供電，實(shí)現(xiàn)牽引所5以及下級(jí)變電所的供電快速恢復(fù)。

4.2 支援供電方式下系統(tǒng)自愈

將供電分區(qū)1的101、102開關(guān)斷開，合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)603、604，實(shí)現(xiàn)供電分區(qū)2向供電分區(qū)1的支援供電。環(huán)網(wǎng)故障的模擬故障點(diǎn)選在供電分區(qū)1的開關(guān)304和402之間的環(huán)網(wǎng)電纜，母線故障的模擬故障點(diǎn)選在供電分區(qū)1的牽引所3的II母母線。圖8、圖9分別為支援供電方式下環(huán)網(wǎng)故障和母線故障時(shí)系統(tǒng)快速自愈示意圖。

從圖8可以看出，當(dāng)304和402開關(guān)之間環(huán)網(wǎng)電纜發(fā)生故障，環(huán)網(wǎng)電纜兩側(cè)的304和402開關(guān)的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作將故障切除并隔離，牽引所3內(nèi)的300母聯(lián)保護(hù)裝置檢測(cè)到牽引所4內(nèi)的II母失壓，并接收到304開關(guān)的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)后，經(jīng)短延時(shí)備自投動(dòng)作，合上母聯(lián)開關(guān)，使得牽引所3內(nèi)的I母通過母聯(lián)開關(guān)給II母供電，實(shí)現(xiàn)牽引所3以及下級(jí)變電所的供電快速恢復(fù)。

圖8 支援供電方式下環(huán)網(wǎng)故障系統(tǒng)快速自愈

從圖9可以看出，當(dāng)牽引所3內(nèi)發(fā)生母線故障，進(jìn)線開關(guān)304的過流保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)通過204開關(guān)的保護(hù)裝置聯(lián)跳204開關(guān)，完成故障的切除及隔離，200開關(guān)保護(hù)裝置接收到204開關(guān)的聯(lián)跳保護(hù)動(dòng)作信號(hào)后，經(jīng)短延時(shí)備自投動(dòng)作，合上母聯(lián)開關(guān)，使?fàn)恳?內(nèi)的I母通過母聯(lián)開關(guān)給II母供電，實(shí)現(xiàn)牽引所2以及下級(jí)牽引所的供電快速恢復(fù)。

圖9 支援供電方式下母線故障系統(tǒng)快速自愈

5 結(jié)語

理論分析和系統(tǒng)仿真結(jié)果說明本文所提出的交流供電系統(tǒng)新型快速自愈方案切實(shí)有效，適用于多種不同運(yùn)行方式下環(huán)網(wǎng)故障以及多種類型故障的快速自愈，解決了現(xiàn)有自愈方案在城市軌道交通交流供電系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題，對(duì)交流供電系統(tǒng)的快速自愈具有實(shí)際參考意義，并具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

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The quick self-healing of power supply system of urban mass transit has great significance to normal operation of urban mass transit. The paper introduces the self-healing characteristics and self-healing schemes for AC power supply system of urban mass transit, and a new scheme for system self-healing has been put forward with regard to the disadvantages of existed schemes, the feasibility of the scheme has been verified on the basis of logic analysis of actions and PSCAD simulation.

Urban mass transit; AC power supply system; system self-healing; PSCAD

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.016

U231.8

B

1007-936X(2018)05-0061-04

2018-01-23

劉永生.南京南瑞繼保電氣有限公司，工程師；

魏 巍，侯 煒，陳 俊.南京南瑞繼保電氣有限公司，高級(jí)工程師；

王 旭.南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，工程師。