保护信息管理在地铁交流供电系统中的应用研究
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南京南瑞继保电气有限公司的研究人员金海奇，在2018年第4期《电气技术》杂志上撰文指出，继电保护是地铁供电系统安全运行的保障，其定值与负荷大小和变动紧密相关，欲确保多定值的继电保护整定准确，必须为地铁供电系统配备完善的保护信息管理系统，以加强对保护定值的整定、检测与管理。
本文中以城市轨道交通供电系统结构和运行方式为基础，设计一套具有“地铁供电”特色的保护信息管理系统，以实现定值自动校核、危险预警、合理化整定建议、故障波形管理等功能。系统采用顶层设计、模块化实施的思想，并突出了地铁供电的特殊性和专业性。最后，利用典型的实例阐释了基于RTDS仿真实验平台的校验功能。
继电保护装置是保证地铁供电系统安全运行的关键二次设备，而保护定值又是继电保护装置正确动作的基础，因此合理整定、检测和管理保护定值对保障地铁供电系统的安全具有重要意义[1-3]。
保护跳闸时的故障波形是分析故障原因和确定故障性质的重要基础，也应该纳入有效管理。
目前城市轨道交通继电保护装置的定值整定是由设计单位在离线状态下根据已有系统最大负荷电流和系统阻抗参数计算获得的，并由调试单位输入保护装置并进行实验测试[4]。但是根据实际应用的反馈，这种定值整定和管理模式出现如下问题需要改进提高。
1）定值整定标准不同导致的上下级配合问题。地铁供电系统中主变电所定值一般由电力调度整定，而牵引降压变电所定值一般由铁路专业设计院整定，在两类变电所的设计接口处由于双方整定计算方法和标准的差异，常发生上下级保护配合方面的问题。
2）地铁35kV供电系统整定调试时难以充分验证保护配合关系。受牵引降压变电所地理位置上的分散和调试手段的限制，调试单位调试继电保护装置时常常仅测试站内和邻站间的保护配合关系，对于更复杂的跨越多个变电站的保护配合则难以测试，留下了测试盲点。
3）地铁供电系统运行方式变化多样，而运行方式切换后，如果保护装置的定值组没有同步切换，将导致运行定值与当前运行方式的不匹配，存在保护误动和拒动的可能性。
4）特殊运行状态时，存在整定方法不完善之处或者整定计算过程中的人为疏漏，系统中部分保护定值可能不能满足故障切除灵敏性和选择性的要求。
5）保护动作后，保护装置会记录故障波形，但是目前地铁没有相应的保信系统来管理和查阅波形，检修人员必须赶到现场才能确定故障原因，导致恢复供电周期很长。
若能够将电力系统中已经普遍应用的保护信息管理系统与地铁应用条件相结合，研制一套“地铁保护信息管理系统”，以快速发现和定位上述问题盲点，则将有利于地铁供电系统的安全运行能力的进一步提升，具有一定的实用意义。
1 地铁应用的特殊性
“继电保护定值在线校核”技术在电力系统已经得到了相关专业技术人员的广泛研究[1,4-6]，但是通过研究和比较发现，现有成果和技术方案并不完全适合地铁供电系统的实际情况，因此无法直接移植应用。这些差异性主要表现在以下方面。
1）目前电力系统内的继电保护定值在线校核技术是针对电网结构设计的，校核系统通过能量管理系统（energy management system, EMS）采集电力系统的实时运行数据（运行方式、拓扑结构、保护定值等）。而地铁供电系统内并不设置EMS，更不会提供符合IEC61970标准的公共信息模型[5]以便在线校核系统采集数据。
2）电力系统的拓扑结构为多电源网络，在线校核定值时需要进行潮流计算、分布式处理等[7]，而地铁供电系统为单电源系统，不需要考虑潮流等因素，校核算法上相对简化。而地铁供电系统运行模式复杂，因此要求在线校核系统必须在运行模式切换方面具有针对性的解决措施。
3）地铁负荷具有冲击性的特点，铁路专业设计院通常根据仿真计算得到的最大负荷电流整定继电保护装置，而传统电力在线校核方法通常采用短路计算进行定值校核，如果在地铁供电系统中延用电力的在线校核方法，由于整定方法和校核方法之间存在着较大的差异，将不能实现校核目标。
因此，为了研制地铁保护信息管理系统，必须充分考虑以上差异，在现有电力“继电保护定值在线校核”技术的基础上进行重新设计。
2 系统的结构
地铁保护信息管理系统由“保信子站”和“保信主站”组成，其中子站负责保护信息数据的收集，主站负责保护信息数据的管理和分析。保信主站中，保护管理计算机为用户接口设备，用于配置在线校核系统和读取校核报告；在线校核服务器用于存储校核数据库和执行校核算法；交换机和前置服务器用于读取保护定值、故障波形和核心断路器状态。系统结构如图1所示。
图1 地铁保护信息管理系统结构图
核心断路器包括环网联络断路器、主变电所和牵引降压变电所的馈线断路器、母联断路器等。由于核心断路器的变位会导致地铁供电系统运行模式的切换，所以必须实时监控其位置信息，以便于及时识别供电系统的模式切换。定值信息包括保护装置内的所有运行定值和备用定值。读取的定值信息存储在定值数据库中，供在线校核系统调用。
3 系统功能
地铁保护信息管理系统的功能图如图2所示。
图2 地铁保护信息管理系统功能图
地铁保护信息管理系统支持3种校核算法（规则库校核算法、定值库校核算法和在线整定计算校核算法），同时在内部设置了5个专用数据库为校核算法提供运算支持。
这些数据库除了定值数据库外，还包括系统基本参数数据库（存储电缆单位阻抗、变压器参数等供电系统参数）、设计定值库（存储设计院提供的设计整定定值清单）、定值校核规则库（存储如保护配合延时级差等定值校核规则）和系统拓扑结构数据库（电气一次系统的组网结构和断路器编号）。
定值数据库的数据从PSCADA系统读取，其他数据库的数据都需要通过“图形化用户配置接口”模块进行设置。
在线校核系统还设置了“运行模式识别”功能模块和“短路计算”功能模块。运行模式识别模块实时监视核心断路器的变位信息以判断系统的当前运行模式；短路计算模块根据系统参数和假设条件计算各类型短路故障情况下的短路电流。
3.1 定值库校核模式
定值库校核模式通过比较“设计定值数据库”和“定值数据库”来核对保护装置内的运行定值是否为设计定值。该模式主要用于筛查因人为整定失误导致的错误隐患[8]。
校核算法执行时，利用实时采集的核心断路器位置信息，由“运行模式识别”功能模块判别系统当前的运行模式。定值库校核模块再根据运行模式从设计定值数据库中读取该运行模式对应的设计定值组。此后，校核模块比较定值数据库中每一个装置内的运行定值与设计定值是否相同，并生成分析报告。若存在差异，则产生告警信息，提醒运行人员：当前运行定值存在整定错误。
定值库校核功能支持周期触发、事件触发和手动触发共3种触发模式。周期触发用于定期检查系统保护定值，周期定值由运行人员设置，可作为一种自动化巡检手段为保护装置“运维”提供便利；事件触发用于运行模式切换后对系统保护定值进行即时检查，避免出现因保护定值未随运行模式切换而导致的安全隐患；手动触发则由运行人员根据需要决定是否执行校核算法。
3.2 整定计算校核模式
目前关于在线定值校核系统有静态分析和动态分析两类方法。动态分析方法考虑了潮流计算、状态突变、负荷模型、电源参数等更丰富的数据，能够比静态方法提供更详细、更准确的信息，因此成为电力系统在线校核的主流[5]。但是对于地铁供电系统，由于潮流数据影响极小、电源参数也变化不大，因此动态分析方法相比于静态分析方法的优势并不明显。本论文选用静态分析方法来计算和校核保护定值。
地铁负荷具有冲击性的特点，地铁继电保护定值通常根据仿真计算得到的最大负荷电流整定，整定计算校核模式的作用就是验证设计定值的灵敏度。“短路计算”功能模块以“系统基本参数库”中的电气参数为基础，结合运行模式识别结果，采用静态网络阻抗分析方法计算单相接地、两相接地、相间短路不接地和三相短路时各个故障点（母线、站间环网电缆、整流/动力变压器高低压侧）的短路数据，并将计算结果提交给整定计算校核模块。
整定计算定值校核模块主要校核在当前系统方式下保护所在区域发生内部故障时，当前保护定值的“灵敏度”。
保护灵敏度的计算公式[2]为
（1）
式中，Km为灵敏度；Idz为待校验保护定值；Icur为保护区域内发生不同类型接地故障时流过保护的最大短路电流。由于地铁站间间距较短，站间电缆阻抗较小（正序和零序阻抗一般都小于1），因此选取环网电缆中间点进行短路故障计算和灵敏度校核即可。
若保护灵敏度的校核结果不满足用户要求，则在线定值校核系统可以根据短路电流给出一个合理化的建议定值（可靠系数Krel由运行人员整定），并将校核结果生成校核报告，供用户分析参考。
整定计算校核模式需要较大的运算资源和运行时间，而且要求“系统基本参数数据库”参数整定的精确，因此该模式仅支持手动触发，以保证校核结论的准确性。
3.3 规则库校核模式
规则库校核模式主要校核在当前系统运行模式下，按照运行人员整定的“配合规则”，上下级继电保护装置间是否可以有效配合，从而有选择性地切除故障。因此，规则库校核模式的主要功能是校验保护定值的“选择性”。
地铁供电系统通常配置有过流保护、线路光纤差动保护，以及使用越来越广泛的数字通信电流保护，其中后两种保护都是具有绝对选择性，不存在选择性配合问题。因此，规则库校核的重点是过流保护，以及过流保护与差动保护、数字电流保护的配合关系。另外，差动保护和数字通信电流保护都属于网络化保护，需要两台以上保护装置间的通信配合来判断故障位置，因此规则库校核模式还需要校核这种配合关系的正确性。
过流保护的电流定值和时间定值都会影响到保护的选择性。但是对于地铁供电系统，由于环网上下级断路器间距离较短（1～2km），断路器间线路阻抗小于0.5，依靠电流定值无法区分保护范围，过流保护的选择性主要依靠时间定值级差来实现。电流定值对保护选择性的影响往往表现在供电分区中一个区段内电流定值与下一个区段内电流定值间的配合关系。图3为一个典型的地铁供电分区。
图3 地铁典型供电分析示意图
图3中过流保护整定时，会将#1和#2变电所定义为一个供电区段，其进出线过流保护电流定值相同，即图中A1、A2、A3、A4与B1、B2、B3、B4的电流定值为相同值；同时也会将#3和#4变电所定义为另一个供电区段，电流定值也整定为相同值。
而同一区段内上下级断路器的选择性配合主要靠时间级差，例如：B2断路器和B4断路器为上下级配合关系，若时间定值级差要求为0.25s，则故障时B2断路器和B4断路器会同时起动（电流定值相同），但B2比B4晚0.25s跳闸。规则库校核模式将根据以上选择性整定规则，对保护定值进行校核。
对于差动保护，两侧CT的变比相同，由于被保护环网线路较短，所以两侧差动保护定值应该相同；对于数字通信电流保护[9-10]，由于目前行业内没有统一实现标准，所以其选择性校核规则应根据具体保护逻辑进行设置，否则可能会误判为选择性错误。
规则库校核功能支持定时触发、事件触发和手动触发共3种触发模式。
3.4 故障波形管理功能
故障波形管理功能是保护信息管理系统的基本功能。地铁保护信息管理系统采用故障信息索引方式管理故障波形。图4为保信系统管理界面。该界面以树形结构检索每个变电站的每台保护装置，并以时间顺序显示该装置的所有故障信息。通过双击故障信息可以查看对应的故障波形。
图4 保信系统管理界面
4 系统功能验证
为了验证地铁保护信息管理系统的功能，本文利用南京地铁4号线的实际定值数据和27台保护装置搭建了一个定值在线校核系统的实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）测试平台，并模拟了各种类型的定值整定错误情况，以检测在线校核系统的性能。试验平台的系统结构如图5所示。
图5 试验系统网络结构
该试验平台主要验证校核服务器和校核后台的软件性能，为了简化系统结构，采用了校核服务器通过IEC 60870 5 103规约、从保护装置直接采集定值的组网结构。精简后的实验数据记录见表1。
表1 定值在线校核功能测试（简表）
5 结论
针对地铁供电系统在保护信息管理方面的需求情况，本文分析了研制地铁保护信息管理系统的可能性和功能范围，并结合地铁应用的特殊性介绍了保护信息管理系统的软件架构，说明了3种定值在线校核方法的工作机制。最后利用南京地铁4号线的实际保护定值数据和27台保护装置，搭建了测试验证平台，对每种校核算法进行了测试，取得了预期的效果。
地铁行业的快速发展对供电安全提出了越来越高的要求。本文介绍的方案将“保护信息管理系统”与地铁应用的特殊情况相结合，解决了现有保护装置应用过程中出现的一些实际问题，有利于进一步提高地铁供电可靠性，希望能够引起相关专家学者的高度关注。