直流测控保护装置的研制

常旭东肖欣欣

摘要：地铁是高密集载客交通工具，列车靠电力牵引，电力安全决定了车辆行驶的安全，安全永远是轨道交通运营工作的重中之重。利用物联网的技术手段，对直流供电系统直流大电流的检测、直流电压的检测、电流变化特征量的检测以及系统阻抗的检测等运行工况信息的综合智能采集检测，智能故障判断，智能执行相关跳合闸操作，确保地铁的供电安全和列车的行驶安全。

关键词：轨道交通；直流供电；直流保护

引言

直流牵引供电系统为列车提供直接动力和安全保护，确保列车不意外停电或电路发生故障时及时断电，是地铁的“动力源”和“保护器”。目前，但直流牵引系统国际上只有少数国家掌握其关键技术，中国所有地铁公司只能采用国外产品，无论出于价格考虑，还是国家安全需要，都亟需解决直流核心供电系统国产化这一难题，研发具有强大通信能力的智能化直流保护测控为核心的直流控制系统迫在眉睫，打破技术垄断，超越国外技术，实现智能感知、智能控制、智能通信，借助物联网技术实现超越式发展，具有重大的研究价值和工程意义，符合国家政策导向，具有广阔的市场前景。

1直流保护装置的总体设计

南京南电继保自动化有限公司研制的直流保护是新一代的微机型保护测控一体化装置，能为地铁、轻轨等直流牵引供电系统的馈线提供完善的保护、测量及控制功能。装置能很好地适应直流牵引供电系统中冲击性、移动性的负荷特点。可组屏安装，也可在开关柜就地安装。

该保护装置可实现对直流开关、隔离刀闸、测试开关的分/合闸操作；同时能够对保护对象间隔单元的电压、电流、功率等进行实时测量。可和监控系统通讯；可选择PROFIBUS规约、以太网或RS485总线的IEC60870-5-103规约、MODBUS规约。

装置前端接入高精度直流电压电流传感器，将高压及大电流转化成毫伏级电量，装置根据传感器数据变化情况，充分利用最新自适应控制、神经网络、遗传算法、进化规则等先进算法，结合成熟的直流保护原理，自动判别当前直流系统工况，进而执行相应的动作。

根据轨道交通供电系统的基本情况，南京南电公司分析了供电模式的特点，装置然后采用先区域定位后精确化定位的方法，建立轨道交通供电系统的模型，并对模型进行分析计算，判断出故障位置。

通过分析比较多种优化算法，装置设计了一种结合了交叉操作和保留最优解操作的改进二进制粒子群算法，并将其用于轨道交通牵引供电系统区域故障定位中。改进后的算法较好地改善了传统粒子群算法易于局部收敛的缺点，并且加快了算法的收敛速度，在城市轨道交通供电系统发生故障时能迅速准确地判断出故障区段。

各种数据同时实时上传电调中心，积累数据，为云计算打下坚实的基础。

2直流保护装置硬件设计

本装置采用模块化的硬件设计思想，按照功能来对硬件进行模块化分类，同时采用了侧插式机箱结构。这样的设计有利于硬件的维修和更换。

本装置按照功能模块分类，包含了模拟量输入模块（AI模块）、直流电源模块（PWR模块）、处理器管理模块（CPU模块）、处理器计算模块（DSP模块）、人机接口模块（HMI模块）、开关量输入模块（BI模块）、开关量输出模块（BO模块）、通讯模块（COM模块）。处理器模块（DSP、CPU）和其它模块通过内部总线进行数据交换。

主控CPU采用BF60x双核处理器，它具有强大的控制和信号处理能力，很好的集合了微控制器和高性能DSP的特点，为复杂算法的实现和大量数据的实时处理提供了可能。整合了FlaSh存储器、正交编码电路、eCAN模块、事件管理器及多通道缓冲串口等外设，这样的配备使用户以较低的投入开发高性能的数字控制系统成为了可能，大规模集成电路允许用户根据需要设计符合要求的数字电路。

采用新型的32位DSP+双核CPU的硬件平台结构，高速数字信号处理器配合工业用实时多任务操作系统，实现了大容量、高精度的快速、实时信息处理。

保护模块与其他模块完全分开，保护模块在硬件、软件上均具有独立性。保护功能完全不依赖通讯网，网络瘫痪与否不影响保护正常运行。

彩色高分辨率480*272液晶、显示友好的人机界面、汉字显示、中文报告显示，使用方便。具备方便的现场装置测试功能，包括遥信试验，出口传动试验和遥测信号试验等。

完善的事件记录功能：各种事项报告记录总个数可达6000个。强大的故障录波功能，可以记录1000个最新录波数据，每次录波最长录波时间为事件动作前500ms，动作后500ms，在装置的彩色液晶显示屏上能查看波形记录条数，录波文件的发生时间，并观看记录的波形。

3直流保护装置的软件设计

根据各种供电方式的特点，装置配备了详尽的保护软件种类，确保满足各种供电方式的需要：

1）瞬时过流保护

2）延时过流保护

3）电流瞬时上升率保护

4）电流延时上升率保护

5）热反时限保护

6）线路测试与自动重合闸

7）低电压保护

8）故障录波

测控功能

1）31路开关量输入

2）I、U、P等测量值

3）断路器、测试开关、隔离开关遥控分/合

4）事件SOE记录等

4起动元件

满足下列任何一个条件，保护装置起动元件动作。

4.1瞬时过流保护投入时，电流超过设定的正、反向瞬时过流保护定值时，起动元件动作。

4.2延时过流保护投入时，电流超过设定的正、反向延时过流保护定值时，起动元件动作。

4.3电流上升率保护投入时，分为近端上升率保护和远端上升率保护，近端上升率的启动条件是di/dt>“瞬时上升率定值”或远端上升率保护的启动条件是di/dt>“延时上升率定值”时.，然后再参照整定的延时时间内的电流增量变化情况决定是否保护动作。

4.4热反时限保护投入时，电流超过“热反时限保护跳闸水平”定值时，起动元件动作。起动元件动作后，起动继电器展宽2s输出，起动继电器输出接点为常开接点。

5瞬时过流保护

瞬时过流保护用于快速切除近端短路的故障。假设列车在所有正常运行状况时的最大瞬时工作电流为I动作电流1，定值整定为I>I动作电流1，一旦检测到瞬时电流超过定值，立即跳闸，其动作时间由“瞬时过流保护延时”整定。瞬时过流保护非常灵敏，尤其是电流上升非常快的近端短路，往往先于其它保护动作。对于反向的电流，该保护功能同样起作用。

6自动重合闸

装置提供测试重合闸功能，启动条件为下列保护动作并返回：瞬时过流保护、延时过流保护、热反时限保护、电流上升率保护。

自动重合闸在充电完成后投入。线路在正常状态（断路器合位）且无闭锁信号时运行15s后充电完成，装置相应指示灯亮。

下列任一条件满足，重合闸放电，主画面的充电指示灯亮

1）“电容脱扣器储能”开入为0；

2）装置闭锁；

3）控制字“测试重合闸投入”=0；

4）“测试重合闸软压板”=0；

7其他功能

事件记录：带时标的遥信、变位信号、保护动作、装置自检、报警等信息的报文记录、故障录波、分合位控制。

结束语

直流保护测控装置以及电力监控系统共同构成了轨道交通直流供电控制系统的核心。智能采集、智能识别、大数据处理、数据共享等物联网要素决定了南京南电公司研发的直流保护系统的先进性、可靠性和智能化。经过在上海地铁3号线长达一年的实际运行，证明该设备稳定可靠，可以取代进口产品。同时，我们也应注意到，国外产品已经在国内形成事实上的垄断局面，如何打破垄断，既是设备制造厂家面临的问题，也是轨道交通运营方需要解决的重大课题，只有两方面都解决了，轨道交通自动控制技术才能实现完全的国产化。

参考文献：

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[2]王军；杨海英；李钢；石秋生；；地铁牵引变电所直流保护隔离放大器的研制[J]；城市轨道交通研究；2008年08期

[3]曹莉；城轨交通直流牵引馈线DDL保护及其功能分析[J]；现代城市轨道交通；2008年04期