城市軌道交通直流供電的控制和保護(hù)系統(tǒng)

1、城市軌道交通直流供電的控制和保護(hù)系統(tǒng)摘要直流供電的控制和保護(hù)系統(tǒng)對(duì)確保軌道的安全、可靠的運(yùn)行,具有舉足輕重的作用。同時(shí)它也是軌道交通供電自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。簡(jiǎn)要介紹了直流供電的控制和保護(hù)系統(tǒng)的基本原理和一種先進(jìn)的基于可編程控制器(PLC) 的控制和保護(hù)裝置SEPCOS。敘詞: 軌道交通直流供電控制和保護(hù)1 引言 城市軌道交通系統(tǒng)包括地鐵、輕軌、有軌電車、獨(dú)軌等。軌道交通具有運(yùn)載能力大、噪音廢氣污染小、運(yùn)行快速準(zhǔn)時(shí)、占用土地少等獨(dú)特優(yōu)勢(shì), 它不僅能緩解大中城市日益擁擠的交通狀況,而且大大推動(dòng)了城市的和社會(huì)的。 軌道交通采用直流供電。直流供電系統(tǒng)包括直流開(kāi)關(guān)柜、控制和保護(hù)系統(tǒng)、直流電纜、接觸

2、網(wǎng)等。其中控制和保護(hù)系統(tǒng)對(duì)確保軌道交通的安全、可靠的運(yùn)行,具有舉足輕重的作用。它一方面確保向地鐵列車提供安全可靠的供電,減少甚至消除不必要的停電時(shí)間,從而提高經(jīng)濟(jì)效益;另一方面當(dāng)發(fā)生故障時(shí),能迅速切除故障,從而確保了旅客的人身安全和列車、設(shè)備的安全。隨著技術(shù)、機(jī)技術(shù)的發(fā)展,人們采用微處理器實(shí)現(xiàn)了電流上升率和電流增量等保護(hù),極大地提高了供電保護(hù)的可靠性和準(zhǔn)確率。目前最先進(jìn)的方法是采用基于可編程控制器(PL C) 的數(shù)字式繼電保護(hù)裝置取代傳統(tǒng)的繼電器等保護(hù)裝置,從而大大提高了可靠性、保護(hù)性能以及配電自動(dòng)化程度。 本文敘述了基于PLC 直流供電的控制和保護(hù)系統(tǒng)的基本原理,簡(jiǎn)要介紹了一種先進(jìn)的控制和保

3、護(hù)裝置SEPCOS。2 原理2. 1 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)通常僅用于開(kāi)關(guān)設(shè)備的電氣分合閘,根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)和規(guī)定的要求,允許或禁止合閘操作?？刂乒δ芘cPLC 的控制程序有關(guān)。(1) 分合閘。分合閘操作(ON/ OFF 指令) 由電保持型斷路器和磁保持型斷路器來(lái)完成。 電保持型斷路器的合閘線圈為長(zhǎng)期通電型, 其合閘程序?yàn)? PL C 輸出1 s 脈沖,使合閘線圈得電,然后通過(guò)減少流過(guò)合閘線圈的電流(保持電流) 使斷路器保持在合閘位置。磁保持型斷路器的合閘線圈為短時(shí)通電型,其合閘程序?yàn)?輸出1 s 脈沖,合閘線圈得電,斷路器合閘,合閘后合閘線圈失電;其分閘程序?yàn)? 輸入1 s 脈沖,分閘線圈得電,斷路器

4、分閘,分閘后分閘線圈失電。低壓電器( 2000 6) 城市軌道交通直流供電的控制和保護(hù)系統(tǒng)(2) 聯(lián)跳。當(dāng)PLC 檢測(cè)出故障(通過(guò)保護(hù)功能),則使斷路器分閘,并發(fā)出聯(lián)跳信號(hào),同時(shí)將使所有的給該線段或該供電的其他斷路器跳閘,并鎖定。在斷路器重合閘并使其他斷路器合閘后,PLC 取消聯(lián)跳信號(hào)。(3) 自動(dòng)重合閘。自動(dòng)重合閘系統(tǒng)僅用于線路饋電斷路器,其作用就是過(guò)流脫扣器動(dòng)作后,讓斷路器自動(dòng)重合閘。對(duì)于牽引系統(tǒng),尤其是輕軌和有軌電車,經(jīng)常會(huì)發(fā)生短路而使過(guò)流脫扣器經(jīng)常動(dòng)作。但由于大部分短路故障通常是短暫的, 所以使用自動(dòng)重合閘系統(tǒng)可提高系統(tǒng)的可靠性。自動(dòng)重合閘系統(tǒng)通常包括計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器等。斷路器每隔一段時(shí)

5、間(時(shí)間長(zhǎng)短可調(diào)節(jié)) 重合閘一次。如果重合閘的次數(shù)超過(guò)預(yù)定的次數(shù),合閘仍不成功,則閉鎖重合閘回路。閉鎖可通過(guò)電氣或手動(dòng)方式解除。(4) 防跳。為了避免斷路器在故障跳閘后重新合閘,通常伴有防跳功能。防跳功能是指合閘信號(hào)一直存在時(shí),允許作一次合閘嘗試。如果合閘失敗,則禁止再次合閘(重合閘) ?？梢酝ㄟ^(guò)多種途徑由合閘控制回路來(lái)實(shí)現(xiàn)防跳功能,如使用機(jī)構(gòu)的輔助開(kāi)關(guān)、時(shí)間繼電器等。它僅允許發(fā)出一個(gè)合閘脈沖給合閘系統(tǒng),當(dāng)原合閘信號(hào)解除后, 合閘系統(tǒng)復(fù)位。PLC 控制程序舉例: 在“ 遙控”模式,斷路器每隔T (s) 合閘一次,如故障未解除,則跳閘。如此反復(fù),如發(fā)生N 次跳閘,則PLC 將不再發(fā)生斷路器合閘指

6、令,并指示“閉鎖”。2. 2 線路測(cè)試系統(tǒng)( EDL) 線路測(cè)試系統(tǒng)也用于線路饋電斷路器。在合閘前,對(duì)線路段進(jìn)行測(cè)試,以防止斷路器與其近端短路故障點(diǎn)連通。圖1 為線路測(cè)試的典型線路圖。在開(kāi)關(guān)柜主母線和接觸線之間加電阻和接觸器,通過(guò)測(cè)量饋電與回流網(wǎng)之間的電壓以及回路電阻,確定是否可以合閘。如果測(cè)得的電壓值低于預(yù)定值,則表明線路過(guò)載,不能合閘。PLC 控制程序舉例: 測(cè)量饋電電壓Uf 。(1) Uf Uf ,low (采用雙邊供電,線路已由另一斷路器供電),斷路器可以合閘。(2) Ufr Uf Uf ,low ,表明線路過(guò)載,不能合閘: LOCAL 模式:測(cè)試停止,指示“ 閉鎖”。圖1 線路測(cè)試的

7、典型線路圖REMO TE 模式:每隔D (s) 測(cè)量一次,重復(fù)測(cè)N 次,如仍未成功,則測(cè)試停止,指示“ 閉鎖”。(3) Uf R min ,斷路器合閘; 如R Imax + (設(shè)定城市軌道交通直流供電的控制和保護(hù)系統(tǒng)低壓電器( 2000 6) 值),開(kāi)始計(jì)時(shí)t ,當(dāng)t T +(設(shè)定值),則跳閘。(2) Imax -保護(hù)。通過(guò)分析饋電回路的反向電流If,檢測(cè)低于斷路器整定值的短路電流和過(guò)載電流。PLC 保護(hù)程序舉例: 只要If T -(設(shè)定值),則跳閘。(3) DDL 保護(hù)(d i/d t 、I 、T) 。此功能用于線路饋電斷路器,通過(guò)分析電流上升率di/d t 、電流增加的時(shí)間t 及電流增量I

8、 ,檢測(cè)遠(yuǎn)距離短路故障,其故障電流值低于斷路器的整定值。 當(dāng)檢測(cè)到的電流曲線的斜率在給定的時(shí)間T 內(nèi)超過(guò)d i/d t 的設(shè)定值,繼電器動(dòng)作。機(jī)車的起動(dòng)電流的上升率通常超過(guò)d i/d t 的設(shè)定值,但在時(shí)間T 內(nèi)會(huì)恢復(fù)正常,所以不會(huì)誤動(dòng)作。PLC 保護(hù)程序舉例: 測(cè)量饋電電流及其d i/d t 。將d i/d t 與設(shè)定值E 和F 比較。如果di/d t E ,則開(kāi)始測(cè)量電流增量(I) 和時(shí)間( t): I 大于設(shè)定值,則經(jīng)一段時(shí)間tI 延時(shí)后跳閘; t T (設(shè)定值),且I 大于最小設(shè)定值,則跳閘。如果在檢測(cè)到I 或T 前,d i/d t F ,則測(cè)量值I 和t 復(fù)零。(4) 熱保護(hù)。此功能

9、對(duì)斷路器、供電線路(電纜、接觸網(wǎng)) 等提供熱過(guò)載保護(hù)。因?yàn)殚L(zhǎng)期大電流會(huì)使供電導(dǎo)體發(fā)熱,從而可能導(dǎo)致供電導(dǎo)體,尤其是接觸網(wǎng)變軟。連續(xù)測(cè)量饋電電流,計(jì)算熱載t,t 為被保護(hù)裝置的額定電流In 和時(shí)間常數(shù)的函數(shù)。熱計(jì)算的公式: =(1 -e-t/) ( I/ In) 2 PLC 通電后,t 的初始值t= 0. 98 A,A t 0 為設(shè)定的報(bào)警值。斷路器合閘后,饋電回路流過(guò)大電流,當(dāng)達(dá)到A 時(shí),PLC 發(fā)出警報(bào)。如果t 繼續(xù)上升,當(dāng)t 1. 01 A 時(shí),PLC 發(fā)出指令使斷路器分閘,同時(shí)可發(fā)出閉鎖信號(hào)。只有當(dāng)t 設(shè)定值,表明鐵軌帶電。(2) U 保護(hù)。當(dāng)某段線路已從另一端受電(雙邊供電) 時(shí),如果

10、整流器電壓與回流網(wǎng)電壓之間的電壓差有引起大電流的危險(xiǎn),則斷路器不能合閘。此功能可與線路測(cè)試功能連在一起。 PLC 保護(hù)程序舉例。測(cè)量電壓Uf 和整流器電壓Ur:如Ur-Uf 設(shè)定值Ur-f,合閘程序終止,指示“閉鎖”。(3) Uf ,min ( Uf ,low) 保護(hù)。檢測(cè)遠(yuǎn)離電源點(diǎn)的壓降。測(cè)量Uf,如果Uf 設(shè)定值Uf ,low ,且時(shí)間超過(guò)設(shè)定值tU,則使斷路器分閘。 2. 3. 3 阻抗參數(shù)的測(cè)量通過(guò)測(cè)量饋電回路的電流和電壓,出阻抗并加以分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的保護(hù)。通過(guò)分析線路阻抗來(lái)控制線路故障。電壓下降阻抗見(jiàn)圖2。阻抗的設(shè)定值應(yīng)選為最高阻抗值,以保證列車的起動(dòng)電流不使斷路器跳閘,而對(duì)于遠(yuǎn)距

11、離故障造成的低阻抗必須能使斷路器跳閘。圖2 電壓下降阻抗圖PLC 保護(hù)程序舉例。連續(xù)測(cè)量饋電電壓Uf 和饋電電流If,計(jì)算出阻抗Z。有3 個(gè)跳閘區(qū)(見(jiàn)圖2) :如Z(計(jì)算值) Z (設(shè)定值),斷路器跳閘; 如Uf Uunder : If Tr,斷路器跳閘。 Ico-n If Tf,則斷路器跳閘。3 控制和保護(hù)系統(tǒng)SEPCOS 3. 1 概述SEPCOS 是瑞士賽雪龍公司研制的遠(yuǎn)方控制和保護(hù)系統(tǒng),用于城市軌道系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)等。它是基于幾個(gè)微處理器的多功能系統(tǒng), 對(duì)直流變電所的饋電單元和整流器單元提供控制和保護(hù)。SEPCOS 具有模塊化、易于擴(kuò)展、適應(yīng)性強(qiáng)低壓電器( 2000 6) 城市軌道交通直

12、流供電的控制和保護(hù)系統(tǒng)(通過(guò)軟件) 等特點(diǎn)。此外,它是一個(gè)非常開(kāi)放的系統(tǒng),能與其他通信設(shè)備進(jìn)行通信。 3. 2 功能 SEPCOS 具有很多控制和保護(hù)功能,可滿足牽引供電系統(tǒng)的各種需要。這些功能分為模擬輸入測(cè)量和保護(hù)、控制、記錄和通信四組。測(cè)量、保護(hù)和通信功能軟件存于EPROM , 控制程序存儲(chǔ)在EEPROM , 而且可從串行線或下載,重新編程。(1) 饋電保護(hù)功能。包括:饋電電壓Uf 監(jiān)視(軌道帶電) 、U 保護(hù)、DDL (I, T) 雙向保護(hù)、Ufmin 保護(hù)、熱保護(hù)、Imax + 和Imax -保護(hù)、饋電絕緣故障檢測(cè)、斷續(xù)弧、電壓下降等。(2) 整流器保護(hù)功能。包括: 三相短路保護(hù)、三相

13、過(guò)流保護(hù)I 、熱保護(hù)、Imax + 和Imax-保護(hù)。(3) 記錄功能。包括:存儲(chǔ)保護(hù)功能的參數(shù)和激活、控制功能的參數(shù)、最近100 個(gè)事件的統(tǒng)計(jì)資料和最近故障期間饋電電流的曲線(帶后備電池) 。(4) 從串行線或網(wǎng)絡(luò)上可獲得的功能和信息。包括: 讀和/ 或修改總參數(shù); 讀和/ 或修改保護(hù)功能的參數(shù); 讀電流、電壓的測(cè)量值; 讀保護(hù)功能的結(jié)果; 最近100 個(gè)事件的統(tǒng)計(jì)資料; 存儲(chǔ)最近故障期間饋電電流的曲線; 讀和/ 或修改SEPCOS 的時(shí)間和日期; 讀以太網(wǎng)修改控制功能的參數(shù); 讀軟件版本號(hào)。圖3 SEPCOS 系統(tǒng)通信方式1 串行線RS232 2 局部通信RS4852Profibus 3

14、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)X. 25 或以3. 3 通信SEPCOS 系統(tǒng)提供下列通信方式(見(jiàn)圖3) : 串行線RS232 與PC 機(jī)相連, 僅用于就地通信; Profibus FMS/ Modbus/ Modbus + R 網(wǎng)絡(luò)通信(也可選擇其他數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)),用于局部通信; 以太網(wǎng); X. 25 網(wǎng)。所有SEPCOS 彼此相接,一個(gè)連接可與所有SEPCOS 通信。Profibus FMS 允許主機(jī)和從機(jī)之間進(jìn)行通信。在同一網(wǎng)絡(luò)中允許使用幾個(gè)主機(jī),但通信只能在主機(jī)和從機(jī)之間(不能在主機(jī)之間) 。數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)500 kb/ s。Profibus FMS 通信舉例(見(jiàn)圖4) 。圖4 Profibus FMS

15、通信變電站中用雙絞線環(huán)通信。環(huán)形接線僅為一個(gè)例子。在此例中, MM I 作為Profibus 網(wǎng)的主機(jī)。用于測(cè)量和保護(hù)的軟件儲(chǔ)存于EPROM , 用于數(shù)據(jù)交換和通信的中心軟件儲(chǔ)存于2 個(gè)EPROM , 控制軟件儲(chǔ)存于2 個(gè)EEPROM , 參數(shù)和記錄的信息儲(chǔ)存于RAM(帶后備電池) 。3. 4 模塊化 SEPCOS 的最大優(yōu)勢(shì)之一就是模塊化,可增加或更換各種線路板。鋁合金機(jī)箱耐腐蝕,電磁兼容性(EMC) 好。SEPCOS 具有如下組件: V IUC 板。這是CPU 板,它包括通信、數(shù)據(jù)交換和控制軟件。 V PC 板。帶微處理器,作為從機(jī),包括測(cè)量和保護(hù)軟件。帶模擬輸入和快速輸出。 VM I 板。輸入板,作為從機(jī),12 個(gè)數(shù)字輸入。 VMO 板。輸出板,作為從機(jī),12 個(gè)輸出。 數(shù)字電源板。 其他板(如:通信/ 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)板) 。4 結(jié)束語(yǔ)軌道交通直流供電的控制和保護(hù)系統(tǒng)對(duì)保證軌道交通系統(tǒng)的安全、可靠的運(yùn)行具有重要的作用。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速,我們已經(jīng)、也將進(jìn)一步將這些最新技術(shù)應(yīng)用到直流快速斷路器、控制和保護(hù)裝置上。SEPCOS 是目前世界上較先進(jìn)的直流供電專用控制和保護(hù)裝置之一。在掌握上述控制