地铁直流供电保护系统结构与控制逻辑

地铁直流供电保护系统结构与控制逻辑　王艇，刘琛，谢志意　（江苏大学，江苏镇江２１２０１３）　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｌｏｇｉｃ　ｉｎ　Ｓｕｂｗａｙ　ＤＣ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＷＡＮＧ　Ｔｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｊｉｎｇ，ＸＩＥ　Ｚｈｉ—ｙｉ　（Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｚｈｅ￣ｉａｎｇ　２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）　摘要：地铁直流供电的保护与控制系统对确保　地铁的安全可靠运行起着关键作用。介绍了地铁直　流保护装置的基本结构和主要保护方法，结合其保　护与控制功能，分析了直流保护装置的数字控制逻　辑。　关键词：直流供电；地铁；数字控制逻辑　中图分类号：Ｕ２３１．８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—２２５７（２００６）０８—００５１—０３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｓｕｂｗａｙ　ＤＣ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｐｌａｙ　ａ　ｋｅｙ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｅｎｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂ—　ｗａｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂｗａｙ　ＤＣ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌｏｇｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＣ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｃｃｏｍｐａｎｙｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＤＣ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ；ｓｕｂｗａｙ；ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌｏｇｉｃ　０　引言　地铁直流牵引供电系统是一个复杂系统口］，其　核心技术是直流供电控制与保护。目前，国内对直　流保护设备的研发尚处于起步阶段，国外有代表性　的产品是瑞士塞雪龙和德国西门子的直流保护装　置。而设备的国产化是必然的发展方向。本文就直　流保护系统的硬件结构和控制逻辑进行探讨。　１　系统功能与结构　直流保护装置安装于开关柜内，为直流牵引系　收稿日期；２００６一Ｏ３一Ｏ９　《机械与电子＞＞２００６（８）　统提供继电保护。直流控制和保护系统应具备模块　化，适应能力强的特点，为满足牵引供电系统的各种　需要，在功能上大致分为４部分，即：模拟量输入测　量和保护，控制功能，数据记录功能以及通讯功能。　在系统的结构上，以南京地铁为例，可分为保护模块　（ＶＰＣ板），主控模块（ＶＩＵＣ板），输入模块（ＶＭＩ　板）和输出模块（ＶＭＯ板）。系统的基本结构和输　入输出量如图１所示。　图１直流保护系统的基本结构　１．１　ＶＰＣ板　保护板主要包括测量和保护功能，有４个模拟　量输入，而在实际输入中主要包括主母线电压，馈线　电流和馈线电压３部分。其控制芯片可采用　８０Ｃ１９６单片机，采用１２　ＭＨｚ外部晶振，并扩展外　部存储器，用于和主控板数据进行交换，并存储历史　数据。　１．２　ＶＩＵＣ板　主控制板主要包括：微处理器ＭＯＴＯＲＯＬＡ　ＭＣ６８３０２，２０　ＭＨｚ内部时钟，外部扩展存储器，数　字逻辑模块（使用可编程逻辑器件），电源监控模块，　以及通信模块。其通信模块用于实现与ＰＣ机的通　信以及通过Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线进行主从机之间通信。　１．３　ＶＭＩ板　开关量输入板主要是将开关量信号转换成微处　・　５】　・　维普资讯 http://www.cqvip.com

理器能处理的电平信号。输入信号主要包括：加热　若“　＞‰．，则表示轨道带电。　．为设定值。　．　器回路故障信号、ＨＳＣＢ（高速开关）线圈回路故障　信号、测量熔断器故障信号、测试熔断器故障信号、　跳闸与闭锁信号、联跳输入信号、ＨＳＣＢ分闸、　ＨＳＣＢ合闸、手车位置信号、控制回路与ＤＳ马达回　路信号、马达热故障信号、ＤＳ锁定、ＤＳ手动解锁、　ＤＳ分闸、ＤＳ合闸、保护装置接通、远方模式、ＨＳＣＢ　合闸、复位、旁路线路测试、ＯＨＬ　ＤＳ分闸及ＯＨＬ　ＤＳ合闸。　１．４　ＶＭＯ板　开关量输出板将微处理器输出信号经逻辑器件　驱动成为系统控制信号。输出信号主要包括ＨＳＣＢ　分闸、ＨＳＣＢ合闸、线路测试进行中、ＯＨＬ　ＤＳ分闸、　ＯＨＬ　ＤＳ合闸、手车解琐及ＨＳＣＢ操作计数器。　２保护方法　直流保护装置必须在机车电路发生故障时快速　准确地检测出故障，及时地切断故障，同时要避免机　车启动时的大电流和运行时的电气参数变化而引发　的误跳闸［２］。主要的保护方法简述如下。　２．１　电流保护　ａ．大电流脱扣保护。用于切除近端发生的短路　故障，该电流值按馈线瞬时电流的峰值设定。保护　的灵敏性是其特点，其动作时间只有几毫秒，它优先　于其它保护。　ｂ．电流上升率及电流增量保护（ＤＤＬ保护）。　通过分析电流变化率ｄ　／ｄ　，当ｄ　／ｄ，＞ｎ　，则启动　保护，启动后连续采样ｄ　／ｄ　，若电流持续上升时间　超过设定值　则跳闸；同样基与对ｄ　／ｄ　的分析，　当保护启动后，连续采样电流增量的△Ｊ值，若△Ｊ　超过设定值Ａ，则跳闸。该保护用于测量远距离短　路故障，故障电流值小于断路器设定值。其优点是　避免了对绝对电流的检测，能有效区分机车启动电　流和短路电流。关于ＤＤＬ保护，参考文献［３］和［４］　都有详细的介绍。　ｃ．定时限过流保护（ＤＴＭ保护）。这是基于电　流幅值的判别方法，当馈电电流超过设定电流值　＋或　一，则启动保护，同时定时器计时，当延时　达到ｔ　，断路器跳闸。这是针对电流较小的短路故　障设置的后备保护。　２．２　电压保护　ａ．馈电电压ｕｉ＂的监视。连续测量馈电电压嘶，　・　５２　・　ｂ．Ａｕ监测与保护：检测整流器电压与回流网　之间的电压差△“，若△“＞Ａｕ　，则可能引起大电　流，断路器不能合闸。　ｃ．Ｕｎ。ｗ保护。连续测量远离电源点的压降Ｕ　，　如果Ｕ　＜Ｕ　。ｗ，且时间超过ｔ　，则断路器分闸。　ｄ．电压降保护（ｆａｌｌｉｎｇ　ｖｏｌｔａｇｅ）。连续测量馈　线电压和电流，计算出阻抗值，通过阻抗值及馈线电　流、电压值综合判别是否该跳闸，从而对远距离故障　造成的低阻抗状态进行断闸保护。参考文献［３］对　该保护有较详细的分析。　２．３其它保护　ａ．热保护。连续测量馈电电流，计算热载　，　为被保护装置的额定电流Ｊ　和时间常数ｒ的函数，　其中　：（１一ｅ－ｔ／ｒ）（Ｉ／Ｉ　）。。　的初值０　一９８　，　为设置的报警值，当所测热载温度达到　，则发　出报警信号；当　＞１０１　，则断路器分闸，并发出　闭锁信号。当　＜　时，断路器才能重合闸。　ｂ．馈电绝缘检测。通过测量馈线和回流网之间　的阻抗来检测其绝缘性能。　ｃ．断续弧。保护在机车有轮胎时，轮胎破裂处　和正电极轨道的磨擦引起的闪弧所造成的损坏。　３　控制功能与控制逻辑　分合闸操作、联跳、自动重合闸、闭锁及线路测　试是保护装置的主要控制功能。保护功能触发信号　可引发联跳信号；闭锁的产生与解除制约着重合闸；　而后故障产生后进行的重合闸与线路测试，决定分　合闸动作。　３．１分合闸操作　该操作分为电保持型断路器和磁保持型断路器　的操作，包括对合闸线圈通电时间的控制。其中电　保持型断路器的合闸线圈为长期通电型，磁保持型　断路器的合闸线圈为短时通电型。　３．２联跳　这是针对双端供电模式，由先检测出故障一侧　的保护装置切断本侧断路器，同时向为该区段供电　的邻站发出联跳信号，使其迅速跳闸，并进入锁定状　态。在断路器重合闸成功后，取消联跳信号。联跳　的目的是提高保护的及时性和可靠性。保护功能触　《机械与电子￣２００６（８）　维普资讯 http://www.cqvip.com

发与联跳的控制逻辑如图２所示。其中输入的各种　３．４线路测试功能（ＥＤＬ）　保护信号为模拟量，经Ａ／Ｄ转换后进人数字逻辑器　在合闸前必须对线路进行测试，以防止断路器　件处理。　馈电绝缘故障　‘　手动／自动模式　ｌ　Ｌ—　联跳输入　联跳　ＤＤＬ＾　ＤＤＬ．　≥ｌ　功能　保护　接受Ｉ发出　ｌ　断续弧　触发　联跳ｌ联跳　Ｉ　电压降　大电流脱扣保护　国Ｉ灏ｌＩ　Ｌ　　．．．．．．．．．．．．．．　图２保护功能触发与联跳的控制逻辑　３．３　自动重合闸与闭锁　直流牵引系统经常会发生短路而使过流脱扣器　件动作，对于这样的非永久性短路故障，需要及时地　解除。自动重合闸功能可以提高牵引系统的供电质　量，但重合闸不能是带故障的试合闸，否则会增加分　合闸次数而损耗断路器。在重合闸系统中，断路器　每隔一段时间重合闸一次，同时进行线路测试，判断　能否重合闸。如果重合闸次数超过预设定次数合闸　仍不成功，则认为是永久性故障，闭锁重合闸回路。　其中闭锁可以手动解除。　闭锁、触发及重合闸之间的逻辑关系如图３所　示。　图３闭锁、触发及重合闸的控制逻辑　《机械与电子｝２００６（８）　与短路故障处接通。线路测试用于馈线断路器，基　本的测试原理是通过测量馈电与回流网之间的电压　及线路电阻，与设定值比较，确定是否能合闸。线路　测试功能的控制逻辑如图４所示。　图中回流网电压和馈线电压与电流为经检测后　输入的模拟信号。　由　重合　ＯＮ　开　ＯＦＦ　ＨＳＣＢ关　图４线路测试功能的控制逻辑　４　结束语　直流供电保护的可靠性和准确性是至关重要的　因素。本文给出了直流牵引供电保护系统的结构和　数字控制逻辑，结合日趋成熟的直流保护原理，国内　相关企业可以在此基础上开发出可靠性和智能化程　度更高以及通信便捷的直流保护设备，以顺应国内　日益扩大的地铁市场需求。　参考文献：　Ｉ１１］Ｚｈｕ　Ｐａｎｆｅｎｇ，Ｌｉ　Ｙｏｎｇｌｉ，Ａｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉｎ　ｓｕｂｗａｙ　ＤＣ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ［Ａ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｅｈｎｏｌ—　ｏｇｙ［Ｃ］．２００２．７１６—７１９．　［２］　Ｋｕ　Ｂｉｈ—Ｙｕａｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｐｉｄ　ｔｒａｎｓｉｔ　ＤＣ　ｓｈｏｒｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ［Ａ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｇｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２　０　０　３　ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ　Ｊｏｉｎｔ　Ｒａｉｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］．　２００３．１９１—１９７．　［３］蔡彬，陈德桂．城市轨道交通直流供电的控制和保护　系统［Ｊ］．低压电气，２０００，（６）：２１—２４．　［４］周捷，宋云翔．直流牵引供电系统的微机保护测控探　讨［Ｊ］．电网技术，２００２，（６）：５７—６Ｏ．　作者简介；王艇（１９８１一），男，江苏昆山人，江苏大学电力　电子与电力传动专业硕士研究生，研究方向为直流供电系统的保护．　・　５３　・