周 捷，宋云翔，徐劲松，张长银
国家电力公司电力自动化研究院，江苏省 南京市210003
1 引言
目前，我国各种电压等级的交流供输电系统的微机继电保护装置已日趋成熟，部分产品已达到世界领先水平，比较有代表性的有南瑞继电保护公司的LFP系列及RCS系列，国电南自的PSL系列，许继电气的WXH系列等等。随着我国现代化步伐进程的加快，许多大中城市都已建成交通便利的地铁工程，许多地铁项目正在开工建设或处于立项阶段。国内北京、天津、上海、广州和香港地铁均采用直流牵引供电系统，而用于直流牵引供电系统的微机继电保护装置在国内尚属空白。本文以广州地铁二号线为例，介绍德国西门子公司交通技术部用于直流牵引供电系统的直流微机保护测控装置SITRAS DPU96，对装置的保护特性作了详细的分析研究。
2 系统简介
广州地铁2号线目前正在建设之中，其供电系统由2个110kV /33kV变电所以及设于20个车站内的配电室组成，其中10个车站配电室设有列车供电系统，提供1500V的直流电向列车供电。由110kV /33kV主变电所送来的双回路33kV电源送至车站配电室受电柜，完成电源进线、整流变压器供电、车站照明、风机、制冷机组等用电设备的供电作用。配电室内的直流柜主要向接触电网及列车提供1500V直流电源，整个供电系统如图1所示。
直流保护装置 SITRAS DPU96安装于直流开关柜内，为1500V的直流牵引电源及列车的正常运行提供继电保护功能。图2为直流保护装置安装示意图。
SITRAS DPU96的系列产品可分为DPU96 PU、DPU96 VD、DPU96 BA及DPU96 CI等四种产品系列，整个装置功能类似于交流低压的“4合1”产品，即将保护、遥测、遥信、遥控的功能综合在同一个装置内。PU为中央单元，主要实现保护算法和人机界面；VD为电压分降单元，主要将高压直流如1500V转换成为±10V供CPU采样计算；BA为采样数据缓冲单元，它有两个作用，一是将直流线路经分流器送来的电流值和VD、CI单元送来的模拟量转换为数字量，二是将已经过A/D采样的电流电压数字量经光纤送到DPU96 PU供保护计算；CI是电缆监测单元，主要测量电缆的绝缘电阻值。
3 直流牵引供电系统的保护原理
3.1 概述
直流牵引供电系统保护装置的主要功能是为了防止列车接触线上的短路和过负荷现象，保护算法和定值整定应躲过列车线路上的正常操作，如列车电杆架的正常接触、列车加速等等所引起的电压电流的波动值，这一点与交流保护装置有很大的区别。总的来说，直流保护装置应具有以下的保护功能：最大电流Imax保护、电流上升值△I保护、电流变化率di/dt保护、定时限过流DMT保护、欠压过压Umin/Umax保护、电缆温度保护等等。此外，直流保护装置也应具有交流微机保护测控的很多功能，如电压电流的测量显示、事件的存储、功率能量的测量以及与后台机的通信功能等等。
3.2 最大电流Imax保护
最大电流Imax保护类似于交流保护中的延时速断电流保护。保护原理比较简单，如图3所示，只要设置电流动作值Imax和动作延时时间tI max即可，在一般情况下，tI max可设置为零，它的单位为毫秒，可以以0.1ms的分辨率进行调整，以达到快速跳闸的目的。
3.3 电流步进变化值DI保护
当保护装置安装点附近发生短路故障时，装置检测到的电流的上升率将会很大，因此可利用电流的上升变化量△I作为判据，在短路电流未达到它的最大峰值以前判断出故障并跳闸，从而更加有效地保护整个供电系统和列车的安全运行。
电流步进变化值△I保护的原理如图4所示，有四个定值：△I、tDI、△Idi/dt和tDIdi/dt，当电流的上升率大于△Idi/dt定值，保护算法开始计算△I的起始点（如图4中的A点），在到达△I定值最大值的期间，若电流上升率一直大于△Idi/dt（可认为小于上升率DIdi/dt的时间等于零）或者小于上升率△Idi/dt的时间不超过t△Idi/dt，那么经t△I延时后，保护将发跳闸信号。因此保护逻辑可用图5来表示：
图4中，电流曲线(2)、(3)符合跳闸的保护逻辑要求，将分别在B、C点跳闸。曲线(1)是列车的电杆架接触，电容器充电的线路电流曲线，由于跳闸延时未能达到，故不会发跳闸出口。曲线(4)是列车驶进车站的电流变化图，由于电流上升率小于DIdi/dt定值的时间大于tDIdi/dt定值，也不会发跳闸命令。在D点，当保护装置检测到上升率大于DIdi/dt时，将会以D点为起始点进行新的保护计算。
3.4 电流变化率di/dt保护
当短路故障发生在远离保护装置安装处时，装置检测到的短路电流将会很小，2.2节介绍的DI保护将不再适用，针对这一现象，可采用di/dt保护算法。
电流变化率di/dt保护的原理较为直观，如图6所示，当电流变化率di/dt持续大于定值，经跳闸延时tdi/dt后，保护将发跳闸命令。对于图6中的曲线(1)，在A点处di/dt大于定值，保护启动，经延时在B点处将发跳闸命令。曲线(2)是列车加速时的电流变化图，由于di/dt未超过定值，故保护不动作。
3.5 定时限过流DMT保护
当直流线路发生长时间的非正常的电流增大时，可以设置定时限过流DMT保护，它有两个定值：过流定值I > 和过流延时定值tI >。保护原理与3.2节的最大电流Imax保护类似，不同之处是定值整定时I >要小于Imax，而过流延时tI>的单位是秒，远远大于tImax。图7中曲线(1)为非正常的电流增大，在A点将会跳闸；曲线(2)为列车加速过程的电流变化曲线，通过定值I >和tI >的整定，就可以躲过保护动作。
3.6 欠压Umin/过压Umax保护
当接触线的电压低于某一定值或者高于某一定值时，经延时后电压仍未达到正常值时，保护装置要发出跳闸命令。其保护原理见图8、图9。
3.7 电缆温度保护
当直流线路处于过负荷状态时，即使没有任何短路故障发生，接触线或进线电缆的温度也会上升，因此可以通过检测电缆温度，设定温度上限发跳闸命令来完成此项保护功能。
需要说明的是，由于电缆温度不是直接从传感器测得的，而是从电流值、电缆物理参数以及周围环境温度中计算得到的，因此需要建立适当的电缆温度数学模型，并设定正确的系数如电缆电阻率、电缆温度常数以及周围温度参数等才能得到正确的结果。
3 装置的测控功能和实时通信功能
DPU96除了上述的保护功能以外，还有类似于低压交流保护“4合1”产品的“三遥”（遥测、遥信、遥控）功能。而实现“三遥”的基本前提是装置必须有可靠快速数据通信功能，通信技术也是变电站自动化的关键。
DPU96有两个通信口，一个是RS232用于与PC机的通信，主要用作调试诊断.另一个是Profibus-DP通信口，在SCADA系统中作为从站，实现保护事件数据上送和“三遥”（遥测、遥信、遥控）功能。国内交流保护装置一般采用RS232、RS485、CAN以及Lonworks等通信手段，很少采用Profibus总线。
Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，由三个兼容部分组成，即Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。Profibus-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范；Profibus-FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结构，实时多主网络；Profibus-DP是一种高速低成本通信，主要应用于现场设备级，它的响应时间从几百微秒到几百毫秒，波特率为9600bit/s~12Mbit/s，传输的数据容量为每个报文多达244个字节，传输介质为屏蔽双绞线或光纤。Profibus-DP广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。
Profibus-DP速度快，报文容量大，为244个字节（作为对比，CAN总线的每个报文容量为8个字节），因此在电力系统自动化中有着广阔的应用前景。随着Profibus-DP主站、从站专用集成芯片价格的下降，相信它在各种类型的保护装置、智能I/O设备以及通信管理机中得到应用，为国内变电站综合自动化建设提供一种高效的通信手段。
另外，近年来工业以太网发展很快，不少国外公司已开发出小型的RS-232转以太网的OEM通信产品，为各类装置的直接上网提供了便利。
4 结束语
直流牵引供电系统的微机继电保护测控装置在国内尚属空白，随着地铁项目国产化程度的增加，有日益增长的市场需求。本文对直流保护装置的保护特性作了详细的分析研究，文中的曲线图是西门子交通技术部实验室的仿真数据以及现场实际运行历次数据记录的综合结果，具有较高的参考价值。本文的讨论有助于国内类似产品的开发研究，希望能起到抛砖引玉的作用。 10:02:51
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