專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)的裝置及方法，尤其是涉及一種專用于軌道交通直流牽引饋電系統(tǒng)的保護(hù)方法，實(shí)現(xiàn)由于架空接觸網(wǎng)與鋼軌短接而引起的各類短路故障的切除，消除接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷故障的裝置，適用于城市地鐵、輕軌、城際快軌及其他直流饋電系統(tǒng)的保護(hù)，屬于直流饋電保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
21世紀(jì)將是中國城市軌道交通的紀(jì)元，隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，將會(huì)伴隨更大的都市化，促使城市交通日趨緊張，甚至成為一個(gè)更急迫的任務(wù)，不適當(dāng)?shù)?、低效率的交通系統(tǒng)會(huì)抑制和妨礙社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市軌道交通成為解決大中城市交通擁擠問題的最佳方案。隨著軌道交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，直流牽引供電系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，從而使直流牽引網(wǎng)絡(luò)線路饋電系統(tǒng)保護(hù)裝置在直流牽引供電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
目前國外有些國家的軌道交通直流饋電保護(hù)裝置有 1.德國ADTRANZ公司的DCP106，DCP106是一種控制和保護(hù)的組合裝置，適用于成套配電開關(guān)設(shè)備，其過電流瞬時(shí)保護(hù)、過電流延時(shí)保護(hù)、熱反時(shí)限過電流保護(hù)都比較完整，但是其di/dt近遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)功能不完善； 2.俄羅斯ATI公司的BEM，其只能滿足一般的保護(hù)功能，實(shí)時(shí)性能較差，不能滿足牽引系統(tǒng)對于di/dt近遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)的功能需要，而且沒有熱反時(shí)限過電流保護(hù)； 3.德國西門子公司的DPU96及3UB61、DPU96沒有定時(shí)限過電流保護(hù)，且其di/dt近遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)功能不靈活、不完善；3UB61只有di/dt近遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)，而且其使用的是模擬保護(hù)方式，存在保護(hù)界限的含糊及不確定，容易出現(xiàn)拒動(dòng)及誤動(dòng)； 4.美國PPECO公司的MPR，MPR沒有di/dt近區(qū)短路保護(hù)。
但國內(nèi)自行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)此類裝置的企業(yè)和廠家還是空白，所需裝置完全依賴進(jìn)口。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種國內(nèi)自己開發(fā)研制的實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)的裝置及方法。
為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)裝置，其特征在于，由嵌入式系統(tǒng)、開關(guān)控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、I/V轉(zhuǎn)換模塊和采集輸入接口組成，嵌入式系統(tǒng)分別與開關(guān)控制模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，A/D轉(zhuǎn)換模塊通過I/V轉(zhuǎn)換模塊與采集輸入接口連接。
所述的嵌入式系統(tǒng)由中央處理器、靜態(tài)存儲(chǔ)器、快閃存儲(chǔ)器、擴(kuò)展接口、Profibus-DP接口、以太網(wǎng)接口和RS-232串行接口組成，中央處理器連接RS-232串行接口，并通過數(shù)據(jù)地址控制總線分別連接靜態(tài)存儲(chǔ)器、快閃存儲(chǔ)器、擴(kuò)展接口、Profibus-DP接口和以太網(wǎng)接口，嵌入式系統(tǒng)通過擴(kuò)展接口連接A/D轉(zhuǎn)換模塊。
所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊由A/D芯片、基準(zhǔn)芯片、模擬電壓輸入組成，A/D芯片分別與基準(zhǔn)芯片和模擬電壓輸入連接。
所述的I/V轉(zhuǎn)換模塊由電阻R1、R2、R3、R4和R5、采樣電阻Rs和運(yùn)算放大器U1組成，采集輸入接口連接AIN1+與AIN1-，Vin連接模擬電壓輸入模塊，運(yùn)算放大器的2腳通過電阻R2和電阻R5連接，同時(shí)通過電阻R1與采樣電阻Rs連接，運(yùn)算放大器的3腳通過電阻R3與采樣電阻Rs連接，同時(shí)與電阻R4連接。
一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)的方法，其特征在于采用C語言和匯編語言在嵌入式操作系統(tǒng)平臺上編制程序，運(yùn)行在軌道交通直流饋電保護(hù)裝置上，其保護(hù)方法為 第一步采樣數(shù)據(jù)濾波 采樣頻率為40kHz，每4次采樣濾波得1次采樣點(diǎn)，采用中值算術(shù)平均濾波方式計(jì)算算術(shù)平均值； 第二步采樣數(shù)據(jù)換算 把采樣濾波后的數(shù)據(jù)換算成實(shí)際輸入電流值，接著對電流值進(jìn)行區(qū)間轉(zhuǎn)換 ICON＝(IIN-CONLP)×CONM(2) 其中IIN為實(shí)際輸入電流值，VREF為基準(zhǔn)參考電壓，D為從AD寄存器讀取到的二進(jìn)制碼元的十進(jìn)制表現(xiàn)形式，ICON為區(qū)間轉(zhuǎn)換后的電流值，CONLP為區(qū)間轉(zhuǎn)換的零偏，CONM為區(qū)間轉(zhuǎn)換的滿度系數(shù)； 第三步保護(hù)檢測 對每個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行過電流瞬時(shí)保護(hù)、過電流延時(shí)保護(hù)、熱反時(shí)限保護(hù)、近區(qū)短路保護(hù)、遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)各自獨(dú)立的保護(hù)檢測 A、過電流瞬時(shí)保護(hù) 當(dāng)檢測到ICON(即饋線測量電流I_mes)大于過電流瞬時(shí)保護(hù)正向電流值參數(shù)+I＞＞或者小于過電流瞬時(shí)保護(hù)反向電流值參數(shù)-I＞＞，則依據(jù)過電流瞬時(shí)保護(hù)延遲時(shí)間參數(shù)t＞＞啟動(dòng)瞬時(shí)保護(hù)功能的延遲計(jì)數(shù)。在延遲計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，如果I_mes一直大于+I＞＞或者小于-I＞＞，則在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束后過電流瞬時(shí)保護(hù)脫扣動(dòng)作；如果I_mes出現(xiàn)小于+I＞＞或者大于-I＞＞，則退出過電流瞬時(shí)保護(hù)延遲計(jì)數(shù)等待下一次啟動(dòng)。
B、過電流延時(shí)保護(hù) 當(dāng)檢測到ICON(即饋線測量電流I_mes)大于過電流延時(shí)保護(hù)正向電流值參數(shù)+I＞或者小于過電流延時(shí)保護(hù)反向電流值參數(shù)-I＞，則依據(jù)過電流延時(shí)保護(hù)延遲時(shí)間參數(shù)t＞啟動(dòng)延時(shí)保護(hù)功能的延遲計(jì)數(shù)。在延遲計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，如果I_mes一直大于+I＞或者小于-I＞，則在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束后過電流延時(shí)保護(hù)脫扣動(dòng)作；如果I_mes出現(xiàn)小于+I＞或者大于-I＞，則退出過電流延時(shí)保護(hù)延遲計(jì)數(shù)等待下一次啟動(dòng)。
C、熱反時(shí)限保護(hù) 當(dāng)檢測到ICON(即饋線測量電流I_mes)大于I_th，則依據(jù)熱反時(shí)限保護(hù)公式計(jì)算得到對應(yīng)的熱反時(shí)限保護(hù)脫扣動(dòng)作延遲時(shí)間t_trip，熱反時(shí)限保護(hù)報(bào)警延遲時(shí)間t_alarm，熱反時(shí)限保護(hù)復(fù)位電流I_reset，并啟動(dòng)延遲計(jì)數(shù)。在t_alarm計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，如果I_mes一直大于I_th，則在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束后熱反時(shí)限保護(hù)報(bào)警。在t_trip計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，如果I_mes一直大于I_th，則在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束后熱反時(shí)限保護(hù)脫扣動(dòng)作。如果I_mes出現(xiàn)小于I_reset，則退出t_alarm延遲計(jì)數(shù)，退出t_trip延遲計(jì)數(shù)等待下一次啟動(dòng)，解除報(bào)警。
熱反時(shí)限保護(hù)脫扣動(dòng)作公式為 熱反時(shí)限保護(hù)報(bào)警公式為 其中I_th為基本電流，T_th為時(shí)間常數(shù)，K_spl為修正因數(shù)，K_warn為告警值，K_trip為脫扣值，K_reset為復(fù)位值。
D、di/dt近區(qū)短路保護(hù) 當(dāng)檢測到ICON(即饋線測量電流I_mes)的電流上升率大于di/dt_ins(此時(shí)t＝0、I＝I0)，則依據(jù)di/dt近區(qū)短路保護(hù)延遲時(shí)間參數(shù)t_ins啟動(dòng)延遲計(jì)數(shù)。如果在延遲計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，ICON的電流上升率一直大于di/dt_ins，且在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)的ΔI(ΔI＝I-I0)大于近區(qū)短路保護(hù)電流增量參數(shù)I_ins，則di/dt近區(qū)短路保護(hù)脫扣動(dòng)作。如果在延遲計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，ICON的電流上升率出現(xiàn)小于di/dt_ins，或在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)的ΔI(ΔI＝I-I0)小于I_ins，則di/dt近區(qū)短路保護(hù)檢測結(jié)束等待下一次啟動(dòng)。
E、di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù) 當(dāng)檢測到ICON(即饋線測量電流I_mes)的電流上升率小于ddi/dt_ins，但又大于di/dt_del(此時(shí)t＝0、I＝I0)，則啟動(dòng)di/dt遠(yuǎn)區(qū)保護(hù)檢測。直到檢測到di/dt≈0，依據(jù)di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)延遲時(shí)間參數(shù)t_del啟動(dòng)延遲計(jì)數(shù)。在延遲計(jì)數(shù)后，如果ΔI(ΔI＝I-I0)大于遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)電流增量參數(shù)t_del，則di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)脫扣動(dòng)作；如果ΔI(ΔI＝I-I0)小于t_del，則di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)檢測結(jié)束等待下一次啟動(dòng)。
本發(fā)明通過過電流瞬時(shí)保護(hù)、過電流延時(shí)保護(hù)、熱反時(shí)限保護(hù)、di/dt近區(qū)短路保護(hù)、di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)這5類保護(hù)的綜合運(yùn)用，在各自保護(hù)動(dòng)作時(shí)，可以記錄動(dòng)作時(shí)刻前300ms，后200ms的波形數(shù)據(jù)(100us每數(shù)據(jù)點(diǎn))。解決了直流牽引網(wǎng)絡(luò)線路饋電系統(tǒng)發(fā)生列車接觸線上的短路和過負(fù)荷現(xiàn)象時(shí)快速、準(zhǔn)確地切除故障，同時(shí)通過整定值調(diào)整使其能夠避免列車正常運(yùn)行時(shí)一些電氣參數(shù)的變化引起保護(hù)裝置誤跳閘等要求。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是 1、采用了高速采集芯片，和數(shù)據(jù)時(shí)間片處理，提高了測量精度及響應(yīng)速度； 2、上升率保護(hù)根據(jù)近遠(yuǎn)短路點(diǎn)的不同所產(chǎn)生的上升率不同區(qū)域而分別采用近區(qū)短路上升率保護(hù)、遠(yuǎn)區(qū)短路上升率保護(hù)，提高了短路故障的檢測可靠性； 3、多種保護(hù)方式的共同運(yùn)用，能夠快速、準(zhǔn)確地判別故障并給予切除。



圖1為一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖3為A/D轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)框圖； 圖4為I/V轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖； 圖5為保護(hù)檢測流程圖； 圖6為過電流瞬時(shí)保護(hù)檢測流程圖； 圖7為過電流延時(shí)保護(hù)檢測流程圖； 圖8為熱反時(shí)限保護(hù)檢測流程圖； 圖9為di/dt近區(qū)短路檢測保護(hù)檢測流程圖； 圖10為di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)保護(hù)檢測流程圖； 圖11為保護(hù)脫鉤動(dòng)作邏輯工作流程圖。

具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例 如圖1所示，為一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，所述的一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)裝置由嵌入式系統(tǒng)、開關(guān)控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、I/V轉(zhuǎn)換模塊和采集輸入接口組成，嵌入式系統(tǒng)分別與開關(guān)控制模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，A/D轉(zhuǎn)換模塊通過I/V轉(zhuǎn)換模塊與采集輸入接口連接。饋電線路上的直流信號經(jīng)過分流器到達(dá)采集輸入接口，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換為電壓后連接至A/D轉(zhuǎn)換模塊。
如圖2所示，為嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，所述的嵌入式系統(tǒng)由中央處理器、靜態(tài)存儲(chǔ)器、快閃存儲(chǔ)器、擴(kuò)展接口、Profibus-DP接口、以太網(wǎng)接口和RS-232串行接口組成，中央處理器直接連接RS-232串行接口，并通過數(shù)據(jù)地址控制總線分別連接靜態(tài)存儲(chǔ)器、快閃存儲(chǔ)器、擴(kuò)展接口、Profibus-DP接口和以太網(wǎng)接口，嵌入式系統(tǒng)通過擴(kuò)展接口連接A/D轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)直流饋線電流信號的采集輸入，嵌入式系統(tǒng)通過Profibus-DP接口或以太網(wǎng)接口連接計(jì)算機(jī)，RS-232串行接口是嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試接口，還可作為指令與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫溆猛ǖ馈?br> 嵌入式系統(tǒng)的中央處理器采用ARM7系列芯片LPC2214，靜態(tài)存儲(chǔ)器采用芯片IS62LV51216L，快閃存儲(chǔ)器采用芯片SST39VF160，Profibus-DP接口采用芯片SPC3，網(wǎng)絡(luò)接口采用芯片AX88796L，串行接口采用芯片MAX3232，芯片外圍電路以及各芯片之間的連接方法，參照相應(yīng)的芯片使用說明。
如圖3所示，為A/D轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)框圖，所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊由A/D芯片、基準(zhǔn)芯片、模擬電壓輸入組成，A/D芯片分別與基準(zhǔn)芯片和模擬電壓輸入連接，基準(zhǔn)芯片為A/D芯片提供轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)，A/D芯片采用250KHz采樣頻率的16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364，基準(zhǔn)芯片采用2.5V基準(zhǔn)電壓輸出芯片MCP1525， 模擬電壓輸入A/D變換計(jì)算公式 其中VIN為A/D模擬電壓輸入值，VREF為基準(zhǔn)參考電壓，D為從AD寄存器讀取到的二進(jìn)制碼元的十進(jìn)制表現(xiàn)形式。
如圖4所示，為I/V轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖，所述的I/V轉(zhuǎn)換模塊由電阻R1、R2、R3、R4和R5、采樣電阻Rs和運(yùn)算放大器U1組成，采集輸入接口連接AIN1+與AIN1-，Vin連接模擬電壓輸入模塊，運(yùn)算放大器的2腳通過電阻R2和電阻R5連接，同時(shí)通過電阻R1與采樣電阻Rs連接，運(yùn)算放大器的3腳通過電阻R3與采樣電阻Rs連接，同時(shí)與電阻R4連接，運(yùn)算放大器OPA335與R1、R2、R3、R4組成了一個(gè)平衡輸入放大器電路。
因?yàn)镽1＝R2、R3＝R4，得到放大轉(zhuǎn)換輸出計(jì)算公式 將電路中的實(shí)際電阻值代入式(2)得到 將式(1)代入式(3)得到 其中IIN為電流輸入值，VREF為基準(zhǔn)參考電壓，D為從AD寄存器讀取到的二進(jìn)制碼元的十進(jìn)制表現(xiàn)形式。
如圖5所示，為保護(hù)檢測流程圖，一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)的方法，其特征在于采用C語言和匯編語言在嵌入式操作系統(tǒng)平臺上編制程序，運(yùn)行在軌道交通直流饋電保護(hù)裝置上，其保護(hù)方法為 第一步采樣數(shù)據(jù)濾波 采樣頻率為40kHz，每4次采樣濾波得1次采樣點(diǎn)，采用中值算術(shù)平均濾波方式，取4個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。
例如采樣獲得4次采樣值，分別為31000、31100、31200、31300，經(jīng)過濾波運(yùn)算后得到31150。
第二步采樣數(shù)據(jù)換算 首先，依據(jù)公式(4)把采樣濾波后的數(shù)據(jù)換算成實(shí)際輸入電流值，接著對電流值進(jìn)行區(qū)間轉(zhuǎn)換，區(qū)間轉(zhuǎn)換的零偏為CONLP＝12mA，滿度系數(shù)為CONM＝1250×1000，即相當(dāng)于4～20mA對應(yīng)于-10000A～10000A。
例如采樣數(shù)據(jù)換算以D＝31150數(shù)據(jù)為例，代入式(4)得根據(jù)零偏CONLP與滿度系數(shù)CONM得ICON＝(IIN-CONLP)×CONM＝200A。
第三步保護(hù)檢測 對每個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行過電流瞬時(shí)保護(hù)、過電流延時(shí)保護(hù)、熱反時(shí)限保護(hù)、近區(qū)短路保護(hù)、遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)各自獨(dú)立的保護(hù)檢測。
A、過電流瞬時(shí)保護(hù) 過電流瞬時(shí)保護(hù)用于切斷大的短路電流，大的短路電流對線路會(huì)造成巨大的損壞，故大的短路電流一出現(xiàn)應(yīng)立即切斷，其切斷時(shí)刻應(yīng)在其達(dá)到電流峰值之前，使系統(tǒng)饋電部分免受短路電流傷害，其反應(yīng)時(shí)間以毫秒為單位。
如圖6所示，為過電流瞬時(shí)保護(hù)檢測流程圖，當(dāng)檢測到ICON(即饋線測量電流I_mes)大于過電流瞬時(shí)保護(hù)正向電流值參數(shù)+I＞＞或者小于過電流瞬時(shí)保護(hù)反向電流值參數(shù)-I＞＞，則依據(jù)過電流瞬時(shí)保護(hù)延遲時(shí)間參數(shù)t＞＞啟動(dòng)瞬時(shí)保護(hù)功能的延遲計(jì)數(shù)。在延遲計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，如果I_mes一直大于+I＞＞或者小于-I＞＞，則在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束后過電流瞬時(shí)保護(hù)脫扣動(dòng)作；如果I_mes出現(xiàn)小于+I＞＞或者大于-I＞＞，則退出過電流瞬時(shí)保護(hù)延遲計(jì)數(shù)等待下一次啟動(dòng)。
例如保護(hù)裝置的過電流瞬時(shí)保護(hù)檢測參數(shù)設(shè)置為+I＞＞＝9000A、-I＞＞＝-9000A、t＞＞＝1ms。假如饋線上的實(shí)際電流波形為100ms的1000A波形段，接著1.1ms的9450A波形段，接著是100ms的1200A波形段，則保護(hù)裝置的過電流瞬時(shí)保護(hù)可靠動(dòng)作。假如饋線上的實(shí)際電流波形為100ms的1000A波形段，接著0.9ms的8550A波形段，接著是100ms的1200A波形段，則保護(hù)裝置的過電流瞬時(shí)保護(hù)無誤動(dòng)作。
B、過電流延時(shí)保護(hù) 過電流延時(shí)保護(hù)用于饋電單元的過載保護(hù)，其量度時(shí)間以毫秒為單位。
如圖7所示，為過電流延時(shí)保護(hù)檢測流程圖，當(dāng)檢測到ICON(即饋線測量電流I_mes)大于過電流延時(shí)保護(hù)正向電流值參數(shù)+I＞或者小于過電流延時(shí)保護(hù)反向電流值參數(shù)-I＞，則依據(jù)過電流延時(shí)保護(hù)延遲時(shí)間參數(shù)t＞啟動(dòng)延時(shí)保護(hù)功能的延遲計(jì)數(shù)。在延遲計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，如果I_mes一直大于+I＞或者小于-I＞，則在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束后過電流延時(shí)保護(hù)脫扣動(dòng)作；如果I_mes出現(xiàn)小于+I＞或者大于-I＞，則退出過電流延時(shí)保護(hù)延遲計(jì)數(shù)等待下一次啟動(dòng)。
例如保護(hù)裝置的過電流延時(shí)保護(hù)檢測參數(shù)設(shè)置為+I＞＝6000A、-I＞＝-6000A、t＞＝1s。假如饋線上的實(shí)際電流波形為100ms的1000A波形段，接著1.05s的6300A波形段，接著是100ms的1200A波形段，則保護(hù)裝置的過電流延時(shí)保護(hù)可靠動(dòng)作。假如饋線上的實(shí)際電流波形為100ms的1000A波形段，接著9.95s的5700A波形段，接著是100ms的1200A波形段，則保護(hù)裝置的過電流延時(shí)保護(hù)無誤動(dòng)作。
C、熱反時(shí)限保護(hù) 熱反時(shí)限保護(hù)用于消除熱過負(fù)荷故障，而非短路故障，其工作原理是根據(jù)接觸網(wǎng)上流過的電流，計(jì)算出接觸網(wǎng)的發(fā)熱量，從而再根據(jù)接觸網(wǎng)的熱負(fù)荷特性及環(huán)境條件推算出接觸網(wǎng)的電纜溫度。
如圖8所示，為熱反時(shí)限保護(hù)檢測流程圖，當(dāng)檢測到ICON(即饋線測量電流I_mes)大于I_th，則依據(jù)熱反時(shí)限保護(hù)公式計(jì)算得到對應(yīng)的熱反時(shí)限保護(hù)脫扣動(dòng)作延遲時(shí)間t_trip，熱反時(shí)限保護(hù)報(bào)警延遲時(shí)間t_alarm，熱反時(shí)限保護(hù)復(fù)位電流I_reset，并啟動(dòng)延遲計(jì)數(shù)。在t_alarm計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，如果I_mes一直大于I_th，則在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束后熱反時(shí)限保護(hù)報(bào)警。在t_trip計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，如果I_mes一直大于I_th，則在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束后熱反時(shí)限保護(hù)脫扣動(dòng)作。如果I_mes出現(xiàn)小于I_reset，則退出t_alarm延遲計(jì)數(shù)，退出t_trip延遲計(jì)數(shù)等待下一次啟動(dòng)，解除報(bào)警。
熱反時(shí)限保護(hù)脫扣動(dòng)作公式為 熱反時(shí)限保護(hù)報(bào)警公式為 其中I_th為基本電流，T_th為時(shí)間常數(shù)，K_spl為修正因數(shù)，K_warn為告警值，K_trip為脫扣值，K_reset為復(fù)位值。
例如保護(hù)裝置的熱反時(shí)限保護(hù)檢測參數(shù)設(shè)置為I_th＝2700A、T_th＝300s、K_spl＝100％、K_warn＝80％、K_trip＝94％、K_reset＝80％，以保護(hù)脫扣動(dòng)作方式為例。假如饋線上的實(shí)際電流波形為100ms的1000A波形段，接著56.8593s的6000A波形段，接著是10s的1200A波形段，則保護(hù)裝置的熱反時(shí)限保護(hù)無誤脫扣動(dòng)作。假如饋線上的實(shí)際電流波形為100ms的1000A波形段，接著71.064s的6000A波形段，接著是10s的1200A波形段，則保護(hù)裝置的過電流延時(shí)保護(hù)可靠脫扣動(dòng)作，并在第三段波形開始時(shí)復(fù)位保護(hù)脫扣以允許下次保護(hù)脫扣檢測。
D、di/dt近區(qū)短路保護(hù) 通過對電流上升率di/dt及電流增量ΔI的檢測，對近端短路電流及正常工作電流進(jìn)行判別，在短路故障發(fā)生的初始階段切斷短路電流，使饋電線路免受短路電流傷害。
如圖9所示，為di/dt近區(qū)短路保護(hù)檢測流程圖，當(dāng)檢測到ICON(即饋線測量電流I_mes)的電流上升率大于di/dt_ins(此時(shí)t＝0、I＝I0)，則依據(jù)di/dt近區(qū)短路保護(hù)延遲時(shí)間參數(shù)t_ins啟動(dòng)延遲計(jì)數(shù)。如果在延遲計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，ICON的電流上升率一直大于di/dt_ins，且在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)的ΔI(ΔI＝I-I0)大于近區(qū)短路保護(hù)電流增量參數(shù)I_ins，則di/dt近區(qū)短路保護(hù)脫扣動(dòng)作。如果在延遲計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，ICON的電流上升率出現(xiàn)小于di/dt_ins，或在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)的ΔI(ΔI＝I-I0)小于I_ins，則di/dt近區(qū)短路保護(hù)檢測結(jié)束等待下一次啟動(dòng)。
例如保護(hù)裝置的di/dt近區(qū)短路保護(hù)檢測參數(shù)設(shè)置為di/dt_ins＝200A/ms、I_ins＝3000A、t_ins＝2ms。假如饋線上的實(shí)際電流波形為100ms的1000A波形段，接著210A/ms上升率維持15ms的波形段，接著是100ms的4150A波形段，則保護(hù)裝置的di/dt近區(qū)短路保護(hù)可靠動(dòng)作。假如饋線上的實(shí)際電流波形為100ms的1000A波形段，接著190A/ms上升率維持15ms的波形段，接著是100ms的3850A波形段，則保護(hù)裝置的di/dt近區(qū)短路保護(hù)無誤動(dòng)作。
E、di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù) 通過對電流上升率(di/dt)及電流增量(ΔI)的檢測，對遠(yuǎn)端短路電流及正常工作電流進(jìn)行判別，在短路故障發(fā)生的初始階段切斷短路電流，使饋電線路免受短路電流傷害。
如圖10所示，為di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)檢測流程圖，當(dāng)檢測到ICON(即饋線測量電流I_mes)的電流上升率小于di/dt_ins，但又大于di/dt_del(此時(shí)t＝0、I＝I0)，則啟動(dòng)di/dt遠(yuǎn)區(qū)保護(hù)檢測。直到檢測到di/dt≈0，依據(jù)di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)延遲時(shí)間參數(shù)t_del啟動(dòng)延遲計(jì)數(shù)。在延遲計(jì)數(shù)后，如果ΔI(ΔI＝I-I0)大于遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)電流增量參數(shù)t_del，則di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)脫扣動(dòng)作；如果ΔI(ΔI＝I-I0)小于t_del，則di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)檢測結(jié)束等待下一次啟動(dòng)。
例如保護(hù)裝置的di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)檢測參數(shù)設(shè)置為di/dt_del＝50A/ms、I_del＝3000A、t_del＝40ms。假如饋線上的實(shí)際電流波形為100ms的1000A波形段，接著是200ms的從55A/ms上升率逐漸衰減到0A/ms時(shí)為4150A的波形段，接著是44ms的4150A波形段，則保護(hù)裝置的di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)可靠動(dòng)作。假如饋線上的實(shí)際電流波形為100ms的1000A波形段，接著是200ms的從45A/ms上升率逐漸衰減到0A/ms時(shí)為3850A的波形段，接著是36ms的3850A波形段，則保護(hù)裝置的di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)無誤動(dòng)作。
如圖11所示，為保護(hù)脫扣動(dòng)作邏輯工作流程圖，當(dāng)有任意一種保護(hù)產(chǎn)生脫扣動(dòng)作時(shí)，保護(hù)裝置將發(fā)起一保護(hù)脫扣信號出口用于聯(lián)跳鄰站保護(hù)裝置，接著發(fā)起一斷路器分閘信號用于斷開直流開關(guān)。接收到鄰站過來的保護(hù)脫扣信號時(shí)，發(fā)起一斷路器分閘信號用于斷開直流開關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)裝置，其特征在于，由嵌入式系統(tǒng)、開關(guān)控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、I/V轉(zhuǎn)換模塊和采集輸入接口組成，嵌入式系統(tǒng)分別與開關(guān)控制模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，A/D轉(zhuǎn)換模塊通過I/V轉(zhuǎn)換模塊與采集輸入接口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)裝置，其特征在于，所述的嵌入式系統(tǒng)由中央處理器、靜態(tài)存儲(chǔ)器、快閃存儲(chǔ)器、擴(kuò)展接口、Profibus-DP接口、以太網(wǎng)接口和RS-232串行接口組成，中央處理器連接RS-232串行接口，并通過數(shù)據(jù)地址控制總線分別連接靜態(tài)存儲(chǔ)器、快閃存儲(chǔ)器、擴(kuò)展接口、Profibus-DP接口和以太網(wǎng)接口，嵌入式系統(tǒng)通過擴(kuò)展接口連接A/D轉(zhuǎn)換模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)裝置，其特征在于，所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊由A/D芯片、基準(zhǔn)芯片、模擬電壓輸入組成，A/D芯片分別與基準(zhǔn)芯片和模擬電壓輸入連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)裝置，其特征在于，所述的I/V轉(zhuǎn)換模塊由電阻R1、R2、R3、R4和R5、采樣電阻Rs和運(yùn)算放大器U1組成，采集輸入接口連接AIN1+與AIN1-，Vin連接模擬電壓輸入模塊，運(yùn)算放大器的2腳通過電阻R2和電阻R5連接，同時(shí)通過電阻R1與采樣電阻Rs連接，運(yùn)算放大器的3腳通過電阻R3與采樣電阻Rs連接，同時(shí)與電阻R4連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)的方法，其特征在于采用C語言和匯編語言在嵌入式操作系統(tǒng)平臺上編制程序，運(yùn)行在實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)裝置上，其保護(hù)方法為
第一步采樣數(shù)據(jù)濾波
采樣頻率為40kHz，每4次采樣濾波得1次采樣點(diǎn)，采用中值算術(shù)平均濾波方式計(jì)算算術(shù)平均值；
第二步采樣數(shù)據(jù)換算
把采樣濾波后的數(shù)據(jù)換算成實(shí)際輸入電流值，接著對電流值進(jìn)行區(qū)間轉(zhuǎn)換
ICON＝(IIN-CONLP)×CONM(2)
其中IIN為實(shí)際輸入電流值，VREF為基準(zhǔn)參考電壓，D為從AD寄存器讀取到的二進(jìn)制碼元的十進(jìn)制表現(xiàn)形式，ICON為區(qū)間轉(zhuǎn)換后的電流值，CONLP為區(qū)間轉(zhuǎn)換的零偏，CONM為區(qū)間轉(zhuǎn)換的滿度系數(shù)；
第三步保護(hù)檢測
對每個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行過電流瞬時(shí)保護(hù)、過電流延時(shí)保護(hù)、熱反時(shí)限保護(hù)、近區(qū)短路保護(hù)、遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)各自獨(dú)立的保護(hù)檢測
A、過電流瞬時(shí)保護(hù)
當(dāng)檢測到ICON即饋線測量電流I_mes大于過電流瞬時(shí)保護(hù)正向電流值參數(shù)+I＞＞或者小于過電流瞬時(shí)保護(hù)反向電流值參數(shù)-I＞＞，則依據(jù)過電流瞬時(shí)保護(hù)延遲時(shí)間參數(shù)t＞＞啟動(dòng)瞬時(shí)保護(hù)功能的延遲計(jì)數(shù)。在延遲計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，如果I_mes一直大于+I＞＞或者小于-I＞＞，則在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束后過電流瞬時(shí)保護(hù)脫扣動(dòng)作；如果I_mes出現(xiàn)小于+I＞＞或者大于-I＞＞，則退出過電流瞬時(shí)保護(hù)延遲計(jì)數(shù)等待下一次啟動(dòng)；
B、過電流延時(shí)保護(hù)
當(dāng)檢測到ICON即饋線測量電流I_mes大于過電流延時(shí)保護(hù)正向電流值參數(shù)+I＞或者小于過電流延時(shí)保護(hù)反向電流值參數(shù)-I＞，則依據(jù)過電流延時(shí)保護(hù)延遲時(shí)間參數(shù)t＞啟動(dòng)延時(shí)保護(hù)功能的延遲計(jì)數(shù)。在延遲計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，如果I_mes一直大于+I＞或者小于-I＞，則在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束后過電流延時(shí)保護(hù)脫扣動(dòng)作；如果I_mes出現(xiàn)小于+I＞或者大于-I＞，則退出過電流延時(shí)保護(hù)延遲計(jì)數(shù)等待下一次啟動(dòng)；
C、熱反時(shí)限保護(hù)
當(dāng)檢測到ICON(即饋線測量電流I_mes)大于I_th，則依據(jù)熱反時(shí)限保護(hù)公式計(jì)算得到對應(yīng)的熱反時(shí)限保護(hù)脫扣動(dòng)作延遲時(shí)間t_trip，熱反時(shí)限保護(hù)報(bào)警延遲時(shí)間t_alarm，熱反時(shí)限保護(hù)復(fù)位電流I_reset，并啟動(dòng)延遲計(jì)數(shù)，在t_alarm計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，如果I_mes一直大于I_th，則在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束后熱反時(shí)限保護(hù)報(bào)警，在t_trip計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，如果I_mes一直大于I_th，則在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束后熱反時(shí)限保護(hù)脫扣動(dòng)作。如果I_mes出現(xiàn)小于I_reset，則退出t_alarm延遲計(jì)數(shù)，退出t_trip延遲計(jì)數(shù)等待下一次啟動(dòng)，解除報(bào)警；
熱反時(shí)限保護(hù)脫扣動(dòng)作公式為
熱反時(shí)限保護(hù)報(bào)警公式為
其中I_th為基本電流，T_th為時(shí)間常數(shù)，K_spl為修正因數(shù)，K_warn為告警值，K_trip為脫扣值，K_reset為復(fù)位值；
D、di/dt近區(qū)短路保護(hù)
當(dāng)檢測到ICON即饋線測量電流I_mes的電流上升率大于di/dt_ins(此時(shí)t＝0、I＝I0)，則依據(jù)di/dt近區(qū)短路保護(hù)延遲時(shí)間參數(shù)t_ins啟動(dòng)延遲計(jì)數(shù)，如果在延遲計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，ICON的電流上升率一直大于di/dt_ins，且在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)的ΔI(ΔI＝I-I0)大于近區(qū)短路保護(hù)電流增量參數(shù)I_ins，則di/dt近區(qū)短路保護(hù)脫扣動(dòng)作，如果在延遲計(jì)數(shù)時(shí)間段內(nèi)，ICON的電流上升率出現(xiàn)小于di/dt_ins，或在延遲計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)的ΔI(ΔI＝I-I0)小于I_ins，則di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)檢測結(jié)束等待下一次啟動(dòng)；
E、di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)
當(dāng)檢測到ICON即饋線測量電流I_mes的電流上升率小于di/dt_ins，但又大于di/dt_del(此時(shí)t＝0、I＝I0)，則啟動(dòng)di/dt遠(yuǎn)區(qū)保護(hù)檢測。直到檢測到di/dt≈0，依據(jù)di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)延遲時(shí)間參數(shù)t_del啟動(dòng)延遲計(jì)數(shù)，在延遲計(jì)數(shù)后，如果ΔI(ΔI＝I-I0)大于遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)電流增量參數(shù)t_del，則di/dt遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)脫扣動(dòng)作；如果ΔI(ΔI＝I-I0)小于t_del，則di/dt近區(qū)短路保護(hù)檢測結(jié)束等待下一次啟動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)軌道交通直流饋電保護(hù)裝置，其特征在于，由嵌入式系統(tǒng)、開關(guān)控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、I/V轉(zhuǎn)換模塊和采集輸入接口組成，嵌入式系統(tǒng)分別與開關(guān)控制模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，A/D轉(zhuǎn)換模塊通過I/V轉(zhuǎn)換模塊與采集輸入接口連接。通過該裝置對過電流瞬時(shí)保護(hù)、過電流延時(shí)保護(hù)、熱反時(shí)限保護(hù)、近區(qū)短路保護(hù)、遠(yuǎn)區(qū)短路保護(hù)各自獨(dú)立的保護(hù)作檢測并作出判斷，在各自保護(hù)動(dòng)作時(shí)，可以記錄動(dòng)作時(shí)刻前300ms，后200ms的波形數(shù)據(jù)，解決了直流牽引網(wǎng)絡(luò)線路饋電系統(tǒng)發(fā)生列車接觸線上的短路和過負(fù)荷現(xiàn)象時(shí)快速、準(zhǔn)確地切除故障，同時(shí)通過整定值調(diào)整使其能夠避免列車正常運(yùn)行時(shí)一些電氣參數(shù)的變化引起保護(hù)裝置誤跳閘等要求。
文檔編號H02H7/26GK101207282SQ20071017245
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者應(yīng)森杰, 達(dá)世鵬, 凱 黃, 黃志明, 陳曉強(qiáng) 申請人:上海地鐵運(yùn)營有限公司, 上海申貝科技發(fā)展有限公司