阅读说明：本技术 一种高铁再生制动能量回馈系统的保护方法 (Protection method of regenerative braking energy feedback system of high-speed rail ) 是由 胡海涛 黄文龙 陈俊宇 耿安琪 何正友 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高铁再生制动能量回馈系统的保护方法,包括：检测系统关键位置实时信号；控制模块判定故障发生位置及类型；根据故障类型进行跳闸、重合闸及联跳保护动作。本发明的有益效果：(1)在高速铁路再生制动能量回馈系统关键位置布置检测传感器,通过检测、判断及动作,完成了对高速铁路再生制动能量回馈系统的保护,填补了该系统保护方法的空缺。(2)故障检测及保护联跳逻辑,可以对高铁再生制动能量回馈系统在不同运行情况下发生的不同类型故障进行及时准确的处理,实现了变电所故障回馈设备自保护,回馈设备故障不影响变电所供电的功能。(3)通过检测铁路10kV供电系统运行状态,可以及时识别孤岛状态,防止并网逆变器孤岛运行。(The invention discloses a protection method of a regenerative braking energy feedback system of a high-speed rail, which comprises the following steps: detecting a system key position real-time signal; the control module judges the position and the type of the fault; and carrying out tripping, reclosing and combined tripping protection actions according to the fault type. The invention has the beneficial effects that: (1) the detection sensor is arranged at the key position of the high-speed railway regenerative braking energy feedback system, and the protection of the high-speed railway regenerative braking energy feedback system is completed through detection, judgment and action, so that the vacancy of the system protection method is filled. (2) The fault detection and protection combined tripping logic can timely and accurately process different types of faults generated by the high-speed rail regenerative braking energy feedback system under different operation conditions, so that the self-protection of the substation fault feedback equipment is realized, and the function of power supply of the substation is not influenced by the fault of the feedback equipment. (3) By detecting the running state of the railway 10kV power supply system, the island state can be identified in time, and the grid-connected inverter is prevented from running in an island manner.)

一种高铁再生制动能量回馈系统的保护方法

技术领域

本发明涉及牵引供电系统领域，特别是一种高铁再生制动能量回馈系统的保护方法。

背景技术

高速铁路再生制动能量回馈系统可以将高铁列车在制动过程中产生的再生制动能量回馈至铁路10kV电网，且能够检测10kV负荷功率并匹配回馈功率，实现了再生能量的回收利用，提高了经济效益。但是，回馈系统在运行过程中可能会出现过电流、过电压等故障，轻则导致回馈装置失效，重则会影响牵引供电系统与铁路10kV供电系统的正常运行。

目前，还没有针对高速铁路再生制动能量回馈系统所设计的保护系统，不能解决该系统的故障保护问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高铁再生制动能量回馈系统的保护方法，实现设备故障不影响牵引供电系统供电、牵引供电系统故障设备自保护的功能。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种高铁再生制动能量回馈系统的保护方法，包括

步骤1：采集实时信号，包括：牵引变压器T的馈电线出线口处单相交流电压、电流；左侧多绕组降压变压器T₁和右侧多绕组降压变压器T₂的一次侧端口单相交流电压、电流，T₁和T₂的二次侧端口单相交流电压、电流，T₁和T₂的油面高度、温度；左侧多重化四象限变流器B₁的每一个单组四象限变流器B_1i的交流侧端口单相交流电压、电流，每一个B_1i的直流侧直流电压，每一个B_1i的IGBT元件端电压；右侧多重化四象限变流器B₂的每一个单组四象限变流器B_2i的交流侧端口单相交流电压、电流，每一个B_2i的直流侧直流电压，每一个B_2i的IGBT元件端电压；B₁和B₂的直流侧正极直流母线D₁和负极直流母线D₂之间直流电压；三相逆变器N的输出端三相交流电压、电流；N的IGBT元件端电压；并网升压变压器T₃的一次侧端口和二次侧端口三相交流电压、电流，T₃的油面高度、温度，T₃的并网点三相交流电压；铁路10kV电网G进线端三相交流电压、电流；

步骤2：设定保护优先级为：1)T和G；2)T₁、T₂、N和T₃；3)B₁和B₂；

若不同设备同时产生故障，则按照优先级顺序依次进行保护动作；

根据实时信号确定系统的运行状态并进行越限判断，按照保护逻辑输出跳闸或警告信号；

步骤3：设定重合闸优先级为：1)T与T₁之间连接的开关柜K₁，T与T₂之间连接的开关柜K₂，G与T₃之间连接的开关柜K₇；2)T₁与B₁之间连接的开关柜K₃，T₂与B₂之间连接的开关柜K₄，D₁和D₂与N之间连接的开关柜K₅，N与T₃之间连接的开关柜K₆；3)B₁的每一个单组四象限变流器B_1i之间连接的开关柜，B₂的每一个单组四象限变流器B_2i之间连接的开关柜；

跳闸动作发生后，延时后进行一次重合闸，若合闸成功，则系统恢复正常运行；其中，B₁和B₂的投入方式为逐级投入；若合闸失败，则判定为永久性故障，发出二次告警；

所述步骤2中，保护逻辑包括

牵引变压器T：不可容错运行故障状态下产生跳闸信号，控制K₁和K₂的高压断路器断开，同时联跳K₇控制高压断路器断开；

左侧多绕组降压变压器T₁和右侧多绕组降压变压器T₂：不可容错运行故障状态下产生跳闸信号，控制K₁和K₂的高压断路器断开，同时联跳K₇控制高压断路器断开；可容错运行故障状态下产生相应告警信号；

左侧多重化四象限变流器B₁和右侧多重化四象限变流器B₂：不可容错运行故障状态下产生跳闸信号，控制K₃、K₄和K₅的低压断路器断开，同时联跳K₁、K₂和K₇控制高压断路器断开；可容错运行故障状态下产生相应告警信号；

三相逆变器N：不可容错运行故障状态下产生跳闸信号，控制K₅和K₆的低压断路器断开，同时联跳K₃、K₄和K₇控制高压断路器断开，退出整个回馈装置；可容错运行故障状态下产生相应告警信号；

并网升压变压器T₃：不可容错运行故障状态下产生跳闸信号，控制K₇的高压断路器断开，同时联跳K₁和K₂控制高压断路器断开；可容错运行故障状态下产生相应告警信号；

铁路10kV电网G：不可容错运行故障状态下产生跳闸信号，控制K₇的高压断路器断开，同时联跳K₁和K₂控制高压断路器断开；三相逆变器N孤岛运行状态下产生跳闸信号，控制K₇的高压断路器断开，同时联跳K₁和K₂控制高压断路器断开。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)在高速铁路再生制动能量回馈系统关键位置布置检测传感器，通过检测、判断及动作，完成了对高速铁路再生制动能量回馈系统的保护，填补了该系统保护方法的空缺。

(2)故障检测及保护联跳逻辑，可以对高铁再生制动能量回馈系统在不同运行情况下发生的不同类型故障进行及时准确的处理，实现了变电所故障回馈设备自保护，回馈设备故障不影响变电所供电的功能。

(3)通过检测铁路10kV供电系统运行状态，可以及时识别孤岛状态，防止并网逆变器孤岛运行。

附图说明

图1为高速铁路再生能量回馈系统保护系统拓扑结构示意图。

图2为高速铁路再生能量回馈系统保护系统的保护模式选择框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明。

图1所示为高铁再生能量回馈系统保护系统电气拓扑结构示意图。该系统由牵引供电系统、多绕组降压变压器、多重化四象限变流器、三相逆变器、并网升压变压器和铁路10kV供电系统及各传感器和开关柜组成。该系统主要功能为：

1)将高铁列车再生制动产生的再生制动能量回馈到铁路10kV供电系统；

2)将负荷从功率大的桥臂向功率小的桥臂转移，实现两个供电臂负荷平衡，治理负序电流；

3)进行无功补偿和谐波治理。

上述高速铁路再生能量回馈系统保护系统控制方法，包括以下步骤：

步骤1：采集传感器的实时信号，包括：牵引变压器(T)馈电线出线口处单相交流电压、电流，左侧多绕组降压变压器(T₁)一次侧端口单相交流电压、电流，右侧多绕组降压变压器(T₂)一次侧端口单相交流电压、电流，左侧多绕组降压变压器(T₁)二次侧端口单相交流电压、电流，右侧多绕组降压变压器(T₂)二次侧端口单相交流电压、电流，左侧多绕组降压变压器(T₁)油面高度、温度，右侧多绕组降压变压器(T₂)油面高度、温度，左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)交流侧端口单相交流电压、电流，左、右侧单组四象限变流器(B_1i、B_2i)交流侧端口单相交流电压、电流，左、右侧单组四象限变流器(B_1i、B_2i)直流侧直流电压，左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)IGBT元件端电压，左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)直流侧正极直流母线(D₁)、负极直流母线(D₂)间直流电压，三相逆变器输(N)出端三相交流电压、电流，三相逆变器(N)IGBT元件端电压，并网升压变压器(T₃)一次侧端口三相交流电压、电流，并网升压变压器(T₃)二次侧端口三相交流电压、电流，并网升压变压器(T₃)油面高度、温度，并网升压变压器(T₃)并网点三相交流电压，铁路10kV供电系统(G)进线端三相交流电压、电流。

步骤2：设定保护优先级为：1)牵引变压器(T)、铁路10kV供电系统(G)；2)左、右侧多绕组降压变压器(T₁、T₂)、三相逆变器(N)、并网升压变压器(T₃)；3)左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)。

若不同系统或设备同时产生故障，则按照优先级顺序进行保护动作。

检测传感器将检测量转换为电信号上传给控制模块(各信号并行输入)，控制模块对检测信号进行模/数转换、计算及消除干扰量，进而确定系统的运行状态并进行越限判断：两个周波的检测时限内测量值信号都越限，则判定系统发生故障。

步骤3：设定重合闸优先级为：1)牵引变压器(T)与左、右侧多绕组降压变压器(T₁、T₂)之间连接的开关柜K₁、K₂，铁路10kV供电系统(G)与并网升压变压器(T₃)之间连接的开关柜K₇；2)左、右侧多绕组降压变压器(T₁、T₂)与左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)之间连接的开关柜K₃、K₄，左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)与三相逆变器(N)之间连接的开关柜K₅，三相逆变器(N)与并网升压变压器(T₃)之间连接的开关柜K₆；3)左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)中各多重化模组间(B_1i、B_2i)连接的开关柜。

跳闸动作发生后，断路器断开后延时2.0秒进行一次重合闸，若合闸成功，则系统恢复正常运行，其中左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)投入方式为从低到高投入(在B₁、B₂及以上等级的开关柜断开以后，B_1i之间和B_2i之间的开关柜也断开；进行重合闸时，先合B_1i之间和B_2i之间连接的开关柜，再合B₁、B₂与其它设备之间的开关柜)。若合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。

牵引供电系统故障的保护方法，包括以下步骤：

a、控制模块接收并行实时检测量，包括：牵引变压器(T)馈电线出线口处单相交流电压、电流；

b、控制模块对接收到的检测量进行模/数转换，并对转换所得数字量信号进行越限判断，任一信号越限都将判定为不可容错运行故障；

c、不可容错运行故障状态下控制模块产生跳闸信号，控制牵引变压器(T)与左、右侧多绕组降压变压器(T₁、T₂)间开关柜中高压断路器断开，同时联跳铁路10kV供电系统(G)与并网升压变压器(T₃)间开关柜，控制相应开关柜中高压断路器断开，实现变电所故障设备自保护功能；

d、各断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。左、右侧多绕组降压变压器(T₁、T₂)的保护方法，包括以下步骤：

a、控制模块接收并行实时检测量，包括：左侧多绕组降压变压器(T₁)一次侧端口单相交流电压、电流，右侧多绕组降压变压器(T₂)一次侧端口单相交流电压、电流，左侧多绕组降压变压器(T₁)二次侧端口单相交流电压、电流，右侧多绕组降压变压器(T₂)二次侧端口单相交流电压、电流，左侧多绕组降压变压器(T₁)油面高度、温度，右侧多绕组降压变压器(T₂)油面高度、温度；

b、控制模块对接收到的检测量进行模/数转换，并对转换所得数字量信号进行越限判断，其中电压、电流和温度越限将判定为不可容错运行故障，油面越限将判定为可容错运行故障；

c、不可容错运行故障状态下控制模块产生跳闸信号，控制左、右侧多绕组降压变压器(T₁、T₂)与牵引变压器(T)间连接开关柜中高压断路器断开，同时联跳并网升压变压器(T₃)与铁路10kV供电系统(G)间连接开关柜，控制相应开关柜中高压断路器断开，实现设备故障不影响变电所供电的功能；可容错运行故障状态下控制模块产生相应告警信号。

d、各断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。

左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)的保护方法，包括以下步骤：

a、控制模块接收并行实时检测量，包括：左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)交流侧端口单相交流电压、电流，左、右侧单组四象限变流器(B_1i、B_2i)交流侧端口单相交流电压、电流，左、右侧单组四象限变流器(B_1i、B_2i)直流侧直流电压，左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)的IGBT元件端电压，左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)直流侧正极直流母线(D₁)、负极直流母线(D₂)间直流电压；

b、控制模块对接收到的检测量进行模/数转换，并对转换所得数字量信号进行越限判断，其中四象限变流器交流侧电压、电流越限，四象限变流器直流侧电压、电流越限，四象限变流器IGBT元件端电压越限且变流器无法工作将被判定为不可容错运行故障；四象限变流器IGBT元件端电压越限且变流器可以工作将被判定为可容错运行故障；

c、不可容错运行故障状态下控制模块产生跳闸信号，控制左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)与左、右侧多绕组降压变压器(T₁、T₂)间连接开关柜、左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)与三相逆变器(N)间连接开关柜中低压断路器断开，同时联跳左、右侧多绕组降压变压器(T₁、T₂)与牵引变压器(T)间开关柜中高压断路器、并网升压变压器(T₃)与铁路10kV供电系统(G)间开关柜中高压断路器；可容错运行故障状态下控制模块产生相应告警信号。

d、各断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。

三相逆变器(N)的保护方法，包括以下步骤：

a、控制模块接收并行实时检测量，包括：三相逆变器(N)输出端三相交流电压、电流，三相逆变器(N)的IGBT元件端电压；

b、控制模块对接收到的检测量进行模/数转换，并对转换所得数字量信号进行越限判断，其中三相逆变器(N)交流侧电压、电流越限，三相逆变器(N)的IGBT元件端电压越限且逆变器无法工作将被判定为不可容错运行故障；三相逆变器(N)的IGBT元件端电压越限且逆变器可以工作将被判定为可容错运行故障；

c、不可容错运行故障状态下控制模块产生跳闸信号，控制三相逆变器(N)与并网升压变压器(T₃)间连接开关柜、三相逆变器(N)与左、右侧多重化四象限变流器(B₁、B₂)直流侧间开关柜中低压断路器断开，同时联跳左、右侧多绕组降压变压器(T₁、T₂)与牵引变压器(T)间开关柜中高压断路器、并网升压变压器(T₃)与铁路10kV供电系统(G)间开关柜中高压断路器，退出整个回馈装置(即回馈系统的装置，不包含牵引供电系统和铁路10kV供电系统)；可容错运行故障状态下控制模块产生相应告警信号。

d、各断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。

并网升压变压器(T₃)的保护方法，包括以下步骤：

a、控制模块接收并行实时检测量，包括：并网升压变压器(T₃)一次侧端口三相交流电压、电流，并网升压变压器(T₃)二次侧端口三相交流电压、电流，并网升压变压器(T₃)油面高度、温度；

b、控制模块对接收到的检测量进行模/数转换，并对转换所得数字量信号进行越限判断，其中电压、电流和温度越限将判定为不可容错运行故障，油面越限将判定为可容错运行故障；

c、不可容错运行故障状态下控制模块产生跳闸信号，控制并网升压变压器(T₃)与铁路10kV供电系统(G)间连接开关柜中高压断路器断开，同时联跳左、右侧多绕组降压变压器(T₁、T₂)与牵引变压器(T)间连接开关柜，控制相应开关柜中高压断路器断开，实现设备故障不影响变电所供电的功能；可容错运行故障状态下控制模块产生相应告警信号。

d、各断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。

铁路10kV供电系统(G)的保护方法，包括以下步骤：

a、控制模块接收并行实时检测量，包括：三相逆变器(N)输出端电压、电流，并网升压变压器(T₃)并网点三相交流电压，铁路10kV供电系统(G)进线端三相交流电压、电流。

b、控制模块对接收到的检测量进行模/数转换、计算，并对所得数字量信号进行越限判断，其中铁路10kV电网进线端电压、电流和温度越限将判定为不可容错运行故障；并网升压变压器(T₃)并网点电压突变且三相逆变器(N)输出功率突变将判定为三相逆变器(N)孤岛运行状态；

c、不可容错运行故障状态下控制模块产生跳闸信号，控制铁路10kV供电系统(G)与并网升压变压器(T₃)间开关柜中高压断路器断开，同时联跳牵引变压器(T)与左、右侧多绕组降压变压器(T₁、T₂)间开关柜，控制相应开关柜中高压断路器断开，实现变电所故障设备自保护功能；

三相逆变器(N)孤岛运行状态下控制模块产生跳闸信号，控制铁路10kV供电系统(G)与并网升压变压器(T₃)间开关柜中高压断路器断开，同时联跳牵引变压器(T)与左、右侧多绕组降压变压器(T₁、T₂)间开关柜，控制相应开关柜中高压断路器断开；

d、由不可容错故障引起跳闸后，各断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警；由三相逆变器(N)孤岛运行状态引起跳闸后，无重合闸操作。