城轨供电系统自愈重构架构研究及展望

城轨供电系统自愈重构架构研究及展望

邓小训

中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉市 430063

摘要：随着城市轨道交通智慧化的不断发展，未来城轨供电系统自愈重构必将成为城轨智慧供电的重要组成部分。本文结合配电网和电气化铁路供电系统自愈重构的研究现状，结合城轨供电系统的特点，提出适用于城轨供电系统的自愈重构体系，并对城轨供电系统目前的不足加以分析，为后续进一步研究提供参考和指导。

关键词：城轨供电系统；自愈；重构

1引言

电网自愈重构的概念在上世纪90年代美国电科院的“智能电网（Intelligrid）”和美国能源试验室的“现代电网（Modern Grid Initiative）”等研究项目中被提及，传统的继电保护与自动装置都具有自愈功能。

发展至今，自愈主要指利用快速可靠的监控和通信技术，实时采集电网运行状态，对电网运行的安全性、稳定性和可靠性进行动态分析评估，并在分析评估的基础上，经过电气开关的自动操作，使得电网快速从故障中恢复或以另一种安全稳定的拓扑结构继续运行，从而增强系统的稳定性和可靠性。根据自动操作以后，供电网络拓扑结构是否发生改变，可细化为自愈或重构。

2020年3月中国城市轨道交通协会发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，标志着我国城市轨道交通在运营里程得到大幅提升之后，向着智慧化发展迈出了坚实的一步。随着城市轨道交通的快速发展，城轨供电系统进一步向网络化、复杂化发展，同时公众对城市轨道交通的服务水平要求也越来越高，因此目前的人工排除故障和供电恢复将越来越不能适应发展需要。在这一背景下，研究城轨供电系统故障自动识别、隔离和自愈将变得非常必要。本文结合城轨供电系统的特点，提出适用于城轨供电系统的自愈重构体系，并对供电系统的配置和等提出要求，旨在为后续研究提供参考和指导。

2研究现状

2.1 配电网和电气化铁路自愈重构研究现状

在电力系统中，配电网的自愈重构研究起步较早，主要的解决方案有：利用数学优化或模糊算法，对供电网络进行规划评价，确定恢复方案；通过专家系统构建故障恢复规则库，得到用于故障恢复开关操作流程；利用启发式方法根据设定恢复规则得到恢复流程，并利用评价函数对方案进行评价；采用人工智能算法对供电网络寻求最优恢复方案等。

在电气化铁道领域，近年来牵引变电所的广域测控保护系统研究已取得较大进展，主要实现手段是基于IEC61850通信技术及装置信息的相互交换与高效共享，以牵引变电所的供电范围为单元，将各供电设施的二次设备（包括仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置）经过功能的组合和网络通信，实现对牵引供电设施主要设备的自动监视、测量、自动控制、分层保护、分层闭锁、自愈重组以及自动化功能。

2.2城轨供电系统自愈重构研究现状及不足

与电力系统和电气化铁道相比，城轨供电系统在自愈重构方面的研究应用就明显滞后。主要原因在于我国城市轨道交通运营里程是在近些年才取得了快速发展，城轨供电系统的所包含的电压等级、设备类型较多，自愈重构也更为复杂。

目前城轨供电系统中，除牵引网之外，供电系统其他设备都具有备用措施；每条线路至少设置有2座主变电站，当1座主变电站解列时，可由相邻的主变电站支援供电；供电系统中的各类变电所均设置了母联备自投，在变电所1路电源故障时，通过母联备自投可切换至另1回电源进行供电；DC1500V牵引网馈线设置了带线路检测功能的自动重合闸，对于瞬时性的接触网短路故障，具有一定的纠错能力；0.4kV侧一级负荷中特别重要的负荷除正常供电回路外，还配备UPS、EPS或蓄电池等应急电源。但整体来看，仍然缺乏系统性的自愈重构功能。

3 城轨供电系统自愈重构架构

3.1 自愈重构方案的选定

根据国内外相关研究资料，配电网自愈重构多采用数学优化算法、启发类算法或人工智能类算法来实现；电气化铁道牵引供电系统则采用了专家系统，即通过构建预想事故规则库的形式，在故障发生后与规则库中数据进行比对，快速选择对应的条目，通过程控操作实现自愈重构。

城轨供电系统虽然涉及的电压等级和系统设备更为复杂，国内城轨供电系统主要由110/35kV主变电站、35kV牵引降压混合变电所和降压变电所、DC1500V牵引供电系统、0.4kV低压配电系统构成，下图1为城轨供电系统典型供电网络结构示意图。从系统结构的相似性和工程可移植性而言，城轨与电气化铁路供电系统更为相似，即各工程的主接线和拓扑结构基本类似，因此推荐城轨供电系统自愈重构采用专家系统，具有更好的可实施性和通用性。

专家系统是一种模拟领域内专家的专业知识、工程经验来解决相关问题的智能系统。通过将专家关于领域内不同问题的解决方法构建规则库，在故障发生时，从规则库中搜寻匹配规则来找到问题的解决方法。专家系统形成后，在运营过程中仍可以不断学习完善，形成新的规则。

3.2 自愈重构专家系统

3.2.1 预想事故场景

在城轨供电系统的设计

过程中，遵照相关规范及标准要求，应满足“N-1”准则，即单一故障安全准则。按照这一准则，供电系统的N个元件中任一独立元件（如输电线路、变压器等）发生故障被切除后，其他元件不会出现过负荷，电压和频率均在允许范围内，供电系统仍旧可以保持稳定运行和正常供电，且不需要限制行车。

例如，设计过程中已经考虑的运行方式：110/35kV一回进线电源故障，全线1座主变电所退出，一回35kV环网故障，一座牵引变电所退出等。

图1 城轨供电系统典型供电网络结构示意图

城轨供电系统供电设备的选型除考虑正常供电需求外，还按“N-1”准则考虑了预设故障发生时持续运行的能力，预设故障故障一般通过继电保护与自动化装置即可完成故障隔离和供电恢复。

当线路发生多重故障时，由于超出设计预期，可能存在设备供电容量不足的问题，因此需要通过挖掘系统供电能力，来完成自愈重构。通常的解决方案有：切除三级负荷，甚至切除部分非重要的二级负荷；降低行车密度或组织列车运营临时交路；寻求线网其他线路进行线间支援供电；必要时就近完成疏散乘客后停止运营等。下表1为城轨供电系统预设故障、多重和极端故障模式梳理结果。

表1 城轨供电系统预设故障、多重和极端故障模式

3.2.2 自愈重构策略

对于设计已经考虑的“N-1”故障运行方式，在设计过程中已经考虑相应的故障处理方案，在检测到故障发生时，保护装置动作完成故障隔离之后，通过程控或顺控的方式实现恢复供电。

但供电系统实际遇到的故障情况却远不止于此，可能存在多重故障或者极端故障。当发生极端故障或者多重故障时，由于无法提前预知，可能导致无法恢复供电；抑或需要使供电系统运行在一种预设之外的拓扑结构，此时就需要验证新拓扑结构的供电能力，避免系统过载。

目前依靠人为预设故障模式效率低且无法穷举供电系统所有可能的故障类型。随着智能变电站的发展，未来的供电系统在具有实时潮流计算、动态负荷预测等功能的基础上，可以处理或提前模拟发生多重、极端故障并制定相应的解决方案，为运营人员提供辅助决策建议和最优决策服务，这些经过智能变电站验证通过的解决方案，即可纳入专家系统规则库，不断完善和丰富专家系统。

4自愈重构对供电系统的配置要求

根据前面的分析，目前城轨供电系统的自愈重构仍处在最初级的阶段，仅对系统设计已经考虑的“N-1”工况具有一定的自愈重构能力，但远远不能满足多重故障、线网层面不同线路之间支援等复杂工况下的需求。结合这些存在的问题，实现自愈重构需要供电系统具备以下配置及功能：

（1）构建智能变电站。智能变电站是指采用先进、可靠、集成和环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等基本功能，同时，具备支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策和协同互动等高级功能的变电站。智能变电站丰富的信息感知和信息共享，是实现供电系统故障自动识别、隔离和自愈的基础。

（2）故障判别系统。基于智能化变电站感知到的故障信息，对故障类别进行甄断，快速判定故障类别，为供电恢复时保护电器动作提供依据。

（3）实时潮流分析及预测系统。该系统应具备在线牵引供电计算功能，可实时进行供电系统潮流计算，对新的拓扑结构可以进行潮流预分析，确保电气设备不会过负荷。

（4）继电保护自适应技术。基于潮流预测分析，在供电系统拓扑改变之后动态调整继电保护的整定值，保障供电系统安全稳定运行。

5结束语

城轨供电系统自愈重构是城轨智慧供电的重要组成部分。本文对城轨供电系统自愈重构的现状及不足进行了分析，提出了城轨供电系统自愈重构的研究方向和思路，为后续进一步研究提供参考和指导。

参考文献

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作者简介：邓小训，男，1986年生，高级工程师。主要研究方向为城市轨道交通电气化。

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