本发明公开了一种柔性牵引供电系统及其故障方向判断方法，其系统包括第一柔性牵引变电所和第二柔性牵引变电所；第一柔性牵引变电所包括第一既有系统牵引变压器、第一柔性牵引变压器、第一母线、断路器QF1‑QF2、断路器QF5、断路器QF7和断路器QF9；第二柔性牵引变电所包括第二既有系统牵引变压器、第二柔性牵引变压器、第二母线、断路器QF3‑QF4、断路器QF6、断路器QF8和断路器QF10。根据本发明的柔性牵引供电系统及其故障方向判断方法，可准确判断馈线处故障发生方向，无故障方向判断死区，从而可增加保护的可靠性，简化保护配置，系统可解决既有牵引供电系统中存在的无功、负序和谐波等电能质量问题。
1.一种柔性牵引供电系统的故障方向判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在柔性牵引供电系统中，确定故障发生时的死区故障段和非死区故障段；
S2：分别在死区故障段和非死区故障段确定柔性牵引供电系统的故障方向；
执行故障方向判断方法的柔性牵引供电系统包括第一柔性牵引变电所和第二柔性牵引变电所；所述第一柔性牵引变电所包括第一既有系统牵引变压器、第一柔性牵引变压器、第一母线、断路器QF1‑QF2、断路器QF5、断路器QF7和断路器QF9；所述第二柔性牵引变电所包括第二既有系统牵引变压器、第二柔性牵引变压器、第二母线、断路器QF3‑QF4、断路器QF6、断路器QF8和断路器QF10；
所述第一既有系统牵引变压器通过断路器QF1‑QF2与第一母线连接；所述第二既有系统牵引变压器通过断路器QF3‑QF4与第二母线连接，所述第一母线和第二母线分别通过断路器QF7和断路器QF8连接至牵引网；
所述第一柔性牵引变压器通过断路器QF5与第一母线连接；所述第二柔性牵引变压器通过断路器QF6与第二母线连接；所述第一母线和第二母线分别通过断路器QF9和断路器QF10连接至牵引网；
所述步骤S1中，确定死区故障段和非死区故障段的具体方法为：将母线与牵引网中接触网的馈电线之间的馈线断路器保护安装处电压Um与功率方向元件电压死区最大电压值US1进行比较，并将断路器保护安装处电压Um大于功率方向元件电压死区最大电压值US1的区域作为非死区故障段，将断路器保护安装处电压Um小于或等于功率方向元件电压死区最大电压值US1的区域作为死区故障段；
所述步骤S2中，确定第一柔性变电所的故障方向的具体方法为：测量馈线处断路器QF9保护安装处电流Im1，分别计算馈线处断路器QF9上端G1处短路故障时和下端G2处短路故障时对应的馈线断路器QF9保护安装处的上端电流I1和下端电流I2，并在躲过上端电流I1且不大于下端电流I2的范围内，进行整定，得到电流整定值Iset1，其中，上端电流I1和下端电流I2的计算公式分别为：式中，E2为第二柔性牵引变电所系统等值电势，ZS2为第二柔性牵引变电所QF6背侧系统阻抗，ZL1为第二柔性牵引变电所QF6到G1处的线路阻抗，E1为第一柔性牵引变电所系统等值电势，ZS1为第二柔性牵引变电所QF5背侧系统阻抗，ZL2为第一柔性牵引变电所QF5到G2处的线路阻抗，G1和G2点分别为馈线QF9保护安装处近端上下侧的两个点；
若馈线处断路器QF9保护安装处电流Im1小于电流整定值Iset1，则故障方向为反方向，若断路器保护安装处电流值Im1大于或等于电流整定值Iset1，则故障方向为正方向，其中，馈线处断路器QF9下端G2侧故障为正方向故障，馈线处断路器QF9上端G1侧故障为反方向故障；
确定第二柔性变电所的故障方向的具体方法为：测量馈线处断路器QF10保护安装处电流Im2，分别计算馈线处断路器QF10上端G3处短路故障时和下端G4处短路故障时对应的馈线断路器QF10保护安装处的上端电流I3和下端电流I4，并在躲过上端电流I3且不大于下端电流I4的范围内，进行整定，得到电流整定值Iset2，其中，上端电流I3和下端电流I4的计算公式分别为：式中，ZS2为第二柔性牵引变电所QF6背侧系统阻抗，ZL4为第二柔性牵引变电所QF6到G4处的线路阻抗，ZL3为第一柔性牵引变电所QF5到G3处的线路阻抗，G3和G4点分别为馈线QF10保护安装处近端上下侧的两个点；
若馈线处断路器QF10保护安装处电流Im2小于电流整定值Iset2，则故障方向为反方向，若断路器保护安装处电流值Im2大于或等于电流整定值Iset2，则故障方向为正方向，其中，馈线处断路器QF10下端G4侧故障为正方向故障，馈线处断路器QF9上端G3侧故障为反方向故障；
所述步骤S2中，在非死区故障段中确定第一柔性变电所和第二柔性变电所的故障方向判断方法相同，具体为：测量馈线处断路器QF9和QF10保护安装处电压和电流，根据线路阻抗角选取最大灵敏角，根据最大灵敏角对测量电压进行移相，若移相后电压与电流之间的相位差绝对值小于90°，则故障方向为正方向，若移相后电压与电流之间的相位差绝对值大于或等于90°，则故障方向为负方向。
一种柔性牵引供电系统及其故障方向判断方法
技术领域
[0001] 本发明属于牵引供电系统继电保护技术领域，具体涉及一种柔性牵引供电系统及其故障方向判断方法。
背景技术
[0002] 目前，世界上诸多国家的既有电气化铁路牵引供电系统基本均采取三相‑两相(异相)供电模式。变电所经牵引变压器从三相电网取电降压后分两供电臂输出，为牵引网供电。由于供电臂电压相位、幅值和频率难以完全一致，因此各供电臂间需设置电分相，且既有牵引供电系统存在电能质量较低、供电能力较差的问题。
[0003] 柔性牵引供电系统由两个柔性牵引变压器实现柔性牵引变电所之间的贯通供电。在贯通供电区段其采用一种双端电源供电的供电方式，在此供电方式下，需对牵引网故障时的故障方向进行检测，以实现故障的快速可靠切除与隔离。但目前广泛使用的功率方向元件在保护安装处金属性短路时由于测量电压Um太小无法形成比较方波，从而无法与电流进行相位比较，存在方向死区，90°接线方式也无法在单相牵引网中使用，而基于故障分量来检测的故障分量方向元件因为柔性牵引供电系统采用电力电子变换器，其系统阻抗的幅值相位变化范围太大，会导致故障方向判断错误，降低保护的可靠性。为提高柔性牵引供电系统的安全性和可靠性，研究一种适用于柔性牵引供电系统的故障方向判断方法是非常有必要的。
发明内容
[0004] 本发明为了上述问题，提出了一种柔性牵引供电系统及其故障方向判断方法。
[0005] 本发明的技术方案是：一种柔性牵引供电系统包括第一柔性牵引变电所和第二柔性牵引变电所；第一柔性牵引变电所包括第一既有系统牵引变压器、第一柔性牵引变压器、第一母线、断路器QF1‑QF2、断路器QF5、断路器QF7和断路器QF9；第二柔性牵引变电所包括第二既有系统牵引变压器、第二柔性牵引变压器、第二母线、断路器QF3‑QF4、断路器QF6、断路器QF8和断路器QF10；
[0006] 第一既有系统牵引变压器通过断路器QF1‑QF2与第一母线连接；第二既有系统牵引变压器通过断路器QF3‑QF4与第二母线连接，第一母线和第二母线分别通过断路器QF7和断路器QF8连接至牵引网；
[0007] 第一柔性牵引变压器通过断路器QF5与第一母线连接；第二柔性牵引变压器通过断路器QF6与第二母线连接；第一母线和第二母线分别通过断路器QF9和断路器QF10连接至牵引网。
[0008] 第一既有系统牵引变压器与第二既有系统牵引变压器为现有铁路所使用的牵引变压器，第一柔性牵引变压器与第二柔性牵引变压器采用电力电子变换器实现三相‑单相变换给牵引网供电。
[0009] 本发明的有益效果是：根据本发明的柔性牵引供电系统，可准确判断馈线处故障发生方向，无故障方向判断死区，从而可增加保护的可靠性，简化保护配置，可解决既有牵引供电系统中存在的无功、负序和谐波等电能质量问题。
[0010] 基于以上系统，本发明还提出一种柔性牵引供电系统的故障方向判断方法，包括以下步骤：
[0011] S1：在柔性牵引供电系统中，确定故障发生时的死区故障段和非死区故障段；
[0012] S2：分别在死区故障段和非死区故障段确定柔性牵引供电系统的故障方向。
[0013] 进一步地，步骤S1中，确定死区故障段和非死区故障段的具体方法为：将母线与牵引网中接触网的馈电线之间的馈线断路器保护安装处电压Um与功率方向元件电压死区最大电压值US1进行比较，并将断路器保护安装处电压Um大于功率方向元件电压死区最大电压值US1的区域作为非死区故障段，将断路器保护安装处电压Um小于或等于功率方向元件电压死区最大电压值US1的区域作为死区故障段。
[0014] 进一步地，步骤S2中，确定第一柔性变电所的故障方向的具体方法为：测量馈线处断路器QF9保护安装处电流Im1，分别计算馈线处断路器QF9上端G1处短路故障时和下端G2处短路故障时对应的馈线断路器QF9保护安装处的上端电流I1和下端电流I2，并在躲过上端电流I1且不大于下端电流I2的范围内，同时保证有一定的灵敏度进行整定，得到电流整定值Iset1，其中，上端电流I1和下端电流I2的计算公式分别为：
[0015]
[0016]
[0017] 式中，E2为第二柔性牵引变电所系统等值电势，ZS2为第二柔性牵引变电所QF6背侧系统阻抗，ZL1为第二柔性牵引变电所QF6到G1处的线路阻抗，E1为第一柔性牵引变电所系统等值电势，ZS1为第二柔性牵引变电所QF5背侧系统阻抗，ZL2为第一柔性牵引变电所QF5到G2处的线路阻抗，G1，G2点为馈线QF9保护安装处近端上下侧的两个点，电流计算时可将G1、G2看作断路器QF9保护安装处进行计算；
[0018] 若馈线处断路器QF9保护安装处电流Im1小于电流整定值Iset1，则故障方向为反方向，若断路器保护安装处电流值Im1大于或等于电流整定值Iset1，则故障方向为正方向，其中，馈线处断路器QF9下端G2侧故障为正方向故障，馈线处断路器QF9上端G1侧故障为反方向故障；
[0019] 确定第二柔性变电所的故障方向的具体方法为：测量馈线处断路器QF10保护安装处电流Im2，分别计算馈线处断路器QF10上端G3处短路故障时和下端G4处短路故障时对应的馈线断路器QF10保护安装处的上端电流I3和下端电流I4，并在躲过上端电流I3且不大于下端电流I4的范围内，同时保证有一定的灵敏度进行整定，得到电流整定值Iset2，其中，上端电流I3和下端电流I4的计算公式分别为：
[0020]
[0021]
[0022] 式中，ZS2为第二柔性牵引变电所QF6背侧系统阻抗，ZL4为第二柔性牵引变电所QF6到G4处的线路阻抗，ZL3为第一柔性牵引变电所QF5到G3处的线路阻抗G3，G4点为馈线QF10保护安装处近端上下侧的两个点，电流计算时可将G3、G4看作QF10保护安装处进行计算；
[0023] 若馈线处断路器QF10保护安装处电流Im2小于电流整定值Iset2，则故障方向为反方向，若断路器保护安装处电流值Im2大于或等于电流整定值Iset2，则故障方向为正方向，其中，馈线处断路器QF10下端G4侧故障为正方向故障，馈线处断路器QF9上端G3侧故障为反方向故障。
[0024] 进一步地，步骤S2中，在非死区故障段中确定第一柔性变电所和第二柔性变电所的故障方向判断方法相同，具体为：测量馈线处断路器QF9和QF10保护安装处电压和电流，根据线路阻抗角选取最大灵敏角，根据最大灵敏角对测量电压进行移相，若移相后电压与电流之间的相位差绝对值小于90°，则故障方向为正方向，若移相后电压与电流之间的相位差绝对值大于或等于90°，则故障方向为负方向。
[0025] 本发明的有益效果是：本发明提供一种适用于柔性牵引供电系统的故障方向判断方法，消除了功率方向元件的电压死区对故障方向判断的影响,能够在保护安装处准确判断故障方向，提高了柔性牵引供电系统运行的安全性与可靠性。
附图说明
[0026] 图1为柔性牵引供电系统的结构图；
[0027] 图2为故障方向判断流程示意图；
[0028] 图3为非死区故障段故障方向与相位差范围关系示意图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
[0030] 如图1所示，本发明提供了一种柔性牵引供电系统，包括第一柔性牵引变电所和第二柔性牵引变电所；第一柔性牵引变电所包括第一既有系统牵引变压器、第一柔性牵引变压器、第一母线、断路器QF1‑QF2、断路器QF5、断路器QF7和断路器QF9；第二柔性牵引变电所包括第二既有系统牵引变压器、第二柔性牵引变压器、第二母线、断路器QF3‑QF4、断路器QF6、断路器QF8和断路器QF10；
[0031] 第一既有系统牵引变压器通过断路器QF1‑QF2与第一母线连接；第二既有系统牵引变压器通过断路器QF3‑QF4与第二母线连接，第一母线和第二母线分别通过断路器QF7和断路器QF8连接至牵引网；
[0032] 第一柔性牵引变压器通过断路器QF5与第一母线连接；第第二柔性牵引变压器通过断路器QF6与第二母线连接；第一母线和第二母线分别通过断路器QF9和断路器QF10连接至牵引网。
[0033] 如图1所示，为柔性牵引供电系统结构示意图，柔性牵引供电系统主要由第一柔性牵引变电所、第二柔性牵引变电所、牵引网及改造后的电分相等部分构成，并由第一柔性牵引变电所与第二柔性牵引变电所并网运行实现区间内的贯通供电。柔性牵引供电系统正常工作时，两个柔性牵引变电所内既有牵引变压器不工作，由所内柔性牵引变压器为牵引网供电，为双端电源供电方式。可完全取消第一柔性牵引变电所内及第一柔性牵引变电所和第二柔性牵引变电所所间电分相，实现第一柔性牵引变电所所内电分相两侧供电段、第二柔性牵引变电所所内电分相左侧供电段的贯通供电，可解决既有牵引供电系统中存在的无功，负序，谐波等电能质量问题。
[0034] 基于以上系统，本发明还提出一种柔性牵引供电系统的故障方向判断方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0035] S1：在柔性牵引供电系统中，确定故障发生时的死区故障段和非死区故障段；
[0036] S2：分别在死区故障段和非死区故障段确定柔性牵引供电系统的故障方向。
[0037] 在本发明实施例中，步骤S1中，第一柔性变电所和第二柔性变电所确定死区故障段和非死区故障段的方法相同，具体为：将母线与牵引网中接触网的馈电线之间的馈线断路器保护安装处电压Um与功率方向元件电压死区最大电压值US1进行比较，并将断路器保护安装处电压Um大于功率方向元件电压死区最大电压值US1的区域作为非死区故障段，将断路器保护安装处电压Um小于或等于功率方向元件电压死区最大电压值US1的区域作为死区故障段。
[0038] 在本发明实施例中，由于功率方向元件在方向检测时存在电压死区，通过保护安装处测量电压值Um与电压死区最大值US1的比较，可确定故障是否发生在死区故障段，在死区故障段发生故障时，由于此时功率方向元件不能有效判断故障方向，需通过电压电流有效值判据判断故障方向。根据柔性牵引供电系统结构，在柔性牵引供电系统正常工作时，第一柔性牵引变电所与第二柔性牵引变电所的既有牵引变压器不工作，由两个柔性牵引变压器实现柔性牵引供电系统的贯通供电。以第一柔性牵引变电所为例，在保护出口近端G1处故障时，QF9处保护装置测得电流I1由第二柔性牵引变电所的柔性牵引变压器提供，而保护出口近端G2处故障时，QF9处测得的电流I2由第一柔性牵引变电所提供，此时由于线路阻抗的差异，I2将远远大于I1。
[0039] 在本发明实施例中，步骤S2中，确定第一柔性变电所的故障方向的具体方法为：测量馈线处断路器QF9保护安装处电流Im1，分别计算馈线处断路器QF9上端G1处短路故障时和下端G2处短路故障时对应的馈线断路器QF9保护安装处的上端电流I1和下端电流I2，并在躲过上端电流I1且不大于下端电流I2的范围内，同时保证有一定的灵敏度进行整定，得到电流整定值Iset1，其中，上端电流I1和下端电流I2的计算公式分别为：
[0040]
[0041]
[0042] 式中，E2为第二柔性牵引变电所系统等值电势，ZS2为第二柔性牵引变电所QF6背侧系统阻抗，ZL1为第二柔性牵引变电所QF6到G1处的线路阻抗，E1为第一柔性牵引变电所系统等值电势，ZS1为第二柔性牵引变电所QF5背侧系统阻抗，ZL2为第一柔性牵引变电所QF5到G2处的线路阻抗，G1，G2点为馈线QF9保护安装处近端上下侧的两个点，电流计算时可将G1、G2看作保护QF9安装处进行计算；
[0043] 若馈线处断路器QF9保护安装处电流Im1小于电流整定值Iset1，则故障方向为反方向，若断路器保护安装处电流值Im1大于或等于电流整定值Iset1，则故障方向为正方向，其中，馈线处断路器QF9下端G2侧故障为正方向故障，馈线处断路器QF9上端G1侧故障为反方向故障；
[0044] 确定第二柔性变电所的故障方向的具体方法为：测量馈线处断路器QF10保护安装处电流Im2，分别计算馈线处断路器QF10上端G3处短路故障时和下端G4处短路故障时对应的馈线断路器QF10保护安装处的上端电流I3和下端电流I4，并在躲过上端电流I3且不大于下端电流I4的范围内，同时保证有一定的灵敏度进行整定，得到电流整定值Iset2，其中，上端电流I3和下端电流I4的计算公式分别为：
[0045]
[0046]
[0047] 式中，ZS2为第二柔性牵引变电所QF6背侧系统阻抗，ZL4为第二柔性牵引变电所QF6到G4处的线路阻抗，ZL3为第一柔性牵引变电所QF5到G3处的线路阻抗，G3，G4点为馈线QF10保护安装处近端上下侧的两个点，电流计算时可将G3、G4看作QF10保护安装处进行计算；
[0048] 若馈线处断路器QF10保护安装处电流Im2小于电流整定值Iset2，则故障方向为反方向，若断路器保护安装处电流值Im2大于或等于电流整定值Iset2，则故障方向为正方向，其中，馈线处断路器QF10下端G4侧故障为正方向故障，馈线处断路器QF9上端G3侧故障为反方向故障。
[0049] 在本发明实施例中，步骤S2中，在非死区故障段中确定第一柔性变电所和第二柔性变电所的故障方向判断方法相同，具体为：测量馈线处断路器QF9和QF10保护安装处电压和电流，根据线路阻抗角选取最大灵敏角，根据最大灵敏角对测量电压进行移相，若移相后电压与电流之间的相位差绝对值小于90°，则故障方向为正方向，若移相后电压与电流之间的相位差绝对值大于或等于90°，则故障方向为负方向。
[0050] 如图3所示，在非死区故障段发生故障时，由于Um大于US1，测量电压可形成方波与电流进行相位比较，所以可以通过电压与电流相位差来判断功率方向从而判断故障方向。当电压电流相位差绝对值小于90°即功率为正时，判断为正方向故障，当电压电流相位相差绝对值大于90°即功率为负时，判断为反方向故障。由于线路存在线路阻抗，在比较电压与电流相位时，会引入补偿阻抗角φ，减小线路阻抗的影响增大方向判断的灵敏度。
[0051] 本发明的工作原理及过程为：在功率方向元件原理的基础上，根据柔性牵引供电系统的结构特点，将故障发生区域进行分区并加入电压电流有效值判据，可在保护安装处发生金属性短路故障时准确判断故障方向，消除了功率方向元件死区对故障方向判断的影响，提高柔性牵引供电系统运行的安全性和可靠性。
[0052] 本发明的有益效果为：
[0053] (1)根据本发明的柔性牵引供电系统，可准确判断馈线处故障发生方向，无故障方向判断死区，从而可增加保护的可靠性，简化保护配置，可解决既有牵引供电系统中存在的无功、负序和谐波等电能质量问题；
[0054] (2)本发明提供一种适用于柔性牵引供电系统的故障方向判断方法，消除了功率方向元件的电压死区对故障方向判断的影响,能够在保护安装处准确判断故障方向，提高了柔性牵引供电系统运行的安全性与可靠性。
[0055] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
