本发明涉及轨道交通直流牵引供电系统领域。该发明创造实现了轨道交通牵引变电所直流设备的保护、测量及控制功能。
背景技术：
城轨供电系统是城市轨道交通运营的动力源泉，负责电能的供应与传输，为电动列车牵引供电和提供车站、区间、车辆段、控制中心等其他建筑物所需要的动力照明用电。地铁运营过程中，供电系统一旦发生供电中断，一方面会迫使地铁运输停止，造成乘客滞留，给人们的正常生活带来不便，另一方面还将造成财产损失，甚至于危及乘客生命安全。因此，供电系统的可靠性、安全性是城市轨道交通系统正常运行的重要保证。牵引供电系统的功能是将交流中压电压经降压整流变成直流1500V或直流750V电压，为电动列车提供牵引供电。直流牵引供电系统包括直流开关柜、控制和保护装置、直流电缆、接触网等。其中保护和控制装置对确保轨道交通的安全可靠运行具有举足轻重的作用。
国内主要城市的轻轨和地铁的直流保护设备主要引进国外保护单元，国外设备与国内设备的差价巨大，还要支付高额的安装调试和检修维护费用，且应用灵活性差，很难根据现场实际情况对设备进行改造。这种技术垄断不仅让中国的地铁发展付出了高昂的代价，而且在技术支持、知识创新、政府采购等多方面带来了负面影响，地铁牵引供电系统直流保护装置的国产化已经成为必然的发展方向。因而研发出高可靠性、高智能化的直流供电保护装置具有重要的现实意义，并具有广阔的市场前景。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明公布了一种直流保护测控装置，它适用于城市轨道供电系统的牵引变电所，实现直流设备的保护、测量及控制功能。其采用的技术方案为：
一种适用于轨道交通牵引变电所的直流保护测控装置，其特征在于：它包括直流采样模件、通信模件、保护CPU模件、开入模件、开出模件、HMI面板模件、电源模件，所述直流采集模件、保护CPU模件、开入模件、开出模件、通信模件和电源模件集成在一个主体机箱内，所述HMI面板模件外置安装于开关柜前面板上，主体机箱安装在开关柜内部；所述通信模件通过以太网和RS-485通信接口与所述保护CPU模件相连，所述HMI面板模件通过高速RS232接口与所述保护CPU模件相连，所述直流采样模件、开入模件与所述保护CPU模件相连，所述保护CPU模件与所述开出模件相连，所述电源模件提供多路稳压电源，给装置各模件供电；
所述直流采样模件提供多个模拟量输入回路，供保护功能使用；
所述通信模件通过网络可接入变电站自动化系统，或接入专用的调试分析软件，便于输出调试信息和故障分析；
所述保护CPU模件：接收直流采样数据和开入量信息，实现各种复杂的故障处理功能，通过MODBUS规约与HMI面板模件进行高速通信，使各种事件得到快速响应；并实现保护事件存储以及和变电站自动化系统的通信功能；
所述HMI面板模件：负责键盘处理、液晶显示，与其他模件组成的主体机箱分开安装，HMI面板模件通过高速RS232接口与主体机箱通信；
所述开入模件：提供多路开入量，所有开入量进入装置后都通过光耦进行电气隔离；
所述开出模件：提供多路开出量，包括12V电压源快速脱扣输出口，以及光电隔离的继电器空接点形式的输出口。
上述直流保护测控装置，其进一步特征在于：装置提供带串行接口的AD芯片与CPU芯片通信的方式，依靠数字隔离器来隔离AD的SPI接口，从而实现直流电压信号的隔离采集。
所述AD芯片采集的直流采样数据通过中间的数字隔离器与CPU芯片进行隔离，数字隔离器两侧的电源输入隔离电压；
所述CPU芯片的SPI接口作为主站端，从AD芯片读取采样数据。CPU芯片可配置多个SPI接口，每个SPI接口可连接多个子站。
上述直流保护测控装置，其进一步特征在于：装置提供保护分闸功能，保护直流牵引网的正常运行。
装置提供自动重合闸功能，在线路测试满足电压检测和负荷测量条件后，使线路瞬时故障过后直流断路器能自动投入从而恢复供电功能。
保护装置首先进行电压检测，当检测结果符合高母线电压模式时，装置直接重合闸；当检测结果符合断电母线模式，装置将不会重合操作；当检测结果符合低母线电压模式时，装置将会进入负荷测量过程，通过测量电阻给母线上电，并测量负荷电阻，当测量电阻满足重合闸条件时，经重合闸延时(由定值设定)后自动合直流断路器，使接触网线路恢复供电。
装置提供合闸验证功能，当线路多次重合闸后仍然不满足合闸状态，则闭锁重合闸功能，确保重合闸的可靠性。
在断路器重合闸后，如果合闸的持续时间大于判定重合闸成功时间定值，则认为合闸成功；如果在这段时间定值内断路器脱扣，则负荷测量和合闸一直重复到重合闸失败后负荷测量次数定值，仍无法维持合闸状态，则保护装置进入闭锁状态，闭锁重合闸和对断路器的合闸操作。
有益效果：
1、本发明提供了保护装置硬件设计方案，装置整体抗干扰能力较强。
2、提供了带串行接口的AD芯片与CPU芯片通信的方式，并用数字隔离器来隔离AD的SPI接口，从而实现直流电压信号的隔离采集。
采用CPU芯片或FPGA芯片的SPI接口作为主站端，从AD芯片读取采样数据。在100M主频下，SPI的时钟速率可达25M。完全满足直流采样的要求。
3、提供了灵活的HMI模件接入方式，HMI模件可以与装置其他模件分离安装在直流开关柜中，便于运行和维护。
直流保护测控装置的直流采集模件、CPU模件、开入模件、开出模件、通信模件和电源模件集成在一个机箱内，而HMI模件外置，这样的设计模式可以方便安装在直流开关柜中，主体机箱安装在开关柜内部，而HMI模件安装于开关柜前面板上，便于运行人员的分析调试和运营维护。
4、提供保护分闸功能，保护直流牵引网的正常运行。
保护装置检测到电流速断、DDL、过电流、牵引网过热、小电流接地等任一保护动作后分闸直流断路器，保护直流牵引网不被损坏。
5、提供自动重合闸功能，在线路测试满足电压检测和负荷测量条件后，使线路瞬时故障过后直流断路器能自动投入从而恢复供电功能。
6、提供合闸验证功能，确保重合闸的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例中直流保护测控装置结构示意图。
图2为本发明实施例中直流采集隔离回路。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
轨道交通牵引变电所的保护测控装置实现牵引变电所一次设备的保护、测量及控制功能。本发明不涉及计算机程序的改进，涉及的一些控制软件均为本领域常规技术。
1、适用于轨道交通牵引变电所的直流保护测控装置硬件设计方案
装置在总体设计时对各模块设计、程序执行、信号指示、通信实现等方面均充分考虑了抗干扰的要求，装置整体抗干扰能力较强，安装于直流开关柜上时，不需加装另外的抗干扰器件，硬件主要组成有：直流/采样模件、通信模件、保护CPU模件、HMI模件、开入模件、开出模件、电源模件；所述直流采集模件、保护CPU模件、开入模件、开出模件、通信模件和电源模件集成在一个主体机箱内，所述HMI面板模件外置安装于开关柜前面板上，主体机箱安装在开关柜内部；所述通信模件通过以太网和RS-485通信接口与所述保护CPU模件相连，所述HMI面板模件通过高速RS232接口与所述保护CPU模件相连，所述直流采样模件、开入模件与所述保护CPU模件相连，所述保护CPU模件与所述开出模件相连，所述电源模件提供多路稳压电源，给装置各模件供电。
各模件关系见图1，各模件功能如下：
●直流/采样模件提供多个模拟量输入回路，供保护功能使用。
●通信模件提供了以太网和RS-485等通信接口，通过网络可接入变电站自动化系统，也可以接入专用的调试分析软件，便于输出调试信息和故障分析。
●保护CPU模件：接收直流采样数据和开入量信息，可以实现各种复杂的故障处理功能，通过MODBUS规约与HMI模件进行高速通信，使各种事件都可得到快速响应；并实现保护事件存储以及和变电站自动化系统的通信等功能。
●HMI模件：负责键盘处理、液晶显示、等功能。模件提供汉字液晶显示器和键盘输入，人机界面清晰易懂，操作方便、简单。与其他模件组成的主体机箱分开安装。HMI模件通过高速RS232接口与主体机箱通信。
●开入模件：模件提供了多路开入量，所有开入量进入装置后都通过光耦进行电气隔离。
●开出模件：模件提供了多路开出量，包括12V电压源快速脱扣输出口，以及光电隔离的继电器空接点形式的输出口。
●电源模件：提供多路稳压电源，给装置模件供电。
2、直流采集回路隔离
本实施例提供了带串行接口的AD芯片与CPU芯片通信的方式，依靠数字隔离器来隔离AD的SPI接口，从而实现直流电压信号的隔离采集。如图2所示。
图2中，AD芯片采集的直流采样数据通过中间的数字隔离器与CPU芯片进行隔离，数字隔离器两侧的电源输入的隔离电压高达2000V。
采用CPU芯片的SPI接口作为主站端，从AD芯片读取采样数据。CPU芯片可配置多个SPI接口，每个SPI接口可连接多个子站。在100M主频下，SPI的时钟速率可达25M。完全满足直流采样的要求。
3、主要保护原理说明
轨道交通牵引供电系统的直流保护，主要是依靠直流开关设备即直流断路器进行保护。当变电所近端或远端的直流电缆、接触网发生故障时，能迅速切除故障。
1)保护分闸功能，保护直流牵引网的正常运行。
保护分闸功能由电流速断、DLL、过电流、过负荷、牵引网过热、小电流接地、母线失压等保护来启动。
a)电流速断保护：该保护是为当馈线发生近端故障时保护装置快速出口而设，该保护可作为直流断路器大电流脱扣保护的后备保护。
b)DLL保护：该保护作为直流馈线保护的主保护，主要用于检测远端短路故障。通过电流变化率(di/dt)与电流增长量(DeltI)和时间增长量(DeltT)的相互配合，来判断故障。
c)过电流保护：该保护作为地铁直流馈线的后备保护，保护线路全长，靠延时来区分故障电流与机车启动电流。
d)牵引网过热保护：该保护用于电缆和接触线的热过负荷。当馈线电流超过接触网长期允许电流并达到一定时间，接触网将过热，装置以热状态Kth来体现接触网的发热情况。当热状态达到1.1，该保护将跳闸出口。
e)小电流接地保护：该保护用于故障电流小于机车电流的情况，可用于保护母联断路器。
2)自动重合闸功能，在线路测试满足电压检测和负荷测量条件后，使线路瞬时故障过后直流断路器能自动投入从而恢复供电功能。
保护装置首先进行电压检测，当检测结果符合高母线电压模式时，装置直接重合闸；当检测结果符合断电母线模式，装置将不会重合操作；当检测结果符合低母线电压模式时，装置将会进入负荷测量过程，通过测量电阻给母线上电，并测量负荷电阻，当测量电阻满足重合闸条件时，经重合闸延时(由定值设定)后自动合直流断路器，使接触网线路恢复供电。
3)合闸验证功能，当线路多次重合闸后仍然不满足合闸状态，则闭锁重合闸功能，确保重合闸的可靠性。
在断路器重合闸后，如果合闸的持续时间大于判定重合闸成功时间定值，则认为合闸成功；如果在这段时间定值内断路器脱扣，则负荷测量和合闸一直重复到重合闸失败后负荷测量次数定值，仍无法维持合闸状态，则保护装置进入闭锁状态，闭锁重合闸和对断路器的合闸操作。这样可避免一次设备受线路故障电流的冲击损坏，延长一次设备的使用寿命。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。