基于站域保護(hù)控制的無人值守技術(shù)應(yīng)用研究

張志文

0 引言

隨著鐵路自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用和發(fā)展，通過在牽引變電所內(nèi)設(shè)置智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)變電所的無人值守，是電氣化鐵路變電所自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向[1～3]。輔助監(jiān)控系統(tǒng)包括環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)、安全防范及門禁子系統(tǒng)、火災(zāi)消防報(bào)警子系統(tǒng)、動(dòng)力照明控制子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控巡檢子系統(tǒng)（含紅外線測(cè)溫）、一次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)等[4]。系統(tǒng)平臺(tái)通過標(biāo)準(zhǔn)接口[5]采集變電所內(nèi)輔助設(shè)備信息，通過各類子系統(tǒng)的配合，實(shí)現(xiàn)高壓柜、低壓柜、變壓器、避雷器、進(jìn)出線、紅外、門禁、煙霧報(bào)警、溫濕度傳感、各類氣體（SF6、 O2、臭氧、甲烷等）/漏水/水位監(jiān)測(cè)、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、水泵、照明、消防、視頻等設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制、智能告警/故障診斷、智能運(yùn)維等自動(dòng)化功能，實(shí)現(xiàn)信息共享與告警聯(lián)動(dòng)功能，并將監(jiān)控和報(bào)警信息上傳。

由此可見，輔助監(jiān)控系統(tǒng)通過24 h 巡檢、監(jiān)測(cè)變電所設(shè)備，并智能分析設(shè)備的整體運(yùn)行情況，提高了所內(nèi)設(shè)備的安全性，實(shí)現(xiàn)了變電所無人值守需求，對(duì)實(shí)現(xiàn)減員增效、提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高自動(dòng)化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)水平、促進(jìn)智慧鐵路的發(fā)展起到重要作用。

輔助監(jiān)控系統(tǒng)采用最新技術(shù)成果，確保巡檢人員在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)及檢測(cè)到的所有信息均可通過輔助監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、迅速定位故障設(shè)備。但現(xiàn)行的輔助監(jiān)控系統(tǒng)缺乏退出故障設(shè)備、快速恢復(fù)供電的手段與能力，一旦設(shè)備發(fā)生故障，只能通過人為干預(yù)、遠(yuǎn)程遙控恢復(fù)供電，甚至只有檢修人員親赴現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)才能恢復(fù)供電，變電所自動(dòng)化功能大打折扣。

站域保護(hù)測(cè)控裝置作為全所保護(hù)與控制功能的總后備裝置，實(shí)現(xiàn)了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)保護(hù)、控制功能的冗余，通過與輔助監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，彌補(bǔ)了輔助監(jiān)控系統(tǒng)的不足，并在新朔鐵路得到了成功應(yīng)用，為智慧鐵路的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)保障。

1 站域保護(hù)測(cè)控裝置功能配置方案

站域保護(hù)控制裝置配置有后備保護(hù)、后備控制、站域與廣域保護(hù)等功能，其中后備保護(hù)與后備控制實(shí)現(xiàn)全所保護(hù)與控制的冗余，為無人值守功能的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造條件。站域保護(hù)控制裝置功能配置如表1 所示。

表1 站域保護(hù)控制裝置功能配置

從上述站域保護(hù)控制裝置功能配置可以看出，變電所設(shè)置站域保護(hù)控制裝置后，可以不用設(shè)置自投裝置與變壓器二套保護(hù)裝置，既可節(jié)約成本，又為無人值守技術(shù)的有效實(shí)施提供了基礎(chǔ)保障。

站域保護(hù)控制裝置一般單獨(dú)組屏，并設(shè)置專用合并智能單元采集電壓、電流等模擬量，站域保護(hù)屏組成如圖1 所示。

圖1 站域保護(hù)屏組成示意圖

在工程實(shí)施時(shí)，站域保護(hù)屏二次回路遵循以下設(shè)計(jì)原則：

（1）采集保護(hù)電流時(shí)，如果有備用線圈，則通過備用線圈采集；無備用線圈時(shí)，通過CT 串接實(shí)現(xiàn)電流采集。

（2）采用并接方式實(shí)現(xiàn)電壓采集。

（3）站域保護(hù)控制裝置需要采集斷路器、隔離開關(guān)位置信號(hào)，因此，所有雙重化控制的開關(guān)均應(yīng)有空余接點(diǎn)。

（4）斷路器跳閘和重合閘回路需配置獨(dú)立操作插件，其控制電路示意圖見圖2。

圖2 單獨(dú)配置操作插件的控制電路示意圖

（5）站域保護(hù)控制屏的電源需要單獨(dú)從直流盤電源引出，不與其他屏體共用電源，確保裝置電源獨(dú)立。

2 基于站域保護(hù)的無人值守技術(shù)及應(yīng)用

變電所內(nèi)站域保護(hù)控制裝置通過過程層網(wǎng)絡(luò)與輔助監(jiān)控系統(tǒng)交互信息，收集所內(nèi)間隔層裝置、過程層裝置及輔助監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控信息，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖3 所示。

變電所無人值守技術(shù)的關(guān)鍵，不僅要求及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備，而且要求隔離故障設(shè)備、快速恢復(fù)供電。站域保護(hù)控制裝置作為故障區(qū)段隔離與恢復(fù)供電的主裝置，需根據(jù)故障的不同提前定義故障隔離自動(dòng)控制流程，并遵循以下原則：

（1）切除故障設(shè)備，起用冗余設(shè)備，實(shí)現(xiàn)變電所正常供電。

（2）切除故障設(shè)備，共用既有設(shè)備，以最短的時(shí)間、最優(yōu)化的方案實(shí)現(xiàn)恢復(fù)供電。

（3）保護(hù)裝置自動(dòng)識(shí)別運(yùn)行方式，并通過自動(dòng)控制流程切換到相應(yīng)的定值區(qū)。

變電所內(nèi)的站域保護(hù)控制裝置為每個(gè)區(qū)段的故障設(shè)備定義一種對(duì)應(yīng)的恢復(fù)供電控制流程，控制流程的目標(biāo)是隔離故障設(shè)備，快速恢復(fù)供電。

圖3 牽引變電所自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

新朔鐵路黍地溝牽引變電所主接線如圖4 所示。變電所內(nèi)的輔助監(jiān)控系統(tǒng)通過視頻巡檢完成對(duì)變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等所內(nèi)一次設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，立即將故障信息通過過程層發(fā)送至站域保護(hù)控制裝置，站域保護(hù)控制裝置判斷設(shè)備故障的級(jí)別，若故障可能危及線路運(yùn)營(yíng)安全，啟動(dòng)與該故障相對(duì)應(yīng)的故障隔離控制流程。

圖4 新朔鐵路黍地溝牽引變電所主接線圖

假設(shè)變電所Ⅰ#進(jìn)線帶Ⅰ#主變運(yùn)行，Ⅱ#進(jìn)線帶Ⅱ#主變備用，當(dāng)輔助監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)Ⅰ#進(jìn)線隔開Z111-1 或隔開1011 發(fā)生故障時(shí)，輔助監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)將故障信息上傳至站域保護(hù)測(cè)控裝置，站域保護(hù)測(cè)控裝置及時(shí)啟動(dòng)故障隔離自動(dòng)控制流程：

（1）控制分閘201A、201B 斷路器以及101斷路器；

（2）控制分閘1011、Z111-1 隔離開關(guān)，即使因?yàn)楣收显虿僮魇∫膊挥绊懫渌僮鳎?/p>

（3）控制合閘Z112-1 隔離開關(guān)，控制合閘1022 隔離開關(guān)；

（4）控制合閘102 斷路器；

（5）控制合閘202A、202B 斷路器。

通過上述操作，完成故障隔離與恢復(fù)供電。

當(dāng)輔助監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)Ⅰ#主變、101 斷路器、201A斷路器、201B斷路器等任一設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，輔助監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)將故障信息上傳至站域保護(hù)測(cè)控裝置，站域保護(hù)測(cè)控裝置及時(shí)啟動(dòng)故障隔離自動(dòng)控制流程：

（1）依次控制分閘201A、201B、101 斷路器，即使操作失敗也不影響其他操作；

（2）控制分閘1011 隔離開關(guān)；

（3）控制合閘Z110-2、1022 隔離開關(guān)；

（4）控制合閘102 斷路器；

（5）控制合閘202A、202B 斷路器。

通過上述操作，完成故障隔離與恢復(fù)供電。

假設(shè)212 斷路器為“機(jī)務(wù)段”饋線供電，214斷路器為“大同東”饋線供電，22B 斷路器備用，當(dāng)輔助監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)212 斷路器發(fā)生故障時(shí)，輔助監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)將故障信息上傳至站域保護(hù)測(cè)控裝置，站域保護(hù)測(cè)控裝置及時(shí)啟動(dòng)“故障設(shè)備隔離與恢復(fù)供電”自動(dòng)控制流程：

（1）控制分閘212 斷路器；

（2）控制合閘2142 隔離開關(guān)；

（3）站域保護(hù)控制裝置通過過程層傳輸信息給22B 饋線保護(hù)測(cè)控裝置，將該裝置的定值切換至“大同東”饋線定值區(qū)；

（4）控制合閘22B 斷路器。

當(dāng)2141 隔離開關(guān)或2121 隔離開關(guān)發(fā)生影響線路運(yùn)營(yíng)安全的故障時(shí)，黍地溝牽引變電所退出運(yùn)行，通過越區(qū)供電為接觸網(wǎng)提供電源，退出運(yùn)行流程如下：

（1）控制分閘212、214、211、213 斷路器；

（2）控制分閘2121、2141、2111、2131 隔離開關(guān)；

（3）牽引變壓器退出運(yùn)行。

同理，根據(jù)運(yùn)行方式的不同，面對(duì)不同的故障設(shè)備，可以得到相對(duì)應(yīng)的故障設(shè)備隔離控制方案，如表2 所示。

表2 故障設(shè)備隔離方案

2020 年11 月12 日，針對(duì)本文提出的無人值守變電所故障設(shè)備隔離方案，課題組模擬了新朔鐵路黍地溝變電所212 饋線斷路器故障試驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的有效性與正確性。變電所后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)記錄的控制流程：

（1）站域保護(hù)控制裝置收到輔助監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的212 斷路器故障信息，啟動(dòng)故障設(shè)備隔離流程；

（2）饋線212 斷路器分閘成功；

（3）2142 隔開合閘成功；

（4）饋線22B 裝置切換定值區(qū)成功；

（5）饋線22B 斷路器合閘成功；

（6）故障設(shè)備隔離成功，結(jié)束。

上述事件記錄與表1 中饋線212 斷路器發(fā)生故障時(shí)的故障設(shè)備隔離流程完全一致。

3 結(jié)語

本文基于現(xiàn)有的廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)與輔助監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，研究了電氣化鐵路變電所設(shè)備發(fā)生故障時(shí)故障設(shè)備隔離方案，完善了變電所無人值守技術(shù)。輔助監(jiān)控系統(tǒng)通過視頻巡檢監(jiān)控變電所一次設(shè)備，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，隨即將設(shè)備的故障信息通過過程層發(fā)送至廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)的站域保護(hù)控制裝置，站域保護(hù)控制裝置判斷設(shè)備故障的級(jí)別，如果故障可能危及線路運(yùn)營(yíng)安全，啟動(dòng)與該故障相對(duì)應(yīng)的故障設(shè)備隔離控制流程。新朔鐵路黍地溝變電所試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的有效性與正確性，可有效隔離故障設(shè)備，迅速恢復(fù)供電，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用價(jià)值。