孝柳鐵路電力遠動系統設計探討

郭國芳，王麗娜

(1.神華集團神朔鐵路分公司，陜西神木 719316;2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司機動院，北京 100055)

1 工程概況

孝柳鐵路位于山西省中西部呂梁地區，東起國鐵介西支線孝西站，經由孝義市、汾陽市、中陽縣、呂梁市、柳林縣，西至孝柳鐵路終點穆村站，全長約115.4 km。有全長約300 km的10 kV電力自閉線、貫通線各1條，10 kV自閉、貫通配電所2座，分別為孝西配電所和中陽配電所。

2 現有技術分析

配電調度監控系統是應用計算機技術，將鐵路配電所及車站行車信號樓兩路電源和自閉、貫通電線路高壓開關站納入調度監控。由設在配電所內的RTU(Remote Terminal Unit，遠程終端裝置)和車站信號樓內的FTU(Feeder Terminal Unit，饋線自動化測控終端)，通過撥號方式與調度端相聯，實現電力系統基本的遠程監控功能，并根據電抗法對線路的短路和接地故障查找及定位［1］。

電抗法的理論依據是假定線路上的電抗是均勻分布的，而實際上鐵路上自閉和貫通電力線路上，由于存在較多的電力電纜，會造成線路電抗分布的非線性。且發生短路、接地故障時，故障處的接觸電阻、電抗值隨機性很大，該方法在實際使用中有較大誤差，不能準確判斷故障區段，抗干擾性差，不具備電力線路故障隔離功能［2］。

調度端主站多采用微機系統進行后臺處理，而微機的操作系統多采用微軟的Windows系統，雖然人機界面友好，但安全性和可靠性相對較差。

通道多使用撥號方式，也有的采用電力載波作為通信通道，抗干擾能力差，這些極大地限制了整個系統的使用和功能的發揮。

3 遠動系統總體設計方案

鐵路電力遠動系統應能夠將高、低壓供電設備、用電負荷的變化參數納入遠動監控范圍之內，具備設備故障準確定位及自動隔離功能［3］。

本線電力遠動系統總體設計方案如下。

在孝西站裝設一套鐵路電力遠動系統，該系統由計算機調度自動化系統(控制站)、配電所遠動系統終端裝置RTU(被控站)、車站信號樓 FTU(被控站)、自閉和貫通高壓真空負荷開關以及聯系它們的傳輸通道組成。計算機調度自動化系統安裝在孝義站供電段調度控制中心，主要完成對各RTU和FTU采集的數據進行綜合分析判斷處理、主控站的數據庫、網絡通信、對配電所RTU和信號樓FTU的遠程控制等功能。在孝西和中陽兩個配電所內設置RTU，通過RTU實現調度控制中心對配電所的監控管理。在沿線13個車站13個信號機械室內的低壓電源配電箱處設置FTU，通過FTU將兩路信號電源納入調度控制中心的監控范圍內。在沿線13個車站的自閉、貫通10 kV高壓線路上各增設一臺高壓負荷開關，并通過設在相應車站信號機械室內的FTU，將這些開關納入調度控制中心監控范圍內。調度控制中心通過鐵通提供的專用光纖數字通道對被控站(配電所、車站信號機械室配電箱和高壓負荷開關)進行遠動控制和監視。配電所內的斷路器、車站信號機械室內配電箱的低壓開關和自閉、貫通高壓負荷開關均能進行當地或遠動操作，以備在數據通道故障時，對上述設備進行控制。電力遠動系統構成如圖1所示。

圖1 系統組成

3.1 計算機調度自動化系統(主控制站)

計算機調度自動化系統以計算機為設備核心，以功能為模塊，以網絡節點為單元進行構置［4］。控制站設備由服務器、調度員工作站、終端服務器等網絡節點設備和相應的人機接口設備，以及通道接口設備、實時數據和文檔管理報表打印機、模擬盤、UPS設備、GPS設備等組成。

3.2 遠動系統配電所遠程控制終端(RTU)

在2個配電所內各設置1套遠程控制終端(RTU)，將所有保護及模擬量接入 RTU中，通過RTU的通信模塊與調度控制中心進行通信，完成對配電所的遠動控制。

3.3 遠動系統信號樓遠程控制終端(FTU)

在13個車站13座信號機械室內各設置1套遠程控制終端(FTU)，對低壓信號電源進行監控，完成對低壓信號電源監控裝置數據的信息采集及遙控命令的輸出［5］。

信號樓遠程控制終端從功能實現上由CPU模塊、遙測模塊、接口模塊、多串口模塊，電源模塊組成。具有遙測、遙信、遙控、時鐘同步、事件順序記錄，多串口通信、多種通信規約、通道自動切換、當地或遠方在線設置參數、遠程診斷維護等功能［6］。

本裝置提供了主備電源方案，2路交流源為主，1路可充電的直流源為備，主備電源可實現無縫切換。這就保證了裝置工作的連續性。供電裝置包括開關電源、隔離、蓄電池組3部分。正常情況下，各模塊、通訊設備、操作機構的電源均從開關電源獲得，同時開關電源為蓄電池組進行充電;在2路交流失電情況下，開關電源會自動快速無縫切換蓄電池供電，維持上述各設備的正常工作，直到恢復供電。假如長時間無法恢復供電，開關電源會在蓄電池電壓低到一定門檻時斷開蓄電池，以避免蓄電池因過放電而損壞。系統的電力設備分布如圖2所示。

圖2 系統電力設備分布

3.4 遠動系統數據傳輸通道

采用專用的數據通道，主站與被控站間的通信采用點對點方式。供電段調度控制中心至中陽通信光纜樓的通道采用光纖的方式加以實現，通道與遠動設備的接口方式為音頻四線接口。為最大程度地減少通道對遠動系統的影響，系統傳輸速率定為1 200 bit/s［7］。

3.5 高壓自閉和貫通線路遠動開關

為了將自閉和貫通10 kV電力線路納入遠動系統，實現對線路的故障定位和故障區段的切除，孝柳鐵路13個車站上的自閉和貫通線路上各安裝了一臺YFZW-10/630型遠動真空負荷開關。在負荷開關A相和C相上加裝80/5高壓電流互感器，通過負荷開關的控制器與各車站信號樓內的FTU進行遠動系統接口，實現遙控、遙信、遙測及線路故障區段的判斷和切除［8］。其主要技術參數如表1所示。

4 遠動系統的硬件設計

4.1 調度控制站

調度控制站主要包括以下幾部分。

表1 高壓自閉和貫通線路遠動開關技術參數

(1)RTU、FTU故障錄波、故障曲線查詢:調度端可對儲存在被控站的故障錄波、故障曲線數據按文件進行召取。

(2)日報/月報方式進行顯示和存檔。

(3)主控站24 h曲線:采用特殊算法，濾去無變化的大量數據，而重點記錄變化急劇的參數。

(4)設置報警門限值及數據刷新閥值:提供報警門限值和刷新閥值的設置、修改和下傳。

(5)報警解析及顯示:信號電源的越限報警由FTU產生，并以文件形式存于FTU，向主站傳送文件目錄，主站接收到文件目錄，解析原因并產生報警，以提醒調度值班員。

4.2 配電所RTU

(1)電源子系統:配電所RTU電源子系統采用開關電源，可交直流同時供電(220V AC、220V DC)，電源子系統提供RTU各模塊用電源，當交流電源失電時，內部自動切換到直流供電，確保RTU設備的正常工作。電源輸出有過流、短路和過壓保護功能。

(2)主處理及通信子系統:該子系統作為 RTU的主模塊，配有32位高性能微處理器和2M內存容量，其主要功能分為控制處理及數據通信。通過內部網絡向各子系統發送數據或控制命令，從其他各子系統讀取實時數據或狀態，并將收到的各種實時信息進行處理后分別存進各類數據庫，為向主站發送做好準備，其次將RTU數據庫中的實時信息可以按不同的規約通過各種串口實現遠傳。要求每個通信口相互獨立，且均采用防靜電接口芯片，從而方便地實現冗余結構雙重配置方式，進一步提高RTU運行的可靠性［9］。

(3)遙控輸出子系統:遙控輸出子系統由選擇、執行輸出繼電器和控制輸出中間繼電器構成。RTU的整個遙控過程為選擇、返送校核、執行，確保了遙控的高可靠性。如果收到選擇命令后20～30 s之內未收到執行命令，遙控輸出出口繼電器的接點容量應滿足現場要求(配電所控制母線電壓為220V DC)。

(4)遙信輸入子系統:遙信輸入子系統主要完成對現場開關狀態及各種保護動作信號的實時采集，當現場的開關發生變化或保護動作時，該子系統及時將變化或動作狀態和時間記錄下來，送到RTU主模塊，提供給主站作為變位記錄或事件記錄。

(5)模擬量輸入及故障錄波子系統:配電所RTU模擬量輸入子系統利用交流采樣技術直接采集PT/CT二次側交流信號(PT=100 V、CT=5 A)，將這些模擬信號轉換成數字信號，A/D轉換精度為0.1%。

子系統帶有一個RS232多用接口，供監測或對外通信之用［10］。

(6)時鐘同步子系統:配電所RTU配置GPS衛星時鐘接收裝置，用于RTU設備的事件時標記錄。

(7)其他接口:通過 RS232/RS485實現與所內其他智能設備的通信，并設有專用的維護口。

中陽配電所的接線圖如圖3所示。

圖3 配電所一次接線圖

4.3 信號樓FTU

本系統中將信號樓內兩路低壓電源的越限報警、故障曲線、FTU24 h趨勢圖均在FTU內產生并存儲，與其他FTU不同，主要優勢在于:一是產生報警的實時性強;二是在通道產生故障時，可從當地讀取報警及各種曲線。

4.4 自閉、貫通線路高壓遠動開關

高壓遠動開關控制箱內裝有“當地/遠動”控制開關，可實現調度控制與當地控制的轉換，以確保在通道故障及緊急情況下的操作。高壓開關安裝有A、C兩相80/5CT，能準確反映流過的各種電流，過載能力40倍，線性指標符合標準要求，當發生過流和短路時，能準確向FTU發送信號。接地采用中性點特殊信號注入原理，對單相接地故障進行準確標定，并提供調度可選擇的切除故障點功能［11］。

5 遠動系統的軟件設計

5.1 自閉、貫通10 kV線路過流與短路故障的定位和隔離

根據線路上安裝在遠動負荷開關上的電流互感器來監測線路上的電流，并結合鐵路電力系統的運行特點進行判斷，最后按照系統的程序控制進行短路故障的定位和自動隔離［12］，如圖4所示(以孝西至中陽供電臂為例)。

當三角莊和會溝區間發生故障導致自閉線路發生過流或速斷動作時，中陽配電所自閉饋出柜跳閘。柳溝、枝柯和三角莊站安裝的遠動負荷開關均發生過流，控制器中電流繼電器動作發信給調度控制系統。經過1.5 s延時后，孝西配電所自閉饋出柜備自投動作，由于故障點未消除，孝西配電所自閉饋出柜也發生跳閘。這樣，會溝、小景、石莊和東槽站由于流過故障電流，遠動負荷開關控制器也發信給調度控制系統。調度控制系統根據中陽配電所備自投動作(1.5 s延時)前后收到的各站發出的電流繼電器動作信號來判斷故障點。然后通過程序控制自動斷開故障點兩端的遠動負荷開關達到隔離故障區段的目的。

圖4 自閉、貫通高壓負荷開關遠動控制系統

5.2 主站24 h曲線實現

FTU中還設計有24 h電壓、電流的趨勢圖，始終保存著最近24 h電壓、電流的趨勢圖，精度為每分鐘1個數據點。24 h趨勢圖可以非常直觀地顯示信號樓兩路電源24 h的運行情況。

由于FTU中產生的24 h趨勢圖的精度為每分鐘1個數據點，精度不高，因此無法對短時故障(＜1 min)進行分析。針對這一情況，本文設計了在主控站上利用FTU上傳的帶時標的遙測量進行主控站24 h趨勢圖的描述。主控站首先對收到的帶時標的遙測量進行優化處理，將優化了的數據保存在數據庫中，以減少主控站服務器存儲的數據量。電壓和電流的優化處理方法如圖5、圖6所示。

圖5 主控站24 h電壓趨勢

圖6 主控站24 h電流趨勢

這種設計方案不僅大大減少了系統中存儲的數據量，濾除了瞬時尖脈沖干擾，還詳盡描述了故障發生時的情形，準確地顯示出兩路電源互倒時的電壓、電流變化情況，真實地反映了24 h內事故發生的詳細情況，主控站24 h趨勢圖的實例如圖7所示。

圖7 主控站24 h趨勢圖(實例)

6 結語

線路自動化技術在孝柳線的應用顯示:在鐵路電力線路上應用此項技術可以減少停電時間，提高供電質量，節省總投資，減少線路運行、檢修費用，實現線路故障的自動處理，大大縮小故障停電范圍，縮短線路故障查找、維修和恢復供電的時間，提高了供電可靠性，減輕了配電所、電力工區員工的勞動強度，提高了鐵路自動化管理水平。電力遠動技術在孝柳線供電系統中得到了成功應用，取得了很好的經濟效益和社會效益，為下一步在各大鐵路線上應用準備了技術資料。

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