基于光纖通信式高速公路隧道供電的備用電源自投解決方案

李才勇　劉　宏

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基于光纖通信式高速公路隧道供電的備用電源自投解決方案

李才勇劉宏

（珠海市恒瑞電力科技有限公司，廣東珠海519075）

高速公路的中長距離的隧道多采用隧道兩端雙電源供電方式，一端電源失電時，需要人工倒閘至隧道另一端電源供電，時效性較差且不利于實現無人值守。本文根據某高速公路隧道工程的實際供電情況，提出了基于光纖通信的備用電源自投方案，從而提高隧道供電的可靠性和實時性。

高速公路；隧道供電；光纖通信；備用電源自投

1　案例概述

廣東省某高速公路隧道長度約7km，隧道兩端各分布一處變電所，每個變電所設有兩個環網柜（G04、G05），分別給隧道左洞、右洞供電，如圖1所示。正常運行時，只允許一端變電所的10kV環網柜給隧道左洞或右洞供電，而對端（另一端）變電所的對應的10kV環網柜處于熱備用狀態。兩端變電所各備有380V等級的ATS應急發電機電源。隧道及隧道兩端變電所均有光纖互聯，并聯接至該高速公路管理中心，通過光纖通信將隧道及隧道變電站的視頻安防、電氣設備運行等數據傳輸至遠方的高速公路管理中心后臺監控系統。該隧道變電站運行模式定性為無人值守、定期巡檢。

鑒于用電安全考慮，當隧道原供電變電所或環網柜失電時，先由應急發電機電源給隧道就近的洞口加強照明燈具供電，再由人工把對端變電所對應的環網柜合上。

圖1　某高速公路隧道供電主接線示意圖

高速公路隧道多處于山區，當發生失電事故時，運行人員從高速公路管理中心到隧道現場處理電源倒閘操作的響應時間較長，至少需要幾十min以上時間；較長時間由ATS應急柴油發電機電源供電，存在安全隱患，也不經濟。

從上述分析可知，該隧道供電存在的主要問題是，隧道供電電源發生故障時的備用電源切換倒閘操作時間長，不能滿足無人值守條件。針對這個問題，可以靠安裝安全自動裝置來解決。

2 解決方案

由于隧道較長，線路會將信號衰減，因此通過硬接線采集對端變電所對應環網出線的二次側電流、電壓及開關狀態來實現備用電源自投的方法是不可取的。文獻[2]中對采用TCP/IP、GPRS和光纖通信作為遠方數據傳輸作了論述分析。光纖通信是解決變電站之間傳輸控制數據信息的優良手段。

如圖2所示，在兩端變電所環網柜上各加裝一臺光纖備用電源自投裝置（簡稱備自投），隧道工程已建有光纖設施，且纖芯為12芯，有充足的光纖通道資源，故采取合用現有光纜的專用纖芯方式，通過光纖點對點通信，實現兩端數據交互，由兩端備自投裝置實現虛擬硬件電氣互鎖和備用電源自投等智能操作，操作實時性高、安全性好。

圖2　備用電源自投方案示意圖

3 光纖備自投功能設計

備自投裝置采集母線電壓、給隧道供電的環網柜出線電流、環網柜斷路器的雙點（斷路器的輔助常開觸點和輔助常閉觸點，以下相同）位置狀態、洞內電纜帶電狀態（通過電壓取樣或表征帶電的狀態信號）以及外部閉鎖備自投信號等，并把數據信息實時傳輸至隧道對端備自投裝置。備自投裝置結合兩端的電流、電壓、開關狀態等信息進行綜合 判斷。

自投動作采用母線失壓、洞口電纜無電壓、無電流判據。正常工作僅有一端環網柜處于工作狀態，兩端環網柜運行方式為互備或主備模式。在主備模式下，主供柜可選Ⅰ號環網柜（A變電所環網柜）或Ⅱ號環網柜（B變電所環網柜）。環網柜是否有電通過采集母線PT（電壓互感器）電壓判斷。

分布于隧道兩端的備自投裝置，硬件、軟件完全相同，其中一臺做主機，另一臺做從機；主、從設置通過人機接口來設定。主機與從機每隔20ms交換一次實時數據幀，分別將各自的電流、電壓、開入量狀態等傳輸至對端。數據幀格式見表1。數據交換由主機發起，從機應答。備自投動作邏輯由主機來實現，從機依據主機的遠控指令完成本端斷路器的分、合閘操作。

表1　數據幀格式

光纖備自投裝置實現的主要功能如下。

3.1系統運行方式的識別

1）Ⅰ柜正常工作運行方式。Ⅰ柜帶隧道內高壓電纜獨立運行，Ⅱ柜熱備用。

（1）兩端環網柜的母線電壓均正常（PT電壓正常）。

（2）Ⅰ柜斷路器在合閘位置，Ⅱ柜在分閘位置（通過斷路器雙點位置來判斷）。

2）Ⅱ柜正常工作運行方式。Ⅱ柜帶隧道內高壓電纜獨立運行，Ⅰ柜熱備用。

（1）兩端環網柜的母線電壓均正常（PT電壓正常）。

（2）Ⅱ柜斷路器在合閘位置，I柜在分閘位置（通過斷路器雙點位置來判斷）。

3.2備用電源自動投入

1）互備模式

在Ⅰ柜正常工作運行狀態或Ⅱ柜正常工作運行狀態下，工作柜失電欠流、失壓、洞內電纜失壓，而且備用柜電壓正常，工作柜上的備自投裝置經T1跳閘延時對失電工作柜發跳閘命令，確認失電的工作柜斷路器跳開后，備用柜上的備自投裝置經T2合閘延時對備用柜斷路器發合閘命令，原備用柜變為了工作柜。如果失電的工作柜斷路器沒有跳開，就不會合備用柜斷路器。

2）主備模式

（1）自投動作過程：在主供柜正常工作運行狀態，主供柜失電欠流、失壓，洞內電纜失壓，而且備用柜電壓正常，經T1跳閘延時對失電主柜發跳閘命令，確認失電的工作柜斷路器跳開后，經T2合閘延時對備用柜斷路器發合閘命令，然后備用柜帶隧道電纜運行。如果失電的主供柜斷路器沒有跳開，就不會合備用柜斷路器。

（2）自復動作過程：處于備用柜工作狀態時，在主供柜電壓恢復后，備自投將經T3延時確認后，經T1跳閘延時跳備用柜，確認備用柜斷路器跳開后，經T2合閘延時對主柜斷路器發合閘命令，然后恢復主柜帶隧道電纜運行，即自復功能。如果備用柜斷路器沒有跳開，就不會合主供柜斷路器。

（3）緊急自復動作過程：處于備用柜工作、主供柜有壓狀態時，備用柜失電、無壓無流，洞內電纜失壓，經T1跳閘延時跳備用柜，確認備用柜斷路器跳開后，經T2合閘延時對主供柜斷路器發合閘命令，主供柜帶隧道電纜運行。如果備用柜斷路器沒有跳開，就不會合主供柜斷路器。

（4）在運行過程中如主供柜已拉開，而備供柜無法合上時（排除閉鎖條件滿足情況），在檢測到主供柜恢復送電后，會經T4延時自動合上主供柜開關。

T1、T2、T3、T4延時可以通過備自投裝置面板人機接口操作來設定，設定范圍0.2s～60min。

3.3備自投閉鎖

備自投功能可通過控制字選擇經由外部接點閉鎖、洞內電纜過流閉鎖、PT斷線閉鎖等；光纖通信中斷時將閉鎖備自投。一旦閉鎖條件滿足，備自投功能就將處于退出運行狀態。

剛動作完一次后，備自投自行退出或進入備用運行方式，只有再次滿足正常運行條件15s后，才再進入的正常運行狀態。

4 結論

方案采用了斷路器位置雙點（常開、常閉）狀態判斷，加上母線電壓判斷、環網柜電流判斷、洞口高壓電纜有電狀態檢測，兩端數據交互后，能清晰無誤地判斷系統運行狀態，多重條件判定，使得裝置不會出現誤動的情況。在出現光纖通信中斷或PT斷線或狀態檢測斷線時，最壞的情況是備自投裝置處于閉鎖而拒動，這種情況下可由人工操作來完成電源切換。

方案以光纖通信式備用電源自投解決了中長距離隧道的雙端電源供電切換問題，最快可在500ms內就地實現備用電源切換，解決了山區隧道供電需要人工倒閘操作的問題，提高了隧道供電的安全性、可靠性和實時性，在隧道供電應用上具有很好的實用性。

[1] 谷昕. 利用光纖通信網絡傳輸繼電保護信號[J]. 電力系統通信, 2004, 25(7): 34-37.

[2] 唐海軍. 基于光纖通信的遠方備自投設計與實現[J]. 繼電器, 2006, 34(4): 80-82, 85.

[3] 侯文凱, 蔣漢貴. 高速公路隧道環網供電解決方案[J]. 電工技術, 2013, 10(10): 79-81.

Based on the Optical Fiber Communication Highway Tunnel Power Supply Backup Solution

Li Caiyong Liu Hong

(HENGRUI Power Technology Zhuhai Co., Ltd, Zhuhai, Guangdong 519075)

Highway in the long distance tunnel are dual power supply mode, one end of the power loss of power, the need for manual switching to the other end of the tunnel power supply, poor timeliness and not conducive to the realization of unattended. According to the actual power supply of a highway tunnel project, this paper puts forward a standby power supply self-starting based on the optical fiber communication, so as to improve the reliability and real-time performance of the power supply.

highway; tunnel power supply; fiber communication; standby power supply self- starting

李才勇（1973-），男，高級工程師，主要從事電力系統繼電保護及自動化系統方面的研究工作。