鐵路牽引變電所直流電源在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

邱俊清 代文平

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；四川艾德瑞電氣有限公司， 成都 610031)

軌道交通直流電源系統(tǒng)承擔著為二次設(shè)備供電和主設(shè)備提供操作電源的重任，其安全直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。近年來，由于直流電源系統(tǒng)運行維護管理和設(shè)備質(zhì)量等原因，發(fā)生了多起因蓄電池爆炸、起火或充電裝置、監(jiān)控單元故障等直流電源系統(tǒng)故障引發(fā)的變電站一次、二次設(shè)備故障或事故，造成了較大的經(jīng)濟損失。電力和鐵路運維檢修調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有直流電源系統(tǒng)需要人員定期使用移動外掛設(shè)備對蓄電池電壓、溫度等項目進行測試，運營維護人員不得不帶著笨重的各種單體測試設(shè)備到達現(xiàn)場進行交直流系統(tǒng)的例行測試，以確保直流系統(tǒng)安全運行。加之鐵路牽引變電所分散設(shè)置在鐵路沿線，造成運營維護任務(wù)繁重和維修人員匱乏，大大增加了運營單位成本。基于上述原因，本文從鐵路牽引變電所直流設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題出發(fā)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出一種鐵路牽引變電所直流電源在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并詳細闡述了系統(tǒng)架構(gòu)，分析了系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)具有監(jiān)測全面、快速預(yù)警、云端上傳等優(yōu)勢，且與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容性強，改造方便，可有效預(yù)防直流電源系統(tǒng)事故，為牽引變電所的可靠運行提供技術(shù)保障。

1 直流設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)存問題

1.1 直流系統(tǒng)作用

目前，鐵路每個牽引變電所配備2套直流蓄電池組，主要給繼電保護裝置、斷路器、隔離開關(guān)操作等提供電源，其工作狀態(tài)直接關(guān)系到整個二次系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1.2 直流系統(tǒng)維護難點

現(xiàn)有直流系統(tǒng)，不能對單體蓄電池的電壓、溫度、內(nèi)阻等進行實時監(jiān)測，需要工作人員定期使用移動外掛設(shè)備進行測試，而鐵路牽引變電所沿線路分散布置，每隔30～50 km設(shè)置1處，特別是西部山區(qū)鐵路，山高路遠，運營維護人員不得不帶著笨重的測試設(shè)備，奔波于沿線變電所對其交直流系統(tǒng)進行例行測試。且隨著全路變電所無人值班，無人值守的大力推廣，一旦直流系統(tǒng)出現(xiàn)問題，工作人員又無法及時到達現(xiàn)場，造成變電所二次設(shè)備失靈，很可能帶來重大的經(jīng)濟損失。

1.3 直流系統(tǒng)故障危害

在日常運行中，直流系統(tǒng)運行狀態(tài)、性能參數(shù)的變化常常被忽視，造成直流電源系統(tǒng)帶病運行，直至發(fā)生重大的安全責任事故。近年來，國內(nèi)發(fā)生了多起因蓄電池爆炸、起火或充電裝置、監(jiān)控單元故障等直流電源系統(tǒng)故障引發(fā)的變電所一次、二次設(shè)備故障事故，造成了重大的經(jīng)濟損失。因此研究一種能及時準確、全方位監(jiān)測直流電源系統(tǒng)及蓄電池組狀態(tài)的直流電源監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有重要意義。

2 直流電源在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

直流電源在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)布置，主要由信息傳感采集層、數(shù)據(jù)分析處理層、運營維護層組成[1]，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

(1)信息傳感采集層

信息傳感采集層由各類傳感器及監(jiān)測單元組成。單體蓄電池溫度傳感器輸出范圍(-25～100)℃,監(jiān)測充電機電壓傳感器輸入范圍DC(0～150%)Un,監(jiān)測母線電壓傳感器輸入范圍DC(0～150%)Un，監(jiān)測充電機電流傳感器輸入范圍DC(0.1～30) A,蓄電池組電壓傳感器輸入范圍DC(0～150%)Un，蓄電池組電流傳感器輸入范圍DC(0.1～30)A，12V單體蓄電池電壓傳感器輸入范圍DC(2～15)V[2-3]。各類傳感器負責把溫度信號和外部各種電壓信號、電流信號轉(zhuǎn)成采集單元能識別的數(shù)字或模擬信號，監(jiān)測單元負責采集傳感器信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并將預(yù)警信息傳給數(shù)據(jù)分析層。

(2)數(shù)據(jù)分析處理層

數(shù)據(jù)分析處理層通過信息傳感采集層獲得各種電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)和信息歸類整理后，上傳到運營維護層的云端服務(wù)器進行遠程維護或與綜合自動化系統(tǒng)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息共享；或?qū)?shù)據(jù)和信息上傳至通信接口協(xié)議層的監(jiān)測預(yù)警IED進行通信規(guī)約和接口轉(zhuǎn)換，同時執(zhí)行用戶選定的操作，將指令和操作信息下發(fā)至信息傳感采集層。

圖1 直流電源在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)分析處理層根據(jù)各種通信規(guī)約及設(shè)備需要將數(shù)據(jù)通過光網(wǎng)口(或電網(wǎng)口)、串口傳送給綜合自動化系統(tǒng)、運營維護層的供電段維護系統(tǒng)或輔助監(jiān)控系統(tǒng)。

(3)運營維護層

運營維護層由云端服務(wù)器和供電段運營維護系統(tǒng)組成，完成設(shè)備健康狀態(tài)的評估和診斷，為設(shè)備運行檢修人員提供檢修依據(jù)。供電段運營維護系統(tǒng)主要收集供電段下屬所有牽引變電所直流預(yù)警系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)和信息，對每個變電所的直流系統(tǒng)狀態(tài)進行實時評估，發(fā)現(xiàn)存在隱患時，啟動診斷模塊，對存在問題進行診斷、決策。

3 系統(tǒng)組成

牽引變電所直流在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要由四種功能模塊組成，即充電機及母線監(jiān)測單元、蓄電池監(jiān)測單元、智能預(yù)警管理單元和端服務(wù)器。

(1)充電機及母線監(jiān)測單元監(jiān)測內(nèi)容

充電機及母線監(jiān)測單元監(jiān)測內(nèi)容有：監(jiān)測充電機電壓及母線直流電壓、監(jiān)測充電機輸出直流電流、充電機紋波值監(jiān)測、監(jiān)測母線交流串入直流系統(tǒng)的交流信號、充電機工作模式監(jiān)測(均充、浮充模式轉(zhuǎn)換過程監(jiān)測)、數(shù)據(jù)遠傳功能[4]。

(2)蓄電池監(jiān)測單元監(jiān)測內(nèi)容

蓄電池監(jiān)測單元監(jiān)測內(nèi)容有：監(jiān)測單體蓄電池電壓(蓄電池電壓巡檢)、監(jiān)測蓄電池組電壓、監(jiān)測蓄電池組充電和放電電流、蓄電池虛開和虛斷監(jiān)測、蓄電池極柱溫度監(jiān)測、蓄電池脫離母線監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)遠傳功能[5]。

(3)智能預(yù)警管理單元

智能預(yù)警管理單元管理的事項有：充電機及母線監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及預(yù)警、蓄電池組監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及預(yù)警、數(shù)據(jù)遠傳、SOE事件記錄、預(yù)警信號輸出(四路信號量輸出或信息通知)、 監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)收集、通訊規(guī)約轉(zhuǎn)換、監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

(4)云端服務(wù)器

云端服務(wù)器采用分級、分權(quán)方式對在直流電源預(yù)警系統(tǒng)的單元進行實時在線管理;預(yù)警信息及SOE等信息通過云端服務(wù)器保存；運維人員和各級用戶可通過WEB客戶端、Android/IOS APP等訪問方式，隨時隨地對自己所管理的設(shè)備進行實時監(jiān)控和告警查看，通過大量歷史數(shù)據(jù)分析設(shè)備的歷史運行軌跡和進行故障分析[6-7]。

直流電源在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可實現(xiàn)對單體蓄電池虛開、虛斷、極柱溫度以及脫離母線監(jiān)測，還能監(jiān)測母線交流串入直流信號及充電機工作模式(均充、浮充模式)，全面監(jiān)測蓄電池的健康狀況。通過云端服務(wù)器，可將監(jiān)測報告與預(yù)警信息及時上傳，維護管理人員通過手機或手持式設(shè)備客戶端實時監(jiān)測直流系統(tǒng)工作狀態(tài)，避免事故發(fā)生，實現(xiàn)狀態(tài)檢修[8]。

4 系統(tǒng)應(yīng)用與接口

4.1 既有牽引變電所改造工程

針對既有牽引變電所改造直流系統(tǒng)的安裝空間、施工及工況等因素，直流電源預(yù)警系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場工況靈活配置。直流電源在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)已在渝貴、渝昆等重要干線鐵路的既有重慶西牽引變電所改造中投用，具有與既有直流系統(tǒng)兼容性好、改造方便、改造時間短、不影響既有線運營等特點。

4.1.1重慶西變電所系統(tǒng)構(gòu)成

重慶西變電所的交直流一體化電源由2面交流進線屏、1面直流電源屏、1面直流饋出屏、2面蓄電池屏組成，本系統(tǒng)只需在1面直流電源屏、1面直流饋出屏及2面蓄電池屏上進行改造安裝。根據(jù)牽引變電所的實際情況，直流電源在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)需加裝人機界面1臺、主控模塊1臺、母線及充電機監(jiān)測模塊2臺、蓄電池組監(jiān)測模塊4臺、電流傳感器和溫濕度傳感器若干。另外，在變電所內(nèi)需再設(shè)置1臺后臺管理電腦，用于數(shù)據(jù)遠傳顯示，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和運行主界面如圖2所示。

4.1.2掛網(wǎng)試運行總體方案

(1)人機界面、主控模塊、母線及充電機監(jiān)測模塊安裝方案

人機界面用于主控模塊人機交互，需額外加工 1塊面板，替代饋出屏上空面板，將人機界面安裝在這塊面板上，便于信息查詢。主控模塊是整個系統(tǒng)的核心，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)都經(jīng)該模塊集中存儲、分析、預(yù)警及上傳。在柜體內(nèi)空位加裝兩根導(dǎo)軌，將主控模塊、母線和2臺充電機監(jiān)測模塊固定在這個導(dǎo)軌上。

(2)蓄電池組監(jiān)測模塊安裝方案

該牽引變電所有2組110 V蓄電池組，每組由 18只 200 Ah/6 V電池串聯(lián)成而成，每組電池安裝在1面電池屏內(nèi)。每個電池組監(jiān)測模塊可監(jiān)測9只電池，故每個屏柜需安裝2臺電池組監(jiān)測模塊，可安裝在電池屏上部空位。

圖2 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

(3)系統(tǒng)安裝調(diào)試

系統(tǒng)安裝調(diào)試的步驟有：①將后臺放置在主控桌上，接好電源線。②利用既有電纜溝將網(wǎng)線從主控模塊接到主控桌后臺管理電腦上。③通過人機界面設(shè)置各運行參數(shù)，調(diào)整各個采樣值的準確度，使整個系統(tǒng)正常運行。④打開后臺管理電腦，確保后臺電腦跟與主控模塊通訊正常，顯示正常。⑤通過互聯(lián)網(wǎng)或手機，檢查主控模塊上傳云平臺數(shù)據(jù)是否正常。

系統(tǒng)運動主界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運行主界面圖

4.2 新建鐵路牽引變電所工程

針對新建鐵路牽引變電所工程，直流電源預(yù)警系統(tǒng)可在交直流廠家出廠時分散安裝在直流屏內(nèi)，同時也可根據(jù)工程需要，采用組屏安裝方式。

(1) 分散安裝方式

①充電機及母線監(jiān)測單元安裝在充電機的充電屏柜內(nèi)。

②智能預(yù)警管理單元安裝在充電屏內(nèi)。

③蓄電池監(jiān)測單元安裝于蓄電池屏內(nèi)。

(2) 組屏安裝方式

①充電機及母線監(jiān)測單元安裝在新裝屏內(nèi)，電流傳感器安裝在充電屏柜內(nèi)。

②智能預(yù)警管理單元安裝在新裝屏內(nèi)。

③蓄電池監(jiān)測單元安裝于新裝屏內(nèi)，溫度傳感器安裝在蓄電池屏內(nèi)。

4.3 系統(tǒng)接口方案

系統(tǒng)接口方案為：

(1)蓄電池監(jiān)測單元采用RS485與監(jiān)測預(yù)警管理單元通訊。

(2)充電機及母線監(jiān)測單元采用RS485與監(jiān)測預(yù)警管理單元通訊。

(3)監(jiān)測預(yù)警管理單元采用RS485接入站端綜合自動化系統(tǒng)。

(4)智能預(yù)警管理單元通過GPRS上傳數(shù)據(jù)給云端服務(wù)器。

(5)智能預(yù)警管理單元通過光纖網(wǎng)絡(luò)接入供電段運維系統(tǒng)。

(6)智能預(yù)警管理單元具備以IEC61850-MMS規(guī)約接入智能牽引變電站自動化系統(tǒng)的功能[9]。

5 結(jié)束語

2018年中國國家鐵路集團有限公司發(fā)布了《牽引供變電所實施無人值班值守工作的指導(dǎo)意見》，全路變電所的無人值守設(shè)計已是大勢所趨。在此背景下，交直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定工作備受行業(yè)關(guān)注。現(xiàn)有的直流系統(tǒng)不能有效地監(jiān)測單體蓄電池的狀態(tài)，以至于忽略了其中的危險因素，易造成整個蓄電池組的損壞。本文提出直流電源在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實時監(jiān)控直流母線、充電裝置、蓄電池組、蓄電池單體等關(guān)鍵特征量，并通過系統(tǒng)計算、分析，實時判斷直流電源的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對存在隱患的實時預(yù)警，再配合云端上傳等技術(shù)應(yīng)用，確保提前發(fā)現(xiàn)問題，并提醒相關(guān)部門及時做出處理，防止事故擴大，減少和避免損失，有效提高運維效率，減輕變電所人力運維成本，為牽引變電所的可靠運行提供了技術(shù)保障。