基于站域保護控制的無人值守技術(shù)應用研究

張志文

0 引言

隨著鐵路自動化技術(shù)的運用和發(fā)展，通過在牽引變電所內(nèi)設置智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)逐步實現(xiàn)變電所的無人值守，是電氣化鐵路變電所自動化技術(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)、火災消防報警子系統(tǒng)、動力照明控制子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控巡檢子系統(tǒng)（含紅外線測溫）、一次設備在線監(jiān)測子系統(tǒng)等[4]。系統(tǒng)平臺通過標準接口[5]采集變電所內(nèi)輔助設備信息，通過各類子系統(tǒng)的配合，實現(xiàn)高壓柜、低壓柜、變壓器、避雷器、進出線、紅外、門禁、煙霧報警、溫濕度傳感、各類氣體（SF6、 O2、臭氧、甲烷等）/漏水/水位監(jiān)測、空調(diào)、風機、水泵、照明、消防、視頻等設備的遠程監(jiān)測和控制、智能告警/故障診斷、智能運維等自動化功能，實現(xiàn)信息共享與告警聯(lián)動功能，并將監(jiān)控和報警信息上傳。

由此可見，輔助監(jiān)控系統(tǒng)通過24 h 巡檢、監(jiān)測變電所設備，并智能分析設備的整體運行情況，提高了所內(nèi)設備的安全性，實現(xiàn)了變電所無人值守需求，對實現(xiàn)減員增效、提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高自動化生產(chǎn)運營水平、促進智慧鐵路的發(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)場發(fā)現(xiàn)及檢測到的所有信息均可通過輔助監(jiān)控系統(tǒng)平臺實現(xiàn)實時監(jiān)控、記錄，及時發(fā)現(xiàn)、迅速定位故障設備。但現(xiàn)行的輔助監(jiān)控系統(tǒng)缺乏退出故障設備、快速恢復供電的手段與能力，一旦設備發(fā)生故障，只能通過人為干預、遠程遙控恢復供電，甚至只有檢修人員親赴現(xiàn)場干預才能恢復供電，變電所自動化功能大打折扣。

站域保護測控裝置作為全所保護與控制功能的總后備裝置，實現(xiàn)了綜合自動化系統(tǒng)保護、控制功能的冗余，通過與輔助監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，可實現(xiàn)自動控制功能，彌補了輔助監(jiān)控系統(tǒng)的不足，并在新朔鐵路得到了成功應用，為智慧鐵路的發(fā)展提供了堅實的基礎保障。

1 站域保護測控裝置功能配置方案

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

表1 站域保護控制裝置功能配置

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

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

圖1 站域保護屏組成示意圖

在工程實施時，站域保護屏二次回路遵循以下設計原則：

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

（2）采用并接方式實現(xiàn)電壓采集。

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

（4）斷路器跳閘和重合閘回路需配置獨立操作插件，其控制電路示意圖見圖2。

圖2 單獨配置操作插件的控制電路示意圖

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

2 基于站域保護的無人值守技術(shù)及應用

變電所內(nèi)站域保護控制裝置通過過程層網(wǎng)絡與輔助監(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，不僅要求及時發(fā)現(xiàn)故障設備，而且要求隔離故障設備、快速恢復供電。站域保護控制裝置作為故障區(qū)段隔離與恢復供電的主裝置，需根據(jù)故障的不同提前定義故障隔離自動控制流程，并遵循以下原則：

（1）切除故障設備，起用冗余設備，實現(xiàn)變電所正常供電。

（2）切除故障設備，共用既有設備，以最短的時間、最優(yōu)化的方案實現(xiàn)恢復供電。

（3）保護裝置自動識別運行方式，并通過自動控制流程切換到相應的定值區(qū)。

變電所內(nèi)的站域保護控制裝置為每個區(qū)段的故障設備定義一種對應的恢復供電控制流程，控制流程的目標是隔離故障設備，快速恢復供電。

圖3 牽引變電所自動化系統(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變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等所內(nèi)一次設備的實時監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)設備故障，立即將故障信息通過過程層發(fā)送至站域保護控制裝置，站域保護控制裝置判斷設備故障的級別，若故障可能危及線路運營安全，啟動與該故障相對應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

假設變電所Ⅰ#進線帶Ⅰ#主變運行，Ⅱ#進線帶Ⅱ#主變備用，當輔助監(jiān)控系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)Ⅰ#進線隔開Z111-1 或隔開1011 發(fā)生故障時，輔助監(jiān)控系統(tǒng)及時將故障信息上傳至站域保護測控裝置，站域保護測控裝置及時啟動故障隔離自動控制流程：

（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)，即使因為故障原因操作失敗也不影響其他操作；

（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供電。

當輔助監(jiān)控系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)Ⅰ#主變、101 斷路器、201A斷路器、201B斷路器等任一設備發(fā)生故障時，輔助監(jiān)控系統(tǒng)及時將故障信息上傳至站域保護測控裝置，站域保護測控裝置及時啟動故障隔離自動控制流程：

（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供電。

假設212 斷路器為“機務段”饋線供電，214斷路器為“大同東”饋線供電，22B 斷路器備用，當輔助監(jiān)控系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)212 斷路器發(fā)生故障時，輔助監(jiān)控系統(tǒng)及時將故障信息上傳至站域保護測控裝置，站域保護測控裝置及時啟動“故障設備隔離與恢復供電”自動控制流程：

（1）控制分閘212 斷路器；

（2）控制合閘2142 隔離開關(guān)；

（3）站域保護控制裝置通過過程層傳輸信息給22B 饋線保護測控裝置，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2141 隔離開關(guān)或2121 隔離開關(guān)發(fā)生影響線路運營安全的故障時，黍地溝牽引變電所退出運行，通過越區(qū)供電為接觸網(wǎng)提供電源，退出運行流程如下：

（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）牽引變壓器退出運行。

同理，根據(jù)運行方式的不同，面對不同的故障設備，可以得到相對應的故障設備隔離控制方案，如表2 所示。

表2 故障設備隔離方案

2020 年11 月12 日，針對本文提出的無人值守變電所故障設備隔離方案，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，驗證了方案的有效性與正確性。變電所后臺監(jiān)控平臺記錄的控制流程：

（1）站域保護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，啟動故障設備隔離流程；

（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)生故障時的故障設備隔離流程完全一致。

3 結(jié)語

本文基于現(xiàn)有的廣域保護測控系統(tǒng)與輔助監(jiān)控系統(tǒng)平臺，研究了電氣化鐵路變電所設備發(fā)生故障時故障設備隔離方案，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)控變電所一次設備，一旦發(fā)現(xiàn)設備故障，隨即將設備的故障信息通過過程層發(fā)送至廣域保護測控系統(tǒng)的站域保護控制裝置，站域保護控制裝置判斷設備故障的級別，如果故障可能危及線路運營安全，啟動與該故障相對應的故障設備隔離控制流程。新朔鐵路黍地溝變電所試驗結(jié)果驗證了方案的有效性與正確性，可有效隔離故障設備，迅速恢復供電，具有重要的現(xiàn)實意義與應用價值。