韓志杰

(北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司，100037，北京∥工程師)

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)在城市軌道交通的迅猛發(fā)展，變電所綜合自動(dòng)化技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)也得到進(jìn)一步完備和優(yōu)化，已發(fā)展為采用集中管理、分散布置的模式，分層、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)愈加完善的同時(shí)，對(duì)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式的安全、高效、可靠、經(jīng)濟(jì)等方面也提出了更高的要求。筆者根據(jù)工程設(shè)計(jì)中的心得以及所了解的工程施工、運(yùn)營(yíng)情況，結(jié)合重慶軌道交通1號(hào)線(朝天門(mén)—沙坪壩)工程和成都軌道交通1號(hào)線工程，通過(guò)對(duì)比分析，進(jìn)而提出一種新型的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式，期待能有很好的應(yīng)用。

1 重慶軌道交通1號(hào)線(朝天門(mén)—沙坪壩)工程變電所自動(dòng)化系統(tǒng)

重慶軌道交通1號(hào)線東起朝天門(mén)，西至大學(xué)城，是軌道交通線網(wǎng)東西方向的主干線，線路全長(zhǎng)約36.078 km。朝天門(mén)—沙坪壩段工程線路長(zhǎng)度約16.5 km，均為地下線，已于2011年7月28日建成通車(chē)。

重慶軌道交通1號(hào)線變電所自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。納入變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的每臺(tái)一次設(shè)備單元對(duì)應(yīng)于一個(gè)獨(dú)立微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置，負(fù)責(zé)設(shè)備的保護(hù)、測(cè)量、控制等。任何設(shè)備單元的綜合保護(hù)測(cè)控裝置發(fā)生故障，均不影響其他設(shè)備單元裝置的運(yùn)行。站級(jí)管理層為設(shè)置在綜合控制屏內(nèi)的SCADA(監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集)操作員站、冗余設(shè)備的通信管理裝置和智能測(cè)控單元，包括變電所當(dāng)?shù)乇O(jiān)控人機(jī)界面、打印設(shè)備、通信控制器及所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)，由這些設(shè)備完成對(duì)所內(nèi)保護(hù)和測(cè)控設(shè)備的監(jiān)視、控制、日常管理及通信處理功能。網(wǎng)絡(luò)通信層實(shí)現(xiàn)站級(jí)管理層與間隔設(shè)備層之間的通信。本工程采用光纖環(huán)網(wǎng)接線的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)通信層。變電所內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信層包括基礎(chǔ)設(shè)備與監(jiān)控單元之間的通信光纜、電纜及以太網(wǎng)交換機(jī)。間隔設(shè)備層主要包括各種測(cè)控、保護(hù)及操作按鈕等功能設(shè)備。

2 成都軌道交通1號(hào)線工程變電所自動(dòng)化系統(tǒng)

成都軌道交通1號(hào)線北起大豐站，南至廣都站，規(guī)劃線路全長(zhǎng)約31.6 km，設(shè)23座車(chē)站(其中地下站18座，高架站5座)，1座控制中心，1處停車(chē)場(chǎng)，1處車(chē)輛段，2座主變電站。

成都軌道交通1號(hào)線變電所自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。站級(jí)管理層實(shí)現(xiàn)變電所控制室對(duì)本車(chē)站變電所設(shè)備的監(jiān)視、報(bào)警功能，并負(fù)責(zé)變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，包括通信控制器、以太網(wǎng)交換機(jī)、工作站、自動(dòng)化屏、智能測(cè)控單元等設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)通信層實(shí)現(xiàn)變電所內(nèi)管理層與間隔設(shè)備層之間的通信。包括光電轉(zhuǎn)換裝置、光纜、通信電纜等設(shè)備。本工程采用光纖星型接線的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)通信層。間隔設(shè)備層實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量等功能，包括35 kV交流保護(hù)測(cè)控單元、0.4 kV交流保護(hù)測(cè)控單元、交直流電源系統(tǒng)監(jiān)控單元、變壓器與整流器監(jiān)控單元、鋼軌電位限制裝置、排流柜、雜散電流監(jiān)測(cè)裝置等設(shè)備。

圖1 重慶軌道交通1號(hào)線變電所自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖2 成都軌道交通1號(hào)線變電所自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成圖

3 兩種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析

3.1 光纖環(huán)網(wǎng)接線方式的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)圖1和圖2進(jìn)行比較分析可知，光纖環(huán)網(wǎng)接線方式通信系統(tǒng)具有可自動(dòng)排除環(huán)網(wǎng)光纜單點(diǎn)故障的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)環(huán)網(wǎng)光纜任何一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)冗余配置的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)繼續(xù)接收數(shù)據(jù)及排除故障，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)拓?fù)涓淖兦袚Q到總線型，從而保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。

3.2 光纖星型接線方式的優(yōu)點(diǎn)

星型接線方式有諸多優(yōu)點(diǎn):

(1)成本相對(duì)較低。相比光纖環(huán)網(wǎng)接線方式，星型接線方式可減少使用一個(gè)交換機(jī)。光纖環(huán)網(wǎng)接線方式需要2臺(tái)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)來(lái)控制環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，并且環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的價(jià)格比普通交換機(jī)要高很多。

(2)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性好。星型接線節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)低于環(huán)網(wǎng)接線;星型接線網(wǎng)絡(luò)中的自愈時(shí)間可滿足繼電保護(hù)裝置之間數(shù)據(jù)交換的性能要求，環(huán)網(wǎng)接線方式則不能滿足這一要求。此外，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中要求報(bào)文延時(shí)小于4 ms，而目前已知能達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的只有少數(shù)品牌，這樣就加大了環(huán)網(wǎng)接線方式的成本。

(3)調(diào)試階段程序相對(duì)簡(jiǎn)單。采用星型接線方式的變電所自動(dòng)化系統(tǒng)往往是逐個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，如調(diào)試順序?yàn)?5 kV開(kāi)關(guān)柜、1 500 V開(kāi)關(guān)柜、400 V開(kāi)關(guān)柜、鋼軌電位限制裝置等。環(huán)網(wǎng)接線方式調(diào)試則相對(duì)復(fù)雜，例如，當(dāng)調(diào)試到35 kV環(huán)網(wǎng)的中間環(huán)節(jié)，而其他系統(tǒng)未開(kāi)始調(diào)試時(shí)，就存在無(wú)法接入變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的情況。

3.3 雙星型接線方式的特點(diǎn)

通過(guò)分析星型、環(huán)網(wǎng)接線方式通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出采用雙星型接線方式來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信層，以使通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化。該接線型式集合了星型、環(huán)網(wǎng)接線共同的優(yōu)點(diǎn)。

(1)可自動(dòng)排除單點(diǎn)故障。

(2)在雙星型接線結(jié)構(gòu)中可采用通信接口模塊來(lái)替代普通交換機(jī)，成本相對(duì)較低。

(3)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性好。

(4)調(diào)試階段程序相對(duì)簡(jiǎn)單。

(5)用通信接口模塊替代普通交換機(jī)，解決了不同廠家交換機(jī)設(shè)備兼容的問(wèn)題。

雙星型接線方式網(wǎng)絡(luò)通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 變電所自動(dòng)化系統(tǒng)雙星型組網(wǎng)構(gòu)成圖

4 間隔設(shè)備層中壓保護(hù)裝置組網(wǎng)分析

間隔設(shè)備層主要包括各種測(cè)控、保護(hù)及操作按鈕等功能設(shè)備。各設(shè)備保護(hù)測(cè)控單元通過(guò)以太網(wǎng)接口接入以太網(wǎng)交換機(jī)。交換機(jī)通過(guò)光纜與綜合控制屏連接。

本文針對(duì)間隔設(shè)備層中中壓開(kāi)關(guān)柜保護(hù)裝置(保護(hù)環(huán)網(wǎng)線路)展開(kāi)分析。

目前，城市軌道交通供電系統(tǒng)中環(huán)網(wǎng)線路的保護(hù)有兩種比較成熟的解決方案，一種是光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)+后備過(guò)流保護(hù)，另一種是電流選跳保護(hù)+后備過(guò)流保護(hù)。

光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)是以電流比較為基礎(chǔ)的。在線路的兩端各安裝一臺(tái)保護(hù)裝置，兩側(cè)的保護(hù)裝置分別測(cè)量本地的電流;同時(shí)通過(guò)光纖連接，將對(duì)側(cè)的電流參數(shù)傳到本地保護(hù)裝置中進(jìn)行電流大小和相位的比較，正常情況下線路兩端的電流矢量和幾乎為零(不考慮電流互感器本身的測(cè)量精度和導(dǎo)線損耗等);當(dāng)比較電流的差值超出設(shè)定的整定值時(shí)，線路兩端的斷路器會(huì)同時(shí)跳閘，用以切除故障。所以，光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)是一種矢量保護(hù)。

電流選跳保護(hù)是在光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。其與傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的不同之處在于，保護(hù)與保護(hù)之間比較的是保護(hù)信息，即保護(hù)聯(lián)跳信息、開(kāi)關(guān)閉鎖信息、開(kāi)關(guān)量信息等，同時(shí)使這些信息參與到邏輯編程中。當(dāng)區(qū)間線路發(fā)生線路故障、接地等情況時(shí)，線路兩端的保護(hù)繼電器檢測(cè)線路中流過(guò)的電流是否達(dá)到其設(shè)定的判據(jù)電流啟動(dòng)值，并將此信號(hào)通過(guò)光纖在兩裝置間進(jìn)行傳遞，在保護(hù)裝置的內(nèi)部進(jìn)行邏輯判斷，快速判別線路故障區(qū)段，實(shí)現(xiàn)選擇性地快速切除故障線路。

綜上所述，對(duì)于光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，光纖傳輸?shù)氖请娏魇噶浚悄M量，對(duì)傳輸質(zhì)量及光纖兩端保護(hù)裝置的對(duì)時(shí)精度要求較高;而對(duì)于電流選跳保護(hù)，光纖傳輸?shù)氖菙?shù)字量，對(duì)保護(hù)裝置的對(duì)時(shí)精度要求不高，且數(shù)據(jù)不會(huì)隨時(shí)間實(shí)時(shí)變化。從性能上比較，對(duì)于主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)能做到10～20 ms，而電流選跳保護(hù)為30～35 ms，比光纖縱聯(lián)差動(dòng)大一個(gè)電力周波;對(duì)于主保護(hù)失靈啟動(dòng)后備保護(hù)，光纖縱聯(lián)差動(dòng)+后備過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間在600～1 200 ms之間，而電流選跳保護(hù)則在200～400 ms之間。因此，光纖縱聯(lián)差動(dòng)主保護(hù)動(dòng)作比電流選跳保護(hù)要快;而在主保護(hù)失靈后，兩種方式啟動(dòng)后備過(guò)流保護(hù)的時(shí)間很接近?？傊瑢?duì)于環(huán)網(wǎng)線路保護(hù)，光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)和電流選跳保護(hù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)對(duì)于傳統(tǒng)線路保護(hù)的優(yōu)勢(shì)在于原理簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快，但環(huán)網(wǎng)后備保護(hù)級(jí)差問(wèn)題較難解決。采用一個(gè)后備過(guò)流保護(hù)近區(qū)加速跳閘(簡(jiǎn)稱“近區(qū)速動(dòng)”)也能解決光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)方案后備過(guò)流保護(hù)時(shí)間級(jí)差配合問(wèn)題，但價(jià)格方面比電流選跳保護(hù)方案要高。

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