田 衡

(中鐵電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 100070)

0 引 言

城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)作為各地區(qū)公共交通體系的重要內(nèi)容，其組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的科學(xué)性，影響著城市軌道交通變電所運(yùn)行質(zhì)量。因此，本文結(jié)合城市軌道交通變電所綜合自動(dòng)化組網(wǎng)目標(biāo)，對(duì)變電所常用綜合自動(dòng)化組網(wǎng)結(jié)構(gòu)展開(kāi)分析，完善變電所自動(dòng)化系統(tǒng)功能，為城市交通網(wǎng)絡(luò)安全、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 城市軌道交通變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)組成

城市軌道交通是對(duì)市郊列車(chē)、有軌電車(chē)、單軌交通、地鐵的統(tǒng)稱，城市軌道交通中，變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是通過(guò)集成計(jì)算機(jī)、電子信息、通信等技術(shù)，對(duì)變電站二次設(shè)備所進(jìn)行的重新組合，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行、變電站設(shè)備的監(jiān)督流程。具體來(lái)說(shuō)，變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)多由站級(jí)管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層、間隔設(shè)備層構(gòu)成，結(jié)構(gòu)類型為分層分布式, 如圖1所示。其中，管理層包括智能監(jiān)控、計(jì)算機(jī)、通信控制裝置、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、智能設(shè)備接口等板塊，而間隔設(shè)備層內(nèi)則包括設(shè)備信息采集、智能測(cè)控、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入點(diǎn)等內(nèi)容。該層面中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要指交流電源、直流電源裝置，以及35 kV、DC 1 500 V、400 V測(cè)控保護(hù)單元、排流柜等裝置[1]。

圖1 變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)圖

2 城市軌道交通變電所綜合自動(dòng)化組網(wǎng)目標(biāo)

城市軌道交通變電所綜合自動(dòng)化組網(wǎng)的目標(biāo)，是運(yùn)用不同組網(wǎng)模式，完善變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)控、操作閉鎖、控制等功能。一方面，確保綜合自動(dòng)化系統(tǒng)能夠有效判斷需監(jiān)測(cè)的開(kāi)關(guān)數(shù)量。同時(shí)可在線、實(shí)時(shí)監(jiān)視斷路器、直流設(shè)備、接地刀閘、隔離開(kāi)關(guān)的實(shí)際位置，以及變電站二次設(shè)備自動(dòng)裝置運(yùn)行狀態(tài)、變壓器分接頭動(dòng)作變化等內(nèi)容。并且在相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，從系統(tǒng)顯示界面，給出語(yǔ)音警報(bào)，或是直接記錄設(shè)備響應(yīng)動(dòng)作，播放設(shè)備故障畫(huà)面。另外，借助自動(dòng)化組網(wǎng)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控功能，同樣可結(jié)合非電氣、電氣模擬量，分析變電所電網(wǎng)是否處于穩(wěn)定、安全的狀態(tài)。

另一方面，為變電所自動(dòng)化系統(tǒng)操作閉鎖、控制功能的實(shí)現(xiàn)提供助力。隔離開(kāi)關(guān)、二次設(shè)備開(kāi)關(guān)、主變電路、斷路器是系統(tǒng)的主要操作對(duì)象。相關(guān)人員在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)變電所內(nèi)設(shè)備主控制時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控畫(huà)面，借助選擇設(shè)備、反較設(shè)備、執(zhí)行命令等流程，操作變電所內(nèi)可控設(shè)備。甚至能夠按照設(shè)備運(yùn)行實(shí)況，保障人員運(yùn)維安全。除此之外，城市軌道交通體系中，變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，在科學(xué)組網(wǎng)模式中，其閉鎖功能逐漸完善，可正確控制站內(nèi)斷路器、可控點(diǎn)，靈活調(diào)節(jié)有負(fù)載可調(diào)壓的變壓裝置接頭。在此閉鎖功能使用中，系統(tǒng)可自動(dòng)記錄操作流程，利用監(jiān)督認(rèn)可、防誤閉鎖板塊，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)閉鎖操作性能[2]。

3 城市軌道交通變電所綜合自動(dòng)化組網(wǎng)分析

3.1 變電所常用綜合自動(dòng)化組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.1.1 光纖環(huán)網(wǎng)接線

城市軌道交通變電所自動(dòng)化組網(wǎng)中，系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用光纖環(huán)網(wǎng)接線的目的，是為預(yù)防網(wǎng)絡(luò)體系中光纖網(wǎng)絡(luò)連接線斷裂時(shí)，對(duì)變電所內(nèi)部區(qū)域造成的安全隱患。此種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)可有效防治某處故障對(duì)城市軌道交通整體電網(wǎng)的影響，有助于將網(wǎng)絡(luò)故障控制在冗余模式中。再者，光纖環(huán)網(wǎng)接線結(jié)構(gòu)，可幫助變電所通信系統(tǒng)核查光纜中的故障位置。具體指變電所光纜產(chǎn)生故障后，相關(guān)人員能夠利用環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、冗余配置獲取相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并且針對(duì)性排查故障點(diǎn)，保證變電所網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性。另外，光纖環(huán)網(wǎng)接線這一組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可將原有的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)拓?fù)涓淖?，轉(zhuǎn)換到總線型，以維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定性。但是根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，變電站報(bào)文延時(shí)不能大于4 ms，在現(xiàn)有自動(dòng)化組網(wǎng)中，僅有少數(shù)品牌電網(wǎng)設(shè)備滿足該標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)接線成本較高。

3.1.2 光纖星形接線

光纖星形接線在城市軌道交通變電所綜合自動(dòng)化組網(wǎng)中的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)，主要在于組網(wǎng)成本、網(wǎng)絡(luò)通信、調(diào)試流程。首先，成本較低。相較于光纖環(huán)網(wǎng)，采用此種組網(wǎng)接線方式時(shí)，交換機(jī)數(shù)量隨之減少。比如在光纖環(huán)網(wǎng)接線中，需利用2～3臺(tái)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)支撐變電站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，而光纖星形組網(wǎng)中，對(duì)交換機(jī)數(shù)量、型號(hào)配置要求較少。其次，網(wǎng)絡(luò)通信具有實(shí)時(shí)性。光纖星形接線中，各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信的延時(shí)性明顯低于光纖環(huán)網(wǎng)。并且星形接線網(wǎng)絡(luò)本身的愈合時(shí)間，符合變電所二次設(shè)備繼電保護(hù)裝置運(yùn)行時(shí)操作數(shù)據(jù)交換的要求。最后，調(diào)試流程簡(jiǎn)單。變電所自動(dòng)組網(wǎng)中，采用星形接線的變電站系統(tǒng)在調(diào)試時(shí)，可按照系統(tǒng)排列，逐一對(duì)系統(tǒng)展開(kāi)調(diào)試。比如其調(diào)試步驟可在分別為35 kV、DC 1500V、400 kV等開(kāi)關(guān)柜，以及鋼軌電位限制設(shè)備后，接入變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)。但在某一中間調(diào)試環(huán)節(jié)受阻時(shí)，其他系統(tǒng)則無(wú)法準(zhǔn)時(shí)接入系統(tǒng)中。

3.1.3 雙星形接線

針對(duì)城市軌道交通變電所綜合自動(dòng)化組網(wǎng)中，環(huán)網(wǎng)接線、星形接線的優(yōu)勢(shì)、不足之處，在城市軌道交通體系中，相關(guān)人員可選用雙星形接線方式，構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信層，優(yōu)化綜合自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此種接線形式可在集成環(huán)網(wǎng)、星形接線優(yōu)勢(shì)后，使變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)具備以下功能。第一，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排查故障點(diǎn)，并使用普通交換機(jī)代替環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，控制組網(wǎng)成本。第二，確保網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性、調(diào)試流程的簡(jiǎn)單化。第三，在通信接口板塊，靈活鋪設(shè)普通交換機(jī)，解決交換機(jī)兼容問(wèn)題。

3.2 城市軌道交通變電所自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于自動(dòng)化組網(wǎng)，城市軌道交通變電所系統(tǒng)建立時(shí)，是由站級(jí)管理層、間隔設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層構(gòu)成。相關(guān)人員可利用“站級(jí)管理層”綜合監(jiān)測(cè)變電所內(nèi)部設(shè)備，控制設(shè)備報(bào)警功能，同時(shí)使其負(fù)責(zé)管理綜合監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化系統(tǒng)中的工作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，具體包括自動(dòng)化屏幕、以太網(wǎng)交換機(jī)、智能測(cè)控裝置等。而在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信層，可作為變電所管理層、間隔設(shè)備層信息溝通渠道，光纜、通信、光電轉(zhuǎn)換裝置是網(wǎng)絡(luò)通信層的主要組成部門(mén)。間隔設(shè)備層是城市軌道交通變電所自動(dòng)化系統(tǒng)中的重要結(jié)構(gòu)，該層承擔(dān)著測(cè)控、保護(hù)站內(nèi)功能設(shè)備的責(zé)任。因此，各設(shè)備監(jiān)護(hù)單元需由以太網(wǎng)接口區(qū)域，將交換機(jī)接入，以保證控制顯示屏、光纜的有效連接，其設(shè)計(jì)模式主要為光纖縱聯(lián)差動(dòng)、電流選跳主保護(hù)兩種類型。

除此之外，在該系統(tǒng)各設(shè)備單元中，技術(shù)人員會(huì)增設(shè)獨(dú)立的微機(jī)保護(hù)裝置，以便于系統(tǒng)運(yùn)維人員控制、保護(hù)電力設(shè)備，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，且各設(shè)備單元故障產(chǎn)生后，因微機(jī)保護(hù)裝置的獨(dú)立性，可確保設(shè)備故障不影響其他裝置正常使用。同時(shí)在站級(jí)管理層中，相關(guān)人員可在數(shù)據(jù)采集、設(shè)備參數(shù)變化中，設(shè)計(jì)綜合控制屏、智能測(cè)控等設(shè)備測(cè)控單元，完成設(shè)備監(jiān)控、管理、通信信息處理等基礎(chǔ)性任務(wù)。并且在智能模擬盤(pán)、交換機(jī)、通信電纜等裝置的協(xié)同作用下，實(shí)現(xiàn)間隔設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層與站級(jí)管理層的數(shù)據(jù)共享，確保城市軌道交通變電所自動(dòng)化系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，由于城市軌道交通變電系統(tǒng)中，設(shè)備類型的多樣化特點(diǎn)，以及設(shè)備監(jiān)管需求的差異性，在變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)建立中需合理選擇實(shí)際組網(wǎng)方式，以保證組網(wǎng)設(shè)計(jì)后，設(shè)備能夠在分層控制中更為可靠、安全地運(yùn)行，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求。在城市軌道交通變電綜合自動(dòng)化組網(wǎng)中，相關(guān)人員還應(yīng)考慮組網(wǎng)設(shè)備運(yùn)用中的能耗問(wèn)題，以完善城市軌道交通變電所運(yùn)營(yíng)管理體系。