铁路变配电所综合自动化系统

铁路变配电所综合自动化系统周嘉宁 （中铁建柳州勘察设计院，工程师，广西 柳州 ）摘 要：鉴于综合自动化技术在铁路变配电所的应用，对提高贯通（自闭）线供电的可靠性，保障铁路远输安全起到了关键的作用，因此结合以往设计的工程项目，简单阐述铁路变配电所综合自动化系统的构成、功能特点，以足进其在今后铁路变配电所技术改造中得到推广应用。 关键词：变配电所；综合自动化系统；贯通（自闭）线；以太网；现场总线从上个世纪九十年代末开始，新建的铁路变配电所己开始使用微机监控与微机保护装置，由于受当时的计算机控制、网络通信技术的限制，远程调度与各变配电所、变配电所后台机与保护、测控之间的传输速度没有达到预想效果，不同厂家的设备甚至出现不能组网的现象。随着高性能的32位单片机和嵌入式双以太网通信技术的应用，集保护、测控功能一体化装置的推出，结合贯通（自闭）线小站测控装置（FTU）及真空断路器的配合使用，微机综合自动化系统在不断更新换代，并逐步在铁路变配电所得到了广泛的应用。变配电所网络通讯由简单的串行通讯技术过渡到工业控制现场总线技术、到现在以太网通信网络技术的推广，铁路变配电所综合自动化程度有了很大提高，新建项目不但少占用土地，节约控制电缆，降低工程造价，而且能大量减少设备的故障率，提高了系统的可靠性及可维护性。并可通过路局（或供电段）调度中心，对布置在铁路沿线变配电所的设备进行远程监控、测量、改变保护定值，实现无人值守。1 综合自动化系统结构铁路变配电所综合自动化系统采用成熟的全分布、开放式系统结构，系统由间隔层的分散保护测控单元和站控层的主控单元及后台监控系统组成。各装置可以不依赖网络而独立完成对主设备的各种保护、监控，各个系统功能完全独立，通过不同的通信网互联，可组成性能特点不同的系统结构。近年最常用的有以下两种系统结构。1.1间隔层通信采用现场总线系统结构1系统由后台工控机（主控单元）、通信管理机、间隔层的分散保护测控单元组成（如图1）。当只需要单后台机时，可以取消通信管理机。主控单元与间隔层设备之间的物理连接为总线型或星型。间隔层设备之间的通信连接可采用光纤也可是屏蔽双绞线。该结构的优点是系统结构简单，相对于以太网结构造价低。缺点是当变电站的通讯接点超过一定数量时，响应速率会迅速下降，当所内某个测控单元发生故障后有可能影响全所系统的正常运行。缺乏统一的国际标准，会出现不同厂家的设备联不成一个统一的监控网的可能，即使能联成网，其远控功能的响应速度也无法达到规范要求。系统主要用于开关数量较少、不要求远方监控的铁路沿线配电所。通信管理机双工控机+显示器+打印机调度中心 智能设备接口全站公用单元（组屏安装）10kv馈线保护测控装置（安装在高压柜）变压器保护 测控装置（组屏安装）35kv馈线保护测控装置（组屏安装）图1 综合自动化现场总线系统结构示意图1.2间隔层通信采用以太网系统结构 2系统由后台工控机（主控单元）、以太网交换机、通信管理机、间隔层的分散保护测控单元组成（如图2）。主控单元与间隔层设备之间的物理连接为环型或星型。间隔层设备之间的通信连接可采用光纤也可是屏蔽双绞线（既可单网也可双网）。该结构最大的优点是克服了现场总线的缺点，给变配电所系统通信提供了一个高速、灵活、可靠、开放的平台，不同厂家设备与主保护厂家设备的运行软件严格分开，所内任何不同厂家的装置发生故障或损坏，系统会自动将该装置隔离，大大提高变配电所综合自动化系统的可靠性及抗干扰性。该结构形式近年在铁路变配电所及地方变配电项目得到大量应用。 缺点是相对于总线型结构造价要高。该系统主要用于通信接点多、数据量大、需远方监控的变配电所。以太网交换机调度中心双工控机+显示器+打印机通信管理机智能设备接口全站公用单元（组屏安装）10kv馈线保护测控装置（安装在高）变压器保护测控装置（组屏安装）35kv馈线保护测控装置（组屏安装）图2 综合自动化以太网系统结构示意图2 系统主要组件的特点和功能保护测控装置及后台监控系统是变配电所综合自动化系统主要部件，以下就它们的主要特点和功能作系统介绍。2.1保护测控装置2.1.1主要特点1(1)集保护、测量、监视、控制、通信等多功能于一体，一台装置即可完成柜内所有自动化功能。(2)高性能的通用硬件平台，采用32位微处理器加数字信号处理机（DSP）的双CPU结构，具有很强的实时处理能力、很高的可靠性和抗静电、抗干扰能力。既可分散安装于开关柜上，也可集中组屏安装。(3)软件平台采用C语言编程，功能稳定可靠，方便升级维护。模块化程序设计使保护功能配置更灵活，可满足不同用户的个性化需求。具有完善的自诊断功能，无可调节器件，现场免维护。(4)使用开放式的TCP/IP通信协议，嵌入式双网接口灵活配置,任一接口可配置成以太网、CAN、RS485，支持IEC60870-5-103、MODBUS等通信规约。 2.1.2保护测控装置的主要功能13(1)保护及自动功能。现有微机保护设备生产厂家的馈线保护装置保护功能均比较齐全，具有电流III段、零序过流III段、过负荷、过电压、低电压等保护和三相（多次）重合闸功能。向铁路贯通（自闭）线供电的变（配）电所馈线保护装置除需满足以上保护功能外，还必须具有备自投功能。铁路变（配）电所向贯通（自闭）线供电分主供所、备供所，由主供所向贯通（自闭）线供电。备供所作备供。当贯通（自闭）线发生临时故障，主供所断路器跳闸，线路失压。备供所检测到贯通（自闭）线失压，在备供所母线有压的情况下，备供所断路器快速自动投入，贯通（自闭）线带电。主供所检测到线路有压，则重合闸放电，闭锁重合闸，由备供所向线路供电。这时备供所自动转变为主供所，原主供所自动变为备供所。当贯通（自闭）线发生永久故障，主供所断路器跳闸，线路失压。备供所检测到贯通（自闭）线失压，在备供所母线有压的情况下，备供所断路器快速自动投入，断路器合闸送电到故障线路上，备供所保护动作，断路器跳闸，通过沿线小站测控装置（FTU），将离故障点最近的真空断路器（跳闸后）闭锁，备供所起动重合闸，向无故障一段线路恢复供电。主供所经重合闸控制回路延时，在检测到母线有压、线路无压时，一次重合闸动作，断路器合闸送电到永久故障线路上，断路器加速跳闸，同时通过沿线小站测控装置（FTU），将离故障点最近的真空断路器（跳闸后）闭锁，主供所起动二次重合闸，向无故障的另一段线路恢复供电。通过主、备供所的重合闸和备自投的相互配合，能在最短的时间内将故障线路区段定位、隔离，由主、备供所分别向非故障区段线路恢复供电。(2)测量及计算功能。能测量电流、频率、有功（无功）功率、功率因数、电压动态值，计算有功（无功）积分电度值。(3)控制功能。控制断路器分合闸，包括就地/远方操作及闭锁、分/合闸线圈保护动作信号输出、外部联动控制、防误操作、相关回路的电气联锁、防越级跳闸；功率因数自动补偿、变（调压）器分接头自动调节、自动切换。(4)监视功能。监视断路器触头位置、接地刀、隔离开关、手车工作、试验位置；显示弹簧储能状态、SF6气体压力，温度、瓦斯、电气联锁信号；控制电源失电、合闸/跳闸回路断线、CT/PT断线、装置自检，发生异常告警。(5)统计功能。统计断路器运行时间及分合闸次数、分合闸动作时间、合闸出口动作到断路器的触点返回时间等。(6)事件记录及故障录波。其具有事件记录、故障录波功能，停电不丢失。任何原因启动录波后，记录8个周波的采样值，启动前3个周波，启动后5个周波，每周16点采样。2.2后台监控系统12.2.1 特点 采用工控机作为硬件平台，操作系统采用Windows，监控主机的应用软件采用集成化保护监控系统平台，该平台具有强大的、灵活的组态能力，对间隔层的各种智能化设备具有完全的防问和控制能力。2.2.2 主要功能(1)对管理的设备进行系统组态，与间隔层的各种智能化设备之间实现通信互连及数据交换，完成上级调度、站控层、间隔层之间所有通信规约的转换，给上级调度系统提供标准的IEC60870-5-103、MODBUS等通信规约。(2)采集一次系统的开关量、摸拟量、脉冲量、数字量及其它非电气量，并进行统计计算、处理、保存、显示。(3)发送控制操作命令，通过现场各自动化设备的出口继电器控制各可控开关的分合，调节有栽调压器分接头、自动无功补偿、变压器冷却风扇的启停。(4)实时显示电力系统各种图形，包括一次系统主接线图、潮流图、负荷曲线图、捧图、系统运行状态图、实时数据表格以及定值参数表等，并提供相应智能软件对各种图形进行编辑。(5)记录操作事件、事故、运行参数、定值修改等，能自动生成日报表、月报表、年报表，并可由值班人员自由设置报表。(6)采用不同的颜色标识不同的报警记录和对象，各类型报警可分为：操作变位、事故变位、事件记录、遥控操作、遥测越限、节点状态、保护事件等，并提供优先级的语音报警和自动推出事故处理参考意见。(7)防误操作：断路器、隔离开关、接地刀闸之间的相互闭锁；具有操作返校功能；具有可设置挂牌闭锁操作断路器分、合闸功能；外部信号闭锁分、合闸，SF6气压信号、弹簧操作机构储能信号、液压信号等。(8)安全子系统：对不同值班人员按其级别赋予不同的权限，任何操作前都需用户进行身份确认，不具备该权限的人员禁止其操作。在用户进行操作结束后自动将其操作内容记录入历史数据库，以备查询时使用。(9)打印功能：分正常打印和异常打印，启动方式为定时、人工启动和事件驱动。系统经设置后自动或手动打印各类告警事件、报表、图形、历史记录等。(10)能完成操作票的生成、预演及打印。(11)历史查询：可自行编辑查询条件对历史事件记录进行检索。(12)具备软件、硬件（GPS）对时的功能。3结束语通过这几年对现有变配电所综合自动化技术改造升级，使得路局供电部门安全生产、技术管理水平、供电质量都有大幅提高。在今后新项目系统选型时，一方面应考虑产品的实用性、适应性、安全性、可靠性，另一方面更应考虑系统是否具有先进性、开放性、容错性、扩展性，使得综合自动化系统能实现对变配电所可靠、合理、完善的监视、测量、控制、运行管理，并具有遥测、遥信、遥调、遥控等全部远动功能。参考文献1 中国航空