一種簡單的環(huán)網(wǎng)供電方案的研究

摘 要：本文介紹了一種簡單環(huán)網(wǎng)供電方案及相應(yīng)的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的構(gòu)成原理及可靠性分析，為城市軌道交通的環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)提供了另一種選擇方案。
關(guān)鍵詞：環(huán)網(wǎng)供電、配網(wǎng)自動化
一、前言
我國已經(jīng)建成的地鐵及輕軌的供電系統(tǒng)基本采用集中供電方式，電壓等級有兩種模式：一種是110kV/35kV/10kV的三級電壓供電模式；另一種是110kV/35kV兩級電壓供電模式。經(jīng)過技術(shù)、投資等比選后，兩級電壓集中供電方案逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，成為現(xiàn)代城市軌道交通供電系統(tǒng)的主流。這種供電系統(tǒng)不論是供電質(zhì)量，供電可靠性，損耗等各項指標(biāo)，都是比較優(yōu)越的。在保護配置方面，環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)一般設(shè)置縱差保護及電流保護。當(dāng)某段環(huán)網(wǎng)電纜發(fā)生短路故障時，縱差保護作為主保護能迅速區(qū)分故障段，保證了非故障段的正常供電。然而，根據(jù)廣州、上海、北京、天津等城市地鐵的運營經(jīng)驗來看，發(fā)生環(huán)網(wǎng)電纜故障的概率實際上比較低，而現(xiàn)行方案雖然性能高，但投資也比較高。本文試圖提出一種簡單的環(huán)網(wǎng)供電方案，降低工程造價。
二、簡單環(huán)網(wǎng)供電方式
實際上，現(xiàn)行的環(huán)網(wǎng)兩級電壓集中供電方式的核心是多支路分束供電，由主變電所35kV母線分別引出幾個供電支路，每個支路可掛接3個左右的牽引降壓變電所；有來自不同變電所的兩個支路通過分段開關(guān)互相聯(lián)通，保證當(dāng)一個主變電所解裂時另一個主變電所的支援供電。這種供電系統(tǒng)的主要特點是環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線均為斷路器，環(huán)網(wǎng)電纜的主保護為縱差保護。對于簡單環(huán)網(wǎng)供電來說，核心內(nèi)容是將環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線斷路器更換為三工位電動隔離開關(guān)，相應(yīng)地取消35kV環(huán)網(wǎng)電纜光纖縱差保護，如圖一所示。這種方案的特點是投資大幅降低，環(huán)網(wǎng)故障時電流保護跳閘時間短，保護配合容易實現(xiàn)；缺點是故障后倒閘作業(yè)時間相對較長，大約4~6秒，比進(jìn)出線為斷路器的方案略長2~3秒。也就是說，在機車運行過程中如果發(fā)生環(huán)網(wǎng)饋線故障，在6秒鐘內(nèi)應(yīng)該保證故障判斷、故障區(qū)段的迅速切除以及備用電源的自動投入，而6秒鐘的時間機車不會馬上停止滑行，這樣在機車運行過程中即能保證重新受電。要保證這一點，我們必須引入配網(wǎng)自動化系統(tǒng)。
實際上與這種環(huán)網(wǎng)供電方案相配套的是一套實現(xiàn)站間信息傳輸?shù)木C合配網(wǎng)自動化系統(tǒng)，它是在主變電所及各牽引降壓變電所的綜合自動化系統(tǒng)的控制信號盤內(nèi)安裝有智能通信模塊，模塊間通過光纖連接，以實現(xiàn)同一束供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所間信息資源共享。配網(wǎng)自動化系統(tǒng)用于實現(xiàn)同一配電網(wǎng)絡(luò)支路的各變電所上位機之間的數(shù)據(jù)采集與控制，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理。對于智能通信模塊，應(yīng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，SOE，校時，數(shù)據(jù)接收和傳送功能以及控制功能。對于主變電所的智能通信還應(yīng)能進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測、追憶、自動裝置功能等。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)可采用共線或首尾相連的自愈型環(huán)網(wǎng)連接方式。主變電所上位機負(fù)責(zé)詢問和接收各牽引降壓變電所的被控對象的實時位置、測量值，并對被控對象實現(xiàn)自動控制，采集方式可以采用輪詢或主動上報兩種模式，正常情況下采用輪詢方式，當(dāng)有重要時間發(fā)生時（如采用故障信息或開關(guān)變位）時，采用主動上報方式，保證重要事件的實時性。對于各牽引降壓變電所的控制信號盤中的智能通信單元的功能要求如下：
（1）SOE功能：記錄系統(tǒng)狀態(tài)量變化的時間和先后順序，每一記錄點均帶時標(biāo)。
（2）對時功能：接收、判斷控制中心GPS對時信號。
（3）通信功能：可采用CANBus，以太網(wǎng)接口，專用MODEM和RS485總線模式，抗干擾能力較強。
（4）自診斷功能：裝置自動檢測設(shè)備本身運行狀態(tài)，自身故障時可及時上報告警。
（5）電流及電壓數(shù)據(jù)采集功能：能采集各相電流及母線電壓，并能進(jìn)行電流方向判斷。
（6）故障檢測功能：裝置根據(jù)采集電流的大小及設(shè)置的定值能快速做出故障判斷，甚至間隙性故障的判斷，并能將故障信息、性質(zhì)主動上報主變電所上位機。
（7）保護功能：該裝置具有保護功能及滿足保護裝置所要求的速動性，靈敏性，可靠性的參數(shù)要求。
（8）數(shù)據(jù)存儲功能：定值數(shù)據(jù)具有存儲及掉電保持功能。
（9）故障分析功能：主變電所的智能通信單元能根據(jù)各變電所的上送信息判斷出故障電纜區(qū)段。
（10）遠(yuǎn)程通信功能：能將相關(guān)信息上送SCADA控制中心主站。
三、短路保護及自動裝置功能分析
附圖一表示了環(huán)網(wǎng)供電的一種情況，即主變電所的兩條饋線向各牽引降壓變電所供電。正常運行時所有進(jìn)出線電動隔離開關(guān)均處于合閘位置；當(dāng)J點發(fā)生短路故障時，主變電所斷路器A迅速斷開，A斷路器的保護信號啟動主變電所智能通信模塊，該智能模塊隨即查詢本供電網(wǎng)絡(luò)各上位機智能通信模塊的電流值及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判斷。很顯然，在J點至主所之間同一供電網(wǎng)絡(luò)中的所有檢測電流的地方都應(yīng)該保護動作信號，而F點沒有，因此主所可以判斷出故障是發(fā)生在E、F之間；接下來是切除故障了的環(huán)網(wǎng)電纜E、F段，并啟動相關(guān)所內(nèi)的母聯(lián)自投功能。母聯(lián)自投功能模式嵌入到變電所智能通信模塊中，這樣減少通信環(huán)節(jié)，提高了自動裝置功能的可靠性。母聯(lián)自投功能是分開出線電動隔離開關(guān)E及進(jìn)線隔離開關(guān)F，并自動合閘母聯(lián)斷路器H，母聯(lián)斷路器執(zhí)行完操作后自動合閘主變電所饋線斷路器，這一系列的操作均由主變電所智能通信單元指揮完成。

圖一 一種環(huán)網(wǎng)供電方案示意圖

當(dāng)圖中所示變壓器故障時，變壓器斷路器應(yīng)迅速斷開，對環(huán)網(wǎng)供電不受影響，但當(dāng)斷路器失靈時，由主變電所饋線作為后備跳閘，如果是這種情況，母聯(lián)斷路器則不進(jìn)行自動投切操作。
四、配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的可靠性分析
對于配網(wǎng)自動化系統(tǒng)有些關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如：電流輸入與采集，網(wǎng)絡(luò)通信，保護系統(tǒng)等，這些環(huán)節(jié)的好壞直接影響到牽引供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，下面分別加以分析，從而找出提高可靠性的方法。
（1）保護系統(tǒng)
保護系統(tǒng)相對獨立，在環(huán)網(wǎng)上任一節(jié)點故障時主變電所饋出線的保護均應(yīng)動作，保護迅速切除故障段，最快能達(dá)到0.7s。環(huán)網(wǎng)牽引供電系統(tǒng)的短路水平一般不超過7000A，對于單相短路，依據(jù)主變電所是小電阻接地還是接地變壓器的接線形式，這兩種方式一般不超過1000A；按照這兩種短路水平，電纜有一定承受能力，因此這種保護配置能使發(fā)生故障的環(huán)網(wǎng)電纜較快的從系統(tǒng)中退出運行，以最大限度地減少對一次設(shè)備的損壞，降低對供電系統(tǒng)安全供電的影響，在保證選擇性、靈敏性、速動性和可靠性的前提下大大簡化了保護配置。
（2）電流輸入與采樣環(huán)節(jié)的可靠性分析
電流采樣環(huán)節(jié)的故障主要有兩種可能：一種是電流互感器與上位機智能模塊之間的通路故障，這種故障發(fā)生時電流互感器可能已損壞，對于這種情況，假設(shè)J點發(fā)生故障，那么J到主所之間相應(yīng)隔離開關(guān)處均能檢測到故障電流，如果主所上位機未收到D處的故障電流值，而A-E之間的電流采樣點均能采集到故障電流，則可以認(rèn)為D處的電流采集回路發(fā)生了故障，環(huán)網(wǎng)故障判斷及自動投切功能均不應(yīng)受影響；如果隔離開關(guān)E處未檢測到故障電流，F(xiàn)處也未檢測到， A、B、C和D處均檢測到了，而實際上是J處發(fā)生了故障，則應(yīng)在主所斷路器A處發(fā)生故障跳閘后，只分開隔離開關(guān)D，并不進(jìn)行該所的母聯(lián)自投，但在末端所可分開隔離開關(guān)F后再進(jìn)行末端所的母聯(lián)自投，這樣只影響其中一個所的正常供電，對系統(tǒng)的運行影響不大。從另一個角度也可以表明，這種配網(wǎng)自動化系統(tǒng)適合于3~4個變電所為一組的環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)，這樣即使是這一組供電分區(qū)停電，對整個地下鐵道或輕軌的環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)的影響都是較小的。另一方面。如果當(dāng)J點發(fā)生故障，而此時主所到J點之間任何兩個電流采樣回路發(fā)生問題時系統(tǒng)仍能進(jìn)行正確的判斷。
另一方面，如果整個一個變電所的所有電流采樣回路均發(fā)生故障時，只有兩種可能，一種可能是通信模塊發(fā)生了故障，另一種可能是站間通信發(fā)生了故障。對于第一種可能，解決辦法是對通信模塊采用冗余配置模式，一個模塊故障時可自動切換到另一個模塊工作，或者采用非冗余配置模式，但一個模塊故障時應(yīng)閉鎖自動投切功能；另一種可能是通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了故障，為了避免這種故障，可以采用主備通道方案或共線的通信傳輸方式，可采用CANBus、DNP3.0及以太網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)規(guī)約模式，可采用輪詢、沖突檢測等多種網(wǎng)絡(luò)通信手段保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。
五、簡單環(huán)網(wǎng)供電支援方案
對于簡單環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)，供電支援系統(tǒng)如圖二所示，圖中當(dāng)SS1主變電所失電時，SS2主變電所向SS1主所支援供電，并通過SS1母線向原SS1主變電所的其它供電支路

圖二 簡單環(huán)網(wǎng)供電方案支援方案

支援供電。這里邊實際上是分析在SS2主變電所向SS1主變電所支援供電時，配網(wǎng)自動化系統(tǒng)是如何運行的。正常供電時SS1與SS2之間的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)是在分?jǐn)嚅_關(guān)處分區(qū)的，實際上在兩個主變電所之間，當(dāng)SS1失電，由SS2向SS1支援時，雖然有兩個網(wǎng)絡(luò)運行，但SS1側(cè)的網(wǎng)絡(luò)的工作模式應(yīng)有所改變，因為在SS1至分段開關(guān)之間的環(huán)網(wǎng)如果發(fā)生短路故障，SS1處的饋線開關(guān)是不會跳閘的，但此時相關(guān)故障電流信息是能夠上送SS1主變電所上位機智能模塊的，而且該信息可以經(jīng)該上位機模塊上送SCADA控制中心主站。鑒于此，我們可以得到兩種解決方案，一種是如果在支援供電時被支援區(qū)段發(fā)生故障，可由控制中心主站操作員指揮切除故障電纜區(qū)段，并恢復(fù)供電，這種方案使得配網(wǎng)自動化的網(wǎng)絡(luò)較簡單，但倒閘時間會延長，但考慮到已經(jīng)是兩重故障了，發(fā)生的概率已非常小，也是可以接受的。第二種辦法是在聯(lián)絡(luò)開關(guān)處將兩個自動化網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)在一起，并能通過遠(yuǎn)方/當(dāng)?shù)卦O(shè)置獨立或共同運行模式，也就是說，當(dāng)SS2向SS1支援時，SS2處的智能模塊可以訪問SS1供電區(qū)段的各點的電流信息，這種方案唯一的缺點是在兩個網(wǎng)絡(luò)合并時，網(wǎng)絡(luò)上掛接的節(jié)點數(shù)會增加，影響了網(wǎng)絡(luò)通信速度。比如CANBus，在網(wǎng)絡(luò)傳輸距離為1.3km時速度為50kbps，在網(wǎng)絡(luò)傳輸距離為30km時速率為5kbps，一般情況下SS1與SS2之間的傳輸距離為10km左右，速度有一定影響，但還是可以接受的。
六、對運營的影響
這種供電網(wǎng)絡(luò)對運營的影響主要是在倒閘作業(yè)、越區(qū)供電、故障判斷及恢復(fù)上，關(guān)鍵是操作時間及可靠性。對于SCADA操作來說，隔離開關(guān)與斷路器之間的聯(lián)瑣可以通過控制中心的軟件閉鎖實現(xiàn)，但是當(dāng)?shù)夭僮魅绾谓鉀Q安全聯(lián)瑣問題呢？因為配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的存在，變電所饋線斷路器的合分位信息能下傳到有關(guān)的變電所，在進(jìn)行隔離開關(guān)的操作時，應(yīng)先判斷變電所相應(yīng)饋線斷路器的位置后才能操作，這一安全閉鎖的判斷可以經(jīng)過上位機的軟件實現(xiàn)，如果這一環(huán)節(jié)失靈，而且遠(yuǎn)動操作也失靈，可以通過調(diào)度員工作票的形式解決。利用配網(wǎng)自動化的另一個好處是，在當(dāng)?shù)夭僮髦髯冸娝伨€開關(guān)時可先判斷下屬所內(nèi)相關(guān)三工位開關(guān)的狀態(tài)，如果三工位開關(guān)在接地位置，變電所饋線斷路器可拒絕合閘。
在這種環(huán)網(wǎng)供電方式下，正常倒閘作業(yè)可以這樣規(guī)定：先依次合閘環(huán)網(wǎng)隔離開關(guān)，再合閘主變電所相應(yīng)饋線斷路器，然后逐一合閘各相關(guān)變電所變壓器回路斷路器；合隔離開關(guān)命令可以由SCADA控制中心通過程控卡片操作，也可以利用主變電所上位機通過“廣播”方式同時向各相關(guān)變電所下達(dá)合閘命令。越區(qū)供電操作可由SCADA控制中心的調(diào)度員指揮調(diào)度。值得一提的是，因城市軌道交通系統(tǒng)的牽引降壓變電所大多屬于無人值班方式，主要的操作應(yīng)在控制中心，只有當(dāng)檢修時才有人去變電所，這時的操作以單控為主。
七、國產(chǎn)化分析
在這種簡單環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的兩個設(shè)備，三工位電動隔離開關(guān)和配網(wǎng)自動化系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步以及許多中外合資企業(yè)的誕生，開關(guān)設(shè)備的質(zhì)量有了顯著的提高，對于三工位電動隔離開關(guān)，不論是35kV等級的還是10kV等級的應(yīng)該說是成熟產(chǎn)品，相關(guān)有實力廠家都有可靠產(chǎn)品。關(guān)鍵的參數(shù)是操作次數(shù)，因隔離開關(guān)為無載型的，其操作壽命一般較長；另外可以采用AIS小車式的電動隔離開關(guān)。值得一提的是，目前尚無35kV負(fù)荷開關(guān)，而10kV負(fù)荷開關(guān)則屬于成熟產(chǎn)品，國產(chǎn)設(shè)備性能也有很大的提高，所以對于10kV環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)來說，應(yīng)優(yōu)先選用負(fù)荷開關(guān)，這樣環(huán)網(wǎng)恢復(fù)供電的操作順序合乎人們的習(xí)慣。
隨著微機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，綜合自動化系統(tǒng)的技術(shù)含量和可靠性越來越高，我國在微機方面的發(fā)展速度相當(dāng)快，尤其是SCADA系統(tǒng)等技術(shù)已經(jīng)取代了有關(guān)國外供貨商，為我們在工程中可靠地應(yīng)用提供了良好的保證。目前配網(wǎng)自動化系統(tǒng)在上海等城市小區(qū)供電及城市供電系統(tǒng)中已經(jīng)得到了應(yīng)用，生產(chǎn)配網(wǎng)自動化的廠家由引進(jìn)技術(shù)到發(fā)展擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品過程已經(jīng)完成，因此該技術(shù)在城市軌道交通系統(tǒng)上的應(yīng)用不會成為瓶頸問題。
八、工程的可實施性
該方案的技術(shù)難度并不復(fù)雜，接口主要有電流數(shù)據(jù)采集部分及站間數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，需要少許電纜和光纖轉(zhuǎn)接工作，對于電纜連接屬于常規(guī)的工程施工，光纖接口相對較復(fù)雜，需要光纖轉(zhuǎn)接盒等設(shè)備及工藝，但這項技術(shù)可以通過工廠化施工方法解決，也就是說尾纖等可在工廠提前制作，現(xiàn)場安裝，這種施工在廣州地鐵及上海地鐵等各大工程中都已得以應(yīng)用，因此具有工程可實施性。
九、結(jié)束語
這種簡單環(huán)網(wǎng)供電方式與現(xiàn)行供電方式?jīng)]有太大的區(qū)別，只是將斷路器換成三工位電動隔離開關(guān)或負(fù)荷開關(guān)，同時取消縱差保護，因此只是環(huán)網(wǎng)運行方式發(fā)生了變化。這種設(shè)計的主要特點是環(huán)網(wǎng)設(shè)備簡單，投資低，工程量小，施工周期短，自動化程度高，尤其是對于10kV環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)，由于有成熟的10kV負(fù)荷開關(guān)產(chǎn)品，使得環(huán)網(wǎng)供電的操作靈活性有了顯著的提高；主要缺點是倒閘時間較長，但考慮到環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)的設(shè)備平時很少操作，并且環(huán)網(wǎng)電纜故障率較低，這種方案也是一種選擇。