韓志杰

(北京城建設(shè)計研究總院有限責任公司，100037，北京∥工程師)

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動控制技術(shù)在城市軌道交通的迅猛發(fā)展，變電所綜合自動化技術(shù)得到了長足的進步，變電所綜合自動化系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)也得到進一步完備和優(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，對組網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式的安全、高效、可靠、經(jīng)濟等方面也提出了更高的要求。筆者根據(jù)工程設(shè)計中的心得以及所了解的工程施工、運營情況，結(jié)合重慶軌道交通1號線(朝天門—沙坪壩)工程和成都軌道交通1號線工程，通過對比分析，進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號線(朝天門—沙坪壩)工程變電所自動化系統(tǒng)

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

重慶軌道交通1號線變電所自動化系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。納入變電所綜合自動化系統(tǒng)的每臺一次設(shè)備單元對應(yīng)于一個獨立微機保護測控裝置，負責設(shè)備的保護、測量、控制等。任何設(shè)備單元的綜合保護測控裝置發(fā)生故障，均不影響其他設(shè)備單元裝置的運行。站級管理層為設(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控單元，包括變電所當?shù)乇O(jiān)控人機界面、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)備完成對所內(nèi)保護和測控設(shè)備的監(jiān)視、控制、日常管理及通信處理功能。網(wǎng)絡(luò)通信層實現(xiàn)站級管理層與間隔設(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。間隔設(shè)備層主要包括各種測控、保護及操作按鈕等功能設(shè)備。

2 成都軌道交通1號線工程變電所自動化系統(tǒng)

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

成都軌道交通1號線變電所自動化系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。站級管理層實現(xiàn)變電所控制室對本車站變電所設(shè)備的監(jiān)視、報警功能，并負責變電所綜合自動化系統(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、工作站、自動化屏、智能測控單元等設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)通信層實現(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)備層實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、測量等功能，包括35 kV交流保護測控單元、0.4 kV交流保護測控單元、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)測裝置等設(shè)備。

圖1 重慶軌道交通1號線變電所自動化系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖2 成都軌道交通1號線變電所自動化系統(tǒng)構(gòu)成圖

3 兩種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的對比分析

3.1 光纖環(huán)網(wǎng)接線方式的優(yōu)點

對圖1和圖2進行比較分析可知，光纖環(huán)網(wǎng)接線方式通信系統(tǒng)具有可自動排除環(huán)網(wǎng)光纜單點故障的優(yōu)點。當環(huán)網(wǎng)光纜任何一點發(fā)生故障時，可通過冗余配置的環(huán)網(wǎng)交換機繼續(xù)接收數(shù)據(jù)及排除故障，自動實現(xiàn)拓撲改變切換到總線型，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

星型接線方式有諸多優(yōu)點:

(1)成本相對較低。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交換機。光纖環(huán)網(wǎng)接線方式需要2臺環(huán)網(wǎng)交換機來控制環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，并且環(huán)網(wǎng)交換機的價格比普通交換機要高很多。

(2)網(wǎng)絡(luò)通信實時性好。星型接線節(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)通信延時低于環(huán)網(wǎng)接線;星型接線網(wǎng)絡(luò)中的自愈時間可滿足繼電保護裝置之間數(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標準中要求報文延時小于4 ms，而目前已知能達到這個標準的只有少數(shù)品牌，這樣就加大了環(huán)網(wǎng)接線方式的成本。

(3)調(diào)試階段程序相對簡單。采用星型接線方式的變電所自動化系統(tǒng)往往是逐個系統(tǒng)進行調(diào)試，如調(diào)試順序為35 kV開關(guān)柜、1 500 V開關(guān)柜、400 V開關(guān)柜、鋼軌電位限制裝置等。環(huán)網(wǎng)接線方式調(diào)試則相對復雜，例如，當調(diào)試到35 kV環(huán)網(wǎng)的中間環(huán)節(jié)，而其他系統(tǒng)未開始調(diào)試時，就存在無法接入變電所自動化系統(tǒng)的情況。

3.3 雙星型接線方式的特點

通過分析星型、環(huán)網(wǎng)接線方式通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點，提出采用雙星型接線方式來構(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。

(1)可自動排除單點故障。

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

(3)網(wǎng)絡(luò)通信實時性好。

(4)調(diào)試階段程序相對簡單。

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

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)備層中壓保護裝置組網(wǎng)分析

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

本文針對間隔設(shè)備層中中壓開關(guān)柜保護裝置(保護環(huán)網(wǎng)線路)展開分析。

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

光纖縱聯(lián)差動保護是以電流比較為基礎(chǔ)的。在線路的兩端各安裝一臺保護裝置，兩側(cè)的保護裝置分別測量本地的電流;同時通過光纖連接，將對側(cè)的電流參數(shù)傳到本地保護裝置中進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量精度和導線損耗等);當比較電流的差值超出設(shè)定的整定值時，線路兩端的斷路器會同時跳閘，用以切除故障。所以，光纖縱聯(lián)差動保護是一種矢量保護。

電流選跳保護是在光纖縱聯(lián)差動保護的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。其與傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護的不同之處在于，保護與保護之間比較的是保護信息，即保護聯(lián)跳信息、開關(guān)閉鎖信息、開關(guān)量信息等，同時使這些信息參與到邏輯編程中。當區(qū)間線路發(fā)生線路故障、接地等情況時，線路兩端的保護繼電器檢測線路中流過的電流是否達到其設(shè)定的判據(jù)電流啟動值，并將此信號通過光纖在兩裝置間進行傳遞，在保護裝置的內(nèi)部進行邏輯判斷，快速判別線路故障區(qū)段，實現(xiàn)選擇性地快速切除故障線路。

綜上所述，對于光纖縱聯(lián)差動保護，光纖傳輸?shù)氖请娏魇噶?，是模擬量，對傳輸質(zhì)量及光纖兩端保護裝置的對時精度要求較高;而對于電流選跳保護，光纖傳輸?shù)氖菙?shù)字量，對保護裝置的對時精度要求不高，且數(shù)據(jù)不會隨時間實時變化。從性能上比較，對于主保護動作時間，光纖縱聯(lián)差動保護能做到10～20 ms，而電流選跳保護為30～35 ms，比光纖縱聯(lián)差動大一個電力周波;對于主保護失靈啟動后備保護，光纖縱聯(lián)差動+后備過流保護的動作時間在600～1 200 ms之間，而電流選跳保護則在200～400 ms之間。因此，光纖縱聯(lián)差動主保護動作比電流選跳保護要快;而在主保護失靈后，兩種方式啟動后備過流保護的時間很接近?？傊?，對于環(huán)網(wǎng)線路保護，光纖縱聯(lián)差動保護和電流選跳保護各有優(yōu)缺點。光纖縱聯(lián)差動保護對于傳統(tǒng)線路保護的優(yōu)勢在于原理簡單、反應(yīng)速度快，但環(huán)網(wǎng)后備保護級差問題較難解決。采用一個后備過流保護近區(qū)加速跳閘(簡稱“近區(qū)速動”)也能解決光纖縱聯(lián)差動保護方案后備過流保護時間級差配合問題，但價格方面比電流選跳保護方案要高。

［1］蔡文泉.一種牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)通信方案［J］.電氣化鐵道，2010(3):14.

［2］徐建.變電所綜合自動化系統(tǒng)功能完善方案［J］.電氣化鐵道，2010(4):36.

［3］姚剛，張云，傅寶文.軌道交通供電系統(tǒng)中兩種保護方案的技術(shù)比較［J］.賽爾電力自動化，2009(85):71.

［4］GB 50157―2003地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］北京城建設(shè)計研究總院有限責任公司.重慶軌道交通一號線(朝天門—沙坪壩段)工程供電系統(tǒng)設(shè)計文件［G］.北京:北京城建設(shè)計研究總院有限責任公司，2009.

［6］于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計原理與應(yīng)用［M］.成都:西南交通大學出版社，2008.