孝柳鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

郭國芳，王麗娜

(1.神華集團(tuán)神朔鐵路分公司，陜西神木 719316;2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司機(jī)動(dòng)院，北京 100055)

1 工程概況

孝柳鐵路位于山西省中西部呂梁地區(qū)，東起國鐵介西支線孝西站，經(jīng)由孝義市、汾陽市、中陽縣、呂梁市、柳林縣，西至孝柳鐵路終點(diǎn)穆村站，全長約115.4 km。有全長約300 km的10 kV電力自閉線、貫通線各1條，10 kV自閉、貫通配電所2座，分別為孝西配電所和中陽配電所。

2 現(xiàn)有技術(shù)分析

配電調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將鐵路配電所及車站行車信號(hào)樓兩路電源和自閉、貫通電線路高壓開關(guān)站納入調(diào)度監(jiān)控。由設(shè)在配電所內(nèi)的RTU(Remote Terminal Unit，遠(yuǎn)程終端裝置)和車站信號(hào)樓內(nèi)的FTU(Feeder Terminal Unit，饋線自動(dòng)化測控終端)，通過撥號(hào)方式與調(diào)度端相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)基本的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，并根據(jù)電抗法對(duì)線路的短路和接地故障查找及定位［1］。

電抗法的理論依據(jù)是假定線路上的電抗是均勻分布的，而實(shí)際上鐵路上自閉和貫通電力線路上，由于存在較多的電力電纜，會(huì)造成線路電抗分布的非線性。且發(fā)生短路、接地故障時(shí)，故障處的接觸電阻、電抗值隨機(jī)性很大，該方法在實(shí)際使用中有較大誤差，不能準(zhǔn)確判斷故障區(qū)段，抗干擾性差，不具備電力線路故障隔離功能［2］。

調(diào)度端主站多采用微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行后臺(tái)處理，而微機(jī)的操作系統(tǒng)多采用微軟的Windows系統(tǒng)，雖然人機(jī)界面友好，但安全性和可靠性相對(duì)較差。

通道多使用撥號(hào)方式，也有的采用電力載波作為通信通道，抗干擾能力差，這些極大地限制了整個(gè)系統(tǒng)的使用和功能的發(fā)揮。

3 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)⒏?、低壓供電設(shè)備、用電負(fù)荷的變化參數(shù)納入遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控范圍之內(nèi)，具備設(shè)備故障準(zhǔn)確定位及自動(dòng)隔離功能［3］。

本線電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如下。

在孝西站裝設(shè)一套鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)(控制站)、配電所遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)終端裝置RTU(被控站)、車站信號(hào)樓 FTU(被控站)、自閉和貫通高壓真空負(fù)荷開關(guān)以及聯(lián)系它們的傳輸通道組成。計(jì)算機(jī)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)安裝在孝義站供電段調(diào)度控制中心，主要完成對(duì)各RTU和FTU采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析判斷處理、主控站的數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信、對(duì)配電所RTU和信號(hào)樓FTU的遠(yuǎn)程控制等功能。在孝西和中陽兩個(gè)配電所內(nèi)設(shè)置RTU，通過RTU實(shí)現(xiàn)調(diào)度控制中心對(duì)配電所的監(jiān)控管理。在沿線13個(gè)車站13個(gè)信號(hào)機(jī)械室內(nèi)的低壓電源配電箱處設(shè)置FTU，通過FTU將兩路信號(hào)電源納入調(diào)度控制中心的監(jiān)控范圍內(nèi)。在沿線13個(gè)車站的自閉、貫通10 kV高壓線路上各增設(shè)一臺(tái)高壓負(fù)荷開關(guān)，并通過設(shè)在相應(yīng)車站信號(hào)機(jī)械室內(nèi)的FTU，將這些開關(guān)納入調(diào)度控制中心監(jiān)控范圍內(nèi)。調(diào)度控制中心通過鐵通提供的專用光纖數(shù)字通道對(duì)被控站(配電所、車站信號(hào)機(jī)械室配電箱和高壓負(fù)荷開關(guān))進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)控制和監(jiān)視。配電所內(nèi)的斷路器、車站信號(hào)機(jī)械室內(nèi)配電箱的低壓開關(guān)和自閉、貫通高壓負(fù)荷開關(guān)均能進(jìn)行當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)動(dòng)操作，以備在數(shù)據(jù)通道故障時(shí)，對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行控制。電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

3.1 計(jì)算機(jī)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)(主控制站)

計(jì)算機(jī)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為設(shè)備核心，以功能為模塊，以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為單元進(jìn)行構(gòu)置［4］?？刂普驹O(shè)備由服務(wù)器、調(diào)度員工作站、終端服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備和相應(yīng)的人機(jī)接口設(shè)備，以及通道接口設(shè)備、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和文檔管理報(bào)表打印機(jī)、模擬盤、UPS設(shè)備、GPS設(shè)備等組成。

3.2 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)配電所遠(yuǎn)程控制終端(RTU)

在2個(gè)配電所內(nèi)各設(shè)置1套遠(yuǎn)程控制終端(RTU)，將所有保護(hù)及模擬量接入 RTU中，通過RTU的通信模塊與調(diào)度控制中心進(jìn)行通信，完成對(duì)配電所的遠(yuǎn)動(dòng)控制。

3.3 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)信號(hào)樓遠(yuǎn)程控制終端(FTU)

在13個(gè)車站13座信號(hào)機(jī)械室內(nèi)各設(shè)置1套遠(yuǎn)程控制終端(FTU)，對(duì)低壓信號(hào)電源進(jìn)行監(jiān)控，完成對(duì)低壓信號(hào)電源監(jiān)控裝置數(shù)據(jù)的信息采集及遙控命令的輸出［5］。

信號(hào)樓遠(yuǎn)程控制終端從功能實(shí)現(xiàn)上由CPU模塊、遙測模塊、接口模塊、多串口模塊，電源模塊組成。具有遙測、遙信、遙控、時(shí)鐘同步、事件順序記錄，多串口通信、多種通信規(guī)約、通道自動(dòng)切換、當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)方在線設(shè)置參數(shù)、遠(yuǎn)程診斷維護(hù)等功能［6］。

本裝置提供了主備電源方案，2路交流源為主，1路可充電的直流源為備，主備電源可實(shí)現(xiàn)無縫切換。這就保證了裝置工作的連續(xù)性。供電裝置包括開關(guān)電源、隔離、蓄電池組3部分。正常情況下，各模塊、通訊設(shè)備、操作機(jī)構(gòu)的電源均從開關(guān)電源獲得，同時(shí)開關(guān)電源為蓄電池組進(jìn)行充電;在2路交流失電情況下，開關(guān)電源會(huì)自動(dòng)快速無縫切換蓄電池供電，維持上述各設(shè)備的正常工作，直到恢復(fù)供電。假如長時(shí)間無法恢復(fù)供電，開關(guān)電源會(huì)在蓄電池電壓低到一定門檻時(shí)斷開蓄電池，以避免蓄電池因過放電而損壞。系統(tǒng)的電力設(shè)備分布如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電力設(shè)備分布

3.4 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通道

采用專用的數(shù)據(jù)通道，主站與被控站間的通信采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式。供電段調(diào)度控制中心至中陽通信光纜樓的通道采用光纖的方式加以實(shí)現(xiàn)，通道與遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備的接口方式為音頻四線接口。為最大程度地減少通道對(duì)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)傳輸速率定為1 200 bit/s［7］。

3.5 高壓自閉和貫通線路遠(yuǎn)動(dòng)開關(guān)

為了將自閉和貫通10 kV電力線路納入遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的故障定位和故障區(qū)段的切除，孝柳鐵路13個(gè)車站上的自閉和貫通線路上各安裝了一臺(tái)YFZW-10/630型遠(yuǎn)動(dòng)真空負(fù)荷開關(guān)。在負(fù)荷開關(guān)A相和C相上加裝80/5高壓電流互感器，通過負(fù)荷開關(guān)的控制器與各車站信號(hào)樓內(nèi)的FTU進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)遙控、遙信、遙測及線路故障區(qū)段的判斷和切除［8］。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

4 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

4.1 調(diào)度控制站

調(diào)度控制站主要包括以下幾部分。

表1 高壓自閉和貫通線路遠(yuǎn)動(dòng)開關(guān)技術(shù)參數(shù)

(1)RTU、FTU故障錄波、故障曲線查詢:調(diào)度端可對(duì)儲(chǔ)存在被控站的故障錄波、故障曲線數(shù)據(jù)按文件進(jìn)行召取。

(2)日?qǐng)?bào)/月報(bào)方式進(jìn)行顯示和存檔。

(3)主控站24 h曲線:采用特殊算法，濾去無變化的大量數(shù)據(jù)，而重點(diǎn)記錄變化急劇的參數(shù)。

(4)設(shè)置報(bào)警門限值及數(shù)據(jù)刷新閥值:提供報(bào)警門限值和刷新閥值的設(shè)置、修改和下傳。

(5)報(bào)警解析及顯示:信號(hào)電源的越限報(bào)警由FTU產(chǎn)生，并以文件形式存于FTU，向主站傳送文件目錄，主站接收到文件目錄，解析原因并產(chǎn)生報(bào)警，以提醒調(diào)度值班員。

4.2 配電所RTU

(1)電源子系統(tǒng):配電所RTU電源子系統(tǒng)采用開關(guān)電源，可交直流同時(shí)供電(220V AC、220V DC)，電源子系統(tǒng)提供RTU各模塊用電源，當(dāng)交流電源失電時(shí)，內(nèi)部自動(dòng)切換到直流供電，確保RTU設(shè)備的正常工作。電源輸出有過流、短路和過壓保護(hù)功能。

(2)主處理及通信子系統(tǒng):該子系統(tǒng)作為 RTU的主模塊，配有32位高性能微處理器和2M內(nèi)存容量，其主要功能分為控制處理及數(shù)據(jù)通信。通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)向各子系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)或控制命令，從其他各子系統(tǒng)讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或狀態(tài)，并將收到的各種實(shí)時(shí)信息進(jìn)行處理后分別存進(jìn)各類數(shù)據(jù)庫，為向主站發(fā)送做好準(zhǔn)備，其次將RTU數(shù)據(jù)庫中的實(shí)時(shí)信息可以按不同的規(guī)約通過各種串口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳。要求每個(gè)通信口相互獨(dú)立，且均采用防靜電接口芯片，從而方便地實(shí)現(xiàn)冗余結(jié)構(gòu)雙重配置方式，進(jìn)一步提高RTU運(yùn)行的可靠性［9］。

(3)遙控輸出子系統(tǒng):遙控輸出子系統(tǒng)由選擇、執(zhí)行輸出繼電器和控制輸出中間繼電器構(gòu)成。RTU的整個(gè)遙控過程為選擇、返送校核、執(zhí)行，確保了遙控的高可靠性。如果收到選擇命令后20～30 s之內(nèi)未收到執(zhí)行命令，遙控輸出出口繼電器的接點(diǎn)容量應(yīng)滿足現(xiàn)場要求(配電所控制母線電壓為220V DC)。

(4)遙信輸入子系統(tǒng):遙信輸入子系統(tǒng)主要完成對(duì)現(xiàn)場開關(guān)狀態(tài)及各種保護(hù)動(dòng)作信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，當(dāng)現(xiàn)場的開關(guān)發(fā)生變化或保護(hù)動(dòng)作時(shí)，該子系統(tǒng)及時(shí)將變化或動(dòng)作狀態(tài)和時(shí)間記錄下來，送到RTU主模塊，提供給主站作為變位記錄或事件記錄。

(5)模擬量輸入及故障錄波子系統(tǒng):配電所RTU模擬量輸入子系統(tǒng)利用交流采樣技術(shù)直接采集PT/CT二次側(cè)交流信號(hào)(PT=100 V、CT=5 A)，將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換精度為0.1%。

子系統(tǒng)帶有一個(gè)RS232多用接口，供監(jiān)測或?qū)ν馔ㄐ胖茫?0］。

(6)時(shí)鐘同步子系統(tǒng):配電所RTU配置GPS衛(wèi)星時(shí)鐘接收裝置，用于RTU設(shè)備的事件時(shí)標(biāo)記錄。

(7)其他接口:通過 RS232/RS485實(shí)現(xiàn)與所內(nèi)其他智能設(shè)備的通信，并設(shè)有專用的維護(hù)口。

中陽配電所的接線圖如圖3所示。

圖3 配電所一次接線圖

4.3 信號(hào)樓FTU

本系統(tǒng)中將信號(hào)樓內(nèi)兩路低壓電源的越限報(bào)警、故障曲線、FTU24 h趨勢圖均在FTU內(nèi)產(chǎn)生并存儲(chǔ)，與其他FTU不同，主要優(yōu)勢在于:一是產(chǎn)生報(bào)警的實(shí)時(shí)性強(qiáng);二是在通道產(chǎn)生故障時(shí)，可從當(dāng)?shù)刈x取報(bào)警及各種曲線。

4.4 自閉、貫通線路高壓遠(yuǎn)動(dòng)開關(guān)

高壓遠(yuǎn)動(dòng)開關(guān)控制箱內(nèi)裝有“當(dāng)?shù)?遠(yuǎn)動(dòng)”控制開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)調(diào)度控制與當(dāng)?shù)乜刂频霓D(zhuǎn)換，以確保在通道故障及緊急情況下的操作。高壓開關(guān)安裝有A、C兩相80/5CT，能準(zhǔn)確反映流過的各種電流，過載能力40倍，線性指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)發(fā)生過流和短路時(shí)，能準(zhǔn)確向FTU發(fā)送信號(hào)。接地采用中性點(diǎn)特殊信號(hào)注入原理，對(duì)單相接地故障進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定，并提供調(diào)度可選擇的切除故障點(diǎn)功能［11］。

5 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

5.1 自閉、貫通10 kV線路過流與短路故障的定位和隔離

根據(jù)線路上安裝在遠(yuǎn)動(dòng)負(fù)荷開關(guān)上的電流互感器來監(jiān)測線路上的電流，并結(jié)合鐵路電力系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行判斷，最后按照系統(tǒng)的程序控制進(jìn)行短路故障的定位和自動(dòng)隔離［12］，如圖4所示(以孝西至中陽供電臂為例)。

當(dāng)三角莊和會(huì)溝區(qū)間發(fā)生故障導(dǎo)致自閉線路發(fā)生過流或速斷動(dòng)作時(shí)，中陽配電所自閉饋出柜跳閘。柳溝、枝柯和三角莊站安裝的遠(yuǎn)動(dòng)負(fù)荷開關(guān)均發(fā)生過流，控制器中電流繼電器動(dòng)作發(fā)信給調(diào)度控制系統(tǒng)。經(jīng)過1.5 s延時(shí)后，孝西配電所自閉饋出柜備自投動(dòng)作，由于故障點(diǎn)未消除，孝西配電所自閉饋出柜也發(fā)生跳閘。這樣，會(huì)溝、小景、石莊和東槽站由于流過故障電流，遠(yuǎn)動(dòng)負(fù)荷開關(guān)控制器也發(fā)信給調(diào)度控制系統(tǒng)。調(diào)度控制系統(tǒng)根據(jù)中陽配電所備自投動(dòng)作(1.5 s延時(shí))前后收到的各站發(fā)出的電流繼電器動(dòng)作信號(hào)來判斷故障點(diǎn)。然后通過程序控制自動(dòng)斷開故障點(diǎn)兩端的遠(yuǎn)動(dòng)負(fù)荷開關(guān)達(dá)到隔離故障區(qū)段的目的。

圖4 自閉、貫通高壓負(fù)荷開關(guān)遠(yuǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)

5.2 主站24 h曲線實(shí)現(xiàn)

FTU中還設(shè)計(jì)有24 h電壓、電流的趨勢圖，始終保存著最近24 h電壓、電流的趨勢圖，精度為每分鐘1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。24 h趨勢圖可以非常直觀地顯示信號(hào)樓兩路電源24 h的運(yùn)行情況。

由于FTU中產(chǎn)生的24 h趨勢圖的精度為每分鐘1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，精度不高，因此無法對(duì)短時(shí)故障(＜1 min)進(jìn)行分析。針對(duì)這一情況，本文設(shè)計(jì)了在主控站上利用FTU上傳的帶時(shí)標(biāo)的遙測量進(jìn)行主控站24 h趨勢圖的描述。主控站首先對(duì)收到的帶時(shí)標(biāo)的遙測量進(jìn)行優(yōu)化處理，將優(yōu)化了的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，以減少主控站服務(wù)器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量。電壓和電流的優(yōu)化處理方法如圖5、圖6所示。

圖5 主控站24 h電壓趨勢

圖6 主控站24 h電流趨勢

這種設(shè)計(jì)方案不僅大大減少了系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，濾除了瞬時(shí)尖脈沖干擾，還詳盡描述了故障發(fā)生時(shí)的情形，準(zhǔn)確地顯示出兩路電源互倒時(shí)的電壓、電流變化情況，真實(shí)地反映了24 h內(nèi)事故發(fā)生的詳細(xì)情況，主控站24 h趨勢圖的實(shí)例如圖7所示。

圖7 主控站24 h趨勢圖(實(shí)例)

6 結(jié)語

線路自動(dòng)化技術(shù)在孝柳線的應(yīng)用顯示:在鐵路電力線路上應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)可以減少停電時(shí)間，提高供電質(zhì)量，節(jié)省總投資，減少線路運(yùn)行、檢修費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)線路故障的自動(dòng)處理，大大縮小故障停電范圍，縮短線路故障查找、維修和恢復(fù)供電的時(shí)間，提高了供電可靠性，減輕了配電所、電力工區(qū)員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了鐵路自動(dòng)化管理水平。電力遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)在孝柳線供電系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為下一步在各大鐵路線上應(yīng)用準(zhǔn)備了技術(shù)資料。

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