基于光纖通信式高速公路隧道供電的備用電源自投解決方案

李才勇　劉　宏

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基于光纖通信式高速公路隧道供電的備用電源自投解決方案

李才勇劉宏

（珠海市恒瑞電力科技有限公司，廣東珠海519075）

高速公路的中長(zhǎng)距離的隧道多采用隧道兩端雙電源供電方式，一端電源失電時(shí)，需要人工倒閘至隧道另一端電源供電，時(shí)效性較差且不利于實(shí)現(xiàn)無人值守。本文根據(jù)某高速公路隧道工程的實(shí)際供電情況，提出了基于光纖通信的備用電源自投方案，從而提高隧道供電的可靠性和實(shí)時(shí)性。

高速公路；隧道供電；光纖通信；備用電源自投

1　案例概述

廣東省某高速公路隧道長(zhǎng)度約7km，隧道兩端各分布一處變電所，每個(gè)變電所設(shè)有兩個(gè)環(huán)網(wǎng)柜（G04、G05），分別給隧道左洞、右洞供電，如圖1所示。正常運(yùn)行時(shí)，只允許一端變電所的10kV環(huán)網(wǎng)柜給隧道左洞或右洞供電，而對(duì)端（另一端）變電所的對(duì)應(yīng)的10kV環(huán)網(wǎng)柜處于熱備用狀態(tài)。兩端變電所各備有380V等級(jí)的ATS應(yīng)急發(fā)電機(jī)電源。隧道及隧道兩端變電所均有光纖互聯(lián)，并聯(lián)接至該高速公路管理中心，通過光纖通信將隧道及隧道變電站的視頻安防、電氣設(shè)備運(yùn)行等數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)方的高速公路管理中心后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。該隧道變電站運(yùn)行模式定性為無人值守、定期巡檢。

鑒于用電安全考慮，當(dāng)隧道原供電變電所或環(huán)網(wǎng)柜失電時(shí)，先由應(yīng)急發(fā)電機(jī)電源給隧道就近的洞口加強(qiáng)照明燈具供電，再由人工把對(duì)端變電所對(duì)應(yīng)的環(huán)網(wǎng)柜合上。

圖1　某高速公路隧道供電主接線示意圖

高速公路隧道多處于山區(qū)，當(dāng)發(fā)生失電事故時(shí)，運(yùn)行人員從高速公路管理中心到隧道現(xiàn)場(chǎng)處理電源倒閘操作的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，至少需要幾十min以上時(shí)間；較長(zhǎng)時(shí)間由ATS應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)電源供電，存在安全隱患，也不經(jīng)濟(jì)。

從上述分析可知，該隧道供電存在的主要問題是，隧道供電電源發(fā)生故障時(shí)的備用電源切換倒閘操作時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足無人值守條件。針對(duì)這個(gè)問題，可以靠安裝安全自動(dòng)裝置來解決。

2 解決方案

由于隧道較長(zhǎng)，線路會(huì)將信號(hào)衰減，因此通過硬接線采集對(duì)端變電所對(duì)應(yīng)環(huán)網(wǎng)出線的二次側(cè)電流、電壓及開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)備用電源自投的方法是不可取的。文獻(xiàn)[2]中對(duì)采用TCP/IP、GPRS和光纖通信作為遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)傳輸作了論述分析。光纖通信是解決變電站之間傳輸控制數(shù)據(jù)信息的優(yōu)良手段。

如圖2所示，在兩端變電所環(huán)網(wǎng)柜上各加裝一臺(tái)光纖備用電源自投裝置（簡(jiǎn)稱備自投），隧道工程已建有光纖設(shè)施，且纖芯為12芯，有充足的光纖通道資源，故采取合用現(xiàn)有光纜的專用纖芯方式，通過光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)兩端數(shù)據(jù)交互，由兩端備自投裝置實(shí)現(xiàn)虛擬硬件電氣互鎖和備用電源自投等智能操作，操作實(shí)時(shí)性高、安全性好。

圖2　備用電源自投方案示意圖

3 光纖備自投功能設(shè)計(jì)

備自投裝置采集母線電壓、給隧道供電的環(huán)網(wǎng)柜出線電流、環(huán)網(wǎng)柜斷路器的雙點(diǎn)（斷路器的輔助常開觸點(diǎn)和輔助常閉觸點(diǎn)，以下相同）位置狀態(tài)、洞內(nèi)電纜帶電狀態(tài)（通過電壓取樣或表征帶電的狀態(tài)信號(hào)）以及外部閉鎖備自投信號(hào)等，并把數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸至隧道對(duì)端備自投裝置。備自投裝置結(jié)合兩端的電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)等信息進(jìn)行綜合 判斷。

自投動(dòng)作采用母線失壓、洞口電纜無電壓、無電流判據(jù)。正常工作僅有一端環(huán)網(wǎng)柜處于工作狀態(tài)，兩端環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行方式為互備或主備模式。在主備模式下，主供柜可選Ⅰ號(hào)環(huán)網(wǎng)柜（A變電所環(huán)網(wǎng)柜）或Ⅱ號(hào)環(huán)網(wǎng)柜（B變電所環(huán)網(wǎng)柜）。環(huán)網(wǎng)柜是否有電通過采集母線PT（電壓互感器）電壓判斷。

分布于隧道兩端的備自投裝置，硬件、軟件完全相同，其中一臺(tái)做主機(jī)，另一臺(tái)做從機(jī)；主、從設(shè)置通過人機(jī)接口來設(shè)定。主機(jī)與從機(jī)每隔20ms交換一次實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀，分別將各自的電流、電壓、開入量狀態(tài)等傳輸至對(duì)端。數(shù)據(jù)幀格式見表1。數(shù)據(jù)交換由主機(jī)發(fā)起，從機(jī)應(yīng)答。備自投動(dòng)作邏輯由主機(jī)來實(shí)現(xiàn)，從機(jī)依據(jù)主機(jī)的遠(yuǎn)控指令完成本端斷路器的分、合閘操作。

表1　數(shù)據(jù)幀格式

光纖備自投裝置實(shí)現(xiàn)的主要功能如下。

3.1系統(tǒng)運(yùn)行方式的識(shí)別

1）Ⅰ柜正常工作運(yùn)行方式。Ⅰ柜帶隧道內(nèi)高壓電纜獨(dú)立運(yùn)行，Ⅱ柜熱備用。

（1）兩端環(huán)網(wǎng)柜的母線電壓均正常（PT電壓正常）。

（2）Ⅰ柜斷路器在合閘位置，Ⅱ柜在分閘位置（通過斷路器雙點(diǎn)位置來判斷）。

2）Ⅱ柜正常工作運(yùn)行方式。Ⅱ柜帶隧道內(nèi)高壓電纜獨(dú)立運(yùn)行，Ⅰ柜熱備用。

（1）兩端環(huán)網(wǎng)柜的母線電壓均正常（PT電壓正常）。

（2）Ⅱ柜斷路器在合閘位置，I柜在分閘位置（通過斷路器雙點(diǎn)位置來判斷）。

3.2備用電源自動(dòng)投入

1）互備模式

在Ⅰ柜正常工作運(yùn)行狀態(tài)或Ⅱ柜正常工作運(yùn)行狀態(tài)下，工作柜失電欠流、失壓、洞內(nèi)電纜失壓，而且備用柜電壓正常，工作柜上的備自投裝置經(jīng)T1跳閘延時(shí)對(duì)失電工作柜發(fā)跳閘命令，確認(rèn)失電的工作柜斷路器跳開后，備用柜上的備自投裝置經(jīng)T2合閘延時(shí)對(duì)備用柜斷路器發(fā)合閘命令，原備用柜變?yōu)榱斯ぷ鞴?。如果失電的工作柜斷路器沒有跳開，就不會(huì)合備用柜斷路器。

2）主備模式

（1）自投動(dòng)作過程：在主供柜正常工作運(yùn)行狀態(tài)，主供柜失電欠流、失壓，洞內(nèi)電纜失壓，而且備用柜電壓正常，經(jīng)T1跳閘延時(shí)對(duì)失電主柜發(fā)跳閘命令，確認(rèn)失電的工作柜斷路器跳開后，經(jīng)T2合閘延時(shí)對(duì)備用柜斷路器發(fā)合閘命令，然后備用柜帶隧道電纜運(yùn)行。如果失電的主供柜斷路器沒有跳開，就不會(huì)合備用柜斷路器。

（2）自復(fù)動(dòng)作過程：處于備用柜工作狀態(tài)時(shí)，在主供柜電壓恢復(fù)后，備自投將經(jīng)T3延時(shí)確認(rèn)后，經(jīng)T1跳閘延時(shí)跳備用柜，確認(rèn)備用柜斷路器跳開后，經(jīng)T2合閘延時(shí)對(duì)主柜斷路器發(fā)合閘命令，然后恢復(fù)主柜帶隧道電纜運(yùn)行，即自復(fù)功能。如果備用柜斷路器沒有跳開，就不會(huì)合主供柜斷路器。

（3）緊急自復(fù)動(dòng)作過程：處于備用柜工作、主供柜有壓狀態(tài)時(shí)，備用柜失電、無壓無流，洞內(nèi)電纜失壓，經(jīng)T1跳閘延時(shí)跳備用柜，確認(rèn)備用柜斷路器跳開后，經(jīng)T2合閘延時(shí)對(duì)主供柜斷路器發(fā)合閘命令，主供柜帶隧道電纜運(yùn)行。如果備用柜斷路器沒有跳開，就不會(huì)合主供柜斷路器。

（4）在運(yùn)行過程中如主供柜已拉開，而備供柜無法合上時(shí)（排除閉鎖條件滿足情況），在檢測(cè)到主供柜恢復(fù)送電后，會(huì)經(jīng)T4延時(shí)自動(dòng)合上主供柜開關(guān)。

T1、T2、T3、T4延時(shí)可以通過備自投裝置面板人機(jī)接口操作來設(shè)定，設(shè)定范圍0.2s～60min。

3.3備自投閉鎖

備自投功能可通過控制字選擇經(jīng)由外部接點(diǎn)閉鎖、洞內(nèi)電纜過流閉鎖、PT斷線閉鎖等；光纖通信中斷時(shí)將閉鎖備自投。一旦閉鎖條件滿足，備自投功能就將處于退出運(yùn)行狀態(tài)。

剛動(dòng)作完一次后，備自投自行退出或進(jìn)入備用運(yùn)行方式，只有再次滿足正常運(yùn)行條件15s后，才再進(jìn)入的正常運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)論

方案采用了斷路器位置雙點(diǎn)（常開、常閉）狀態(tài)判斷，加上母線電壓判斷、環(huán)網(wǎng)柜電流判斷、洞口高壓電纜有電狀態(tài)檢測(cè)，兩端數(shù)據(jù)交互后，能清晰無誤地判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，多重條件判定，使得裝置不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)的情況。在出現(xiàn)光纖通信中斷或PT斷線或狀態(tài)檢測(cè)斷線時(shí)，最壞的情況是備自投裝置處于閉鎖而拒動(dòng)，這種情況下可由人工操作來完成電源切換。

方案以光纖通信式備用電源自投解決了中長(zhǎng)距離隧道的雙端電源供電切換問題，最快可在500ms內(nèi)就地實(shí)現(xiàn)備用電源切換，解決了山區(qū)隧道供電需要人工倒閘操作的問題，提高了隧道供電的安全性、可靠性和實(shí)時(shí)性，在隧道供電應(yīng)用上具有很好的實(shí)用性。

[1] 谷昕. 利用光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳輸繼電保護(hù)信號(hào)[J]. 電力系統(tǒng)通信, 2004, 25(7): 34-37.

[2] 唐海軍. 基于光纖通信的遠(yuǎn)方備自投設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 繼電器, 2006, 34(4): 80-82, 85.

[3] 侯文凱, 蔣漢貴. 高速公路隧道環(huán)網(wǎng)供電解決方案[J]. 電工技術(shù), 2013, 10(10): 79-81.

Based on the Optical Fiber Communication Highway Tunnel Power Supply Backup Solution

Li Caiyong Liu Hong

(HENGRUI Power Technology Zhuhai Co., Ltd, Zhuhai, Guangdong 519075)

Highway in the long distance tunnel are dual power supply mode, one end of the power loss of power, the need for manual switching to the other end of the tunnel power supply, poor timeliness and not conducive to the realization of unattended. According to the actual power supply of a highway tunnel project, this paper puts forward a standby power supply self-starting based on the optical fiber communication, so as to improve the reliability and real-time performance of the power supply.

highway; tunnel power supply; fiber communication; standby power supply self- starting

李才勇（1973-），男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化系統(tǒng)方面的研究工作。