鐵路電力及自動化系統(tǒng)組網(wǎng)方式構(gòu)建研究

劉坤

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 前言

鐵路電力自動化系統(tǒng)是基于鐵路電力運(yùn)行需要而產(chǎn)生的一種控制手段，其能在計算機(jī)硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自動檢測與控制、現(xiàn)代通信等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鐵路電力系統(tǒng)電源、電路的檢測與控制，這為鐵路運(yùn)輸控制創(chuàng)造了良好條件；并且其在減少大范圍停電問題的基礎(chǔ)上，有效地提升了鐵路運(yùn)輸?shù)男逝c安全性。

2 鐵路電力自動化系統(tǒng)的組網(wǎng)方式

2.1 現(xiàn)場總線

作為鐵路電力自動化系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計的重要方式，現(xiàn)場總線方式能為變配電所各內(nèi)部單元和部分范圍提供通信，具有全數(shù)字化、實(shí)時性及多節(jié)點(diǎn)性的特征。相比傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)控制方式，基于現(xiàn)場總線的電力自動化系統(tǒng)解決了模擬數(shù)字通信混合和系統(tǒng)封閉問題，其有效地滿足了電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制需要。目前，鐵路電力自動化系統(tǒng)現(xiàn)場總線方式同時支持多種電纜材料，即除雙絞線、同軸電纜外，現(xiàn)場總線組網(wǎng)還可使用射頻電纜以及紅外線等材料，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性、抗干擾性和安全性。要注意的是，現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)要求較高，總線不能相互兼容，這限制了其在組網(wǎng)中的應(yīng)用效果。

2.2 音頻專線

音頻專線以音頻傳輸接入系統(tǒng)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)建立了鐵路專用網(wǎng)絡(luò)；該鐵路專用網(wǎng)絡(luò)不僅包含音頻共線的專用通道，而且涉及鐵路路程控制的電話交換網(wǎng)絡(luò)。在音頻專線組網(wǎng)方式下，鐵路電路人員會在環(huán)形組網(wǎng)中設(shè)置通信中繼器，這樣在通信中繼器的作用下，鐵路系統(tǒng)的音頻數(shù)據(jù)會逐單元傳遞下去，不僅減少了設(shè)備建設(shè)費(fèi)用，而且有效地提升了音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蜏?zhǔn)確性。此外，在音頻專線下，若通信線路發(fā)生問題，則信號數(shù)據(jù)可從另一個方向進(jìn)行傳輸，確保了信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)男市浴?/p>

2.3 數(shù)字通道

在通信傳輸接入系統(tǒng)的作用下，鐵路電力自動化系統(tǒng)還可通過數(shù)字通道完成信息數(shù)據(jù)的傳輸，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組網(wǎng)工作?，F(xiàn)階段，在鐵路電力自動化系統(tǒng)數(shù)字通道組網(wǎng)方式下，RS-232/V.24等型號數(shù)字接口的應(yīng)用較為常見，其組網(wǎng)方式與音頻轉(zhuǎn)型中的星形組網(wǎng)較為相似，所不同之處在于，在數(shù)字通道組網(wǎng)方式下，整個電力自動化系統(tǒng)還需設(shè)置一個多路串口機(jī)。在一定程度上，串口機(jī)的使用會縮短通信之間的距離。在直連模式下，要求嚴(yán)格控制通信設(shè)備和電力設(shè)備兩端的距離，要求其距離保持在16m以內(nèi)；當(dāng)超出這一距離規(guī)定時，需在MODEM的支撐下，延長系統(tǒng)的通信距離。同時串口機(jī)接口的傳輸效率多保持在64kibt/s，這限制了鐵路電力自動化系統(tǒng)的應(yīng)用效果，因此近年來，在使用數(shù)字通道時，人們需結(jié)合實(shí)際情況，對數(shù)字通道組網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化改造和升級。

2.4 以太網(wǎng)

鐵路電力自動化系統(tǒng)中，以太網(wǎng)本身就是系統(tǒng)組網(wǎng)的方式之一，就鐵路電力自動化系統(tǒng)以太網(wǎng)組網(wǎng)方式而言，其本身是一種工業(yè)組網(wǎng)方式。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)方面與以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)具有兼容互通性，近年來，工業(yè)以太網(wǎng)在鐵路電力自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷深入，從應(yīng)用效果來看，其不僅具有寬帶大、傳輸速度快的特點(diǎn)；而且傳輸過程的可靠性較強(qiáng)、拓展性較好，能有效實(shí)現(xiàn)信息傳輸過程中“視頻、語音、數(shù)據(jù)”的結(jié)合統(tǒng)一；此外，鐵路電力自動化系統(tǒng)以太網(wǎng)組網(wǎng)方式還側(cè)重于TCP應(yīng)用層協(xié)議的控制應(yīng)用。就ModBus/TCP而言，其是在TCP應(yīng)用層的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種協(xié)議，協(xié)議本身具有較強(qiáng)的開放性，具有較強(qiáng)的適用性，有效地提升了組網(wǎng)應(yīng)用效益，保證了電力自動化系統(tǒng)的整體應(yīng)用效果。

3 項(xiàng)目概況

安慶至九江鐵路新建線路長度198.249km，全線新建車站6座，橋隧比例86.44%，設(shè)計時速為350km/h。工程項(xiàng)目建設(shè)中，鐵路電力自動化系統(tǒng)是本項(xiàng)目施工的重要內(nèi)容，本項(xiàng)目列車運(yùn)行采用自動控制方式，對運(yùn)行列車實(shí)施集中調(diào)度管理，這要求在電力自動化系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用中，重視系統(tǒng)組網(wǎng)方式的設(shè)計與優(yōu)化布局，確保鐵路列車調(diào)度信號傳輸?shù)男市浴?zhǔn)確性。項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域內(nèi)安九線新建安慶西35/10kV變配電所一座，太湖南、黃梅東10kV配電所各一座，接引兩路獨(dú)立地方35kV、10kV電源，配電所規(guī)模其中安慶西為二進(jìn)十二出，其他兩所為二進(jìn)八出。新建電力自動化系統(tǒng)涉及四電集成范圍、非四電集成范圍，并且要求重視新建電力自動化系統(tǒng)與合安鐵路的接口劃分，規(guī)范開展這些區(qū)域鐵路電力自動化系統(tǒng)建設(shè)，重視組網(wǎng)方式應(yīng)用，有效地提升了項(xiàng)目電力信號傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量。

4 鐵路電力自動化系統(tǒng)組網(wǎng)方式構(gòu)建要點(diǎn)

4.1 電力自動化系統(tǒng)供電原則要求分析

本項(xiàng)目電力自動化系統(tǒng)組網(wǎng)建設(shè)初期階段，規(guī)范化地開展系統(tǒng)用電原則和要求分析，對項(xiàng)目用電負(fù)荷分布、負(fù)荷等級、供電設(shè)計等要素提出全新要求。如在用電負(fù)荷分布中，要求滿足沿線各車站、段及區(qū)間的功能需要，如信號中繼站、信號基站、運(yùn)營調(diào)度系統(tǒng)、空調(diào)通風(fēng)、房屋照明等。同時，根據(jù)供電可靠性要求及中斷供電所造成損失或影響的程度，將系統(tǒng)供電負(fù)荷分為三個等級，嚴(yán)格按照《鐵路電力設(shè)計規(guī)范》的要求，開展用電負(fù)荷設(shè)計。此外，嚴(yán)格按照先進(jìn)經(jīng)濟(jì)、合理安全、可靠、穩(wěn)定的要求進(jìn)行供電，并且要求在全新組網(wǎng)方式及電力自動化系統(tǒng)下，按要求10kV及以上變配電所實(shí)現(xiàn)無人值守的原則要求。

4.2 外部電源及電源線路組網(wǎng)

項(xiàng)目外部電源布網(wǎng)設(shè)計中，要求沿線各車站變配電所均由地方變電站接引兩路獨(dú)立的電源，以此為本線提供可靠的電源。其中，本項(xiàng)目安慶西35/10kV變配電所電力系統(tǒng)組網(wǎng)中，從地方獨(dú)秀220kV變電站和金拱110kV變電站出發(fā)，各接引1路35kV專線。而在太湖南、黃梅東10kV配電所中，分別從熙湖110kV變電站、新倉35kV變電站、關(guān)山110kV變電站和磚都110kV變電站接引10kV專線。在外部電源線路接引過程中，與地方供電部門進(jìn)行溝通與協(xié)調(diào)，確保供電的穩(wěn)定與安全。此外，在電源線路設(shè)計中，采用混合線路接引方式，其中架空線路使用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土電桿、鐵橫擔(dān)兩種類型的支撐，做好不同區(qū)域線路材料選擇，如在空曠地區(qū)、林區(qū)分別采用鋼芯鋁絞線和架空絕緣線，并設(shè)置產(chǎn)權(quán)分界開關(guān)，確保電纜使用的安全性。

4.3 電纜供電系統(tǒng)組網(wǎng)方案

要進(jìn)一步提升鐵路電力自動化系統(tǒng)運(yùn)行效率，在電力系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計中，需要考慮電纜供電系統(tǒng)組網(wǎng)方案的合理設(shè)計。（1）本項(xiàng)目車站、場、段供電過程中，從鐵路35kV（10kV）變配電所站饋回路接引綜合電源，而在信號、通信專用電源控制匯總，從10kV綜合電力貫通線和10kV一級負(fù)荷電力貫通線接引。（2）重視各區(qū)間負(fù)荷供電控制，如本項(xiàng)目橋隧比例86.44%，隧道較多，電力系統(tǒng)組網(wǎng)施工難度較大，對此，隧道單電源接引于10kV綜合負(fù)荷貫通線，并且當(dāng)隧道與區(qū)間通信基站、直放站距離較近時，要求共用箱變供電。（3）項(xiàng)目配電所電網(wǎng)配置中，要求做好變配電所分布及其主接線的控制，主接線采用單母線斷路器分段接線方式；而在保護(hù)裝置設(shè)置中，采用微機(jī)保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)給系統(tǒng)的集中組屏管理，此外，考慮電氣設(shè)備布置、接地方式、無功功率集中補(bǔ)償?shù)入[私。（4）在條件允許情況下，項(xiàng)目實(shí)施電源線路的架空施工，防止實(shí)施電纜穿管或直埋敷設(shè)。將項(xiàng)目電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)接入SCADA系統(tǒng)，進(jìn)行電力線路火災(zāi)報警、照明的系統(tǒng)控制。最后，嚴(yán)格按照GB50057-2010、TB/T3074等文件的要求，進(jìn)行電纜線路防雷接地施工，滿足用電系統(tǒng)應(yīng)用需要。

4.4 電氣設(shè)備選型應(yīng)用

規(guī)范化地安裝、使用電氣設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)鐵路電力自動化系統(tǒng)的最優(yōu)控制，確保鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?、穩(wěn)定性。首先，在10kV、35kV高壓開關(guān)柜控制中，選擇免維護(hù)、少維修的SF6氣體絕緣開關(guān)柜，開關(guān)柜采用真空斷路器，該斷路器采用彈簧操動機(jī)構(gòu)，操動機(jī)構(gòu)的操作電壓為DC220V。其次，本項(xiàng)目重視調(diào)壓器和變壓器控制，如在400kVA雙繞組環(huán)氧澆注干式有載調(diào)壓變壓器應(yīng)用中，要求其空載損耗保持在1350以內(nèi)，阻抗電壓維持在4%。同時，實(shí)施項(xiàng)目主流電源控制、接地，本項(xiàng)目直流電源額定頻率保持在50±5%Hz，要求其穩(wěn)壓、溫流精度不超過0.5%，綜合效率保持在92%以上。接地管理中，規(guī)范安裝隔離開關(guān)、接地電阻、電流互感器等單元，最大限度發(fā)揮小電阻接地裝置作用。最后，進(jìn)行綜合自動化設(shè)備控制，通過微機(jī)繼電保護(hù)裝置、通信管理機(jī)、監(jiān)控后臺及系統(tǒng)軟件等裝置，實(shí)現(xiàn)自動化設(shè)備的系統(tǒng)管理，確保其滿足實(shí)際的應(yīng)用需要。

5 結(jié)語

鐵路電力自動化系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用對于電路運(yùn)輸效率與安全具有深刻影響。結(jié)合安慶至九江鐵路電力自動化系統(tǒng)建設(shè)實(shí)際可知，鐵路電力工作者只有深刻認(rèn)識到電力自動化系統(tǒng)組網(wǎng)建設(shè)的必要性，掌握最電力自動化技術(shù)組網(wǎng)方式，然后，結(jié)合工程實(shí)際情況，進(jìn)行鐵路電力系統(tǒng)組網(wǎng)的系統(tǒng)布局和施工，這樣才能確保電力組網(wǎng)設(shè)計應(yīng)用的規(guī)范性，提升鐵路電力自動化運(yùn)作效率，促進(jìn)鐵路運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。