高鐵無人值守變電站的設(shè)計與實現(xiàn)

中鐵上海設(shè)計院集團有限公司 張飛飛

在高速鐵路工程項目中，通過應(yīng)用無人值守變電站，可提高高速鐵路電力系統(tǒng)運行可靠性、維護便利性和操作安全性，監(jiān)控人員可通過實時圖像和遠動信息對變電站運行情況進行綜合監(jiān)控與分析，實現(xiàn)高鐵沿線變電站遠程集中控制和故障分析[1]。

1 高鐵無人值守變電站內(nèi)涵

高鐵無人值守變電站是在常規(guī)變電站基礎(chǔ)上融入綜合自動化開始或借助遠動裝置RTU 處理后，經(jīng)通信通道發(fā)送至上級電力調(diào)度或監(jiān)控中心，由電力調(diào)度或監(jiān)控中心對變電站可控設(shè)備進行“遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視”操作。

在高鐵電力系統(tǒng)中，變電站是“四電”系統(tǒng)之一，是高鐵鐵路調(diào)度、信號、通信、信息、防災(zāi)等負(fù)荷供電的動力來源。變電站供電可靠性、穩(wěn)定性、安全性直接影響高鐵系統(tǒng)安全高效運行，加強無人值守變電站設(shè)計和應(yīng)用，改變常規(guī)變電站系統(tǒng)人工巡檢、操作、維護、排障的運行方式[2]，能夠提高高鐵無人值守變電站系統(tǒng)運行可靠性、穩(wěn)定性。

2 高鐵無人值守變電站設(shè)計

高鐵無人值守變電站設(shè)計包括一次設(shè)計、二次設(shè)計。

2.1 一次系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 主接線設(shè)計

假設(shè)某高鐵無人值守35kV 變電站設(shè)計出線7回，最大負(fù)荷為10000kVA，10kV 出線10回，最大負(fù)荷3600kVA。變電站主供電接入2回35kV線路，根據(jù)《35kV～110kV 變電站設(shè)計規(guī)范》（GB50059-2011）規(guī)定要求，進線為2回時，一般采用橋接線，當(dāng)出線大于2回時，可采用單母線接線、單母線分段或橋形接線等形式[3]。

采用單母線接線時，考慮到單母線接線隔離開關(guān)檢修時，連接在母線上所有回路均需停止，當(dāng)母線或母線隔離開關(guān)發(fā)生短路或絕緣套管故障時，斷路器均需自動斷開，出線會全部停電。而采用單母線接線方式時，35kV 和10kV 出線不超過5回。故不采用單母線接線方式。

采用單母線分段接線時，可借助斷路器或隔離開關(guān)將母線分段，保證母線不間斷供電，提高供電可靠性，但單母線分段接線某一段母線或隔離開關(guān)出現(xiàn)故障、檢修時，需斷開該段母線上的全部電源、出線，這也會導(dǎo)致分段回路全部停電。

采用橋形接線時，橋臂設(shè)置在線路斷路器內(nèi)側(cè)，當(dāng)線路發(fā)生故障時，可斷開故障線路斷路器，其余線路持續(xù)正常運行。變壓器故障時，聯(lián)系斷路器與故障變壓器同側(cè)斷路器均自動跳閘，需經(jīng)倒閘操作后恢復(fù)該線路供電。但該主線接線方式操作復(fù)雜。

綜合不同主線接線優(yōu)缺點，由于高鐵無人值守變電站負(fù)荷大部分為一二級負(fù)荷，對變電站供電安全性、可靠性要求高，因此，設(shè)計高鐵無人值守變電站時，主接線可采用雙電源單母線斷路器分段接線方式，母線采用單母線分段接線方式。

2.1.2 變壓器臺數(shù)及容量選擇

選擇變壓器臺數(shù)時，考慮到變壓器故障轉(zhuǎn)移或檢修備用要求，應(yīng)至少選擇2臺變壓器，確保當(dāng)1臺變壓器發(fā)生故障時，備用變壓器可保證一二級負(fù)荷持續(xù)供電。

選擇變壓器容量時，變壓器容量單獨運行時，全部容量應(yīng)大于變電站負(fù)荷要求。為滿足高鐵系統(tǒng)變壓系統(tǒng)供電增長需求和突發(fā)供電峰值需求，應(yīng)確保容量60%～70%以滿足高鐵系統(tǒng)鐵路調(diào)度、信號、通信、信息、防災(zāi)等負(fù)荷供電需求，確保高壓變電容量留有余量[4]。為滿足變電站出線負(fù)荷要求和后續(xù)變壓站改擴建容量要求，35kV 變電站可選擇2臺S22-6300/35型變壓器。

2.2 電氣二次設(shè)計

電氣系統(tǒng)二次設(shè)計包括變壓器保護、母線保護、斷路器和隔離開關(guān)設(shè)計等。

2.2.1 變壓器保護

根據(jù)《電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》要求，變壓器保護包括瓦斯保護、差動保護、過電流保護、零序電流保護、流速斷保護、過負(fù)荷保護、縱聯(lián)差動保護、瓦斯保護和溫度保護等。變壓器保護設(shè)計時，根據(jù)《繼電器保護和安全運動裝置技術(shù)規(guī)程》要求，可選擇主保護、后備保護、非電量保護等措施，其中，主保護主要用于縱向差動保護、電流速斷保護、過流保護等。后備保護包括零序電流保護、用于高低壓側(cè)配置復(fù)合電壓閉鎖過流保護、保護動作起跳跳開主變壓器側(cè)斷路器。

為保證高鐵無人值守變電站安全、穩(wěn)定、可靠運行，變壓器保護可選擇RCS-9679型變壓器保護裝置，該裝置可用于變壓器差動速斷保護、比率差動保護和高低壓側(cè)復(fù)壓過流保護，當(dāng)變壓器故障時可報警并跳閘切斷故障回路。

變壓器差動保護是變壓器主保護裝置，可通過比較變壓器各側(cè)電流差值動作保護。當(dāng)變壓器正常運行狀態(tài)下或外部故障時，當(dāng)任一相差動電流大于差動速斷整定值時瞬時，差動速斷保護裝置動作出口繼電器跳閘，切斷斷路器。

高鐵無人值守變電站設(shè)計中，變壓器保護主程序與上級控制系統(tǒng)通信，間隔采樣，計算系統(tǒng)設(shè)定值與實際值，變壓器運行狀態(tài)正常時，系統(tǒng)無動作。當(dāng)變壓器狀態(tài)異常時，保護裝置啟動，差動判斷和涌流判斷，區(qū)分變壓器故障或勵磁涌流，當(dāng)比率差動繼電器動作后，未判斷為涌流閉鎖，則進入CT 斷線瞬時判定流程，區(qū)分變壓器內(nèi)部故障或CT 斷線故障[5]。根據(jù)故障判斷類型，變壓器保護系統(tǒng)采取差動保護、過流保護、跳閘等動作。

2.2.2 斷路器、隔離開關(guān)控制

為滿足高鐵35kV 無人值守變電站控制要求，監(jiān)視、動作、遠動控制斷路器，斷路器控制回路設(shè)計可選擇FCS-222C 型智能操作箱，可支持實時通信，能夠?qū)崿F(xiàn)斷路器跳合閘操作、遙控輸出、遙信輸入等功能。

隔離開關(guān)設(shè)計時，遵照“五防”原則（防帶負(fù)荷、防帶電接地或合接地閘、防帶地線合閘或未斷開隔離開關(guān)時送電斷路、防誤操作斷路器、防誤入帶電間隔），選用NR1504型智能開入隔離開關(guān)，每個開關(guān)可同時監(jiān)測19路開入，并將開入信息通過內(nèi)部總線傳給其他隔離開關(guān)。

3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 自動化監(jiān)控系統(tǒng)

高鐵35kV 無人值守變電站采用B/S 架構(gòu)自動化監(jiān)控系統(tǒng)，以PCS-220系列合并單元和通信管理機、監(jiān)控主機于一體，可實現(xiàn)無人值守變電站監(jiān)視、控制、繼電保護、五防、要事與事故報警等功能。變電站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)與通信管理機通信獲取站內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)間隔采樣后傳輸至上位系統(tǒng)（如圖1所示），可通過監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測35kV 變電站內(nèi)設(shè)備運行情況，包括有功、無功、電流、電壓、變壓器油溫等信息。故障報警信息包括一次設(shè)備信號變化、邏輯計算點狀態(tài)變化、遙測量和模擬計算量越限、系統(tǒng)異常報警等，報警等級包括事故報警、預(yù)報報警和一般報警等。

圖1 綜合自動化系統(tǒng)圖

五防系統(tǒng)基于斷路器和隔離開關(guān)設(shè)計，可實現(xiàn)變電站內(nèi)防誤操作，確保變電站安全、穩(wěn)定、可靠運行。無人值守變電站操作、維護、檢修時，任何倒閘操作必須經(jīng)五防系統(tǒng)模擬預(yù)演和邏輯判斷后方可實施，以此防止觸電事故發(fā)生。五防強制性閉鎖時，只有經(jīng)變電站五防系統(tǒng)模擬通過后方可解鎖操作，從而滿足現(xiàn)場維修維護安全操作要求。

3.2 安全監(jiān)控系統(tǒng)

高鐵無人值守變電站安全監(jiān)控系統(tǒng)包括圖像監(jiān)視、視頻巡檢、安全防護、門禁監(jiān)控、智能照明、動力環(huán)境監(jiān)控、在線測溫等子系統(tǒng)等（如圖2所示）。基于攝像機，可對變電站內(nèi)關(guān)鍵部位、關(guān)鍵設(shè)備進行長周期、實時監(jiān)測。攝像機布置位置及數(shù)量包括外墻4臺、無功補償室、接地電阻室、調(diào)壓器室、廠用變壓器室等各1臺固定式，電纜夾層、控制室各2臺固定式，高壓開關(guān)柜室2臺固定式加1臺導(dǎo)軌式機器人，便于高鐵調(diào)度中心和變電站上位管理部門實時監(jiān)測變電站室內(nèi)、室外環(huán)境和關(guān)鍵電力設(shè)備狀態(tài)。

圖2 安全監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)圖

安全防護系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)可基于安全防護系統(tǒng)權(quán)限管理，對變電站進入人員身份進行鑒權(quán)、識別，對具備權(quán)限的人員予以放行，反之則不執(zhí)行動作。動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和在線測溫系統(tǒng)可對變電站室內(nèi)外環(huán)境溫度、電氣設(shè)備溫度進行測量和記錄。

智能照明系統(tǒng)可根據(jù)變電站照明標(biāo)準(zhǔn)值和光照要求，基于智能照明控制模塊設(shè)定時間段、感光、遠程開啟和關(guān)斷照明設(shè)備，保障變電站室內(nèi)照度要求。

3.3 火災(zāi)報警系統(tǒng)

為及時發(fā)現(xiàn)和應(yīng)急處置高鐵無人值守變電站火災(zāi)，降低變電站火災(zāi)可能造成的高鐵線路供電中斷故障風(fēng)險，故設(shè)計變電站火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。系統(tǒng)由火災(zāi)探測器、手動報警裝置、聲光報警器、火災(zāi)報警器和通信模塊組成。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范布設(shè)，探測信號經(jīng)通信線路傳輸至火災(zāi)報警控制器，火災(zāi)報警控制器采用智能化二總線，現(xiàn)場設(shè)置中文夜景顯示屏，配備8路繼電器有源輸出、7路多線控制盤和1路聲光報警專用輸出，一旦發(fā)揮火災(zāi)報警或手動操作報警裝置，聯(lián)動變電站切斷室內(nèi)低壓動力、照明等非消防負(fù)荷裝置。

3.4 排風(fēng)自動控制系統(tǒng)

由于變電站內(nèi)電氣設(shè)備工作溫度變幅大，受環(huán)境溫度影響大，為滿足高鐵無人值守變電站內(nèi)電氣設(shè)備穩(wěn)定運行要求，設(shè)計采用西門子S7-200型PLC 排風(fēng)機控制系統(tǒng)，排風(fēng)機控制系統(tǒng)與本地控制系統(tǒng)連接，可遠傳至上位機實現(xiàn)遠傳啟停操作。排風(fēng)機控制系統(tǒng)與高鐵無人值守變電站控制主機和消防主機連接，可根據(jù)變壓器等設(shè)備運行溫度閾值和消防火災(zāi)報警等設(shè)置要求自動啟停，也可根據(jù)現(xiàn)場維護維修要求現(xiàn)場手動啟停，或由上位機遠程啟停。

綜上，在高速鐵路工程中設(shè)計和應(yīng)用35kV 無人值守變電站，可實現(xiàn)高速鐵路調(diào)度、信號、通信、信息、防災(zāi)等負(fù)荷供電的動力來源，通過自動化控制、遠程監(jiān)測和故障分析，降低高速鐵路無人值守變電站維護管理工作量和人員配置，提高變電站維護操作安全性，降低高鐵電力系統(tǒng)故障、觸電、誤操作風(fēng)險，提高高鐵配電系統(tǒng)安全性、可靠性。