城市軌道交通變電所綜合自動化組網結構探討

韓志杰

(北京城建設計研究總院有限責任公司，100037，北京∥工程師)

隨著網絡通信技術和自動控制技術在城市軌道交通的迅猛發展，變電所綜合自動化技術得到了長足的進步，變電所綜合自動化系統組網結構也得到進一步完備和優化，已發展為采用集中管理、分散布置的模式，分層、分布式系統結構。在系統組網結構愈加完善的同時，對組網結構形式的安全、高效、可靠、經濟等方面也提出了更高的要求。筆者根據工程設計中的心得以及所了解的工程施工、運營情況，結合重慶軌道交通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結構模式，期待能有很好的應用。

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

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構成如圖1所示。納入變電所綜合自動化系統的每臺一次設備單元對應于一個獨立微機保護測控裝置，負責設備的保護、測量、控制等。任何設備單元的綜合保護測控裝置發生故障，均不影響其他設備單元裝置的運行。站級管理層為設置在綜合控制屏內的SCADA(監控和數據采集)操作員站、冗余設備的通信管理裝置和智能測控單元，包括變電所當地監控人機界面、打印設備、通信控制器及所內通信網絡，由這些設備完成對所內保護和測控設備的監視、控制、日常管理及通信處理功能。網絡通信層實現站級管理層與間隔設備層之間的通信。本工程采用光纖環網接線的方式構成網絡通信層。變電所內網絡通信層包括基礎設備與監控單元之間的通信光纜、電纜及以太網交換機。間隔設備層主要包括各種測控、保護及操作按鈕等功能設備。

2 成都軌道交通1號線工程變電所自動化系統

成都軌道交通1號線北起大豐站，南至廣都站，規劃線路全長約31.6 km，設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構成如圖2所示。站級管理層實現變電所控制室對本車站變電所設備的監視、報警功能，并負責變電所綜合自動化系統與綜合監控系統之間的數據交換，包括通信控制器、以太網交換機、工作站、自動化屏、智能測控單元等設備。網絡通信層實現變電所內管理層與間隔設備層之間的通信。包括光電轉換裝置、光纜、通信電纜等設備。本工程采用光纖星型接線的方式構成網絡通信層。間隔設備層實現對基礎設備數據的采集、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、交直流電源系統監控單元、變壓器與整流器監控單元、鋼軌電位限制裝置、排流柜、雜散電流監測裝置等設備。

圖1 重慶軌道交通1號線變電所自動化系統構成圖

圖2 成都軌道交通1號線變電所自動化系統構成圖

3 兩種組網結構的對比分析

3.1 光纖環網接線方式的優點

對圖1和圖2進行比較分析可知，光纖環網接線方式通信系統具有可自動排除環網光纜單點故障的優點。當環網光纜任何一點發生故障時，可通過冗余配置的環網交換機繼續接收數據及排除故障，自動實現拓撲改變切換到總線型，從而保證網絡的可靠性和穩定性。

3.2 光纖星型接線方式的優點

星型接線方式有諸多優點:

(1)成本相對較低。相比光纖環網接線方式，星型接線方式可減少使用一個交換機。光纖環網接線方式需要2臺環網交換機來控制環網數據傳輸，并且環網交換機的價格比普通交換機要高很多。

(2)網絡通信實時性好。星型接線節點間的網絡通信延時低于環網接線;星型接線網絡中的自愈時間可滿足繼電保護裝置之間數據交換的性能要求，環網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品牌，這樣就加大了環網接線方式的成本。

(3)調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往往是逐個系統進行調試，如調試順序為35 kV開關柜、1 500 V開關柜、400 V開關柜、鋼軌電位限制裝置等。環網接線方式調試則相對復雜，例如，當調試到35 kV環網的中間環節，而其他系統未開始調試時，就存在無法接入變電所自動化系統的情況。

3.3 雙星型接線方式的特點

通過分析星型、環網接線方式通信網絡的優缺點，提出采用雙星型接線方式來構建網絡通信層，以使通信網絡結構得到進一步優化。該接線型式集合了星型、環網接線共同的優點。

(1)可自動排除單點故障。

(2)在雙星型接線結構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)網絡通信實時性好。

(4)調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備兼容的問題。

雙星型接線方式網絡通信組網結構如圖3所示。

圖3 變電所自動化系統雙星型組網構成圖

4 間隔設備層中壓保護裝置組網分析

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

本文針對間隔設備層中中壓開關柜保護裝置(保護環網線路)展開分析。

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

光纖縱聯差動保護是以電流比較為基礎的。在線路的兩端各安裝一臺保護裝置，兩側的保護裝置分別測量本地的電流;同時通過光纖連接，將對側的電流參數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，光纖縱聯差動保護是一種矢量保護。

電流選跳保護是在光纖縱聯差動保護的基礎上發展而來的。其與傳統的縱聯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，即保護聯跳信息、開關閉鎖信息、開關量信息等，同時使這些信息參與到邏輯編程中。當區間線路發生線路故障、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定的判據電流啟動值，并將此信號通過光纖在兩裝置間進行傳遞，在保護裝置的內部進行邏輯判斷，快速判別線路故障區段，實現選擇性地快速切除故障線路。

綜上所述，對于光纖縱聯差動保護，光纖傳輸的是電流矢量，是模擬量，對傳輸質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，光纖傳輸的是數字量，對保護裝置的對時精度要求不高，且數據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。總之，對于環網線路保護，光纖縱聯差動保護和電流選跳保護各有優缺點。光纖縱聯差動保護對于傳統線路保護的優勢在于原理簡單、反應速度快，但環網后備保護級差問題較難解決。采用一個后備過流保護近區加速跳閘(簡稱“近區速動”)也能解決光纖縱聯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.軌道交通供電系統中兩種保護方案的技術比較［J］.賽爾電力自動化，2009(85):71.

［4］GB 50157―2003地鐵設計規范［S］.

［5］北京城建設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)工程供電系統設計文件［G］.北京:北京城建設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設計原理與應用［M］.成都:西南交通大學出版社，2008.