鐵路牽引變電所直流電源在線監測預警系統研究

邱俊清 代文平

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；四川艾德瑞電氣有限公司， 成都 610031)

軌道交通直流電源系統承擔著為二次設備供電和主設備提供操作電源的重任，其安全直接關系到整個系統的安全穩定運行。近年來，由于直流電源系統運行維護管理和設備質量等原因，發生了多起因蓄電池爆炸、起火或充電裝置、監控單元故障等直流電源系統故障引發的變電站一次、二次設備故障或事故，造成了較大的經濟損失。電力和鐵路運維檢修調查發現，現有直流電源系統需要人員定期使用移動外掛設備對蓄電池電壓、溫度等項目進行測試，運營維護人員不得不帶著笨重的各種單體測試設備到達現場進行交直流系統的例行測試，以確保直流系統安全運行。加之鐵路牽引變電所分散設置在鐵路沿線，造成運營維護任務繁重和維修人員匱乏，大大增加了運營單位成本。基于上述原因，本文從鐵路牽引變電所直流設備在線監測系統存在的問題出發，結合物聯網技術，提出一種鐵路牽引變電所直流電源在線監測預警系統，并詳細闡述了系統架構，分析了系統組成。該系統具有監測全面、快速預警、云端上傳等優勢，且與現有系統兼容性強，改造方便，可有效預防直流電源系統事故，為牽引變電所的可靠運行提供技術保障。

1 直流設備在線監測系統現存問題

1.1 直流系統作用

目前，鐵路每個牽引變電所配備2套直流蓄電池組，主要給繼電保護裝置、斷路器、隔離開關操作等提供電源，其工作狀態直接關系到整個二次系統的安全穩定運行。

1.2 直流系統維護難點

現有直流系統，不能對單體蓄電池的電壓、溫度、內阻等進行實時監測，需要工作人員定期使用移動外掛設備進行測試，而鐵路牽引變電所沿線路分散布置，每隔30～50 km設置1處，特別是西部山區鐵路，山高路遠，運營維護人員不得不帶著笨重的測試設備，奔波于沿線變電所對其交直流系統進行例行測試。且隨著全路變電所無人值班，無人值守的大力推廣，一旦直流系統出現問題，工作人員又無法及時到達現場，造成變電所二次設備失靈，很可能帶來重大的經濟損失。

1.3 直流系統故障危害

在日常運行中，直流系統運行狀態、性能參數的變化常常被忽視，造成直流電源系統帶病運行，直至發生重大的安全責任事故。近年來，國內發生了多起因蓄電池爆炸、起火或充電裝置、監控單元故障等直流電源系統故障引發的變電所一次、二次設備故障事故，造成了重大的經濟損失。因此研究一種能及時準確、全方位監測直流電源系統及蓄電池組狀態的直流電源監測預警系統具有重要意義。

2 直流電源在線監測預警系統

直流電源在線監測預警系統采用分層分布式結構布置，主要由信息傳感采集層、數據分析處理層、運營維護層組成[1]，系統架構如圖1所示。

(1)信息傳感采集層

信息傳感采集層由各類傳感器及監測單元組成。單體蓄電池溫度傳感器輸出范圍(-25～100)℃,監測充電機電壓傳感器輸入范圍DC(0～150%)Un,監測母線電壓傳感器輸入范圍DC(0～150%)Un，監測充電機電流傳感器輸入范圍DC(0.1～30) A,蓄電池組電壓傳感器輸入范圍DC(0～150%)Un，蓄電池組電流傳感器輸入范圍DC(0.1～30)A，12V單體蓄電池電壓傳感器輸入范圍DC(2～15)V[2-3]。各類傳感器負責把溫度信號和外部各種電壓信號、電流信號轉成采集單元能識別的數字或模擬信號，監測單元負責采集傳感器信號，轉換成數字信號并將預警信息傳給數據分析層。

(2)數據分析處理層

數據分析處理層通過信息傳感采集層獲得各種電壓、電流和溫度數據信息，將數據和信息歸類整理后，上傳到運營維護層的云端服務器進行遠程維護或與綜合自動化系統通信，實現數據和信息共享；或將數據和信息上傳至通信接口協議層的監測預警IED進行通信規約和接口轉換，同時執行用戶選定的操作，將指令和操作信息下發至信息傳感采集層。

圖1 直流電源在線監測預警系統架構圖

數據分析處理層根據各種通信規約及設備需要將數據通過光網口(或電網口)、串口傳送給綜合自動化系統、運營維護層的供電段維護系統或輔助監控系統。

(3)運營維護層

運營維護層由云端服務器和供電段運營維護系統組成，完成設備健康狀態的評估和診斷，為設備運行檢修人員提供檢修依據。供電段運營維護系統主要收集供電段下屬所有牽引變電所直流預警系統的各種數據和信息，對每個變電所的直流系統狀態進行實時評估，發現存在隱患時，啟動診斷模塊，對存在問題進行診斷、決策。

3 系統組成

牽引變電所直流在線監測預警系統主要由四種功能模塊組成，即充電機及母線監測單元、蓄電池監測單元、智能預警管理單元和端服務器。

(1)充電機及母線監測單元監測內容

充電機及母線監測單元監測內容有：監測充電機電壓及母線直流電壓、監測充電機輸出直流電流、充電機紋波值監測、監測母線交流串入直流系統的交流信號、充電機工作模式監測(均充、浮充模式轉換過程監測)、數據遠傳功能[4]。

(2)蓄電池監測單元監測內容

蓄電池監測單元監測內容有：監測單體蓄電池電壓(蓄電池電壓巡檢)、監測蓄電池組電壓、監測蓄電池組充電和放電電流、蓄電池虛開和虛斷監測、蓄電池極柱溫度監測、蓄電池脫離母線監測、監測數據遠傳功能[5]。

(3)智能預警管理單元

智能預警管理單元管理的事項有：充電機及母線監測數據管理及預警、蓄電池組監測數據管理及預警、數據遠傳、SOE事件記錄、預警信號輸出(四路信號量輸出或信息通知)、 監測預警數據收集、通訊規約轉換、監測預警數據網絡發布。

(4)云端服務器

云端服務器采用分級、分權方式對在直流電源預警系統的單元進行實時在線管理;預警信息及SOE等信息通過云端服務器保存；運維人員和各級用戶可通過WEB客戶端、Android/IOS APP等訪問方式，隨時隨地對自己所管理的設備進行實時監控和告警查看，通過大量歷史數據分析設備的歷史運行軌跡和進行故障分析[6-7]。

直流電源在線監測預警系統可實現對單體蓄電池虛開、虛斷、極柱溫度以及脫離母線監測，還能監測母線交流串入直流信號及充電機工作模式(均充、浮充模式)，全面監測蓄電池的健康狀況。通過云端服務器，可將監測報告與預警信息及時上傳，維護管理人員通過手機或手持式設備客戶端實時監測直流系統工作狀態，避免事故發生，實現狀態檢修[8]。

4 系統應用與接口

4.1 既有牽引變電所改造工程

針對既有牽引變電所改造直流系統的安裝空間、施工及工況等因素，直流電源預警系統可根據現場工況靈活配置。直流電源在線監測預警系統已在渝貴、渝昆等重要干線鐵路的既有重慶西牽引變電所改造中投用，具有與既有直流系統兼容性好、改造方便、改造時間短、不影響既有線運營等特點。

4.1.1重慶西變電所系統構成

重慶西變電所的交直流一體化電源由2面交流進線屏、1面直流電源屏、1面直流饋出屏、2面蓄電池屏組成，本系統只需在1面直流電源屏、1面直流饋出屏及2面蓄電池屏上進行改造安裝。根據牽引變電所的實際情況，直流電源在線監測預警系統需加裝人機界面1臺、主控模塊1臺、母線及充電機監測模塊2臺、蓄電池組監測模塊4臺、電流傳感器和溫濕度傳感器若干。另外，在變電所內需再設置1臺后臺管理電腦，用于數據遠傳顯示，系統的結構圖和運行主界面如圖2所示。

4.1.2掛網試運行總體方案

(1)人機界面、主控模塊、母線及充電機監測模塊安裝方案

人機界面用于主控模塊人機交互，需額外加工 1塊面板，替代饋出屏上空面板，將人機界面安裝在這塊面板上，便于信息查詢。主控模塊是整個系統的核心，所有監測數據都經該模塊集中存儲、分析、預警及上傳。在柜體內空位加裝兩根導軌，將主控模塊、母線和2臺充電機監測模塊固定在這個導軌上。

(2)蓄電池組監測模塊安裝方案

該牽引變電所有2組110 V蓄電池組，每組由 18只 200 Ah/6 V電池串聯成而成，每組電池安裝在1面電池屏內。每個電池組監測模塊可監測9只電池，故每個屏柜需安裝2臺電池組監測模塊，可安裝在電池屏上部空位。

圖2 系統應用結構圖

(3)系統安裝調試

系統安裝調試的步驟有：①將后臺放置在主控桌上，接好電源線。②利用既有電纜溝將網線從主控模塊接到主控桌后臺管理電腦上。③通過人機界面設置各運行參數，調整各個采樣值的準確度，使整個系統正常運行。④打開后臺管理電腦，確保后臺電腦跟與主控模塊通訊正常，顯示正常。⑤通過互聯網或手機，檢查主控模塊上傳云平臺數據是否正常。

系統運動主界面如圖3所示。

圖3 系統運行主界面圖

4.2 新建鐵路牽引變電所工程

針對新建鐵路牽引變電所工程，直流電源預警系統可在交直流廠家出廠時分散安裝在直流屏內，同時也可根據工程需要，采用組屏安裝方式。

(1) 分散安裝方式

①充電機及母線監測單元安裝在充電機的充電屏柜內。

②智能預警管理單元安裝在充電屏內。

③蓄電池監測單元安裝于蓄電池屏內。

(2) 組屏安裝方式

①充電機及母線監測單元安裝在新裝屏內，電流傳感器安裝在充電屏柜內。

②智能預警管理單元安裝在新裝屏內。

③蓄電池監測單元安裝于新裝屏內，溫度傳感器安裝在蓄電池屏內。

4.3 系統接口方案

系統接口方案為：

(1)蓄電池監測單元采用RS485與監測預警管理單元通訊。

(2)充電機及母線監測單元采用RS485與監測預警管理單元通訊。

(3)監測預警管理單元采用RS485接入站端綜合自動化系統。

(4)智能預警管理單元通過GPRS上傳數據給云端服務器。

(5)智能預警管理單元通過光纖網絡接入供電段運維系統。

(6)智能預警管理單元具備以IEC61850-MMS規約接入智能牽引變電站自動化系統的功能[9]。

5 結束語

2018年中國國家鐵路集團有限公司發布了《牽引供變電所實施無人值班值守工作的指導意見》，全路變電所的無人值守設計已是大勢所趨。在此背景下，交直流系統的安全穩定工作備受行業關注。現有的直流系統不能有效地監測單體蓄電池的狀態，以至于忽略了其中的危險因素，易造成整個蓄電池組的損壞。本文提出直流電源在線監測預警系統，實時監控直流母線、充電裝置、蓄電池組、蓄電池單體等關鍵特征量，并通過系統計算、分析，實時判斷直流電源的運行狀態，實現對存在隱患的實時預警，再配合云端上傳等技術應用，確保提前發現問題，并提醒相關部門及時做出處理，防止事故擴大，減少和避免損失，有效提高運維效率，減輕變電所人力運維成本，為牽引變電所的可靠運行提供了技術保障。