基于站域保護控制的無人值守技術應用研究

張志文

0 引言

隨著鐵路自動化技術的運用和發展，通過在牽引變電所內設置智能輔助監控系統逐步實現變電所的無人值守，是電氣化鐵路變電所自動化技術的發展方向[1～3]。輔助監控系統包括環境監控子系統、安全防范及門禁子系統、火災消防報警子系統、動力照明控制子系統、視頻監控巡檢子系統（含紅外線測溫）、一次設備在線監測子系統等[4]。系統平臺通過標準接口[5]采集變電所內輔助設備信息，通過各類子系統的配合，實現高壓柜、低壓柜、變壓器、避雷器、進出線、紅外、門禁、煙霧報警、溫濕度傳感、各類氣體（SF6、 O2、臭氧、甲烷等）/漏水/水位監測、空調、風機、水泵、照明、消防、視頻等設備的遠程監測和控制、智能告警/故障診斷、智能運維等自動化功能，實現信息共享與告警聯動功能，并將監控和報警信息上傳。

由此可見，輔助監控系統通過24 h 巡檢、監測變電所設備，并智能分析設備的整體運行情況，提高了所內設備的安全性，實現了變電所無人值守需求，對實現減員增效、提高供電系統的穩定性、提高自動化生產運營水平、促進智慧鐵路的發展起到重要作用。

輔助監控系統采用最新技術成果，確保巡檢人員在現場發現及檢測到的所有信息均可通過輔助監控系統平臺實現實時監控、記錄，及時發現、迅速定位故障設備。但現行的輔助監控系統缺乏退出故障設備、快速恢復供電的手段與能力，一旦設備發生故障，只能通過人為干預、遠程遙控恢復供電，甚至只有檢修人員親赴現場干預才能恢復供電，變電所自動化功能大打折扣。

站域保護測控裝置作為全所保護與控制功能的總后備裝置，實現了綜合自動化系統保護、控制功能的冗余，通過與輔助監控系統相結合，可實現自動控制功能，彌補了輔助監控系統的不足，并在新朔鐵路得到了成功應用，為智慧鐵路的發展提供了堅實的基礎保障。

1 站域保護測控裝置功能配置方案

站域保護控制裝置配置有后備保護、后備控制、站域與廣域保護等功能，其中后備保護與后備控制實現全所保護與控制的冗余，為無人值守功能的實現創造條件。站域保護控制裝置功能配置如表1 所示。

表1 站域保護控制裝置功能配置

從上述站域保護控制裝置功能配置可以看出，變電所設置站域保護控制裝置后，可以不用設置自投裝置與變壓器二套保護裝置，既可節約成本，又為無人值守技術的有效實施提供了基礎保障。

站域保護控制裝置一般單獨組屏，并設置專用合并智能單元采集電壓、電流等模擬量，站域保護屏組成如圖1 所示。

圖1 站域保護屏組成示意圖

在工程實施時，站域保護屏二次回路遵循以下設計原則：

（1）采集保護電流時，如果有備用線圈，則通過備用線圈采集；無備用線圈時，通過CT 串接實現電流采集。

（2）采用并接方式實現電壓采集。

（3）站域保護控制裝置需要采集斷路器、隔離開關位置信號，因此，所有雙重化控制的開關均應有空余接點。

（4）斷路器跳閘和重合閘回路需配置獨立操作插件，其控制電路示意圖見圖2。

圖2 單獨配置操作插件的控制電路示意圖

（5）站域保護控制屏的電源需要單獨從直流盤電源引出，不與其他屏體共用電源，確保裝置電源獨立。

2 基于站域保護的無人值守技術及應用

變電所內站域保護控制裝置通過過程層網絡與輔助監控系統交互信息，收集所內間隔層裝置、過程層裝置及輔助監控系統的監控信息，系統結構組成如圖3 所示。

變電所無人值守技術的關鍵，不僅要求及時發現故障設備，而且要求隔離故障設備、快速恢復供電。站域保護控制裝置作為故障區段隔離與恢復供電的主裝置，需根據故障的不同提前定義故障隔離自動控制流程，并遵循以下原則：

（1）切除故障設備，起用冗余設備，實現變電所正常供電。

（2）切除故障設備，共用既有設備，以最短的時間、最優化的方案實現恢復供電。

（3）保護裝置自動識別運行方式，并通過自動控制流程切換到相應的定值區。

變電所內的站域保護控制裝置為每個區段的故障設備定義一種對應的恢復供電控制流程，控制流程的目標是隔離故障設備，快速恢復供電。

圖3 牽引變電所自動化系統結構示意圖

新朔鐵路黍地溝牽引變電所主接線如圖4 所示。變電所內的輔助監控系統通過視頻巡檢完成對變壓器、斷路器、隔離開關等所內一次設備的實時監控，一旦發現設備故障，立即將故障信息通過過程層發送至站域保護控制裝置，站域保護控制裝置判斷設備故障的級別，若故障可能危及線路運營安全，啟動與該故障相對應的故障隔離控制流程。

圖4 新朔鐵路黍地溝牽引變電所主接線圖

假設變電所Ⅰ#進線帶Ⅰ#主變運行，Ⅱ#進線帶Ⅱ#主變備用，當輔助監控系統檢測發現Ⅰ#進線隔開Z111-1 或隔開1011 發生故障時，輔助監控系統及時將故障信息上傳至站域保護測控裝置，站域保護測控裝置及時啟動故障隔離自動控制流程：

（1）控制分閘201A、201B 斷路器以及101斷路器；

（2）控制分閘1011、Z111-1 隔離開關，即使因為故障原因操作失敗也不影響其他操作；

（3）控制合閘Z112-1 隔離開關，控制合閘1022 隔離開關；

（4）控制合閘102 斷路器；

（5）控制合閘202A、202B 斷路器。

通過上述操作，完成故障隔離與恢復供電。

當輔助監控系統檢測發現Ⅰ#主變、101 斷路器、201A斷路器、201B斷路器等任一設備發生故障時，輔助監控系統及時將故障信息上傳至站域保護測控裝置，站域保護測控裝置及時啟動故障隔離自動控制流程：

（1）依次控制分閘201A、201B、101 斷路器，即使操作失敗也不影響其他操作；

（2）控制分閘1011 隔離開關；

（3）控制合閘Z110-2、1022 隔離開關；

（4）控制合閘102 斷路器；

（5）控制合閘202A、202B 斷路器。

通過上述操作，完成故障隔離與恢復供電。

假設212 斷路器為“機務段”饋線供電，214斷路器為“大同東”饋線供電，22B 斷路器備用，當輔助監控系統檢測發現212 斷路器發生故障時，輔助監控系統及時將故障信息上傳至站域保護測控裝置，站域保護測控裝置及時啟動“故障設備隔離與恢復供電”自動控制流程：

（1）控制分閘212 斷路器；

（2）控制合閘2142 隔離開關；

（3）站域保護控制裝置通過過程層傳輸信息給22B 饋線保護測控裝置，將該裝置的定值切換至“大同東”饋線定值區；

（4）控制合閘22B 斷路器。

當2141 隔離開關或2121 隔離開關發生影響線路運營安全的故障時，黍地溝牽引變電所退出運行，通過越區供電為接觸網提供電源，退出運行流程如下：

（1）控制分閘212、214、211、213 斷路器；

（2）控制分閘2121、2141、2111、2131 隔離開關；

（3）牽引變壓器退出運行。

同理，根據運行方式的不同，面對不同的故障設備，可以得到相對應的故障設備隔離控制方案，如表2 所示。

表2 故障設備隔離方案

2020 年11 月12 日，針對本文提出的無人值守變電所故障設備隔離方案，課題組模擬了新朔鐵路黍地溝變電所212 饋線斷路器故障試驗，驗證了方案的有效性與正確性。變電所后臺監控平臺記錄的控制流程：

（1）站域保護控制裝置收到輔助監控系統發送的212 斷路器故障信息，啟動故障設備隔離流程；

（2）饋線212 斷路器分閘成功；

（3）2142 隔開合閘成功；

（4）饋線22B 裝置切換定值區成功；

（5）饋線22B 斷路器合閘成功；

（6）故障設備隔離成功，結束。

上述事件記錄與表1 中饋線212 斷路器發生故障時的故障設備隔離流程完全一致。

3 結語

本文基于現有的廣域保護測控系統與輔助監控系統平臺，研究了電氣化鐵路變電所設備發生故障時故障設備隔離方案，完善了變電所無人值守技術。輔助監控系統通過視頻巡檢監控變電所一次設備，一旦發現設備故障，隨即將設備的故障信息通過過程層發送至廣域保護測控系統的站域保護控制裝置，站域保護控制裝置判斷設備故障的級別，如果故障可能危及線路運營安全，啟動與該故障相對應的故障設備隔離控制流程。新朔鐵路黍地溝變電所試驗結果驗證了方案的有效性與正確性，可有效隔離故障設備，迅速恢復供電，具有重要的現實意義與應用價值。