一種簡單的環網供電方案的研究
摘 要：本文介紹了一種簡單環網供電方案及相應的配網自動化系統的構成原理及可靠性分析，為城市軌道交通的環網供電系統提供了另一種選擇方案。關鍵詞：環網供電、配網自動化
一、前言
我國已經建成的地鐵及輕軌的供電系統基本采用集中供電方式，電壓等級有兩種模式：一種是110kV/35kV/10kV的三級電壓供電模式；另一種是110kV/35kV兩級電壓供電模式。經過技術、投資等比選后，兩級電壓集中供電方案逐漸占據了主導地位，成為現代城市軌道交通供電系統的主流。這種供電系統不論是供電質量，供電可靠性，損耗等各項指標，都是比較優越的。在保護配置方面，環網供電系統一般設置縱差保護及電流保護。當某段環網電纜發生短路故障時，縱差保護作為主保護能迅速區分故障段，保證了非故障段的正常供電。然而，根據廣州、上海、北京、天津等城市地鐵的運營經驗來看，發生環網電纜故障的概率實際上比較低，而現行方案雖然性能高，但投資也比較高。本文試圖提出一種簡單的環網供電方案，降低工程造價。
二、簡單環網供電方式
實際上，現行的環網兩級電壓集中供電方式的核心是多支路分束供電，由主變電所35kV母線分別引出幾個供電支路，每個支路可掛接3個左右的牽引降壓變電所；有來自不同變電所的兩個支路通過分段開關互相聯通，保證當一個主變電所解裂時另一個主變電所的支援供電。這種供電系統的主要特點是環網進出線均為斷路器，環網電纜的主保護為縱差保護。對于簡單環網供電來說，核心內容是將環網進出線斷路器更換為三工位電動隔離開關，相應地取消35kV環網電纜光纖縱差保護，如圖一所示。這種方案的特點是投資大幅降低，環網故障時電流保護跳閘時間短，保護配合容易實現；缺點是故障后倒閘作業時間相對較長，大約4~6秒，比進出線為斷路器的方案略長2~3秒。也就是說，在機車運行過程中如果發生環網饋線故障，在6秒鐘內應該保證故障判斷、故障區段的迅速切除以及備用電源的自動投入，而6秒鐘的時間機車不會馬上停止滑行，這樣在機車運行過程中即能保證重新受電。要保證這一點，我們必須引入配網自動化系統。
實際上與這種環網供電方案相配套的是一套實現站間信息傳輸的綜合配網自動化系統，它是在主變電所及各牽引降壓變電所的綜合自動化系統的控制信號盤內安裝有智能通信模塊，模塊間通過光纖連接，以實現同一束供電網絡內的所間信息資源共享。配網自動化系統用于實現同一配電網絡支路的各變電所上位機之間的數據采集與控制，數據傳輸和數據處理。對于智能通信模塊，應能實現數據采集，SOE，校時，數據接收和傳送功能以及控制功能。對于主變電所的智能通信還應能進行數據檢測、追憶、自動裝置功能等。數據通信網絡可采用共線或首尾相連的自愈型環網連接方式。主變電所上位機負責詢問和接收各牽引降壓變電所的被控對象的實時位置、測量值，并對被控對象實現自動控制，采集方式可以采用輪詢或主動上報兩種模式，正常情況下采用輪詢方式，當有重要時間發生時（如采用故障信息或開關變位）時，采用主動上報方式，保證重要事件的實時性。對于各牽引降壓變電所的控制信號盤中的智能通信單元的功能要求如下：
（1）SOE功能：記錄系統狀態量變化的時間和先后順序，每一記錄點均帶時標。
（2）對時功能：接收、判斷控制中心GPS對時信號。
（3）通信功能：可采用CANBus，以太網接口，專用MODEM和RS485總線模式，抗干擾能力較強。
（4）自診斷功能：裝置自動檢測設備本身運行狀態，自身故障時可及時上報告警。
（5）電流及電壓數據采集功能：能采集各相電流及母線電壓，并能進行電流方向判斷。
（6）故障檢測功能：裝置根據采集電流的大小及設置的定值能快速做出故障判斷，甚至間隙性故障的判斷，并能將故障信息、性質主動上報主變電所上位機。
（7）保護功能：該裝置具有保護功能及滿足保護裝置所要求的速動性，靈敏性，可靠性的參數要求。
（8）數據存儲功能：定值數據具有存儲及掉電保持功能。
（9）故障分析功能：主變電所的智能通信單元能根據各變電所的上送信息判斷出故障電纜區段。
（10）遠程通信功能：能將相關信息上送SCADA控制中心主站。
三、短路保護及自動裝置功能分析
附圖一表示了環網供電的一種情況，即主變電所的兩條饋線向各牽引降壓變電所供電。正常運行時所有進出線電動隔離開關均處于合閘位置；當J點發生短路故障時，主變電所斷路器A迅速斷開，A斷路器的保護信號啟動主變電所智能通信模塊，該智能模塊隨即查詢本供電網絡各上位機智能通信模塊的電流值及設備狀態數據進行綜合判斷。很顯然，在J點至主所之間同一供電網絡中的所有檢測電流的地方都應該保護動作信號，而F點沒有，因此主所可以判斷出故障是發生在E、F之間；接下來是切除故障了的環網電纜E、F段，并啟動相關所內的母聯自投功能。母聯自投功能模式嵌入到變電所智能通信模塊中，這樣減少通信環節，提高了自動裝置功能的可靠性。母聯自投功能是分開出線電動隔離開關E及進線隔離開關F，并自動合閘母聯斷路器H，母聯斷路器執行完操作后自動合閘主變電所饋線斷路器，這一系列的操作均由主變電所智能通信單元指揮完成。
圖一 一種環網供電方案示意圖
當圖中所示變壓器故障時，變壓器斷路器應迅速斷開，對環網供電不受影響，但當斷路器失靈時，由主變電所饋線作為后備跳閘，如果是這種情況，母聯斷路器則不進行自動投切操作。四、配網自動化系統的可靠性分析
對于配網自動化系統有些關鍵環節，如：電流輸入與采集，網絡通信，保護系統等，這些環節的好壞直接影響到牽引供電系統的可靠性和穩定性，下面分別加以分析，從而找出提高可靠性的方法。
（1）保護系統
保護系統相對獨立，在環網上任一節點故障時主變電所饋出線的保護均應動作，保護迅速切除故障段，最快能達到0.7s。環網牽引供電系統的短路水平一般不超過7000A，對于單相短路，依據主變電所是小電阻接地還是接地變壓器的接線形式，這兩種方式一般不超過1000A；按照這兩種短路水平，電纜有一定承受能力，因此這種保護配置能使發生故障的環網電纜較快的從系統中退出運行，以最大限度地減少對一次設備的損壞，降低對供電系統安全供電的影響，在保證選擇性、靈敏性、速動性和可靠性的前提下大大簡化了保護配置。
（2）電流輸入與采樣環節的可靠性分析
電流采樣環節的故障主要有兩種可能：一種是電流互感器與上位機智能模塊之間的通路故障，這種故障發生時電流互感器可能已損壞，對于這種情況，假設J點發生故障，那么J到主所之間相應隔離開關處均能檢測到故障電流，如果主所上位機未收到D處的故障電流值，而A-E之間的電流采樣點均能采集到故障電流，則可以認為D處的電流采集回路發生了故障，環網故障判斷及自動投切功能均不應受影響；如果隔離開關E處未檢測到故障電流，F處也未檢測到， A、B、C和D處均檢測到了，而實際上是J處發生了故障，則應在主所斷路器A處發生故障跳閘后，只分開隔離開關D，并不進行該所的母聯自投，但在末端所可分開隔離開關F后再進行末端所的母聯自投，這樣只影響其中一個所的正常供電，對系統的運行影響不大。從另一個角度也可以表明，這種配網自動化系統適合于3~4個變電所為一組的環網供電系統，這樣即使是這一組供電分區停電，對整個地下鐵道或輕軌的環網供電系統的影響都是較小的。另一方面。如果當J點發生故障，而此時主所到J點之間任何兩個電流采樣回路發生問題時系統仍能進行正確的判斷。
另一方面，如果整個一個變電所的所有電流采樣回路均發生故障時，只有兩種可能，一種可能是通信模塊發生了故障，另一種可能是站間通信發生了故障。對于第一種可能，解決辦法是對通信模塊采用冗余配置模式，一個模塊故障時可自動切換到另一個模塊工作，或者采用非冗余配置模式，但一個模塊故障時應閉鎖自動投切功能；另一種可能是通信網絡發生了故障，為了避免這種故障，可以采用主備通道方案或共線的通信傳輸方式，可采用CANBus、DNP3.0及以太網等多種網絡規約模式，可采用輪詢、沖突檢測等多種網絡通信手段保證網絡通信的可靠性。
五、簡單環網供電支援方案
對于簡單環網供電系統，供電支援系統如圖二所示，圖中當SS1主變電所失電時，SS2主變電所向SS1主所支援供電，并通過SS1母線向原SS1主變電所的其它供電支路
圖二 簡單環網供電方案支援方案
支援供電。這里邊實際上是分析在SS2主變電所向SS1主變電所支援供電時，配網自動化系統是如何運行的。正常供電時SS1與SS2之間的配網自動化系統是在分斷開關處分區的，實際上在兩個主變電所之間，當SS1失電，由SS2向SS1支援時，雖然有兩個網絡運行，但SS1側的網絡的工作模式應有所改變，因為在SS1至分段開關之間的環網如果發生短路故障，SS1處的饋線開關是不會跳閘的，但此時相關故障電流信息是能夠上送SS1主變電所上位機智能模塊的，而且該信息可以經該上位機模塊上送SCADA控制中心主站。鑒于此，我們可以得到兩種解決方案，一種是如果在支援供電時被支援區段發生故障，可由控制中心主站操作員指揮切除故障電纜區段，并恢復供電，這種方案使得配網自動化的網絡較簡單，但倒閘時間會延長，但考慮到已經是兩重故障了，發生的概率已非常小，也是可以接受的。第二種辦法是在聯絡開關處將兩個自動化網絡聯絡在一起，并能通過遠方/當地設置獨立或共同運行模式，也就是說，當SS2向SS1支援時，SS2處的智能模塊可以訪問SS1供電區段的各點的電流信息，這種方案唯一的缺點是在兩個網絡合并時，網絡上掛接的節點數會增加，影響了網絡通信速度。比如CANBus，在網絡傳輸距離為1.3km時速度為50kbps，在網絡傳輸距離為30km時速率為5kbps，一般情況下SS1與SS2之間的傳輸距離為10km左右，速度有一定影響，但還是可以接受的。六、對運營的影響
這種供電網絡對運營的影響主要是在倒閘作業、越區供電、故障判斷及恢復上，關鍵是操作時間及可靠性。對于SCADA操作來說，隔離開關與斷路器之間的聯瑣可以通過控制中心的軟件閉鎖實現，但是當地操作如何解決安全聯瑣問題呢？因為配網自動化系統的存在，變電所饋線斷路器的合分位信息能下傳到有關的變電所，在進行隔離開關的操作時，應先判斷變電所相應饋線斷路器的位置后才能操作，這一安全閉鎖的判斷可以經過上位機的軟件實現，如果這一環節失靈，而且遠動操作也失靈，可以通過調度員工作票的形式解決。利用配網自動化的另一個好處是，在當地操作主變電所饋線開關時可先判斷下屬所內相關三工位開關的狀態，如果三工位開關在接地位置，變電所饋線斷路器可拒絕合閘。
在這種環網供電方式下，正常倒閘作業可以這樣規定：先依次合閘環網隔離開關，再合閘主變電所相應饋線斷路器，然后逐一合閘各相關變電所變壓器回路斷路器；合隔離開關命令可以由SCADA控制中心通過程控卡片操作，也可以利用主變電所上位機通過“廣播”方式同時向各相關變電所下達合閘命令。越區供電操作可由SCADA控制中心的調度員指揮調度。值得一提的是，因城市軌道交通系統的牽引降壓變電所大多屬于無人值班方式，主要的操作應在控制中心，只有當檢修時才有人去變電所，這時的操作以單控為主。
七、國產化分析
在這種簡單環網供電系統中最關鍵的兩個設備，三工位電動隔離開關和配網自動化系統。隨著技術的進步以及許多中外合資企業的誕生，開關設備的質量有了顯著的提高，對于三工位電動隔離開關，不論是35kV等級的還是10kV等級的應該說是成熟產品，相關有實力廠家都有可靠產品。關鍵的參數是操作次數，因隔離開關為無載型的，其操作壽命一般較長；另外可以采用AIS小車式的電動隔離開關。值得一提的是，目前尚無35kV負荷開關，而10kV負荷開關則屬于成熟產品，國產設備性能也有很大的提高，所以對于10kV環網供電系統來說，應優先選用負荷開關，這樣環網恢復供電的操作順序合乎人們的習慣。
隨著微機技術和通信技術的發展，綜合自動化系統的技術含量和可靠性越來越高，我國在微機方面的發展速度相當快，尤其是SCADA系統等技術已經取代了有關國外供貨商，為我們在工程中可靠地應用提供了良好的保證。目前配網自動化系統在上海等城市小區供電及城市供電系統中已經得到了應用，生產配網自動化的廠家由引進技術到發展擁有自主知識產權的產品過程已經完成，因此該技術在城市軌道交通系統上的應用不會成為瓶頸問題。
八、工程的可實施性
該方案的技術難度并不復雜，接口主要有電流數據采集部分及站間數據傳輸技術，需要少許電纜和光纖轉接工作，對于電纜連接屬于常規的工程施工，光纖接口相對較復雜，需要光纖轉接盒等設備及工藝，但這項技術可以通過工廠化施工方法解決，也就是說尾纖等可在工廠提前制作，現場安裝，這種施工在廣州地鐵及上海地鐵等各大工程中都已得以應用，因此具有工程可實施性。
九、結束語
這種簡單環網供電方式與現行供電方式沒有太大的區別，只是將斷路器換成三工位電動隔離開關或負荷開關，同時取消縱差保護，因此只是環網運行方式發生了變化。這種設計的主要特點是環網設備簡單，投資低，工程量小，施工周期短，自動化程度高，尤其是對于10kV環網供電系統，由于有成熟的10kV負荷開關產品，使得環網供電的操作靈活性有了顯著的提高；主要缺點是倒閘時間較長，但考慮到環網供電系統的設備平時很少操作，并且環網電纜故障率較低，這種方案也是一種選擇。
