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摘要：本文介紹了一種簡(jiǎn)單環(huán)網(wǎng)供電方案及相應(yīng)的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成原理及可靠性分析，為城市軌道交通的環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)提供了另一種選擇方案。

關(guān)鍵詞：環(huán)網(wǎng)供電、配網(wǎng)自動(dòng)化

一、前言

我國(guó)已經(jīng)建成的地鐵及輕軌的供電系統(tǒng)基本采用集中供電方式，電壓等級(jí)有兩種模式：一種是110kV/35kV/10kV的三級(jí)電壓供電模式；另一種是110kV/35kV兩級(jí)電壓供電模式。經(jīng)過(guò)技術(shù)、投資等比選后，兩級(jí)電壓集中供電方案逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，成為現(xiàn)代城市軌道交通供電系統(tǒng)的主流。這種供電系統(tǒng)不論是供電質(zhì)量，供電可靠性，損耗等各項(xiàng)指標(biāo)，都是比較優(yōu)越的。在保護(hù)配置方面，環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)一般設(shè)置縱差保護(hù)及電流保護(hù)。當(dāng)某段環(huán)網(wǎng)電纜發(fā)生短路故障時(shí)，縱差保護(hù)作為主保護(hù)能迅速區(qū)分故障段，保證了非故障段的正常供電。然而，根據(jù)廣州、上海、北京、天津等城市地鐵的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，發(fā)生環(huán)網(wǎng)電纜故障的概率實(shí)際上比較低，而現(xiàn)行方案雖然性能高，但投資也比較高。本文試圖提出一種簡(jiǎn)單的環(huán)網(wǎng)供電方案，降低工程造價(jià)。

二、簡(jiǎn)單環(huán)網(wǎng)供電方式

實(shí)際上，現(xiàn)行的環(huán)網(wǎng)兩級(jí)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(gè)供電支路，每個(gè)支路可掛接3個(gè)左右的牽引降壓變電所；有來(lái)自不同變電所的兩個(gè)支路通過(guò)分段開(kāi)關(guān)互相聯(lián)通，保證當(dāng)一個(gè)主變電所解裂時(shí)另一個(gè)主變電所的支援供電。這種供電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線均為斷路器，環(huán)網(wǎng)電纜的主保護(hù)為縱差保護(hù)。對(duì)于簡(jiǎn)單環(huán)網(wǎng)供電來(lái)說(shuō)，核心內(nèi)容是將環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線斷路器更換為三工位電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，相應(yīng)地取消35kV環(huán)網(wǎng)電纜光纖縱差保護(hù)，如圖一所示。這種方案的特點(diǎn)是投資大幅降低，環(huán)網(wǎng)故障時(shí)電流保護(hù)跳閘時(shí)間短，保護(hù)配合容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是故障后倒閘作業(yè)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，大約4~6秒，比進(jìn)出線為斷路器的方案略長(zhǎng)2~3秒。也就是說(shuō)，在機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中如果發(fā)生環(huán)網(wǎng)饋線故障，在6秒鐘內(nèi)應(yīng)該保證故障判斷、故障區(qū)段的迅速切除以及備用電源的自動(dòng)投入，而6秒鐘的時(shí)間機(jī)車不會(huì)馬上停止滑行，這樣在機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中即能保證重新受電。要保證這一點(diǎn)，我們必須引入配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。

實(shí)際上與這種環(huán)網(wǎng)供電方案相配套的是一套實(shí)現(xiàn)站間信息傳輸?shù)木C合配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，它是在主變電所及各牽引降壓變電所的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的控制信號(hào)盤(pán)內(nèi)安裝有智能通信模塊，模塊間通過(guò)光纖連接，以實(shí)現(xiàn)同一束供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所間信息資源共享。配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)同一配電網(wǎng)絡(luò)支路的各變電所上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)采集與控制，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理。對(duì)于智能通信模塊，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，SOE，校時(shí)，數(shù)據(jù)接收和傳送功能以及控制功能。對(duì)于主變電所的智能通信還應(yīng)能進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)、追憶、自動(dòng)裝置功能等。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)可采用共線或首尾相連的自愈型環(huán)網(wǎng)連接方式。主變電所上位機(jī)負(fù)責(zé)詢問(wèn)和接收各牽引降壓變電所的被控對(duì)象的實(shí)時(shí)位置、測(cè)量值，并對(duì)被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，采集方式可以采用輪詢或主動(dòng)上報(bào)兩種模式，正常情況下采用輪詢方式，當(dāng)有重要時(shí)間發(fā)生時(shí)（如采用故障信息或開(kāi)關(guān)變位）時(shí)，采用主動(dòng)上報(bào)方式，保證重要事件的實(shí)時(shí)性。對(duì)于各牽引降壓變電所的控制信號(hào)盤(pán)中的智能通信單元的功能要求如下：

（1）SOE功能：記錄系統(tǒng)狀態(tài)量變化的時(shí)間和先后順序，每一記錄點(diǎn)均帶時(shí)標(biāo)。

（2）對(duì)時(shí)功能：接收、判斷控制中心GPS對(duì)時(shí)信號(hào)。

（3）通信功能：可采用CANBus，以太網(wǎng)接口，專用MODEM和RS485總線模式，抗干擾能力較強(qiáng)。

（4）自診斷功能：裝置自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備本身運(yùn)行狀態(tài)，自身故障時(shí)可及時(shí)上報(bào)告警。

（5）電流及電壓數(shù)據(jù)采集功能：能采集各相電流及母線電壓，并能進(jìn)行電流方向判斷。

（6）故障檢測(cè)功能：裝置根據(jù)采集電流的大小及設(shè)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(zhì)主動(dòng)上報(bào)主變電所上位機(jī)。

（7）保護(hù)功能：該裝置具有保護(hù)功能及滿足保護(hù)裝置所要求的速動(dòng)性，靈敏性，可靠性的參數(shù)要求。

（8）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：定值數(shù)據(jù)具有存儲(chǔ)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(jù)各變電所的上送信息判斷出故障電纜區(qū)段。

（10）遠(yuǎn)程通信功能：能將相關(guān)信息上送SCADA控制中心主站。

三、短路保護(hù)及自動(dòng)裝置功能分析

附圖一表示了環(huán)網(wǎng)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(yùn)行時(shí)所有進(jìn)出線電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)均處于合閘位置；當(dāng)J點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，主變電所斷路器A迅速斷開(kāi)，A斷路器的保護(hù)信號(hào)啟動(dòng)主變電所智能通信模塊，該智能模塊隨即查詢本供電網(wǎng)絡(luò)各上位機(jī)智能通信模塊的電流值及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判斷。很顯然，在J點(diǎn)至主所之間同一供電網(wǎng)絡(luò)中的所有檢測(cè)電流的地方都應(yīng)該保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，而F點(diǎn)沒(méi)有，因此主所可以判斷出故障是發(fā)生在E、F之間；接下來(lái)是切除故障了的環(huán)網(wǎng)電纜E、F段，并啟動(dòng)相關(guān)所內(nèi)的母聯(lián)自投功能。母聯(lián)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(huán)節(jié)，提高了自動(dòng)裝置功能的可靠性。母聯(lián)自投功能是分開(kāi)出線電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)E及進(jìn)線隔離開(kāi)關(guān)F，并自動(dòng)合閘母聯(lián)斷路器H，母聯(lián)斷路器執(zhí)行完操作后自動(dòng)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。

當(dāng)圖中所示變壓器故障時(shí)，變壓器斷路器應(yīng)迅速斷開(kāi)，對(duì)環(huán)網(wǎng)供電不受影響，但當(dāng)斷路器失靈時(shí)，由主變電所饋線作為后備跳閘，如果是這種情況，母聯(lián)斷路器則不進(jìn)行自動(dòng)投切操作。

四、配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性分析

對(duì)于配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)有些關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如：電流輸入與采集，網(wǎng)絡(luò)通信，保護(hù)系統(tǒng)等，這些環(huán)節(jié)的好壞直接影響到牽引供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)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(hù)系統(tǒng)

保護(hù)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，在環(huán)網(wǎng)上任一節(jié)點(diǎn)故障時(shí)主變電所饋出線的保護(hù)均應(yīng)動(dòng)作，保護(hù)迅速切除故障段，最快能達(dá)到0.7s。環(huán)網(wǎng)牽引供電系統(tǒng)的短路水平一般不超過(guò)7000A，對(duì)于單相短路，依據(jù)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(guò)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(hù)配置能使發(fā)生故障的環(huán)網(wǎng)電纜較快的從系統(tǒng)中退出運(yùn)行，以最大限度地減少對(duì)一次設(shè)備的損壞，降低對(duì)供電系統(tǒng)安全供電的影響，在保證選擇性、靈敏性、速動(dòng)性和可靠性的前提下大大簡(jiǎn)化了保護(hù)配置。

（2）電流輸入與采樣環(huán)節(jié)的可靠性分析

電流采樣環(huán)節(jié)的故障主要有兩種可能：一種是電流互感器與上位機(jī)智能模塊之間的通路故障，這種故障發(fā)生時(shí)電流互感器可能已損壞，對(duì)于這種情況，假設(shè)J點(diǎn)發(fā)生故障，那么J到主所之間相應(yīng)隔離開(kāi)關(guān)處均能檢測(cè)到故障電流，如果主所上位機(jī)未收到D處的故障電流值，而A-E之間的電流采樣點(diǎn)均能采集到故障電流，則可以認(rèn)為D處的電流采集回路發(fā)生了故障，環(huán)網(wǎng)故障判斷及自動(dòng)投切功能均不應(yīng)受影響；如果隔離開(kāi)關(guān)E處未檢測(cè)到故障電流，F(xiàn)處也未檢測(cè)到，A、B、C和D處均檢測(cè)到了，而實(shí)際上是J處發(fā)生了故障，則應(yīng)在主所斷路器A處發(fā)生故障跳閘后，只分開(kāi)隔離開(kāi)關(guān)D，并不進(jìn)行該所的母聯(lián)自投，但在末端所可分開(kāi)隔離開(kāi)關(guān)F后再進(jìn)行末端所的母聯(lián)自投，這樣只影響其中一個(gè)所的正常供電，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行影響不大。從另一個(gè)角度也可以表明，這種配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)適合于3~4個(gè)變電所為一組的環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)，這樣即使是這一組供電分區(qū)停電，對(duì)整個(gè)地下鐵道或輕軌的環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)的影響都是較小的。另一方面。如果當(dāng)J點(diǎn)發(fā)生故障，而此時(shí)主所到J點(diǎn)之間任何兩個(gè)電流采樣回路發(fā)生問(wèn)題時(shí)系統(tǒng)仍能進(jìn)行正確的判斷。

另一方面，如果整個(gè)一個(gè)變電所的所有電流采樣回路均發(fā)生故障時(shí)，只有兩種可能，一種可能是通信模塊發(fā)生了故障，另一種可能是站間通信發(fā)生了故障。對(duì)于第一種可能，解決辦法是對(duì)通信模塊采用冗余配置模式，一個(gè)模塊故障時(shí)可自動(dòng)切換到另一個(gè)模塊工作，或者采用非冗余配置模式，但一個(gè)模塊故障時(shí)應(yīng)閉鎖自動(dòng)投切功能；另一種可能是通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)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(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)規(guī)約模式，可采用輪詢、沖突檢測(cè)等多種網(wǎng)絡(luò)通信手段保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

五、簡(jiǎn)單環(huán)網(wǎng)供電支援方案

對(duì)于簡(jiǎn)單環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)，供電支援系統(tǒng)如圖二所示，圖中當(dāng)SS1主變電所失電時(shí)，SS2主變電所向SS1主所支援供電，并通過(guò)SS1母線向原SS1主變電所的其它供電支路

支援供電。這里邊實(shí)際上是分析在SS2主變電所向SS1主變電所支援供電時(shí)，配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)是如何運(yùn)行的。正常供電時(shí)SS1與SS2之間的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)是在分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)處分區(qū)的，實(shí)際上在兩個(gè)主變電所之間，當(dāng)SS1失電，由SS2向SS1支援時(shí)，雖然有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，但SS1側(cè)的網(wǎng)絡(luò)的工作模式應(yīng)有所改變，因?yàn)樵赟S1至分段開(kāi)關(guān)之間的環(huán)網(wǎng)如果發(fā)生短路故障，SS1處的饋線開(kāi)關(guān)是不會(huì)跳閘的，但此時(shí)相關(guān)故障電流信息是能夠上送SS1主變電所上位機(jī)智能模塊的，而且該信息可以經(jīng)該上位機(jī)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(shí)被支援區(qū)段發(fā)生故障，可由控制中心主站操作員指揮切除故障電纜區(qū)段，并恢復(fù)供電，這種方案使得配網(wǎng)自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)較簡(jiǎn)單，但倒閘時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，但考慮到已經(jīng)是兩重故障了，發(fā)生的概率已非常小，也是可以接受的。第二種辦法是在聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)處將兩個(gè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)在一起，并能通過(guò)遠(yuǎn)方/當(dāng)?shù)卦O(shè)置獨(dú)立或共同運(yùn)行模式，也就是說(shuō)，當(dāng)SS2向SS1支援時(shí)，SS2處的智能模塊可以訪問(wèn)SS1供電區(qū)段的各點(diǎn)的電流信息，這種方案唯一的缺點(diǎn)是在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)合并時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上掛接的節(jié)點(diǎn)數(shù)會(huì)增加，影響了網(wǎng)絡(luò)通信速度。比如CANBus，在網(wǎng)絡(luò)傳輸距離為1.3km時(shí)速度為50kbps，在網(wǎng)絡(luò)傳輸距離為30km時(shí)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(duì)運(yùn)營(yíng)的影響

這種供電網(wǎng)絡(luò)對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響主要是在倒閘作業(yè)、越區(qū)供電、故障判斷及恢復(fù)上，關(guān)鍵是操作時(shí)間及可靠性。對(duì)于SCADA操作來(lái)說(shuō)，隔離開(kāi)關(guān)與斷路器之間的聯(lián)瑣可以通過(guò)控制中心的軟件閉鎖實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)?shù)夭僮魅绾谓鉀Q安全聯(lián)瑣問(wèn)題呢？因?yàn)榕渚W(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的存在，變電所饋線斷路器的合分位信息能下傳到有關(guān)的變電所，在進(jìn)行隔離開(kāi)關(guān)的操作時(shí)，應(yīng)先判斷變電所相應(yīng)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(jīng)過(guò)上位機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)，如果這一環(huán)節(jié)失靈，而且遠(yuǎn)動(dòng)操作也失靈，可以通過(guò)調(diào)度員工作票的形式解決。利用配網(wǎng)自動(dòng)化的另一個(gè)好處是，在當(dāng)?shù)夭僮髦髯冸娝伨€開(kāi)關(guān)時(shí)可先判斷下屬所內(nèi)相關(guān)三工位開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，如果三工位開(kāi)關(guān)在接地位置，變電所饋線斷路器可拒絕合閘。

在這種環(huán)網(wǎng)供電方式下，正常倒閘作業(yè)可以這樣規(guī)定：先依次合閘環(huán)網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)，再合閘主變電所相應(yīng)饋線斷路器，然后逐一合閘各相關(guān)變電所變壓器回路斷路器；合隔離開(kāi)關(guān)命令可以由SCADA控制中心通過(guò)程控卡片操作，也可以利用主變電所上位機(jī)通過(guò)“廣播”方式同時(shí)向各相關(guān)變電所下達(dá)合閘命令。越區(qū)供電操作可由SCADA控制中心的調(diào)度員指揮調(diào)度。值得一提的是，因城市軌道交通系統(tǒng)的牽引降壓變電所大多屬于無(wú)人值班方式，主要的操作應(yīng)在控制中心，只有當(dāng)檢修時(shí)才有人去變電所，這時(shí)的操作以單控為主。

七、國(guó)產(chǎn)化分析

在這種簡(jiǎn)單環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的兩個(gè)設(shè)備，三工位電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)和配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步以及許多中外合資企業(yè)的誕生，開(kāi)關(guān)設(shè)備的質(zhì)量有了顯著的提高，對(duì)于三工位電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，不論是35kV等級(jí)的還是10kV等級(jí)的應(yīng)該說(shuō)是成熟產(chǎn)品，相關(guān)有實(shí)力廠家都有可靠產(chǎn)品。關(guān)鍵的參數(shù)是操作次數(shù)，因隔離開(kāi)關(guān)為無(wú)載型的，其操作壽命一般較長(zhǎng)；另外可以采用AIS小車式的電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)。值得一提的是，目前尚無(wú)35kV負(fù)荷開(kāi)關(guān)，而10kV負(fù)荷開(kāi)關(guān)則屬于成熟產(chǎn)品，國(guó)產(chǎn)設(shè)備性能也有很大的提高，所以對(duì)于10kV環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)優(yōu)先選用負(fù)荷開(kāi)關(guān)，這樣環(huán)網(wǎng)恢復(fù)供電的操作順序合乎人們的習(xí)慣。

隨著微機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)含量和可靠性越來(lái)越高，我國(guó)在微機(jī)方面的發(fā)展速度相當(dāng)快，尤其是SCADA系統(tǒng)等技術(shù)已經(jīng)取代了有關(guān)國(guó)外供貨商，為我們?cè)诠こ讨锌煽康貞?yīng)用提供了良好的保證。目前配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)在上海等城市小區(qū)供電及城市供電系統(tǒng)中已經(jīng)得到了應(yīng)用，生產(chǎn)配網(wǎng)自動(dòng)化的廠家由引進(jìn)技術(shù)到發(fā)展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品過(guò)程已經(jīng)完成，因此該技術(shù)在城市軌道交通系統(tǒng)上的應(yīng)用不會(huì)成為瓶頸問(wèn)題。

八、工程的可實(shí)施性

該方案的技術(shù)難度并不復(fù)雜，接口主要有電流數(shù)據(jù)采集部分及站間數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，需要少許電纜和光纖轉(zhuǎn)接工作，對(duì)于電纜連接屬于常規(guī)的工程施工，光纖接口相對(duì)較復(fù)雜，需要光纖轉(zhuǎn)接盒等設(shè)備及工藝，但這項(xiàng)技術(shù)可以通過(guò)工廠化施工方法解決，也就是說(shuō)尾纖等可在工廠提前制作，現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)用，因此具有工程可實(shí)施性。

九、結(jié)束語(yǔ)

這種簡(jiǎn)單環(huán)網(wǎng)供電方式與現(xiàn)行供電方式?jīng)]有太大的區(qū)別，只是將斷路器換成三工位電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)或負(fù)荷開(kāi)關(guān)，同時(shí)取消縱差保護(hù)，因此只是環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式發(fā)生了變化。這種設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是環(huán)網(wǎng)設(shè)備簡(jiǎn)單，投資低，工程量小，施工周期短，自動(dòng)化程度高，尤其是對(duì)于10kV環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)，由于有成熟的10kV負(fù)荷開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，使得環(huán)網(wǎng)供電的操作靈活性有了顯著的提高；主要缺點(diǎn)是倒閘時(shí)間較長(zhǎng)，但考慮到環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)的設(shè)備平時(shí)很少操作，并且環(huán)網(wǎng)電纜故障率較低，這種方案也是一種選擇。