铁路供电段电力远动系统方案_铁路电力远动系统

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铁路供电段电力远动系统方案

[摘要]文章就供电段电力远动系统作一个方案概述,对系统主要设备配置原则、组成及功能特点进行探讨。

[关键词]铁路供电段电力远动系统;贯通(自闭)线;主站;馈线自动化

[作者简介]周嘉宁,中铁四院集团南宁勘察设计院有限公司工程师,广西南宁,530003

[中图分类号] TM76 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723(2010)02-0134-0005

铁路供电段早期电力远动系统是根据早期工厂产品标准建成,当时国家在这方面没有一个统一标准,建成一条贯通(自闭)线增设一部分设备,形成一个个孤立的配电自动化系统,数据处理和传递速度慢,没有形成网络共享数据,没有配电地理信息,功能单一,缺乏计算机辅助决策功能。随着铁路高速列车的开行,现有的电力远动系统已经满足不了铁路运输部门对供电可靠性的要求,技术改造升级势在必行。

一、铁路电力远动系统设计原则

1.供电段是向铁路生产、生活及相关部门供电的基层单位,为了方便管理,电力远动系统一般采用调配一体化方式。电力调度值班室和远动监控室设在一个房间内,远动监控主站设备机房紧靠监控室。

2.铁路电力远动监控主站负责完成对所辖范围内的远动终端的监控。当路局设有综合调度中心时,电力远动系统应纳入综合调度中心管理,中心需要有关电力设备的信息,由监控主站按要求有选择地转发。

3.铁路电力远动系统包括铁路供配电系统中的变配电所自动化、馈线自动化、重要的低压供电回路监控、地理信息、设备管理、视频监视系统。

4.铁路电力远动系统应满足近期使用要求,视条件分层、分步实施。监控主站的软、硬件应满足远期发展的需要。

5.铁路电力远动系统的功能设计、硬件设备、操作系统及数据库系统的选择,应坚持实用和性价比最优的原则,根据需要可不断扩充新功能,各种功能分步实施时,不影响系统使用及原有功能运行,具备安全性、可靠性、实用性、开放性、容错性、扩展性和灵活性。

二、铁路电力远动系统构成系统结构设计遵循统一规划、分步实施的建设原则,并考虑到辖区配电的实际情况,需分期分批逐年改造及完善。因此,要求远动系统结构具有良好的可生长性和扩充性,把每期的配电自动化子系统以“积木”的方式“填加”到整个电力远动系统中。

铁路电力远动系统分别由系统监控主站、远动终端(监控终端、监测终端、其他终端)、远动通信三部分组成。当铁路地区被控对象较多且相对集中时,可增设二级监控主站。本方案不考虑二级主站设置。

(一)系统监控主站

系统监控主站是整个铁路电力远动系统的最高层。采用前置机/服务器模式构成计算机局域网络系统,以数据采集与监控系统(SADA)和地理信息系统(GIS)作为基本平台,配合各种应用软件从整体上实现配电网的监测和控制,分析配电网的运行状态,对整个配电网络进行有效的管理,使整个配电系统处于最优的运行状态。它是整个铁路配电网监控和管理系统的核心。

1.系统监控主站的功能

(1)分别实现对供电段所辖区域110KV及以下电压等级变电站、配电所的集中监视和控制。

(2)实现配电网的实时监控,具备完善的SCAD功能,包括实现所辖地区及铁路沿线10KV馈电线路分段开关、分区所、配电变压器等设备的实时监控。

(3)馈线自动化功能。不管是铁路地区或者是铁路沿线贯通(自闭)线发生故障,均能实现故障区段定位、隔离、非故障区段恢复供电。

(4)以高性能的地理信息系统作为整个DMS(配电管理)系统开发的支持平台,使包括配电SCADA 在内的DMS的所有子系统都构筑在地理信息的基础上,实现自动绘图(AM)/设备管理(FM)/地理信息系统(GIS)功能。结合地理信息实现配电设备的计算机管理。

(5)对电网的运行状态进行分析,使电网处于安全、优化的运行状态,具备自动/人工恢复供电切换的功能。

(6)具有网络通信能力,能够进行异种网络、异种协议的转换。

(7)具有当地调试与维护工具,具备远程维护、调试和诊断能力。

2.系统监控主站设备配置

铁路电力远动系统是监测、控制电力系统运行的实时系统,因铁路电力供电与铁路行车和安全密切相关,要求该系统具有很高的实时性和可靠性。因此,在计算机系统选型时应遵循以下原则:

(1)在主站计算机系统的服务器选择上,应选用高性能的专用服务器。为增强计算机系统的可靠性,采用双服务器策略,确保电网描述数据、电网运行的历史数据安全。

(2)在主站计算机系统的网络结构上,采用双网络体系结构,确保网络通信畅通。

(3)前置机是电网运行实时信息进入主站系统的咽喉,也是主站向各终端设备发送控制操作、对时、下载数据等命令的出口。为保证通道的顺畅,网络交换机及前置机均采用双机配置,采用双机双工运行方式。设备选用工业级控制产品。

(4)系统采用调配一体化方式,为保证值班操作人员的操作时有人监督、备用,工作站亦按双机冗余配置。

(5)所有硬件应符合国际标准及电力工业标准。

(6)主站系统的网络工作站进入系统设计时应有层级密码,实现调度遥控功能、实施数据库配置时,应设计有二级或多级密码确认及警示功能。对于主站网络以外的计算机访问时,必须设置有防火墙;和企业其他网络相连时,应采用物理隔离方式,确保满足《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》。

3.系统监控主站配置示意图

远动系统主站为多台计算机构成的分布式系统,图1方案为大型配置方案,系统功能模块、打印机等可根据数据采集及监控对象的容量及现场实际需要作增减。

TB10008-2006年《铁路电力设计规范》要求铁路配电所按有人值守无人值班设计,系统需设视频监视子系统。对配电所外部安全警戒、室内高低压室等重要场所及电力设施进行实时视频监控。视频子系统单独组网,通过网关或其他设备与主站相连接。

4.系统监控主站的软件配置

主站系统的软件构成分三层,包括操作系统软件、支持软件和高级应用软件。系统软件选用成熟、通用、运行稳定、可靠性高的软件。计算机网络操作系统应具有良好的网络安全和保密性,支持多服务器系统,支持多任务,安装、操作简洁,网络扩展容易,与其他厂家的产品互连性及开放性好。系统数据库应具备开放的标准SQL语言访问接口,以方便与其他系统互联和数据共享。在统一的基础平台上,系统的各个功能模块应可任意选配。人机界面应突出操作简单、易学、易用、易维护的原则。

(1)操作系统软件:操作系统专门用于计算机资源的控制和管理,其可以完成以下功能:处理器管理、任务管理、存储管理、设备管理、文件管理、时钟管理和系统自诊断等。目前常用的操作系统分为Unix系列和Windows 系列,后者是用得最多也是最大众化的一种操作系统,它具有操作容易、应用软件丰富的优点,最大缺点是容易受网络病毒攻击,系统容易瘫痪。在网络安全性和稳定性方面Unix更突出,也不容易受网络病毒攻击。但其操作都是基于命令行的,不大方便使用,故操作系统宜选用Windows。

(2)支撑软件:支撑软件包括数据库、GIS平台、人机对话、应用接口软件等。目前国内配电网自动化系统应用较多的数据库软件有SQL Server、Oracle、DB2、Sybase等,各有优缺点。根据铁路供电系统的特点,本方案选用SQL Server数据库软件,SQL新版本是一个全面的数据库平台,其提供全新的安全认证、数据加密技术来加强数据系统的安全性;数据库具备镜像、快照、时点恢复、实时在线管理等诸多功能,提供丰富的智能套件,包括关系型数据库、复制服务、通知服务、集成服务、分析服务、报表服务、管理工具等,能大大提高系统的可靠性,极具扩展性和灵活性。

(3)高级应用软件:配电应用软件是利用配电自动化系统的各种信息,在实时或研究状态下,对配电系统的运行状态进行分析,帮助运行人员了解和掌握配电自动化系统实时和各种假想运行方式的状态,提供一种配电网分析和决策的工具,为故障的恢复控制和网络的重构提供依据,为配电网运行的安全性、可靠性、经济性提供参考。常规的配电网分析软件包括以下功能模块:网络拓扑(建模)、潮流计算、可靠性分析、线损统计和分析、短路计算、负荷预报、状态估计、负荷管理、网络优化重构和在线仿真决策分析等。实施时可根据铁路配电网络的特点选用需要的功能模块。

(二)远动终端

远动终端是整个系统的底层,可完成柱上开关、环网开关、箱式变、配电变压器、开闭所、集抄系统等各种现场信息的采集处理及监控功能。包括馈线测控终端(FTU)、开闭所测控终端(DTU)、变压器监测终端(TTU)。

1.馈线测控终端(FTU)功能

FTU主要应用于配网自动化,适用于35kV以下馈线、环网柜开关的监控。一台FTU可监控最多至3台开关,并具有以下功能:

(1)遥测功能(YC):采集交流输入电压,监视开关两侧馈线的供电情况,采集线路的电压、流过开关的负荷电流和有功、无功功率等模拟量。

(2)遥信功能(YX):对柱上(环网柜)开关的当前位置、通信是否正常、储能完成情况等重要状态量进行采集。

(3)遥控功能(YK):接受并执行指令控制开关合闸和跳闸、动作闭锁及启动储能过程等。在检修线路开关时,FTU具有远方控制闭锁功能。

(4)统计功能:统计开关分合闸动作次数、动作时间及累计切断电流的水平进行监视。

(5)设置功能:在主站能对FTU能进行电压、电流、继电保护进行整定,且整定值随配网远行方式的改变能够自适应。

(6)对时功能:能接受主站的对时命令,和主站时钟保持一致。

(7)事件顺序记录(SOE):记录状态量发生变化的时刻和先后顺序。

(8)事故记录:当电流超过整定值时,记录并上报越限值和发生时间;记录并上报开关状态变化和发生时间;记录事故发生时的最大故障电流和事故前一段时间的平均负荷,以便分析事故,确定故障区段,并为恢复全区段供电时进行负荷分配提供依据。

(9)自检和自恢复功能:装置具有自检功能,并在设备自身故障时及时报警。当装置受到干扰造成死机时,能通过监视定时器重新复位系统,恢复正常运行。

(10)通信功能:装置具有多种通信规约和速率选择功能,支持光纤、无线电台、以太网、载波、Modem等信道通信转接功能。各功能模块可根据需要选配。

(11)电度采集、微机保护、故障录波三项功能模块可根据需要选配。

2.开闭所测控终端(DTU)功能

开闭所测控终端(DTU)工作原理、大部分功能与FTU装置基本相同,只是所要监控的开关和线路比FTU装置多(三条以上)。因此,对模拟量、开关量及控制量/数字量输出的容量要求更大,如果有双电源的开闭所还需具有备用电源自动投入(BZT)功能及多路继电保护功能。

3.配电变压器监测终端(TTU)功能

监测终端用于对配电变压器的信息采集和控制,它实时监测配电变压器的运行工况,完成传统的电压表、电流表、功率因数表、负荷指示仪、电压监视仪的功能。通过通信端口和配网主站通信,提供配电系统运行控制及管理所需的数据,根据需要可配置高性能TTU,可实现远方无功补偿、变压器自动有载调压功能。

4.测控终端设置

根据《铁路电力设计规范》6.2.3条要求,以下处所应设置远动终端:

(1)10KV配电所、35KV及以上变电所;

(2)贯通、自闭线路等重要供电线路分段开关处;

(3)重要的35/0.4KV、10/0.4KV变电所;

(4)与行车密切相关的重要低压供电(信号电源)设备处。

(三)远动通信系统

电力远动通信系统是铁路电力远动系统中非常重要的环节,是电力远动系统的神经。配电网运行数据的采集、运行状态的改变和优化均通过通信系统。先进可靠的通信系统是实现铁路配电自动化的关键。

1.远动系统对通信系统的要求

(1)高度可靠性:配电系统的有些通信设备设在室外,这意味着要长期经受各种恶劣的自然条件的影响和电磁干扰。设备选型时必须考虑环境因素的影响。

(2)经济性:铁路沿线远动通道主干道是采用现有的铁路通信专用通道,并优先采用铁路计算机网络平台。远动终端、配电所综合自动化系统、视频系统均应经单独的网络接口接入铁路计算机网络。监控主站不宜少于两个通道接入计算机网络,主站所在地区一般都在市区,因点多面广,敷设通信通道成本高,优先采用GPRS/CDMA1X无线通信。

(3)远动数字通道的传输速率应满足现在和将来数据实时传输的要求(2M/S及以上)。

(4)远动通信主干道宜设主、备两个通道,当一个通道故障时,可自动切换。

(5)远动通信通道应为全双工通道。

(6)便于扩展。

(7)干线上停电时不影响通信。

2.远动系统信道种类及结构

(1)配电网常用的信道种类包括:载波信道、无线信道、光纤信道、微波信道和有线信道。光纤通信是以光波为载体,以光导纤维为传输介质的通信方式。它的主要特点是频带宽、容量大、损耗小、中继距离长、抗干扰性强、通信安全、便于随电力电缆铺设。目前在铁路通信系统干道上已经普及,所以铁路电力远动干道(特别是远距离)应优先采用光纤信道。

(2)配电网信道结构可分为:点对点、多点共线、环型网、星型网和网络型等。结合铁路贯通(自闭)线均沿铁路边架设的特点,采用多点环型网和点对点型结构。

3.通信规约与协议

由于铁路贯通线(自闭)线供电距离远,通信点多,但通信数据量较少,采用DL/T451循环式或DL/T634查询式规约虽然也能满足现时铁路电力规范要求,但所花的时间较长,新建工程应优先采用国际电工委员会制定的IEC61850系列标准。

4.通信方案

(1)主站与铁路沿线各车站的通信机械室(通信子站)间借用铁通现有环网结构带自愈功能光纤通道,通过以太网方式进行通信。

(2)主站与同城范围内的变配电所间采用铁通现有光纤通道,通过光纤双环相连,采用单模双发双收的光Modem实现带自愈功能的双环通信。

(3)贯通线FTU、自闭线FTU、环网柜FTU、智能箱变FTU、信号电源TTU之间采用单模光纤,通过光纤双环相连,采用单模双发双收的光Modem实现带自愈功能的双环通信。当车站信号设备房与通信机械室合建时,信号电源TTU通过双绞线和Modem就近接入到数调系统机柜上。

(4)主站与同城范围内因通信光缆无法敷设到的环网柜FTU、智能箱变FTU优先采用GSM/GPRS公用无线网络。

(5)主站、变配电所内部采用以太网双网形式,采用TCP/IP协议。

三、馈线自动化

馈线自动化系统是对配电线路上的设备进行远方实时监视、协调及控制的一个集成系统,是铁路电力远动系统的主要内容之一。随着铁路行车速度不断的提高,对供电可靠性和供电质量提出了更高的要求。铁路配电网馈线自动化是提高供电可靠性最直接、最有效的技术手段。

(一)馈线自动化功能

1.馈线运行数据的采集与监控(SCADA),即遥信、遥测、遥控、遥调功能。

2.馈线故障定位、隔离及自动恢复供电。即线路故障区段(包括小电流接地故障)的定位与隔离及无故障区段供电的自动恢复。

3.无功补偿调压。即配电所无功补偿电容器组的自动投切控制。

(二)馈线自动化构成

馈线自动化系统可分为一次设备、控制箱、分散多点通信、控制主站四部分。

1.一次设备:采用的开关设备有自动重合器、负荷开关及分段器、电压、电流互感器等。

重合器是用于配电网自动化就地保护为主的智能化的开关设备,它本身具备有控制及保护功能,能够检测故障电流并按预先整定的重合闸操作次数自动完成分合操作。

分段器是一种智能化负荷开关,通常与重合器或断路器配合使用,是用来隔离线路区段的自动开关设备。

2.控制箱:控制箱起到联结开关与SCADA监控系统的桥梁作用。控制箱内主要部件有:开关操动控制电路和不间断供电电源。

3.远方终端(FTU)是馈线自动化系统中的一个关键单元。

4.通信通道和终端。

(三)基于FTU的馈线自动化

目前馈线自动化大致可分为两类:具有就地控制功能的线路自动重合器或分段器的馈线自动化系统和基于馈线FTU和通信网络的馈线自动化系统。由于第一种方案存在切断故障时间较长、系统可靠性低、可能扩大事故影响范围、仅在故障时才能发挥作用、不能远方遥控完成正常的倒闸操作、不能实时监视线路运行状况、无法掌握用户用电规律以及不能最优地管理运行电网等缺点,现已很少使用。随着电子与通信技术的发展,馈线FTU和通信网络建设成本的降低,在沿铁路线架设的贯通(自闭)线自动化配电工程中,采用基于FTU的馈线自动化技术得到了很快推广应用。

基于FTU的馈线自动化系统是通过在铁路配电所出口断路器、铁路沿线开关站FTU以及在信号电源室处安装的TTU,通过可靠的通信网络将它们和供电段监控主站的SCADA系统连接,配合相关的处理软件构成的高性能系统。

该系统在正常情况下,实现远方实时监视馈线分段开关与联络开关的状态和馈线电流、电压情况,实现线路开关的远方合闸和分闸操作,优化配网的运行方式,从而达到充分发挥现有设备容量和降低线损的目的;在故障时获取故障信息,并自动判别和隔离馈线故障区段,恢复对非故障区域的供电,从而达到减小停电面积、缩短停电和查找故障点时间的目的。当线路需检修时可通过计划调度操作,实现开关动作次数累计、供电可靠性统计、事故记录报告、负荷记录等功能。

四、结语

铁路电力供应与铁路行车和安全密切相关,是铁路运输基层设施的重要组成部分。列车速度的提高,各种车辆安全监控设备的投入使用,对供电可靠性要求将越来越高。提高供电质量,缩小故障影响范围,减少停电时间,是铁路运输部门对供电段提出的基本要求。随着铁路贯通(自闭)线、变配电所综合自动化的不断建设和配电自动化系统功能的日臻完善,电力远动系统已成为铁路供电段向铁路沿线各种行车安全监控设备不间断优质供电不可缺少的工具。

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