環(huán)網(wǎng)供電方案

1、環(huán)網(wǎng)供電方案     摘 要：本文介紹了一種簡單環(huán)網(wǎng)供電方案及相應(yīng)的配網(wǎng)自動化系統(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。   一、前言 我國已經(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(jīng)過技術(shù)、投資等比選后，兩級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，損耗等各項指標(biāo)，都是比較優(yōu)越的。在保護配置方面，環(huán)

2、網(wǎng)供電系統(tǒng)一般設(shè)置縱差保護及電流保護。當(dāng)某段環(huán)網(wǎng)電纜發(fā)生短路故障時，縱差保護作為主保護能迅速區(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營經(jīng)驗來看，發(fā)生環(huán)網(wǎng)電纜故障的概率實際上比較低，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單的環(huán)網(wǎng)供電方案，降低工程造價。 二、簡單環(huán)網(wǎng)供電方式 實際上，現(xiàn)行的環(huán)網(wǎng)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(guān)互相聯(lián)通，保證當(dāng)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(tǒng)的主要特

3、點是環(huán)網(wǎng)進出線均為斷路器，環(huán)網(wǎng)電纜的主保護為縱差保護。對于簡單環(huán)網(wǎng)供電來說，核心內(nèi)容是將環(huán)網(wǎng)進出線斷路器更換為三工位電動隔離開關(guān)，相應(yīng)地取消35kV環(huán)網(wǎng)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(huán)網(wǎng)故障時電流保護跳閘時間短，保護配合容易實現(xiàn)；缺點是故障后倒閘作業(yè)時間相對較長，大約46秒，比進出線為斷路器的方案略長23秒。也就是說，在機車運行過程中如果發(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(wǎng)自動化系統(tǒng)。 實際上與這種環(huán)網(wǎng)供電方案

4、相配套的是一套實現(xiàn)站間信息傳輸?shù)木C合配網(wǎng)自動化系統(tǒng)，它是在主變電所及各牽引降壓變電所的綜合自動化系統(tǒng)的控制信號盤內(nèi)安裝有智能通信模塊，模塊間通過光纖連接，以實現(xiàn)同一束供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所間信息資源共享。配網(wǎng)自動化系統(tǒng)用于實現(xiàn)同一配電網(wǎng)絡(luò)支路的各變電所上位機之間的數(shù)據(jù)采集與控制，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理。對于智能通信模塊，應(yīng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，SOE，校時，數(shù)據(jù)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(yīng)能進行數(shù)據(jù)檢測、追憶、自動裝置功能等。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。主變電所上位機負責(zé)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(xiàn)自動控制，采集方式

5、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(dāng)有重要時間發(fā)生時（如采用故障信息或開關(guān)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(tǒng)狀態(tài)量變化的時間和先后順序，每一記錄點均帶時標(biāo)。 （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(wǎng)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(shè)備本身運行狀態(tài)，自身故障時可及時上報告警。 （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，并能進行電流方向判斷。 （

6、6）故障檢測功能：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(shù)要求。 （8）數(shù)據(jù)存儲功能：定值數(shù)據(jù)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(jù)各變電所的上送信息判斷出故障電纜區(qū)段。 （10）遠程通信功能：能將相關(guān)信息上送SCADA控制中心主站。 三、短路保護及自動裝置功能分析 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。正常運行時所有進出線電動隔離開關(guān)均處于合閘位置；當(dāng)J點

7、發(fā)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(wǎng)絡(luò)各上位機智能通信模塊的電流值及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進行綜合判斷。很顯然，在J點至主所之間同一供電網(wǎng)絡(luò)中的所有檢測電流的地方都應(yīng)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(fā)生在E、F之間；接下來是切除故障了的環(huán)網(wǎng)電纜E、F段，并啟動相關(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)，提高了自動裝置功能的可靠性。母聯(lián)自投功能是分開出線電動隔離開關(guān)E及進線隔離開關(guān)F，并自動合閘母聯(lián)斷路器H，母聯(lián)斷路器執(zhí)行完操作后自動合閘主變電所饋線斷路器，這一系列的操

8、作均由主變電所智能通信單元指揮完成。    圖一 一種環(huán)網(wǎng)供電方案示意圖    當(dāng)圖中所示變壓器故障時，變壓器斷路器應(yīng)迅速斷開，對環(huán)網(wǎng)供電不受影響，但當(dāng)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(lián)斷路器則不進行自動投切操作。 四、配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的可靠性分析 對于配網(wǎng)自動化系統(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）保護系統(tǒng) 保護系統(tǒng)相對獨立，在環(huán)網(wǎng)上任一節(jié)點故障時主變電所饋出線

9、的保護均應(yīng)動作，保護迅速切除故障段，最快能達到0.7s。環(huán)網(wǎng)牽引供電系統(tǒng)的短路水平一般不超過7000A，對于單相短路，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(fā)生故障的環(huán)網(wǎng)電纜較快的從系統(tǒng)中退出運行，以最大限度地減少對一次設(shè)備的損壞，降低對供電系統(tǒng)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(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智能模塊之間的通路故障，這種故障發(fā)生時電流互感器可能已損壞，對于這種情況

10、，假設(shè)J點發(fā)生故障，那么J到主所之間相應(yīng)隔離開關(guān)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(fā)生了故障，環(huán)網(wǎng)故障判斷及自動投切功能均不應(yīng)受影響；如果隔離開關(guān)E處未檢測到故障電流，F(xiàn)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(fā)生了故障，則應(yīng)在主所斷路器A處發(fā)生故障跳閘后，只分開隔離開關(guān)D，并不進行該所的母聯(lián)自投，但在末端所可分開隔離開關(guān)F后再進行末端所的母聯(lián)自投，這樣只影響其中一個所的正常供電，對系統(tǒng)的運行影響不大。從另一個角度也可以表明，這種配網(wǎng)自動化系統(tǒng)適合于34個變電所為一組的環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)，這樣即使是這一組供電分區(qū)停電，對整個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點發(fā)生故障，而此時主所到J點之間任何兩個電流采樣回路發(fā)生問題時系統(tǒng)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(fā)生故障時，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。對于第一種可能，解決辦法是對通信模