城市轨道交通变电所综合自动化组网结构探讨

韩志杰

(北京城建设计研究总院有限责任公司，100037，北京∥工程师)

随着网络通信技术和自动控制技术在城市轨道交通的迅猛发展，变电所综合自动化技术得到了长足的进步，变电所综合自动化系统组网结构也得到进一步完备和优化，已发展为采用集中管理、分散布置的模式，分层、分布式系统结构。在系统组网结构愈加完善的同时，对组网结构形式的安全、高效、可靠、经济等方面也提出了更高的要求。笔者根据工程设计中的心得以及所了解的工程施工、运营情况，结合重庆轨道交通1号线(朝天门—沙坪坝)工程和成都轨道交通1号线工程，通过对比分析，进而提出一种新型的组网结构模式，期待能有很好的应用。

1 重庆轨道交通1号线(朝天门—沙坪坝)工程变电所自动化系统

重庆轨道交通1号线东起朝天门，西至大学城，是轨道交通线网东西方向的主干线，线路全长约36.078 km。朝天门—沙坪坝段工程线路长度约16.5 km，均为地下线，已于2011年7月28日建成通车。

重庆轨道交通1号线变电所自动化系统构成如图1所示。纳入变电所综合自动化系统的每台一次设备单元对应于一个独立微机保护测控装置，负责设备的保护、测量、控制等。任何设备单元的综合保护测控装置发生故障，均不影响其他设备单元装置的运行。站级管理层为设置在综合控制屏内的SCADA(监控和数据采集)操作员站、冗余设备的通信管理装置和智能测控单元，包括变电所当地监控人机界面、打印设备、通信控制器及所内通信网络，由这些设备完成对所内保护和测控设备的监视、控制、日常管理及通信处理功能。网络通信层实现站级管理层与间隔设备层之间的通信。本工程采用光纤环网接线的方式构成网络通信层。变电所内网络通信层包括基础设备与监控单元之间的通信光缆、电缆及以太网交换机。间隔设备层主要包括各种测控、保护及操作按钮等功能设备。

2 成都轨道交通1号线工程变电所自动化系统

成都轨道交通1号线北起大丰站，南至广都站，规划线路全长约31.6 km，设23座车站(其中地下站18座，高架站5座)，1座控制中心，1处停车场，1处车辆段，2座主变电站。

成都轨道交通1号线变电所自动化系统构成如图2所示。站级管理层实现变电所控制室对本车站变电所设备的监视、报警功能，并负责变电所综合自动化系统与综合监控系统之间的数据交换，包括通信控制器、以太网交换机、工作站、自动化屏、智能测控单元等设备。网络通信层实现变电所内管理层与间隔设备层之间的通信。包括光电转换装置、光缆、通信电缆等设备。本工程采用光纤星型接线的方式构成网络通信层。间隔设备层实现对基础设备数据的采集、测量等功能，包括35 kV交流保护测控单元、0.4 kV交流保护测控单元、交直流电源系统监控单元、变压器与整流器监控单元、钢轨电位限制装置、排流柜、杂散电流监测装置等设备。

图1 重庆轨道交通1号线变电所自动化系统构成图

图2 成都轨道交通1号线变电所自动化系统构成图

3 两种组网结构的对比分析

3.1 光纤环网接线方式的优点

对图1和图2进行比较分析可知，光纤环网接线方式通信系统具有可自动排除环网光缆单点故障的优点。当环网光缆任何一点发生故障时，可通过冗余配置的环网交换机继续接收数据及排除故障，自动实现拓扑改变切换到总线型，从而保证网络的可靠性和稳定性。

3.2 光纤星型接线方式的优点

星型接线方式有诸多优点:

(1)成本相对较低。相比光纤环网接线方式，星型接线方式可减少使用一个交换机。光纤环网接线方式需要2台环网交换机来控制环网数据传输，并且环网交换机的价格比普通交换机要高很多。

(2)网络通信实时性好。星型接线节点间的网络通信延时低于环网接线;星型接线网络中的自愈时间可满足继电保护装置之间数据交换的性能要求，环网接线方式则不能满足这一要求。此外，IEC 61850标准中要求报文延时小于4 ms，而目前已知能达到这个标准的只有少数品牌，这样就加大了环网接线方式的成本。

(3)调试阶段程序相对简单。采用星型接线方式的变电所自动化系统往往是逐个系统进行调试，如调试顺序为35 kV开关柜、1 500 V开关柜、400 V开关柜、钢轨电位限制装置等。环网接线方式调试则相对复杂，例如，当调试到35 kV环网的中间环节，而其他系统未开始调试时，就存在无法接入变电所自动化系统的情况。

3.3 双星型接线方式的特点

通过分析星型、环网接线方式通信网络的优缺点，提出采用双星型接线方式来构建网络通信层，以使通信网络结构得到进一步优化。该接线型式集合了星型、环网接线共同的优点。

(1)可自动排除单点故障。

(2)在双星型接线结构中可采用通信接口模块来替代普通交换机，成本相对较低。

(3)网络通信实时性好。

(4)调试阶段程序相对简单。

(5)用通信接口模块替代普通交换机，解决了不同厂家交换机设备兼容的问题。

双星型接线方式网络通信组网结构如图3所示。

图3 变电所自动化系统双星型组网构成图

4 间隔设备层中压保护装置组网分析

间隔设备层主要包括各种测控、保护及操作按钮等功能设备。各设备保护测控单元通过以太网接口接入以太网交换机。交换机通过光缆与综合控制屏连接。

本文针对间隔设备层中中压开关柜保护装置(保护环网线路)展开分析。

目前，城市轨道交通供电系统中环网线路的保护有两种比较成熟的解决方案，一种是光纤纵联差动保护+后备过流保护，另一种是电流选跳保护+后备过流保护。

光纤纵联差动保护是以电流比较为基础的。在线路的两端各安装一台保护装置，两侧的保护装置分别测量本地的电流;同时通过光纤连接，将对侧的电流参数传到本地保护装置中进行电流大小和相位的比较，正常情况下线路两端的电流矢量和几乎为零(不考虑电流互感器本身的测量精度和导线损耗等);当比较电流的差值超出设定的整定值时，线路两端的断路器会同时跳闸，用以切除故障。所以，光纤纵联差动保护是一种矢量保护。

电流选跳保护是在光纤纵联差动保护的基础上发展而来的。其与传统的纵联差动保护的不同之处在于，保护与保护之间比较的是保护信息，即保护联跳信息、开关闭锁信息、开关量信息等，同时使这些信息参与到逻辑编程中。当区间线路发生线路故障、接地等情况时，线路两端的保护继电器检测线路中流过的电流是否达到其设定的判据电流启动值，并将此信号通过光纤在两装置间进行传递，在保护装置的内部进行逻辑判断，快速判别线路故障区段，实现选择性地快速切除故障线路。

综上所述，对于光纤纵联差动保护，光纤传输的是电流矢量，是模拟量，对传输质量及光纤两端保护装置的对时精度要求较高;而对于电流选跳保护，光纤传输的是数字量，对保护装置的对时精度要求不高，且数据不会随时间实时变化。从性能上比较，对于主保护动作时间，光纤纵联差动保护能做到10～20 ms，而电流选跳保护为30～35 ms，比光纤纵联差动大一个电力周波;对于主保护失灵启动后备保护，光纤纵联差动+后备过流保护的动作时间在600～1 200 ms之间，而电流选跳保护则在200～400 ms之间。因此，光纤纵联差动主保护动作比电流选跳保护要快;而在主保护失灵后，两种方式启动后备过流保护的时间很接近。总之，对于环网线路保护，光纤纵联差动保护和电流选跳保护各有优缺点。光纤纵联差动保护对于传统线路保护的优势在于原理简单、反应速度快，但环网后备保护级差问题较难解决。采用一个后备过流保护近区加速跳闸(简称“近区速动”)也能解决光纤纵联差动保护方案后备过流保护时间级差配合问题，但价格方面比电流选跳保护方案要高。

［1］蔡文泉.一种牵引变电所综合自动化系统通信方案［J］.电气化铁道，2010(3):14.

［2］徐建.变电所综合自动化系统功能完善方案［J］.电气化铁道，2010(4):36.

［3］姚刚，张云，傅宝文.轨道交通供电系统中两种保护方案的技术比较［J］.赛尔电力自动化，2009(85):71.

［4］GB 50157―2003地铁设计规范［S］.

［5］北京城建设计研究总院有限责任公司.重庆轨道交通一号线(朝天门—沙坪坝段)工程供电系统设计文件［G］.北京:北京城建设计研究总院有限责任公司，2009.

［6］于松伟，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用［M］.成都:西南交通大学出版社，2008.