孝柳铁路电力远动系统设计探讨

郭国芳，王丽娜

(1.神华集团神朔铁路分公司，陕西神木 719316;2.中铁工程设计咨询集团有限公司机动院，北京 100055)

1 工程概况

孝柳铁路位于山西省中西部吕梁地区，东起国铁介西支线孝西站，经由孝义市、汾阳市、中阳县、吕梁市、柳林县，西至孝柳铁路终点穆村站，全长约115.4 km。有全长约300 km的10 kV电力自闭线、贯通线各1条，10 kV自闭、贯通配电所2座，分别为孝西配电所和中阳配电所。

2 现有技术分析

配电调度监控系统是应用计算机技术，将铁路配电所及车站行车信号楼两路电源和自闭、贯通电线路高压开关站纳入调度监控。由设在配电所内的RTU(Remote Terminal Unit，远程终端装置)和车站信号楼内的FTU(Feeder Terminal Unit，馈线自动化测控终端)，通过拨号方式与调度端相联，实现电力系统基本的远程监控功能，并根据电抗法对线路的短路和接地故障查找及定位［1］。

电抗法的理论依据是假定线路上的电抗是均匀分布的，而实际上铁路上自闭和贯通电力线路上，由于存在较多的电力电缆，会造成线路电抗分布的非线性。且发生短路、接地故障时，故障处的接触电阻、电抗值随机性很大，该方法在实际使用中有较大误差，不能准确判断故障区段，抗干扰性差，不具备电力线路故障隔离功能［2］。

调度端主站多采用微机系统进行后台处理，而微机的操作系统多采用微软的Windows系统，虽然人机界面友好，但安全性和可靠性相对较差。

通道多使用拨号方式，也有的采用电力载波作为通信通道，抗干扰能力差，这些极大地限制了整个系统的使用和功能的发挥。

3 远动系统总体设计方案

铁路电力远动系统应能够将高、低压供电设备、用电负荷的变化参数纳入远动监控范围之内，具备设备故障准确定位及自动隔离功能［3］。

本线电力远动系统总体设计方案如下。

在孝西站装设一套铁路电力远动系统，该系统由计算机调度自动化系统(控制站)、配电所远动系统终端装置RTU(被控站)、车站信号楼 FTU(被控站)、自闭和贯通高压真空负荷开关以及联系它们的传输通道组成。计算机调度自动化系统安装在孝义站供电段调度控制中心，主要完成对各RTU和FTU采集的数据进行综合分析判断处理、主控站的数据库、网络通信、对配电所RTU和信号楼FTU的远程控制等功能。在孝西和中阳两个配电所内设置RTU，通过RTU实现调度控制中心对配电所的监控管理。在沿线13个车站13个信号机械室内的低压电源配电箱处设置FTU，通过FTU将两路信号电源纳入调度控制中心的监控范围内。在沿线13个车站的自闭、贯通10 kV高压线路上各增设一台高压负荷开关，并通过设在相应车站信号机械室内的FTU，将这些开关纳入调度控制中心监控范围内。调度控制中心通过铁通提供的专用光纤数字通道对被控站(配电所、车站信号机械室配电箱和高压负荷开关)进行远动控制和监视。配电所内的断路器、车站信号机械室内配电箱的低压开关和自闭、贯通高压负荷开关均能进行当地或远动操作，以备在数据通道故障时，对上述设备进行控制。电力远动系统构成如图1所示。

图1 系统组成

3.1 计算机调度自动化系统(主控制站)

计算机调度自动化系统以计算机为设备核心，以功能为模块，以网络节点为单元进行构置［4］。控制站设备由服务器、调度员工作站、终端服务器等网络节点设备和相应的人机接口设备，以及通道接口设备、实时数据和文档管理报表打印机、模拟盘、UPS设备、GPS设备等组成。

3.2 远动系统配电所远程控制终端(RTU)

在2个配电所内各设置1套远程控制终端(RTU)，将所有保护及模拟量接入 RTU中，通过RTU的通信模块与调度控制中心进行通信，完成对配电所的远动控制。

3.3 远动系统信号楼远程控制终端(FTU)

在13个车站13座信号机械室内各设置1套远程控制终端(FTU)，对低压信号电源进行监控，完成对低压信号电源监控装置数据的信息采集及遥控命令的输出［5］。

信号楼远程控制终端从功能实现上由CPU模块、遥测模块、接口模块、多串口模块，电源模块组成。具有遥测、遥信、遥控、时钟同步、事件顺序记录，多串口通信、多种通信规约、通道自动切换、当地或远方在线设置参数、远程诊断维护等功能［6］。

本装置提供了主备电源方案，2路交流源为主，1路可充电的直流源为备，主备电源可实现无缝切换。这就保证了装置工作的连续性。供电装置包括开关电源、隔离、蓄电池组3部分。正常情况下，各模块、通讯设备、操作机构的电源均从开关电源获得，同时开关电源为蓄电池组进行充电;在2路交流失电情况下，开关电源会自动快速无缝切换蓄电池供电，维持上述各设备的正常工作，直到恢复供电。假如长时间无法恢复供电，开关电源会在蓄电池电压低到一定门槛时断开蓄电池，以避免蓄电池因过放电而损坏。系统的电力设备分布如图2所示。

图2 系统电力设备分布

3.4 远动系统数据传输通道

采用专用的数据通道，主站与被控站间的通信采用点对点方式。供电段调度控制中心至中阳通信光缆楼的通道采用光纤的方式加以实现，通道与远动设备的接口方式为音频四线接口。为最大程度地减少通道对远动系统的影响，系统传输速率定为1 200 bit/s［7］。

3.5 高压自闭和贯通线路远动开关

为了将自闭和贯通10 kV电力线路纳入远动系统，实现对线路的故障定位和故障区段的切除，孝柳铁路13个车站上的自闭和贯通线路上各安装了一台YFZW-10/630型远动真空负荷开关。在负荷开关A相和C相上加装80/5高压电流互感器，通过负荷开关的控制器与各车站信号楼内的FTU进行远动系统接口，实现遥控、遥信、遥测及线路故障区段的判断和切除［8］。其主要技术参数如表1所示。

4 远动系统的硬件设计

4.1 调度控制站

调度控制站主要包括以下几部分。

表1 高压自闭和贯通线路远动开关技术参数

(1)RTU、FTU故障录波、故障曲线查询:调度端可对储存在被控站的故障录波、故障曲线数据按文件进行召取。

(2)日报/月报方式进行显示和存档。

(3)主控站24 h曲线:采用特殊算法，滤去无变化的大量数据，而重点记录变化急剧的参数。

(4)设置报警门限值及数据刷新阀值:提供报警门限值和刷新阀值的设置、修改和下传。

(5)报警解析及显示:信号电源的越限报警由FTU产生，并以文件形式存于FTU，向主站传送文件目录，主站接收到文件目录，解析原因并产生报警，以提醒调度值班员。

4.2 配电所RTU

(1)电源子系统:配电所RTU电源子系统采用开关电源，可交直流同时供电(220V AC、220V DC)，电源子系统提供RTU各模块用电源，当交流电源失电时，内部自动切换到直流供电，确保RTU设备的正常工作。电源输出有过流、短路和过压保护功能。

(2)主处理及通信子系统:该子系统作为 RTU的主模块，配有32位高性能微处理器和2M内存容量，其主要功能分为控制处理及数据通信。通过内部网络向各子系统发送数据或控制命令，从其他各子系统读取实时数据或状态，并将收到的各种实时信息进行处理后分别存进各类数据库，为向主站发送做好准备，其次将RTU数据库中的实时信息可以按不同的规约通过各种串口实现远传。要求每个通信口相互独立，且均采用防静电接口芯片，从而方便地实现冗余结构双重配置方式，进一步提高RTU运行的可靠性［9］。

(3)遥控输出子系统:遥控输出子系统由选择、执行输出继电器和控制输出中间继电器构成。RTU的整个遥控过程为选择、返送校核、执行，确保了遥控的高可靠性。如果收到选择命令后20～30 s之内未收到执行命令，遥控输出出口继电器的接点容量应满足现场要求(配电所控制母线电压为220V DC)。

(4)遥信输入子系统:遥信输入子系统主要完成对现场开关状态及各种保护动作信号的实时采集，当现场的开关发生变化或保护动作时，该子系统及时将变化或动作状态和时间记录下来，送到RTU主模块，提供给主站作为变位记录或事件记录。

(5)模拟量输入及故障录波子系统:配电所RTU模拟量输入子系统利用交流采样技术直接采集PT/CT二次侧交流信号(PT=100 V、CT=5 A)，将这些模拟信号转换成数字信号，A/D转换精度为0.1%。

子系统带有一个RS232多用接口，供监测或对外通信之用［10］。

(6)时钟同步子系统:配电所RTU配置GPS卫星时钟接收装置，用于RTU设备的事件时标记录。

(7)其他接口:通过 RS232/RS485实现与所内其他智能设备的通信，并设有专用的维护口。

中阳配电所的接线图如图3所示。

图3 配电所一次接线图

4.3 信号楼FTU

本系统中将信号楼内两路低压电源的越限报警、故障曲线、FTU24 h趋势图均在FTU内产生并存储，与其他FTU不同，主要优势在于:一是产生报警的实时性强;二是在通道产生故障时，可从当地读取报警及各种曲线。

4.4 自闭、贯通线路高压远动开关

高压远动开关控制箱内装有“当地/远动”控制开关，可实现调度控制与当地控制的转换，以确保在通道故障及紧急情况下的操作。高压开关安装有A、C两相80/5CT，能准确反映流过的各种电流，过载能力40倍，线性指标符合标准要求，当发生过流和短路时，能准确向FTU发送信号。接地采用中性点特殊信号注入原理，对单相接地故障进行准确标定，并提供调度可选择的切除故障点功能［11］。

5 远动系统的软件设计

5.1 自闭、贯通10 kV线路过流与短路故障的定位和隔离

根据线路上安装在远动负荷开关上的电流互感器来监测线路上的电流，并结合铁路电力系统的运行特点进行判断，最后按照系统的程序控制进行短路故障的定位和自动隔离［12］，如图4所示(以孝西至中阳供电臂为例)。

当三角庄和会沟区间发生故障导致自闭线路发生过流或速断动作时，中阳配电所自闭馈出柜跳闸。柳沟、枝柯和三角庄站安装的远动负荷开关均发生过流，控制器中电流继电器动作发信给调度控制系统。经过1.5 s延时后，孝西配电所自闭馈出柜备自投动作，由于故障点未消除，孝西配电所自闭馈出柜也发生跳闸。这样，会沟、小景、石庄和东槽站由于流过故障电流，远动负荷开关控制器也发信给调度控制系统。调度控制系统根据中阳配电所备自投动作(1.5 s延时)前后收到的各站发出的电流继电器动作信号来判断故障点。然后通过程序控制自动断开故障点两端的远动负荷开关达到隔离故障区段的目的。

图4 自闭、贯通高压负荷开关远动控制系统

5.2 主站24 h曲线实现

FTU中还设计有24 h电压、电流的趋势图，始终保存着最近24 h电压、电流的趋势图，精度为每分钟1个数据点。24 h趋势图可以非常直观地显示信号楼两路电源24 h的运行情况。

由于FTU中产生的24 h趋势图的精度为每分钟1个数据点，精度不高，因此无法对短时故障(＜1 min)进行分析。针对这一情况，本文设计了在主控站上利用FTU上传的带时标的遥测量进行主控站24 h趋势图的描述。主控站首先对收到的带时标的遥测量进行优化处理，将优化了的数据保存在数据库中，以减少主控站服务器存储的数据量。电压和电流的优化处理方法如图5、图6所示。

图5 主控站24 h电压趋势

图6 主控站24 h电流趋势

这种设计方案不仅大大减少了系统中存储的数据量，滤除了瞬时尖脉冲干扰，还详尽描述了故障发生时的情形，准确地显示出两路电源互倒时的电压、电流变化情况，真实地反映了24 h内事故发生的详细情况，主控站24 h趋势图的实例如图7所示。

图7 主控站24 h趋势图(实例)

6 结语

线路自动化技术在孝柳线的应用显示:在铁路电力线路上应用此项技术可以减少停电时间，提高供电质量，节省总投资，减少线路运行、检修费用，实现线路故障的自动处理，大大缩小故障停电范围，缩短线路故障查找、维修和恢复供电的时间，提高了供电可靠性，减轻了配电所、电力工区员工的劳动强度，提高了铁路自动化管理水平。电力远动技术在孝柳线供电系统中得到了成功应用，取得了很好的经济效益和社会效益，为下一步在各大铁路线上应用准备了技术资料。

［1］史耀政.10 kV电力贯通(自闭线)远动技术的应用［J］.自动化技术，2002，20(3):20-22.

［2］徐丙垠.配电自动化远方终端技术［J］.电力系统自动化，1999，23(5):41-44.

［3］高大刚，刘丽华.铁道电力远动通道的构成方式及设想［J］.电力系统自动化，2001，45(4):23-24.

［4］王学锋.电力远动装置在铁路供电系统中的应用［J］.高电压技术，2005(9):92.

［5］国家电力公司南自电气系统集成工程有限公司.DSC—9000T铁路电力远动系统说明书［Z］.

［6］马克明.广深线10 kV配电监控系统介绍［J］.电力自动化设备，2000(4):8.

［7］A.C，M，Chen.Automated Power Distribution［J］.IEEE Spectrum，1982:5.

［8］陈元新，蒋铁铮，马瑞.配电线路自动化系统配置及其运行方式［J］.华北电力技术，2000，10(2):18-20.

［9］A，C，M，Chen.Distribution Automation(Authorial Course)［S］.IEEE Working group on distribution，1998:16.

［10］Huang Dang，IEC60870—5—101［S］.Companion standard for basic telecontroll tasks，1995.

［11］周劲风.IEC104通信规约在铁路牵引供电远动系统的应用与研究［J］.铁道标准设计，2011(8):117-121.

［12］徐悌.沪杭高速铁路电力供电系统设计［J］.铁道标准设计，2011(6):122-124.