基于站域保护控制的无人值守技术应用研究

张志文

0 引言

随着铁路自动化技术的运用和发展，通过在牵引变电所内设置智能辅助监控系统逐步实现变电所的无人值守，是电气化铁路变电所自动化技术的发展方向[1～3]。辅助监控系统包括环境监控子系统、安全防范及门禁子系统、火灾消防报警子系统、动力照明控制子系统、视频监控巡检子系统（含红外线测温）、一次设备在线监测子系统等[4]。系统平台通过标准接口[5]采集变电所内辅助设备信息，通过各类子系统的配合，实现高压柜、低压柜、变压器、避雷器、进出线、红外、门禁、烟雾报警、温湿度传感、各类气体（SF6、 O2、臭氧、甲烷等）/漏水/水位监测、空调、风机、水泵、照明、消防、视频等设备的远程监测和控制、智能告警/故障诊断、智能运维等自动化功能，实现信息共享与告警联动功能，并将监控和报警信息上传。

由此可见，辅助监控系统通过24 h 巡检、监测变电所设备，并智能分析设备的整体运行情况，提高了所内设备的安全性，实现了变电所无人值守需求，对实现减员增效、提高供电系统的稳定性、提高自动化生产运营水平、促进智慧铁路的发展起到重要作用。

辅助监控系统采用最新技术成果，确保巡检人员在现场发现及检测到的所有信息均可通过辅助监控系统平台实现实时监控、记录，及时发现、迅速定位故障设备。但现行的辅助监控系统缺乏退出故障设备、快速恢复供电的手段与能力，一旦设备发生故障，只能通过人为干预、远程遥控恢复供电，甚至只有检修人员亲赴现场干预才能恢复供电，变电所自动化功能大打折扣。

站域保护测控装置作为全所保护与控制功能的总后备装置，实现了综合自动化系统保护、控制功能的冗余，通过与辅助监控系统相结合，可实现自动控制功能，弥补了辅助监控系统的不足，并在新朔铁路得到了成功应用，为智慧铁路的发展提供了坚实的基础保障。

1 站域保护测控装置功能配置方案

站域保护控制装置配置有后备保护、后备控制、站域与广域保护等功能，其中后备保护与后备控制实现全所保护与控制的冗余，为无人值守功能的实现创造条件。站域保护控制装置功能配置如表1 所示。

表1 站域保护控制装置功能配置

从上述站域保护控制装置功能配置可以看出，变电所设置站域保护控制装置后，可以不用设置自投装置与变压器二套保护装置，既可节约成本，又为无人值守技术的有效实施提供了基础保障。

站域保护控制装置一般单独组屏，并设置专用合并智能单元采集电压、电流等模拟量，站域保护屏组成如图1 所示。

图1 站域保护屏组成示意图

在工程实施时，站域保护屏二次回路遵循以下设计原则：

（1）采集保护电流时，如果有备用线圈，则通过备用线圈采集；无备用线圈时，通过CT 串接实现电流采集。

（2）采用并接方式实现电压采集。

（3）站域保护控制装置需要采集断路器、隔离开关位置信号，因此，所有双重化控制的开关均应有空余接点。

（4）断路器跳闸和重合闸回路需配置独立操作插件，其控制电路示意图见图2。

图2 单独配置操作插件的控制电路示意图

（5）站域保护控制屏的电源需要单独从直流盘电源引出，不与其他屏体共用电源，确保装置电源独立。

2 基于站域保护的无人值守技术及应用

变电所内站域保护控制装置通过过程层网络与辅助监控系统交互信息，收集所内间隔层装置、过程层装置及辅助监控系统的监控信息，系统结构组成如图3 所示。

变电所无人值守技术的关键，不仅要求及时发现故障设备，而且要求隔离故障设备、快速恢复供电。站域保护控制装置作为故障区段隔离与恢复供电的主装置，需根据故障的不同提前定义故障隔离自动控制流程，并遵循以下原则：

（1）切除故障设备，起用冗余设备，实现变电所正常供电。

（2）切除故障设备，共用既有设备，以最短的时间、最优化的方案实现恢复供电。

（3）保护装置自动识别运行方式，并通过自动控制流程切换到相应的定值区。

变电所内的站域保护控制装置为每个区段的故障设备定义一种对应的恢复供电控制流程，控制流程的目标是隔离故障设备，快速恢复供电。

图3 牵引变电所自动化系统结构示意图

新朔铁路黍地沟牵引变电所主接线如图4 所示。变电所内的辅助监控系统通过视频巡检完成对变压器、断路器、隔离开关等所内一次设备的实时监控，一旦发现设备故障，立即将故障信息通过过程层发送至站域保护控制装置，站域保护控制装置判断设备故障的级别，若故障可能危及线路运营安全，启动与该故障相对应的故障隔离控制流程。

图4 新朔铁路黍地沟牵引变电所主接线图

假设变电所Ⅰ#进线带Ⅰ#主变运行，Ⅱ#进线带Ⅱ#主变备用，当辅助监控系统检测发现Ⅰ#进线隔开Z111-1 或隔开1011 发生故障时，辅助监控系统及时将故障信息上传至站域保护测控装置，站域保护测控装置及时启动故障隔离自动控制流程：

（1）控制分闸201A、201B 断路器以及101断路器；

（2）控制分闸1011、Z111-1 隔离开关，即使因为故障原因操作失败也不影响其他操作；

（3）控制合闸Z112-1 隔离开关，控制合闸1022 隔离开关；

（4）控制合闸102 断路器；

（5）控制合闸202A、202B 断路器。

通过上述操作，完成故障隔离与恢复供电。

当辅助监控系统检测发现Ⅰ#主变、101 断路器、201A断路器、201B断路器等任一设备发生故障时，辅助监控系统及时将故障信息上传至站域保护测控装置，站域保护测控装置及时启动故障隔离自动控制流程：

（1）依次控制分闸201A、201B、101 断路器，即使操作失败也不影响其他操作；

（2）控制分闸1011 隔离开关；

（3）控制合闸Z110-2、1022 隔离开关；

（4）控制合闸102 断路器；

（5）控制合闸202A、202B 断路器。

通过上述操作，完成故障隔离与恢复供电。

假设212 断路器为“机务段”馈线供电，214断路器为“大同东”馈线供电，22B 断路器备用，当辅助监控系统检测发现212 断路器发生故障时，辅助监控系统及时将故障信息上传至站域保护测控装置，站域保护测控装置及时启动“故障设备隔离与恢复供电”自动控制流程：

（1）控制分闸212 断路器；

（2）控制合闸2142 隔离开关；

（3）站域保护控制装置通过过程层传输信息给22B 馈线保护测控装置，将该装置的定值切换至“大同东”馈线定值区；

（4）控制合闸22B 断路器。

当2141 隔离开关或2121 隔离开关发生影响线路运营安全的故障时，黍地沟牵引变电所退出运行，通过越区供电为接触网提供电源，退出运行流程如下：

（1）控制分闸212、214、211、213 断路器；

（2）控制分闸2121、2141、2111、2131 隔离开关；

（3）牵引变压器退出运行。

同理，根据运行方式的不同，面对不同的故障设备，可以得到相对应的故障设备隔离控制方案，如表2 所示。

表2 故障设备隔离方案

2020 年11 月12 日，针对本文提出的无人值守变电所故障设备隔离方案，课题组模拟了新朔铁路黍地沟变电所212 馈线断路器故障试验，验证了方案的有效性与正确性。变电所后台监控平台记录的控制流程：

（1）站域保护控制装置收到辅助监控系统发送的212 断路器故障信息，启动故障设备隔离流程；

（2）馈线212 断路器分闸成功；

（3）2142 隔开合闸成功；

（4）馈线22B 装置切换定值区成功；

（5）馈线22B 断路器合闸成功；

（6）故障设备隔离成功，结束。

上述事件记录与表1 中馈线212 断路器发生故障时的故障设备隔离流程完全一致。

3 结语

本文基于现有的广域保护测控系统与辅助监控系统平台，研究了电气化铁路变电所设备发生故障时故障设备隔离方案，完善了变电所无人值守技术。辅助监控系统通过视频巡检监控变电所一次设备，一旦发现设备故障，随即将设备的故障信息通过过程层发送至广域保护测控系统的站域保护控制装置，站域保护控制装置判断设备故障的级别，如果故障可能危及线路运营安全，启动与该故障相对应的故障设备隔离控制流程。新朔铁路黍地沟变电所试验结果验证了方案的有效性与正确性，可有效隔离故障设备，迅速恢复供电，具有重要的现实意义与应用价值。