M8 线保护控制测量和信号.docx

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M8线保护控制测量和信号

1．1保护、控制、测量和信号

1.1.1变电所保护及监控方式

目前在国内城市轨道交通变电所中实现继电保护及监控有两种方式，一种是传统控制保护方式，另一种是综合自动化方式。

传统控制保护方式一般采用控制开关实现断路器及隔离开关的合、分控制；电磁式继电器实现保护功能；信号继电器加光字牌实现事故及预告信号显示；机电型仪表实现电气测量的方式，设置RTU实现每个变电所的远方监控。

其优点是技术成熟，设备简单，但控制回路较复杂；当希望实现较完善的安全闭锁和必要的保护联跳时，需要较多的控制回路。

此外为了实现远方监控，各个开关柜与RTU之间必须敷设大量的低压控制电缆。

此种方式，若应用于地下变电所，占用土建空间较大，施工、调试困难，运营维护不便。

综合自动化是将变电所的二次设备（含控制、信号、测量、保护、自动装置及远动装置等）通过计算机技术、通信技术、网络技术、经过功能组合和优化设计，实现变电所的监视、测量、控制和保护的一种综合性的自动化系统。

变电所综合自动化系统在国外已广泛应用，是变电所控制、保护的主流产品。

近些年国内电力系统在引进、消化吸收的基础上，开发研制了相应产品。

变电所综合自动化系统技术在我国从研制到应用已经经历了十几年的历程，系统结构从早期的集控台方式、第一代全集中式、第二代功能分布式，到现在的以设备间隔为对象的分散、分层、分布式，目前已经进入成熟期。

随着计算机、通信和网络及自动控制技术的飞速发展，综合自动化系统已不是简单地简化系统结构，而是极大地扩展和提高了系统的功能，使系统不仅能够实现控制、保护、测量和报警，还能够实现数据统计、事故分析、故障判断、甚至模拟培训等智能功能。

尤其是其强大的故障诊断功能，不仅为运行维护带来极大的方便，而且缩短了故障停电查找时间，可给用户节省大量运营维护费用。

变电所综合自动化系统实现了变电所管理的智能化，信息采集的数字化，不仅简化了二次设计，而且节省了中间继电器、时间继电器、控制电缆的使用，提高了保护、控制、监视、测量的准确性、安全性，同时也降低了运行维护费用。

变电所综合自动化系统，在可靠性、安全稳定性、可维护性、先进性等方面比传统控制保护方式更优，因此，变电所采用全所综合自动化系统为实现远期变电所无人值班管理模式奠定物质基础和提供可靠的技术保证，是变电所保护、控制的发展方向。

目前，广州地铁一号线、上海轨道交通明珠线变电所采用全所综合自动化系统已经成功投运，并且运行稳定。

广州地铁二号线、南京地铁、深圳地铁及重庆轻轨工程设计已按综合自动化系统设计。

在本工程中推荐采用变电所综合自动化系统，结构方式采用符合目前国际潮流的分散、分层、分布式的综合自动化系统。

系统分三层：

站级管理层、网络通信层、间隔设备层。

站级管理层设备安装在控制室内的中央信号屏上，间隔层单元设备安装在各开关柜内，同开关柜内一次设备直接接口。

管理层与间隔层单元之间通过通讯网络实现数据传输，以实现牵引变电所的控制、保护、测量、信号及通信等功能。

1.1.2牵引变电所综合自动化系统的功能配置方案

变电所综合自动化系统应具有对供电系统及设备的故障切除、报警信息的发送，以保证供电系统的安全运行。

保护配置方案应在满足供电系统对继电保护的“四性”即可靠性、选择性、灵敏性、速动性要求前提下，力求简化保护配置。

保护功能应具有独立性，不应依赖于网络。

自动功能配置应满足无人值班所对系统安全自动控制的需要。

牵引变电所综合自动化系统的功能配置如下，参见附图：

牵引降压混合变电所保护测量配置方案图。

1）系统保护功能配置

（1）35KV环网电缆（牵引变电所进线、出线断路器）保护

35KV环网进、出线断路器保护与供电系统的网路结构、供电系统的运行方式、系统接地方式和供电系统故障水平有直接关系。

根据工程可行性研究报告，本工程采用35KV中压网路，全线变电所间距最短为0.770公里，最长为2.015公里。

由于相邻变电所间距很短，分区的线路阻抗很小，当35KV环网短路时，在不同的分区内短路电流值相差很小，这对于不同变电所的35KV环网开关，仅靠电流保护上下级配合，满足了保护选择性要求，势必增加了环网故障保护动作时间。

为迅速切断电源故障，配置线路纵差保护为主保护，配置过电流保护为纵差保护的后备保护。

纵差保护是一种可靠的快速保护方式，当电缆发生故障时，保护能使电缆两侧断路器瞬时跳闸，保证了保护的选择性和灵敏性，又保证了保护切断故障的快速性。

35KV断路器是GIS，根据GIS工作性能，断路器采用气体绝缘，即使气压下降，仍可长期工作，这种断路器的故障率很小，因此对于35KV母线，故障极小，可不装设专用的母线保护，将35KV进线、出线断路器、母联断路器过流保护作为变电所35KV交流母线故障的主保护；配置零序电流保护作为系统单相对地短路保护。

对于35KV母线配置电压检测，实现安全自动控制。

（2）整流机组保护

整流机组保护应与整流机组复杂的热负荷特性相配合，配置电流速断保护，过电流保护，过负荷保护，牵引变压器温度等常规的变压器保护；整流器二极管过流、过压保护；整流器逆流保护；整流器过热保护、整流器阀侧保护。

牵引变压器过电流保护也作为直流母线故障保护，零序电流保护作为牵引变压器与交流开关柜之间电缆故障保护

（3）动力变压器保护

动力变压器保护配置变压器电流速断为主保护，变压器过流保护为后备保护、零序保护为动力变压器与交流开关柜之间电缆的保护、变压器过负荷保护、变压器温度等常规的变压器保护。

（4）1500V直流馈线保护

在牵引变电所近端发生故障时，短路电流很大，电流速断动作可以切断故障。

但是，当故障发生在中、远端时，由于线路阻抗变大，短路电流相对变小，电流速断可能不会动作，因此采用能反应故障电流上升率di/dt和电流增量ΔI的保护装置来使断路器跳闸。

所以，1500V直流馈线断路器，配置大电流脱扣保护、电流速断、电流上升率di/dt和电流增量ΔI保护、接触网热过负荷保护；为可靠的切断接触网故障，满足列车安全、可靠供电的要求，配置直流双边联跳保护。

由于接触网故障多为非永久性故障，因此直流馈线保护应配置多次自动重合闸功能。

当接触网发生永久性故障时，直流馈线断路器是不能合闸，因此还应配置具有故障性质判断功能。

（5）为了防止杂散电流对直流设备的腐蚀，牵引变电所直流设备采用绝缘法安装，当直流设备内的直流1500V正极对设备外壳发生泄漏时，这种泄漏如不及时清除，容易将故障扩大为1500V正极通过设备外壳对负极间的短路，短路电流很大，将对直流设备造成严重危害。

为了直流设备的安全，牵引变电所全所直流设备配置框架泄漏保护。

2）控制功能

对牵引变电所35KV断路器、1500V直流断路器、1500V电动隔离开关、自动装置等实现改变运行状态的所内控制，或执行远程控制命令。

3）信号功能

对所内开关位置、故障信息等设备运行状态、系统保护动作信号及故障报警信号等进行实时采集、显示、报警、存储等处理，并转发至控制中心电力调度。

4）测量功能

对变电所重要电量进行实时采集、显示、存储等处理，并将数据传送到控制中心电力调度。

牵引变电所设备测量与计量表

表计位置

电流

电压

有功功率

有功电度

35kV进、出线

35kV母线

35kV母联

1500V母线

1500V馈线

整流

机组

交流侧

直流侧

回流线

轨电位限位装置

5）所内通信功能

通过所内通信网络实现，主监控单元对间隔层单元设备的数据交换。

应具有多种规约处理功能，能够满足不同厂家设备的不同联网要求。

6）远程通信功能

通过通信系统提供的数据传输通道实现变电所与控制中心电力监控系统的数据交换，支持通道一主一备工作模式或两路通道并行工作模式。

7）系统维护功能

系统通过外接便携式计算机完成对系统的调试、维护、扩展及监控。

8）系统具有容错、自检、自恢复功能，自检标志达到模块级。

9）与其他系统的数据交换功能，根据需要可以与其他系统接口，进行数据交换。

10）安全监视功能

对无人值班变电所供电设备运行状态及运行环境进行安全监视，保证系统的安全运行。

11）自动功能配置如下：

∙35kV母联断路器设置母联自投功能，保证变电所一路进线故障时系统的正常运行，全线的母联自投及主变电所母联自投应该在时间上配合。

∙1500V直流馈线设置能判断故障类型的自动重合闸功能，当馈线发生永久性故障时，该装置闭锁重合闸。

在牵引降压混合变电所内，全所综合自动化系统预留了降压变电所有关监控内容的接入容量，具体内容待中标后，与降压变电所设计专业配合后确定。

1.1.3全所综合自动化系统方案比选

全所综合自动化系统方案设计思路：

1）研究系统可靠性、安全性的保证措施，保证系统稳定运行。

2）研究杨浦线（M8）工程特点，满足系统功能配置的要求

3）研究系统运营维护的灵活性、方便性，以降低运营维护费用。

4）分析目前市场产品技术特点，保持系统方案的先进性。

5）分析系统实施的可行性，提高具体实施过程的可操作性。

6）简化系统结构，方便施工、调试。

7）精心选择设备安装形式，以适应在开关柜内的安装。

8）结合工程投资环境及建设规模，合理配置系统设备，努力降低造价。

结合国内外全所综合自动化发展状况和以往电气化及快速轨道交通的设计经验，牵引变电所全所综合自动化设计方案我们通过系统设备安装方式、系统结构组态模式、网络结构形式等三方面进行选择。

1）综合自动化系统设备安装方式

系统设备安装方式一般采用分散分布式和集中式两种方案。

方案一：

分散分布式安装方案

分散分布式安装方案，系统从逻辑上将变电所综合自动化系统划分为三层：

站级管理层、间隔设备层，网络通信层。

它是采用“面向对象”即面向电气一次回路或电气间隔的方法考虑的，间隔层单元设备安装在各个开关柜内或其它一次设备附近，与一次设备接口，各单元的设备相互独立。

站级管理层与间隔设备层之间通过所内通信网络实现信息交换。

一般情况下，站级管理层设置在控制室内中央信号屏上，间隔单元通过通信网络互连，并同站级主监控单元通信，实现站级管理层的数据集中处理。

方案二：

集中式安装方案

所有智能化的监控设备、保护设备代替了传统的二次设备。

并且集中或分布式的安装在变电所控制室内保护控制屏上，通过控制电缆与被控设备相连，集中采集信息、集中处理运算方式，实现对所内各种供电设备的保护、测控、数据采集与远程通信。

比较以上两种方式，分布式安装方案由于间隔单元安装在各开关柜内或设备旁边，减少了保护控制盘数量、最大限度地压缩二次设备和二次电缆，节省了土建投资。

因此这种方式经济效益显著。

但应在工程实施中要解决好电磁干扰问题，减少电磁干扰的危害。

在工程施工设计中应采用强弱电缆分开布置，并根据需要采取套管敷设等屏蔽手段，减少电磁对弱电电缆的干扰。

在产品选型过程中，优先选用容错能力高，抗电磁干扰能力强的设备，通信媒介选用屏蔽电缆或光纤。

该方案适用于35kV及以下中低压变电所。

本方案在广州地铁、上海轨道交通明珠线等工程中已得到了应用。

集中式安装方案由于自动化设备集中安装在运行环境较好的控制室内，系统设备运行环境条件好，有利于设备的可靠运行，但由于自动化设备与开关设备分开安装，控制保护盘及控制电缆投资较分散安装式大，这种安装方使用于一次设备采用室外式安装的高压及超高压变电所，或对既有变电所进行改造的工程。

根据轨道交通杨浦线（M8）工程的实际情况，由于牵引变电所设备采用室内安装，开关为柜式结构，35kV电压等级较低，因此，采用分散分布式安装较合适，但考虑接触网电动隔离开关等难以实现当地监控设备的安装，因此，采用中央信号屏直接监控的方式，故牵引变电所采用分散加部分集中式安装，该方案在变电所综合自动化系统比较先进的安装模式，系统具有很好的可扩展性和维护性。

两种方案比较见表1-1。

安装方式方案比较表1-1

比较内容

方案一：

分布式安装方案

方案二：

集中式安装方案

运营维护

通过网络技术，较易得到系统各设备的正常、故障信息，查线工作量少，运营维护方便。

由于设备连接大部分采用各种电缆。

检查工作量大，日常维护困难。

施工

使用控制保护电缆少，施工方便、工作量小，劳动强度小。

必须使用大量的控制、保护各种电缆，完成设备安装、调试工作量大，所需施工人员多，劳动强度大。

系统的抗干扰性

通信网络及间隔单元设备较易受电磁干扰的影响，在设计、施工、设备选型过程中须考虑采用具有高抗干扰性能的产品。

控制、监视信号采用强电信号，本身抗干扰性能强。

安全可靠性

满足要求。

满足要求。

系统灵活性和可扩性

系统灵活性好和可扩性强

系统灵活性和可扩性差

投资

系统硬件设备减少，盘面少，占地面积小，日常设备的维护工作量很少，因此系统间接投资小。

系统硬件设备多，盘面多，占地面积大，投入运行后，设备维护工作量大，因此间接投资大。

适用范围

采用室内柜式开关的变电所。

一次设备室外布置方式或改造工程中的变电所。

2）综合自动化系统组态模式

变电所综合自动化系统，系统保护、测控装置的组态模式，一般有以下两种方案：

（1）方案一：

保护和测控设备独立设置

变电所综合自动化系统采用保护和测控设备独立设置的组态模式，将传统RTU中各监控单元分散安装在各间隔设备上。

一般有两种方式：

方式一保护间隔单元通过监控间隔单元转发数据；方式二保护间隔单元与监控间隔单元的数据采集无直接联系，直接与RTU主处理模块联网，完成对一次设备及保护设备的数据采集与监控功能。

系统监控和保护分开配置，该网络层次清晰，在保护装置独立性强。

系统结构见图1-1。

保护、测控独立设置方式一

保护、测控独立设置方式二

图1-1：

方案一系统结构图

（2）方案二：

保护测控一体化设置

变电所运行管理的远期模式是无人值班，但是实现变电所无人值班的技术基础是变电所中测量、监视、保护、控制等二次设备应具有高度得安全性与可靠性，变电所综合自动化系统的运用是实现变电所无人值班的最有效的途径。

变电所综合自动化采用分散安装，分层结构、分布式功能配置既能满足上述要求，并代表当前自动化发展潮流的体系结构，面对变电所通盘考虑，集继电保护功能、自动控制功能、测量表计功能、接口功能及系统管理功能，完成对变电所的自动化管理。

系统由三部分设备组成：

站级管理层、网络通信层、间隔设备层。

在间隔设备层，采用保护测控一体化设备，这不仅减少了保护与监控之间的接口，减少了故障点，而且系统集成度高，可靠性也随之增强。

同时保护测控一体化设备简化了与一次设备之间的接口，实现了数据信息共享、减少硬件重复配置。

间隔层设备通过与一次开关设备、CT/PT设备接口，完成对所内供电设备的控制、监视、测量及保护功能。

间隔层设备由站级管理层设备管理，并通过所内通信网络实现所内集中监控、数据集中处理及远程通信功能，此外，站级管理层还协调间隔层设备完成所内自动化控制功能。

见图1-2。

图1-2：

方案二系统结构图

比较以上两种方案，方案一，功能配置较简单，虽然能够满足现场基本要求，而方案二，功能强，自动化水平高，尤其在无人值班的变电所对智能化要求更高的情况下，采用方案二不仅满足现场运行维护的需要，而且也代表了一个城市的现代化装备的水平。

上海轨道交通杨浦线（M8）工程推荐采用方案二。

综合自动化系统结构形式比较，见表1-2

系统结构形式比较表1-2

比较内容

方案一

（保护、测控设备独立设置）

方案二

（保护、测控设备一体化设置）

功能要求

保护功能与测量、控制功能独立，由不同的设备来完成。

保护、测量和控制功能一体化，由一套设备来完成。

软件

需两套设备软件。

仅需一套设备软件。

接口

接口复杂，既存在与一次设备和主控单元的接口，又存在与保护设备与测控设备间的接口问题。

接口相对简单。

只存在与一次设备和主控单元的接口问题。

造价

需设置单独的保护设备和测控设备，造价高。

仅需一套综合保护测控设备，造价相对便宜。

3）变电所综合自动化系统网络构成模式

变电所自动化系统网络构成应从网络的安全性、可靠性、可扩性及系统抗干扰能力等方面考虑，通常有以下几种方案：

（1）方案一：

单网结构方案

变电所综合自动化系统在所内配置单网，每个网上间隔设备单元通过一个网口与主控单元接口，所有数据传输及时钟对时等功能由同一个网络完成。

考虑到通信可靠性，该网络可以采用灵活的组网结构，按地域、功能或单元种类分群，将星形与总线形结合起来，达到可靠性、实时性及简化网络结构的最佳效果。

各间隔单元功能不依赖于网络，当网络故障时，可脱离网络独立运行。

这就保证了系统整体运行的安全可靠性。

因此，这种网络结构简单，投资少，可靠性满足要求。

本方案结构示意图参照图1-2。

这种方式，在广州地铁、上海轨道交通明珠线、南京地铁方案设计等工程中已采用，是目前使用最广泛的网络结构

（2）方案二：

冗余双网结构方案

系统采用冗余配置的数据传输网。

正常运行时，系统根据总信息量大小，在双网中平衡分布数据流；当某一网络发生故障时，非故障网络实现无间隙切换，承担系统全部数据交换。

此种网络结构的特点是：

当系统任一个数据传输网络故障都不会影响系统正常运行，系统通信可靠性和安全性高，但要求每个间隔单元均支持双网通信，且系统硬、软件结构复杂，设备投资大。

本方案结构示意图见图1-3。

图1-3：

双网结构示意图

城市轨道交通牵引变电所相对于电力系统高压变电所来说电压等级低，接线简单，建设规模小，而且牵引变电所可以通过相邻牵引变电所越区供电来实现备用，提高了牵引供电的可靠性。

根据电力系统及已建成地铁的应用经验，结合轨道交通杨浦线（M8）工程投资特点，分析目前国内综合自动化相关设备的特点，牵引变电所综合自动化系统采用单网结构，即可满足运行要求，又可节省投资。

广州地铁、上海轨道交通明珠线等已建成工程中均采用单网结构，到目前为止运行稳定。

南京地铁、重庆轻轨等在建工程设计方案也采用单网结构。

由于变电所综合自动化系统中的设备一般由不同的厂家提供，必然采用不同的通信接口和通信协议，甚至有些厂家采用专用协议，由此，不同厂家设备在变电所自动化组网方式中必然存在差异，如何将不同类型、不同厂家的设备有机的接入变电所综合自动化应由各具体设备决定。

就厂家自身设备组网方式中，一般采用单网结构，即可满足运行要求，又可节省投资。

广州地铁、上海轨道交通明珠线等已建成工程中均采用单网结构，到目前为止运行稳定。

南京地铁、重庆轻轨等在建工程设计方案也采用单网结构。

考虑到上海杨浦线（M8）轨道交通工程牵引变电所工程特点，建议采用方案一：

单网结构。

系统网络构成模式比较表1-3

比较内容

方案一：

单网结构

方案二：

双网结构

系统结构

简单

较复杂

安全可靠性

满足要求

满足要求，相对高

施工调试

方便

复杂

系统软件

简单

复杂

运行维护

方便

较复杂

投资

少

高

4）系统构成方案综述

通过上面的各种方案的比较，并考虑到目前国内外厂家的供货情况，及现场应用经验，我们建议上海轨道交通杨浦线（M8）工程牵引变电所采用计算机型自动化系统，系统分三层设置：

站级管理层，网络通信层，间隔设备层。

站级管理层为设置在控制中央信号屏内的主监控单元；间隔设备层包括安装于35KV交流开关柜和1500V直流开关柜内的各种保护、测控一体化单元，以及集中安装在中央控制屏内的对接触网上网开关、及不宜安装测控单元而需监控的监控设备，通过与供电系统一次开关设备、CT/PT设备接口，完成对所内供电设备的控制、监视、测量及保护功能；并在中央信号屏中主监控单元预留降压变电所和跟随降压变电所综合自动化的通信接口。

网络通信层即为所内通信网络，采用单网结构形式的数据传输网。

工程实施方案

牵引变电所综合自动化系统各间隔层单元由主监控单元管理，分析牵引所内一次设备特点，考虑各间隔层单元可能由不同厂家供货，而不同厂家提供保护、测控单元，会出现不同的规约，按一次开关设备的类型在所内采用分段单网，形成多个子网，如35KVGIS开关、1500KV直流开关、整流机组、直流屏等子网，预留分别实现间隔单元与主监控单元的数据交换，这种网络组成形式，由于各子网数据传输相对独立，使系统可靠性又一次提高。

主监控单元通过网络实现所内（包括与牵引变电所合建的降压变电所内以及跟随降压变电所）集中监控、数据集中处理、所内网络通信及与电力监控系统的远程通信功能。

具体系统构成方案见附图：

牵引降压混合变电所综合自动化系统构成方案图。

该系统方案满足了分散、分层、分布式计算机网络体系，开放式系统结构要求。

系统具有功能综合化；设备、操作、监视微机化；结构分层分布化；通信网络光缆化及运行管理智能化的特征。

系统软件采用模块化编程手段，硬件采用抗干扰能力强的产品，整个系统具备简捷方便的扩容手段及足够的扩容能力，并预留与其他系统接口能力，提供了灵活的系统配置和安全的人机接口界面，完备而实用的系统功能，适度先进和可靠的系统性能，为上海轨道交通杨浦线（M8）工程供电系统的牵引变电所自动化管理提供了高效、协调、安全的保证。

通过对变电所综合自动化设计方案的分析，得出推荐方案概述如表所述。

方案概述表表1-4

系统比较内容

推荐方案

系统体系结构

分层、分布式

安装方式

分散加集中式

系统网络结构

分段单网结构

系统对时方式

软件对时方式

间隔层设备结构

测控与保护一体化

网络通信媒介

光纤或屏蔽电缆

1.1.4交直流自用电系统

由于牵引变电所按采用远期无人值班方式设计，在设备选型时应选用质量好、可靠性高的名牌产品，优先选用智能化程度高、免维护或少维护的设备。

自用电系统设计很重要，为保证电源系统的可靠性，在设计中应考虑系统方案的可靠性及系统重要设备的冗余配置合理性。

根据招标文件的要求，上海轨道交通杨浦线（M8）线工程采用牵引变电所与降压变电所合建方式，建议采用一套交流电源装置和一套直流电源装置，同时考虑牵引变电所自用交、直流电源负荷较小，建议牵引变电所所需交直流电源由降压变电所提供。

具体接口在今后与降压变电所设计单位配合确定。

具体的交直流电源系统构成，请参见附图：

牵引变电所交流电源系统方案图和牵引变电所直流电源系统方案图。

接口--牵引变电所综合自动化系统接口部分

1）与通信系统接口，采用数字串行接口方式。

2）与降压变电所接口：

通信接口和交直流系统电源的接口

3．全所综合自动化系统国产化综述

变电所综合自动化系统在国内的发展，已经有近十年的历史了。

从早期的集控台方式、第一代全集中式、第二代功能分布式、到今天的以设备间隔为对象的分散、分层、分布式，变电所自动化技术及生产水平已日趋成熟,可靠性越来越高，系统体系结构及功能配置完全符合IEC有关标准要求。

在电力系统具有成熟的运行经验。

而且，选用国内产品，从元件选型、设备组装、软件开发，到系统集成均能由国内的技术人员实现，性能价格比较优，而且因备件可随时从厂家买到，因此，无运行的后顾之忧。

轨道交通工程变电所自动化系统与电力系统的变电所自动化系统无论是体系结构还是功能配置都很接近，因此针对轨道交通工程的特点在电力自动化系统上进行软件功能的移植、改进及硬件间隔单元的重新配置，即可满足本工程的需要，通过对国内综合自动化系统生产厂家的了解，无论从技术水平还是集成能力，国内许多变电所综合自动化设备生产厂家，有能力开发，完成系统集成。

由于我国自动化产品软件技术已达到较先进水平，而硬件由于引进国外生产工艺（如焊接、制版等技术），或直接引进国