接觸網(wǎng)隔離開關(guān)集中式控制研究范文

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《電氣化鐵道雜志》2016年第5期

摘要：

針對電氣化鐵路接觸網(wǎng)隔離開關(guān)常見的誤動、拒動、誤報等故障現(xiàn)象，提出了一種集中式控制方案以此改善系統(tǒng)的可靠性，并闡述了該方案的相對優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：

電氣化鐵路；接觸網(wǎng)；隔離開關(guān)；遠動；集中控制；直控

0引言

在電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中，隔離開關(guān)作為重要的開關(guān)設(shè)備，其動作可靠性直接關(guān)系到機車運行安全。在電氣化鐵路接觸網(wǎng)隔離開關(guān)遠動控制領(lǐng)域，當(dāng)下普遍采用光纖控制方案，即就地遠動監(jiān)控終端與電動操作機構(gòu)一同安裝于戶外隔離開關(guān)柱上，用于對每臺隔離開關(guān)的監(jiān)控。而變電所設(shè)置監(jiān)控主站，通過光纖網(wǎng)絡(luò)同所內(nèi)所有就地遠動監(jiān)控終端進行通訊，從而實現(xiàn)監(jiān)控所內(nèi)所有隔離開關(guān)。光纖控制方案憑借光纖通信可靠、抗電磁干擾能力強的優(yōu)點被廣為采用，但是，在實際運行中，隔離開關(guān)誤動、拒動現(xiàn)象卻時有發(fā)生，給鐵路運行部門帶來了諸多困擾。

1集中式控制方案簡介

1.1概述

傳統(tǒng)的光纖控制方案系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，設(shè)備層級較多，其系統(tǒng)圖如圖1所示。哈大普鐵隔離開關(guān)遠動系統(tǒng)直接引進德國技術(shù)，采用集中式、直接控制的方案，與光纖控制方案有著較大的區(qū)別。多年運行經(jīng)驗表明，該系統(tǒng)極少發(fā)生上文所述的誤動、拒動、誤報等故障，運行狀態(tài)穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)中，德國ABB隔離開關(guān)所內(nèi)監(jiān)控主站直接采用一臺RTU裝置，無需外圍回路，僅通過3條線纜連接至每路隔離開關(guān)操作機構(gòu)（西門子制造），而每路隔離開關(guān)的遙控分、合閘和遙信采集都是通過3條線纜實現(xiàn)的。同時，隔離開關(guān)操作機構(gòu)的內(nèi)部電氣回路已經(jīng)被完全省去，僅保留了電機和傳動機構(gòu)。見圖2。

1.2集中式控制方案構(gòu)架

經(jīng)過對哈大普鐵德國技術(shù)的深入分析并借鑒其先進理念，筆者提出了一種集中式、直控式的控制方案。該方案在變電所監(jiān)控主站采用直控式RTU裝置，直接通過硬接線與戶外隔離開關(guān)操作機構(gòu)相連。該RTU裝置設(shè)置多路控制板卡，對下可集中控制全所所有隔離開關(guān)，對上可直接通過光纖網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度端通訊。通過圖3不難發(fā)現(xiàn)，相比于光纖控制方案，集中式控制方案已經(jīng)省去了戶外就地監(jiān)控單元，精簡了系統(tǒng)構(gòu)架，減少了系統(tǒng)層級和設(shè)備數(shù)量。

1.3直控式RTU裝置控制原理

直控式RTU裝置直接通過硬接線，從所內(nèi)將控制命令直接加載到戶外操作機構(gòu)，遙信信號也直接通過硬接線傳送到所內(nèi)RTU裝置。該裝置的遙控和遙信回路采用通道共用的方式，僅通過3條線纜來實現(xiàn)對每路隔離開關(guān)的監(jiān)控。見圖4。該直控式RTU裝置的突出特點是將遙控電路和遙信電路巧妙地結(jié)合。實現(xiàn)單路開關(guān)的遙信一般需要3線，實現(xiàn)單路開關(guān)的遙控同樣需要3線，該裝置的工作邏輯：在無遙控操作時，工作于遙信模式，即K1、K2斷開，K3閉合；在收到遠動執(zhí)行命令，需要執(zhí)行遙控操作時，K3斷開，K1或者K2閉合，將動力電源直接饋送至操作機構(gòu)。不難發(fā)現(xiàn)，遙控電路和遙信電路是互斥的（K1、K2、K3在同一時刻，只允許一個閉合），即遙控和遙信電路不能同時工作。為了保證遙控和遙信電路可靠切換，避免互相短路造成設(shè)備損壞，直控式RTU裝置在遙控、遙信切換過程中進行嚴謹?shù)嘏卸ǎ挥性诜锨袚Q條件的前提下，RTU裝置才會執(zhí)行切換動作。其判定過程如圖5所示。而除了軟件判據(jù)之外，RTU裝置內(nèi)部設(shè)置互斥硬件回路，形成屏障，進一步杜絕K1、K2、K3三個開關(guān)中出現(xiàn)2個或者3個同時閉合的情況，其原理如圖6所示。1）遙信模式。直控式RTU裝置的控制板集成遙信模塊和遙控模塊，在無遙控操作時，該裝置工作于遙信模式，即K3閉合，3條線纜通過操作機構(gòu)行程開關(guān)并經(jīng)由電機線圈構(gòu)成遙信采集回路。操作機構(gòu)內(nèi)的行程開關(guān)SQ1和SQ2為常閉模式，其開合順序如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)，直控式RTU裝置采集的遙信直接通過行程開關(guān)SQ1和SQ2來反映。假設(shè)行程開關(guān)閉合狀態(tài)用1來表示，行程開關(guān)分斷狀態(tài)用0來表示。當(dāng)RTU裝置采集遙信結(jié)果SQ1、SQ2為0、1時，則代表隔離開關(guān)處于分位；當(dāng)RTU裝置采集遙信結(jié)果SQ1、SQ2為1、0時，則代表隔離開關(guān)處于合位；當(dāng)RTU裝置采集遙信結(jié)果SQ1、SQ2為1、1時，則代表隔離開關(guān)處于分合中間狀態(tài)；當(dāng)RTU裝置采集遙信結(jié)果SQ1、SQ2為0、0時，據(jù)圖7分析可知，SQ1和SQ2不可能同時處于分斷狀態(tài)，這種情況只有斷線時會出現(xiàn)。由上可見，直控式RTU裝置僅通過3條線纜和行程開關(guān)，完全可以實現(xiàn)對隔離開關(guān)分、合位遙信的采集。（2）遙控模式。當(dāng)執(zhí)行遙控操作時，直控式RTU裝置應(yīng)暫時中斷遙信狀態(tài)（K3斷開），切換到遙控模式。RTU裝置通過K1或者K2輸出遠動控制命令，K1、K2閉合為定時限閉合，其時限可根據(jù)隔離開關(guān)的動作時限設(shè)定，例如，某隔離開關(guān)常規(guī)動作時間為4s，K1或者K2閉合時限可設(shè)定為5s左右（稍長于開關(guān)動作時限）。當(dāng)K1或者K2閉合時，RTU裝置直接將動力電源饋送至操作機構(gòu)電機，驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)隔離開關(guān)分閘或者合閘。以合閘為例，其操作過程如下：隔離開關(guān)當(dāng)前處于分位，SQ1處于分斷狀態(tài)、SQ2處于閉合狀態(tài)，RTU裝置采集遙信SQ1、SQ2為0、1。RTU裝置收到遠動執(zhí)行合閘命令，立即切斷遙信回路，切換到遙控模式。RTU裝置閉合K2，動力電源經(jīng)過SQ2加載于電機，電機正轉(zhuǎn)，隔離開關(guān)合閘。4s后，隔離開關(guān)合閘到位，SQ2分斷，SQ1閉合。而SQ2的分斷直接將動力電源切斷，電機停止轉(zhuǎn)動。此后延遲1s后（即啟動合閘5s后），RTU裝置合閘觸點K2到達閉合時限，K2彈開。此時完成合閘操作，RTU裝置自動切換回遙信回路，采集到SQ1、SQ2變位為1、0。遙控分閘過程同理，不同之處為電流流向相反，電機反轉(zhuǎn)，此不贅述。通過以上分析，發(fā)現(xiàn)采用直控式RTU裝置，僅通過3條線纜即實現(xiàn)了對隔離開關(guān)的遙控操作和遙信采集。不同于光纖控制方案，該方案無需戶外布置就地監(jiān)控單元，且操作機構(gòu)電氣回路亦大為精簡，僅保留了電機和傳動機構(gòu)。

2集中式控制方案相對優(yōu)勢

集中式控制方案下，所內(nèi)監(jiān)控主站可監(jiān)控全所隔離開關(guān)，并直接將遙控命令（連同動力電源）饋送至操作機構(gòu)。從系統(tǒng)可靠性方面分析得出該方案具有如下優(yōu)勢。

（1）防止誤動。上文已經(jīng)闡述該方案的控制原理，在無遙控操作時，戶外操作機構(gòu)處于不帶電狀態(tài)，無論是受到干擾還是其他故障，因為操作機構(gòu)根本沒有動力電源，從根本上杜絕了強電磁干擾感生電動勢或者控制電纜混線引起的誤動，隔離開關(guān)誤動的風(fēng)險將大大降低。

（2）防止拒動，提高系統(tǒng)可靠性。戶外僅保留操作機構(gòu)的電機和傳動機構(gòu)以及3條輸電線纜，結(jié)構(gòu)精簡，減少了中間環(huán)節(jié)，而使故障點減少，降低了拒動發(fā)生的概率，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

（3）防止非干擾性誤報。由于所級監(jiān)控主站直接通過3條硬接線采集操作機構(gòu)行程開關(guān)的位置信息，而無需經(jīng)過戶外就地監(jiān)控單元，這避免了戶外就地監(jiān)控單元自身問題而引發(fā)的誤報，也避免了戶外就地監(jiān)控單元和所級監(jiān)控主站因通訊或者規(guī)約匹配問題發(fā)生的誤報。當(dāng)然，集中式控制方案在抗戶外電磁干擾方面并無優(yōu)勢，也就是說在電磁干擾引起的遙信誤報方面，集中式控制方案可能面臨更大的考驗。

（4）系統(tǒng)故障率低，運維方便。集中式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡，電路簡單，使得系統(tǒng)的運行維護更加簡便易行。

3集中式控制方案的弊端和處理措施

3.1系統(tǒng)弊端

集中式控制方案在提高系統(tǒng)可靠性和降低系統(tǒng)投資方面均具有顯著優(yōu)勢，但不可否認該方案在如下2個方面仍存在相對劣勢。

（1）控制距離較短。由于采用了直接控制方式，所級監(jiān)控主站和隔離開關(guān)之間直接通過硬接線實現(xiàn)遙控和遙信采集。這在隔離開關(guān)距離變電所較近的場合（2km之內(nèi)）并無問題，但是當(dāng)隔離開關(guān)十分偏遠時，傳輸線纜上的衰耗就會凸顯，這將有可能影響遙信的精度和遙控電源的強度。當(dāng)然，從實驗室數(shù)據(jù)上分析，集中式監(jiān)控方案在10km范圍是能夠可靠監(jiān)控隔離開關(guān)的，但是在實際應(yīng)用中，由于受限于復(fù)雜的運行環(huán)境，其可靠性可能會有所降低。

（2）遙信回路受電磁干擾影響較大。不同于光纖控制方案，所級監(jiān)控主站到隔離開關(guān)的一段距離中，采用光纖通訊，而光纖是不存在電磁干擾問題的。集中式控制方案在此段距離上使用了硬接線，在此段距離中傳送電磁信號的遙信回路在抗電磁干擾方面將會面臨更大的考驗。

3.2處理措施

當(dāng)然，在預(yù)防上述缺陷方面，集中式控制方案并非無計可施，通過一定的技術(shù)手段和變通，揚長避短，是可以充分改善監(jiān)控系統(tǒng)性能的。

（1）就近安裝直控式RTU裝置。在個別隔離開關(guān)距離變電所偏遠的場合，可將所級監(jiān)控主站（即直控式RTU裝置）安裝在隔離開關(guān)附近。為了防止監(jiān)控主站受戶外惡劣環(huán)境的影響，可將其安裝于具備足夠防護等級的保溫箱內(nèi)。這樣既具備了集中監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢，又避免了長距離衰耗的問題。這種方式在哈大普鐵上亦被采用，運行經(jīng)驗和數(shù)據(jù)亦充分支持筆者論點。

（2）提高RTU裝置電磁兼容能力，使用屏蔽電纜。為了防止長距離硬接線受戶外強電磁干擾，一方面應(yīng)保證直控式RTU裝置具備足夠的電磁兼容能力，過濾掉一般干擾信息；另一方面，敷設(shè)的連接線纜應(yīng)使用帶屏蔽電纜，并按施工規(guī)程可靠接地，最大限度防止外部電磁干擾進入系統(tǒng)內(nèi)部。

4結(jié)語

電氣化鐵路接觸網(wǎng)隔離開關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)在以往運行中故障率較高，給牽引供電系統(tǒng)帶來了較多的不良影響，如何解決系統(tǒng)的常見問題，充分改善系統(tǒng)性能，一直以來是業(yè)內(nèi)的工作重點。在此過程中，鐵路總公司、各路局機關(guān)以及各設(shè)備廠家都付出了很多努力，并提出了很多改進意見。當(dāng)然，不存在絕對優(yōu)勢的方案，筆者認為權(quán)衡利弊，取長補短，因地制宜，才能最大程度改善接觸網(wǎng)隔離開關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)的性能。而集中式控制方案正是基于這種思路，充分發(fā)揮直控式、集中式控制的優(yōu)勢，采用某些技術(shù)細節(jié)彌補自身不足，是一種相對較為優(yōu)秀的方案。哈大普鐵的運行經(jīng)驗也證明了該方案的可靠性，這是值得借鑒并進一步研究和推廣的方案。

參考文獻：

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[3]李焱.高速鐵路接觸網(wǎng)隔離開關(guān)遠動控制技術(shù)的研究[J].電氣化鐵道，2015，（2）：1-3.

作者:孟令宇 井友剛 單位:沈陽鐵路局