城市轨道交通35 kV 供电系统自动切换运作模式

刘宏泰，任春艳

0 引言

城市轨道交通35 kV 或者10 kV 环网供电系统设计成由2 个110 kV/35 kV（10 kV）或者220 kV/35 kV（10 kV）主变电所同时向一条地铁线不同分区相对方向供电，如果某个运行中的主变电所出现解列或者需要故障检修，那么另一个主变电所应该临时进行系统救援，完成主变电所35 kV/10 kV 系统切换，提供给全线所有牵引动力、低压动力、监控系统、照明系统等用电。国内实现这种系统大切换通常是采用手动模式，即OCC（主控系统）若发现某个主变电所供电故障或者系统解列时，OCC发出电调遥控操作指令（变电所按无人值守设计），或者派遣值班员到现场各变电所进行分合闸，实现系统大切换。统计数据显示，这样的遥控或者当地手动切换大约需要30～50 min 方能完成，可城市轨道交通供电是一级负荷，延误10 min 的行车就按事故处理，30 min 就是重大事故，虽然主变电所出现解列的几率很低，但现实中各条地铁线确实都出现过该类事故，本文总结了深圳地铁龙华线成功通过系统软硬件搭接，现场模拟实现35 kV 系统自动切换，取得系统切换成功，总的投切时间在2.5 s之内快速完成。

1 系统自动投切需要把握的2 个关键

实现35 kV 系统自动投切要注意把握2 个关键：一是防止系统电源合环，也就是必须采用可靠的闭锁关系，防止2 座主变电所在地铁环网电缆来电时合环或者主变电所2 路不同进线的合环；二是系统自动切换实现时限必须和环网线路的自投设置方式、各变电所的自投切换时间适当配合。如果2 方面不能兼顾，则系统自动切换将会失败，甚至造成供电合分闸紊乱。

鉴于本文主要讨论系统切换，所以仅简要介绍一下环网变电所内自投及闭锁关系要求，2 座主变电所35 kV 侧和环网变电所自投仅仅在电缆差动动作时才瞬时启动，闭锁系统投切，若是进线发生差动跳闸，将启动自投；若是出线发生差动跳闸，仅本所跳闸，不启动出线二次合闸，同条差动跳闸的下级变电所进线将启动自动投切。进线失压时在规定的时间内（这里设置为A 秒，因不同变电所本身自动投切时间是不同的，所以这里不具体设置）断路器不跳闸，不闭锁相应断路器，也不启动自投，A 秒后失压进线仍未有压，才进行本所自投。2 座主变电所35 kV 侧和环网变电所必须同时满足表1、表2 的逻辑闭锁关系。

表1 主变电所逻辑闭锁关系1 一览表

表2 主变电所逻辑闭锁关系2 一览表

2 系统切换及闭锁方案

本文以深圳地铁龙华线为例说明系统切换及闭锁设计方案，龙华线35 kV 环网图见图1，由于文化中心主变电所（主变电所图中简称为“主站”）是深圳地铁龙华线和一号线的共用主变电所，所以在进行系统切换时须考虑莲花北变电所2 路进线断路器（301、302）、民乐应急联络断路器（303、304）、龙胜主变电所35 kV 2 路进线断路器（301、302）的相互闭锁和投切关系（见表3）。

图1 龙华线35 kV 环网示意图

从表3 可以得出龙胜主变电所和民乐变电所断路器均投入时，将闭锁莲花北变电所2 路进线断路器合闸；龙胜主变电所和莲花北变电所断路器均投入时，将闭锁民乐2 台应急断路器；龙胜主变电所或者莲花北2 路进线解列时，民乐应急断路器程序启动，自动合上民乐2 台应急断路器，实现全线切换。系统投切时间设定为2.0 s，该系统切换和闭锁是在失压变电所还未进行失压自动投切前进行的，也就是说环网各所本身失压自动投切的时间必须是按照一定的时间间隔阶梯设置，且本身失压自动投切时间最小的变电所失压自动投切启动时间（这里设置成2.5 s）不能小于系统切换时间，方能保证系统切换时不产生各所自身的母联自动切换。这里环网阶梯时间设置成0.5 s，也就是下一级失压自动投切启动设定时间是环网来电变电所本身的失压自动投切时间加上0.5 s。

表3 龙华线主变电所逻辑闭锁关系表

3 联锁网络结构及工作特点

3.1 龙华线联锁网络结构

为了实现系统的自动大切换，首先要对实现系统切换的3 个变电所设置网络通信环路，设置考虑100%的冗余。各变电所均需有对应的通讯设置。

3 站两两之间设置2 对422 串口：即龙华主变电所到民乐站间提供2 对422 串口；民乐至莲花北站间提供2 对422 串口；莲花变电所至龙华主变电所提供2 对422 串口；每个站对外提供4 路光纤通道与其他2 座变电所进行通信（图2，图3）。

工作方式：正常情况下，每个站2 台主机，3站都为A 机工作，B 机备用。此时B 机中信息通过网络保持与A 机同步。

当一站A 机故障，该站切换到B 机，其他站仍维持A 机工作，此时故障站B 机通过与其他站备用机B 的串口获得其他2 站的信息保证连锁系统的正常运行。

当某站A 机故障恢复后，仍切换回A 机运行。

当2 站A 机间串口故障时，可以通过B 机间串口保证连锁系统的正常运行。

图2 龙华线主变电所间内外网络连接示意图

图3 龙华线主变电所间网络接口示意图

3.2 网络工作特点

该线网络采用4 线422 方式，需有相应光电转换装置。

RS422 四线全双工同一时刻既可发又可收，采用CDT 循环远动规约，这是因为RS485 两线半双工同一时刻不可能既发又收，收发是时分的。由于在35 kV 全线连锁中每个站都需获取其他2 个站的信息来对闭锁做出判断，这就要求同一时刻既要发又要收，因此需要采取422 方式而不是485 方式。

采集对侧站断路器位置同时将本身断路器位置上传给对侧站。

在港铁的将军澳方案中也是采用422 串口而不是485。每个站提供4 路光纤通道，每一路通过光电转换器。422 串口与站内通信管理机相连。民乐变电所，莲花北变电所，龙胜主变电所的每台通信管理机都分别预留2 个422 串口。

3.3 变电所内PSCADA 工作网络设计

需要注意的是：

（1）无论开关柜的“远方/就地”选择把手在何种位置，综控屏对断路器的闭锁均有效。

（2）综控屏遥控民乐站联络断路器合闸的前提之一是其2 个开关柜的“远方/就地”选择把手在远方位。

4 系统投切时间和变电所自投时间确定

整个系统包括主变电所侧，PSCADA 系统全部采用OCC 主控系统通信时钟对时。系统闭锁及投切时间主要是由系统通信设备、PSCADA 监控组网设备（涉及系统切换的变电所）、主控系统相关设备等协同工作的固有时间来确定，经过现场系统大切换实际时间测试（5 次最大值），整个系统投切需要2.0 s。

为保证各环网变电所安全可靠，各个环网变电所本身的自投时间靠近民乐的第一个变电所梅林变电所或者红山的自投启动时间设定为2.5 s，再下一级变电所本身自投设置为3.0 s，民乐变电所另一侧的上梅林变电所也设置为2.5 s，依此类推。

5 结语

本文所述自动切换系统中各个环节包括设备、通信都需要进行固有工作时间、逻辑、通信、干扰测试，以保证组网后测试顺利。

该自动投切系统经过现场实际整体测试和个别问题纠偏纠错，最后完全达到系统理论设计的要求，为国内其他地铁线路实现系统切换奠定了良好的理论和实际运行经验，大大缩短了地铁运营系统故障引起的停运时间，值得广泛推广。

[1] 城市轨道交通综合监控系统工程设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

[2] GB50052-2009 供配电系统设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009.