高铁无人值守变电站的设计与实现

中铁上海设计院集团有限公司 张飞飞

在高速铁路工程项目中，通过应用无人值守变电站，可提高高速铁路电力系统运行可靠性、维护便利性和操作安全性，监控人员可通过实时图像和远动信息对变电站运行情况进行综合监控与分析，实现高铁沿线变电站远程集中控制和故障分析[1]。

1 高铁无人值守变电站内涵

高铁无人值守变电站是在常规变电站基础上融入综合自动化开始或借助远动装置RTU 处理后，经通信通道发送至上级电力调度或监控中心，由电力调度或监控中心对变电站可控设备进行“遥测、遥信、遥控、遥调、遥视”操作。

在高铁电力系统中，变电站是“四电”系统之一，是高铁铁路调度、信号、通信、信息、防灾等负荷供电的动力来源。变电站供电可靠性、稳定性、安全性直接影响高铁系统安全高效运行，加强无人值守变电站设计和应用，改变常规变电站系统人工巡检、操作、维护、排障的运行方式[2]，能够提高高铁无人值守变电站系统运行可靠性、稳定性。

2 高铁无人值守变电站设计

高铁无人值守变电站设计包括一次设计、二次设计。

2.1 一次系统设计

2.1.1 主接线设计

假设某高铁无人值守35kV 变电站设计出线7回，最大负荷为10000kVA，10kV 出线10回，最大负荷3600kVA。变电站主供电接入2回35kV线路，根据《35kV～110kV 变电站设计规范》（GB50059-2011）规定要求，进线为2回时，一般采用桥接线，当出线大于2回时，可采用单母线接线、单母线分段或桥形接线等形式[3]。

采用单母线接线时，考虑到单母线接线隔离开关检修时，连接在母线上所有回路均需停止，当母线或母线隔离开关发生短路或绝缘套管故障时，断路器均需自动断开，出线会全部停电。而采用单母线接线方式时，35kV 和10kV 出线不超过5回。故不采用单母线接线方式。

采用单母线分段接线时，可借助断路器或隔离开关将母线分段，保证母线不间断供电，提高供电可靠性，但单母线分段接线某一段母线或隔离开关出现故障、检修时，需断开该段母线上的全部电源、出线，这也会导致分段回路全部停电。

采用桥形接线时，桥臂设置在线路断路器内侧，当线路发生故障时，可断开故障线路断路器，其余线路持续正常运行。变压器故障时，联系断路器与故障变压器同侧断路器均自动跳闸，需经倒闸操作后恢复该线路供电。但该主线接线方式操作复杂。

综合不同主线接线优缺点，由于高铁无人值守变电站负荷大部分为一二级负荷，对变电站供电安全性、可靠性要求高，因此，设计高铁无人值守变电站时，主接线可采用双电源单母线断路器分段接线方式，母线采用单母线分段接线方式。

2.1.2 变压器台数及容量选择

选择变压器台数时，考虑到变压器故障转移或检修备用要求，应至少选择2台变压器，确保当1台变压器发生故障时，备用变压器可保证一二级负荷持续供电。

选择变压器容量时，变压器容量单独运行时，全部容量应大于变电站负荷要求。为满足高铁系统变压系统供电增长需求和突发供电峰值需求，应确保容量60%～70%以满足高铁系统铁路调度、信号、通信、信息、防灾等负荷供电需求，确保高压变电容量留有余量[4]。为满足变电站出线负荷要求和后续变压站改扩建容量要求，35kV 变电站可选择2台S22-6300/35型变压器。

2.2 电气二次设计

电气系统二次设计包括变压器保护、母线保护、断路器和隔离开关设计等。

2.2.1 变压器保护

根据《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》要求，变压器保护包括瓦斯保护、差动保护、过电流保护、零序电流保护、流速断保护、过负荷保护、纵联差动保护、瓦斯保护和温度保护等。变压器保护设计时，根据《继电器保护和安全运动装置技术规程》要求，可选择主保护、后备保护、非电量保护等措施，其中，主保护主要用于纵向差动保护、电流速断保护、过流保护等。后备保护包括零序电流保护、用于高低压侧配置复合电压闭锁过流保护、保护动作起跳跳开主变压器侧断路器。

为保证高铁无人值守变电站安全、稳定、可靠运行，变压器保护可选择RCS-9679型变压器保护装置，该装置可用于变压器差动速断保护、比率差动保护和高低压侧复压过流保护，当变压器故障时可报警并跳闸切断故障回路。

变压器差动保护是变压器主保护装置，可通过比较变压器各侧电流差值动作保护。当变压器正常运行状态下或外部故障时，当任一相差动电流大于差动速断整定值时瞬时，差动速断保护装置动作出口继电器跳闸，切断断路器。

高铁无人值守变电站设计中，变压器保护主程序与上级控制系统通信，间隔采样，计算系统设定值与实际值，变压器运行状态正常时，系统无动作。当变压器状态异常时，保护装置启动，差动判断和涌流判断，区分变压器故障或励磁涌流，当比率差动继电器动作后，未判断为涌流闭锁，则进入CT 断线瞬时判定流程，区分变压器内部故障或CT 断线故障[5]。根据故障判断类型，变压器保护系统采取差动保护、过流保护、跳闸等动作。

2.2.2 断路器、隔离开关控制

为满足高铁35kV 无人值守变电站控制要求，监视、动作、远动控制断路器，断路器控制回路设计可选择FCS-222C 型智能操作箱，可支持实时通信，能够实现断路器跳合闸操作、遥控输出、遥信输入等功能。

隔离开关设计时，遵照“五防”原则（防带负荷、防带电接地或合接地闸、防带地线合闸或未断开隔离开关时送电断路、防误操作断路器、防误入带电间隔），选用NR1504型智能开入隔离开关，每个开关可同时监测19路开入，并将开入信息通过内部总线传给其他隔离开关。

3 综合监控系统设计

3.1 自动化监控系统

高铁35kV 无人值守变电站采用B/S 架构自动化监控系统，以PCS-220系列合并单元和通信管理机、监控主机于一体，可实现无人值守变电站监视、控制、继电保护、五防、要事与事故报警等功能。变电站内监控系统与通信管理机通信获取站内设备运行状态数据，经间隔采样后传输至上位系统（如图1所示），可通过监控系统监测35kV 变电站内设备运行情况，包括有功、无功、电流、电压、变压器油温等信息。故障报警信息包括一次设备信号变化、逻辑计算点状态变化、遥测量和模拟计算量越限、系统异常报警等，报警等级包括事故报警、预报报警和一般报警等。

图1 综合自动化系统图

五防系统基于断路器和隔离开关设计，可实现变电站内防误操作，确保变电站安全、稳定、可靠运行。无人值守变电站操作、维护、检修时，任何倒闸操作必须经五防系统模拟预演和逻辑判断后方可实施，以此防止触电事故发生。五防强制性闭锁时，只有经变电站五防系统模拟通过后方可解锁操作，从而满足现场维修维护安全操作要求。

3.2 安全监控系统

高铁无人值守变电站安全监控系统包括图像监视、视频巡检、安全防护、门禁监控、智能照明、动力环境监控、在线测温等子系统等（如图2所示）。基于摄像机，可对变电站内关键部位、关键设备进行长周期、实时监测。摄像机布置位置及数量包括外墙4台、无功补偿室、接地电阻室、调压器室、厂用变压器室等各1台固定式，电缆夹层、控制室各2台固定式，高压开关柜室2台固定式加1台导轨式机器人，便于高铁调度中心和变电站上位管理部门实时监测变电站室内、室外环境和关键电力设备状态。

图2 安全监控系统组网图

安全防护系统和门禁系统可基于安全防护系统权限管理，对变电站进入人员身份进行鉴权、识别，对具备权限的人员予以放行，反之则不执行动作。动力环境监控系统和在线测温系统可对变电站室内外环境温度、电气设备温度进行测量和记录。

智能照明系统可根据变电站照明标准值和光照要求，基于智能照明控制模块设定时间段、感光、远程开启和关断照明设备，保障变电站室内照度要求。

3.3 火灾报警系统

为及时发现和应急处置高铁无人值守变电站火灾，降低变电站火灾可能造成的高铁线路供电中断故障风险，故设计变电站火灾自动报警系统。系统由火灾探测器、手动报警装置、声光报警器、火灾报警器和通信模块组成。根据相关技术规范布设，探测信号经通信线路传输至火灾报警控制器，火灾报警控制器采用智能化二总线，现场设置中文夜景显示屏，配备8路继电器有源输出、7路多线控制盘和1路声光报警专用输出，一旦发挥火灾报警或手动操作报警装置，联动变电站切断室内低压动力、照明等非消防负荷装置。

3.4 排风自动控制系统

由于变电站内电气设备工作温度变幅大，受环境温度影响大，为满足高铁无人值守变电站内电气设备稳定运行要求，设计采用西门子S7-200型PLC 排风机控制系统，排风机控制系统与本地控制系统连接，可远传至上位机实现远传启停操作。排风机控制系统与高铁无人值守变电站控制主机和消防主机连接，可根据变压器等设备运行温度阈值和消防火灾报警等设置要求自动启停，也可根据现场维护维修要求现场手动启停，或由上位机远程启停。

综上，在高速铁路工程中设计和应用35kV 无人值守变电站，可实现高速铁路调度、信号、通信、信息、防灾等负荷供电的动力来源，通过自动化控制、远程监测和故障分析，降低高速铁路无人值守变电站维护管理工作量和人员配置，提高变电站维护操作安全性，降低高铁电力系统故障、触电、误操作风险，提高高铁配电系统安全性、可靠性。