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城市地下轨道交通供电安全智能防误管理与应用

字号:T|T时间:2017年12月01日来源:长园共创电力安全技术股份有限公司 作者: 点击率:3472

一、前言
    我们国家截至2016年年底,全国有30个城市开通了轨道交通,拥有轨道交通车站2468个,运营车辆23791辆,轨道交通运营线路133条,运营线路总长度4152.8公里,轨道交通完成161.51亿人,运营里程4.33亿列公里。
    2016年里,中国大陆地区城轨交通完成投资3847亿元,在建线路总长5636.5公里。可研批复投资累计34995.4亿元。截至2016年年底,共有58个城市的城轨线网规划获批,规划线路总长达7305.3公里。在建和规划线路规模进一步扩大,轨道交通投资进进一步增长,建设速度进一步提升。预计到“十三五”末,全国将有超过50个城市开通轨道交通,运营里程将超过6000公里。
    随着我国经济持续稳定地增长,城市轨道交通及城际轨道交通逐步得到大面积普及,在不久的将来,轨道运输将成为大、中型城市交通的重要手段之一,对城市的经济发展及社会安定起到重要的作用。
   而城市轨道交通的安全运行离不开安全、规范、可靠的供电系统,供电系统一旦产生故障或中断,不仅会造成城市轨道交通运输的瘫痪,而且还会危及乘客生命安全,并对地线公共交通运输带来巨大压力,对社会稳定和城市形象造成不良影响。


于是,如何确保城市轨道交通供电安全,已经成为一项具有重大意义的研究课题。长园共创基于对防误技术20余年的研究,联合国内相关领域专家,提出了一套适用于轨道交通领域的“供电安全智能防误管理系统”。

二、城市轨道交通供电系统特点
1. 轨道交通供电系统组成
    轨道交通供电系统由外部供电系统(城市电网)和轨道交通内部供电系统两大部分组成。轨道交通作为城市电网的一个用户,一般都直接从城市电网取得电能,无需单独建设电厂;城市电网也把轨道交通看成一个重要用户。轨道交通内部供电系统包括:主变电所、牵引供电系统、动力照明供电系统和电力监控系统。其中牵引供电系统包括牵引变电所和牵引网两大部分,动力照明供电系统包括降压变电所与动力照明配电系统。城市电网对轨道交通的供电方式一般采用集中供电方式,集中供电方式有利于轨道交通公司的运营和管理,各牵引变电所和降压变电所由环网电缆供电,具有很高的可靠性。广州、深圳、上海和香港轨道交通即为此种供电方式。在沿轨道交通线路,根据用电容量和轨道交通线路的长短,建设轨道交通专用的主变电所。主变电所电压一般为AC110 kV,由发电厂或区域变电所对其供电,再由主变电所降压为轨道交通内部供电系统所需的电压级(AC35 kV 或AC10kV)。
    主变电所与城市电网变电站运行模式基本相同,而牵引供电系统则具有轨道交通的特色,与城市供电系统差别较大,我们主要研究对象也是集中在这里。
轨道交通牵引供电系统中压网络采用双环网结构型式,变电所采用双进双出,并通过环串的形式连接起来。进出线开关和电缆构成了环网设备,其容量选择考虑一路环网设备故障时,另一路能够承担该环网分区内的一、二级负荷,从而实现了双环网设备之间的备用支援。如广州轨道交通三号线当河南主所发生故障时合上市二宫站的环网分段开关就可以把瑶台主所的电供给河南主所的一,二级负荷,从而保证河南主所下面的变电站正常运行。另外,为了保证环网电缆运行的安全可靠性,电缆敷设路径也尽量考虑冗余设计,将两路电缆分别沿上、下行线路敷设,即使一路电缆发生故障,也不会影响另一路电缆的正常运行。

 图1 双环网接线

2. 供电系统运行方式
    由于供电系统在轨道交通运行中的重要性,中压供电网络的设计需要满足故障自救功能和防止误操作功能等要求。采用双环网接线,在故障运行方式下通过改变分界点开关的状态,保证故障区段供电的连续性。在应急运行方式时,通过调整分界点开关的位置,可改变主变电所或电源开闭所供电区的划分,可满足轨道交通继续运行的要求。双环网接线可灵活实现各种运行方式的转换。通过设置各种联锁关系,可防止各种运行方式下的误操作,使系统安全可靠运行。
   轨道交通中压供电网络的运行方式分为3种:正常运行方式、故障运行方式和应急运行方式。
   正常运行方式是系统在正常电源条件、线路条件和设备条件下的运行方式。
   故障运行方式是上述3个条件中任一个出现一个故障情况下的运行方式,如1个电源故障,或1条线路故障,或1台设备故障。
  应急运行方式是上述3个条件中任一个出现两个故障情况下的运行。
① 正常运行方式
    电源开闭所由城市电网引入2路中压电源,并供给开闭所供电范围内的车站变电所。正常运行时2个电源同时供电,分列运行,开闭所2个进线开关为合闸状态,母线分段开关为分闸状态,备自投装置处干启动状态(见图1)。
2#和4#变电所的联络开关K1一K4为分闸状态。1#开闭所除承担本身负荷外,还提供1#、2#变电所负荷。2#开闭所除承担本身负荷外,还提供3#、4#变电所负荷。
② 故障运行方式
    下面分析电源(电缆)的故障情况(见图1),开关设备的故障在本文中不做讨论。
    1)开闭所单电源故障运行方式
    当开闭所引入的一路电源或电缆故障,造成开闭所一路进线电源失压,经备自投装置判别,确定非过流、零序等故障状态后,由备自投装置对进线开关和母线分段开关实施“失压自投、过流闭锁”的控制过程,由另一路电源供给开闭所的全部1, 2级负荷。此时开闭所电源失压的进线开关为分闸状态,另一路进线开关和母线分段开关为合闸状态,备自投为退出状态。开闭所供电分区内各变电所的开关状态没有变化,即进线开关为合闸状态,母线分段开关为分闸状态,联络开关为分闸状态。
    2)降压变电所单电源故障运行方式
    当降压变电所如1#变电所引人的一路电源或电缆故障,1#开闭所相应馈出线开关为分闸,造成1#变电所一路进线电源失压。由于降压变电所中压系统没有设置母线分段开关,也没有备自投装置,而低压配电系统设有母线分段开关,低压进线开关和母线分段开关具有“失压自投、过流闭锁”的功能,此时中压系统开关状态不变,电力调度遥控使失压进线开关分闸,将故障段切除。低压配电系统电源失压的进线开关为分闸状态,另一路进线开关和母线分段开关为合闸状态,一路中压电源和一台配电变压器提供降压变电所的全部1、2级负荷。
    3)牵引变电所单电源故障运行方式
    当牵引变电所如2#变电所引人的一路电源或电缆故障,1#开闭所相应馈出线开关为分闸,造成2#变电所的一路进线电源失压。
    当牵引变电所设有母线分段开关和备自投装置时,经备自投装置判别,确定非过流、零序等故障状态后,由备自投装置对进线开关和母线分段开关实施“失压自投、过流闭锁”的控制过程,由另一路电源供给牵引变电所的全部1, 2级负荷。此时电源失压的进线开关为分闸状态、另一路进线开关和母线分段开关为合闸状态,备自投为退出状态。
    当牵引变电所不设母线分段开关和备自投装置时,若失压母线为1段,则低压配电系统实施“失压自投、过流闭锁”的控制过程,电源失压的低压进线开关为分闸状态,另一路进线开关和母线分段开关为合闸状态。一路中压电源承担牵引变电所牵引负荷和动力照明1、2级负荷。
    若失压母线为II段,连接在该段母线上的2台牵引变压器和1台配电变压器将失电。当确认非过流、零序等故障状态后,可进行倒闸操作,恢复对失压母线的供电。由于倒闸操作过程的时间级为“分钟”级,而低压配电系统实施“失压自投、过流闭锁”的控制过程为“秒”级,因此在倒闸操作过程中低压配电系统已恢复对动力照明1、2级负荷的供电;牵引供电系统通过本牵弓I变电所直流母线,使相邻两个牵引变电所构成大双边供电。
    变电所为无人值守时,电力调度远方倒闸操作分为停电操作过程和送电操作过程。手动操作两台牵引变压器中压开关分别分闸,操作配电变压器中压开关分闸,然后操作II段母线进线开关分闸并确认,此时停电操作过程结束。进行送电操作过程,操作联络开关K2合闸并确认,分别操作各变压器中压开关合闸。
    此时II段母线进线开关断开,K2联络开关闭合;I段进线开关闭合,K1联络开关断开。再次明确此时没有设置母线分段开关和备自投装置,不存在误操作母线分段开关造成电源合环问题。
③ 应急运行方式
    I)开闭所双电源故障应急运行方式
   城市电网提供开闭所的两路电源中,一路电源或线路故障后,另一路再次发生故障时,两路电源均失压。经“秒”级延时后,备自投装置向母线分段开关和电源失压的进线开关分别发出跳闻命令。开关分闸后,备自投装置处于退出状态(见图2)。

图2双环网接线(2)


    若是采用的是第二路电源也失电时,开关的状态维持一路电源失压后的情况,即一路电源的进线开关为分闸,另一路的进线开关和母线分段开关为合闸,方便之处在于外电源波动造成失压的快速恢复供电。鉴于轨道交通工程供电为自成系统,系统本身具有故障自救功能,外电源故障对系统的影响可通过系统本身的自动或手动操作,恢复系统故障区段的供电,此时应断开与外部电源的联系。因此,在开闲所双电源或双线路故障时,进线开关和母线分段开关均分闸。
    若正常运行时,发生双电源同时故障造成进线失压,经“秒”级延时后,备自投装置向两台进线开关同时发出跳闸命令,不向母线分段开关发命令,母线分段开关仍保持正常分闸位置。
    经上述分析可知,开闭所双电源故障无论同时发生还是不同时发生,开闭所的进线开关、母线分段开关均处于断开位置,且母线分段开关的合闸回路被进线开关闭锁,备自投装置为退出状态,开闭所承担的供电分区全部失电。
    根据《轨道交通设计规范》的要求,轨道交通用电设备负荷等级为一级,两个电源供电即满足供电要求。由于城市轨道交通已成为老百姓上下班、出行的重要交通方式,是解决城市道路交通拥堵的重要手段,其重要性决定了供电系统的可靠性非常重要,一旦停电造成停运,将造成较大的经济损失和较坏的社会影响,因此轨道交通供电系统的中压供电冈络设置了电源联络线。
    在这种故障应急运行方式下,通过倒闸操作改变原有供电分区的划分,利用中压供电网络设置的联络开关,由相邻供电区提供电源。为避免电源合环,需要重新设置分界点,一般把开环点设于开闭所,根据两侧供电区的负荷大小,将开闭所列入负荷较小的供电区,原开闭所的馈线开关成为新的分界点开关。
    如图2所示,假设1#开闭所正常运行承担的负荷,小于3#开闭所承担的负荷。当2#电源开闭所引自城网电源的两个进线电源全部故障,其进线开关和母线分段开关全部断开,引至4#变电所的馈出开关K3’和K4,被进线开关联跳(或电力调度遥控分闸)并闭锁(当任一进线开关合闸时,闭锁关系解除)。
    此时电力调度(或变电所控制室人员)解除2#变电所的两台联络开关K1、K2与本变电所进线开关的“软联锁”,经调度令就地手动或遥控操作合闸(保护整定躲过励磁涌流),两路中压电源由2#变电所两段母线引至3#变电所,并再至2#开闭所,使故障区段的3#变电所、2#开闭所恢复供电;同理解除4#变电所的两台联络开关K3、K4与本变电所进线开关的“软联锁”,经调度令就地手动或遥控操作合闸,两路中压电源由5#变电所两段母线引至4#变电所,使故障区段的4存变电所恢复供电。故障供电区均得到两路联络电源。
    此时供电分区进行了重新划分,1#开闭所负责为1#变电所一2#开闭所共S座变电所1、2级负荷的供电;3#开闭所负责为4#变电所一6#变电所共4座变电所1、2级负荷的供电。当高峰小时负荷超出开闭所的供电能力或中压供电网络的电压损失5%要水时,可结合运营组织方案限制高峰小时列车密度。
    2)降压变电所双电源故障应急运行方式
    以图2中2#降压变电所和5#变电所为例,分别进行分析。
    降压变电所没有设置母线分段开关和备自投装置,当1#开闭所提供给2#变电所的两路电源失电后,经电力调度令或电力调度遥控将2#变电所进线开关分闸,同时也解除了联络开关K1、 K2与进线开关的联锁。依次手动遥控使联络开关合闸,两路中压电源由3#变电所两段母线引至2#变电所,使故障区段的2#变电所恢复供电。开闭所供电分区进行重新划
分,2#变电所原进线开关为新的分界点开关。
    当3#开闭所提供给5#变电所的两路电源失电后,经电力调度令或电力调度遥控将5#变电所进线开关分闸。电力调度解除4#变电所进线开关和联络开关K3, K4的联锁,依次手动遥控使联络开关合闸,两路中压电源由4#变电所两段母线引至5#变电所,使故障区段的5#变电所恢复供电。开闭所供电分区进行重新划分,5#变电所原进线开关为新的分界点开关。
    3)牵引变电所双电源故障应急运行方式
    以图2中3#变电所和4#变电所为例,分别进行分析。
    2#开闭所提供给3#变电所的两路电源线路故障,变电所的进线开关将由于电源失压而全部跳闸,母线分段开关也处于分闸位置,备自投装置处于退出状态。电力调度解除2#变电所进线开关和联络开关Kl、K2的联锁,依次手动遥控使联络开关合闸,两路中压电源由2#变电所两段母线引至3#变电所,使故障区段的3#变电所恢复供电。开闭所供电分区进行重新划分,3#变电所原进线开关为新的分界点开关。
    2#开闭所提供给4#变电所的两路电源线路故障,变电所的进线开关将因电源失压而全部跳闸,母线分段开关也处于分闸位置,备自投装置处于退出状态。由于进线开关已分闸,同时也解除了进线开关对联络开关K3, K4的联锁,依次手动遥控使联络开关合闸,两路中压电源由5#变电所两段母线引至4#变电所,使故障区段的4#变电所恢复供电。开闭所供电分区进行重新划分,4#变电所原进线开关为新的分界点开关,并被联络开关联锁不能合闸,防止电源合环。
由以上分析可知,应用于城市轨道交通的双环网接线方案,在系统的灵活性、稳定性方面有一定的优点,也存在联锁关系较为复杂、倒闸操作时间长等缺点。
3. 供电系统与检修车间的边界问题
    城市轨道的列车维护一般由检修车间进行,检修车间除了检修中心外,各个线路上还包括停车、列检库和双周/三月检库等,由于采用接触网供电,一般以隔离刀闸作为业务边界,因此,列车从运行转检修过程中,涉及到接触网延伸至检修车间线路的停复电以及安全措施的问题,由于操作频繁,时间短,对操作效率提出较高要求,因此,在保障人员安全情况下如何提高效率是检修车间供电操作的核心问题。


三、解决方案
1. 理论模型:
    长园共创通过对事故致因“2-4”模型进行分析和研究,深入分析事故发生的直接原因以及背后根源,针对模型中所述的“不安全动作”和“不安全物态”,进一步挖掘出在轨道交通电气设备操作过程中存在的安全隐患,采用相应的技术手段实现防范,防止这种不安全状态继续扩散导致的重大影响。



图3 事故致因“2-4”模型

 轨道交通供电安全防误管理系统以网络为基础,满足轨道交通供电多地点、多层次、多班组操作的安全要求,其核心是通过强制闭锁危险点,使得操作人员按照规定的操作流程进行设备操作,防止由于人的失误导致的误操作事故的发生,保障轨道交通供电安全,在轨道交通供电网络特别是中压供电网络联锁复杂、倒闸操作时间长的特点下,系统借助专家系统能够很好的解决复杂操作的安全问题。
2. 专家系统逻辑模型
为了保证供电系统可靠的运行和运营维护人员操作的安全,必须设置必要的联锁关系。这些联锁关系会抽象为专家系统的控制逻辑序列模型,专家系统通过识别运行模式和操作请求,自动判断每一步操作的许可验证,保证操作正确,同时,专家系统在固有电气操作的基础上,必须和每条轨道交通运行线路的实际情况结合,采用规则+经验的辨识模式,满足各个不同轨道交通运行的要求,以某轨道交通集团供电系统为例:
① 成套开关设备每一个单元的联锁关系 即“五防”要求。
    (1)防止带负荷分、合隔离开关(隔离插头);
    (2)防止接地开关处于闭合位置时关合断路器、负荷开关;
    (3)防止带电时误合接地开关;
    (4)防止误入带电隔室;
    (5)防止误分、误合断路器、负荷开关。
    对于手车式开关设备还有其他相关要求,在此不再一一列出。
② 成套开关设备相关单元的联锁关系
    (1)进线开关柜与相邻隔离手车柜、计量柜等的联锁。只有当进线开关处于分闸位置时,上述的隔离手车、计量柜手车才可以抽出或插人。
    (2)母线分段开关柜与母线分段提升柜之间须设联锁关系。只有当母线分段开关处于分闸位置时,母线分段提升柜隔离手车才可以抽出或插人。
③ 系统运行的联锁关系
    如图2所示。
    1)电源开闭所进线开关联锁关系
    电源开闭所设有母线分段开关和备自投装置,从运行方式的分析可知,当正常运行和单电源或线路故障时,2#进线开关和母线分段开关的闭合关系满足"3合2”的条件,即进线开关和母线分段开关不能同时合闸,避免电源合环或向故障点返送电源。
    在应急运行方式时,2#进线开关失压分闸时,也应同时闭锁母线分段开关合闸,造成联络电源合环。也就是说,在系统运行中,若两台进线开关的位置状
态一致时,母线分段开关不能操作合闸。
    2)牵引变电所进线开关与母线分段开关之间的联锁关系
    牵引变电所也设有母线分段开关和备自投装置,从运行方式的分析可知当正常运行和单电源或线路故障时2#进线开关和母线分段开关的闭合关系满足“3合2”的条件,即进线开关和母线分段开关不能同时合闸,避免电源合环或向故障点返送电源。
    在应急运行方式时,有3种情况:2#开闭所、2#变电所和3#变电所分别发生进线双电源故障。在这3种情况下,3#变电所进线开关分别为都闭合和都断开状态,而且母线分段开关都不能进行合闸操作,避免造成联络电源合环。也就是说,系统运行中,两台进线开关的位置状态一致时,母线分段开关不能操作合闸。
    3)降压变电所进线开关与母线分段开关之间的联锁关系
    由于降压变电所没有设置母线分段开关,没有相应的联锁关系。
    4)进线开关与联络开关之间的联锁关系
    这种联锁关系只发生在供电分区分界点的变电所,见图2中的2#变电所、4#变电所和6#变电所。变电所的2进线开关和联络开关之间,在正常运行方式下设有联锁条件,任一进线开关处在合闸位置,联络开关不能合闸。在单电源故障运行方式下,不会解除联锁关系条件。
    在应急运行方式下,根据前面的分析,有三种情况将操作联络开关合闸。开闭所、本变电所和与本变电所相邻的另一供电分区的变电所发进线双电源故障。对于图2中的2#变电所的K1、K2联络开关,当1#和2#开闭所、2#变电所、3#变电所发生进线双电源故障时,均需要联络开关合闸,使故障区段恢复供电。除本变电所发生上述故障、进线开关和联络与母线分段开关之间的开关为不同时合闸外,其他应急运行情况下,两者需要同时闭合。
通过电力监控系统软件功能设置软联锁,即“软压板”与联锁条件并联,正常运行、故障运行方式和本变电所双电源故障应急运行时“软压板”为断开,联锁条件起作用。在其他应急运行情况下,电力调度操作“软压板”闭合,解除联锁条件。
    5)进线开关与环网馈线开关的联跳及联锁
    在正常运行和单一电源故障运行情况下,进线开关和环网馈线开关不需要联锁条件。但在双电源故障应急运行方式下,由于供电分区重新划分,出现了新的供电分界开关,而误操作此分界开关,将造成联络电源合环或向故障点返送电源。按照前面运行方式的分析,在应急运行方式时,供电分区新的分界点设在双电源出现问题的变电所或开闭所。
    对于降压变电所或牵引变电所,新的分界点开关为原进线开关,环网馈线开关则为应急运行方式下的进线开关,此时误合原进线开关将向故障点返送电源。如果考虑设置联锁条件,将涉及全线所有变电所,且将对正常运行操作产生较大影响。将故障率等情况综合考虑,建议不设置联锁关系,通过加强应急运行情况下的操作管理,制定严格的操作制度来限制此种误操作的发生。
    如果一定要设置联锁条件,就采用软联锁方式。在电力监控系统软件编制时,变电所综合自动化系统按照运行方式进行编制,在变电所处于不同的运行方式时,顺序发出相应联锁或解除联锁的命令。
对于开闭所,见图2。以2#开闭所为例,因为开闭所双电源故障后,进线开关在应急运行方式的供电网络中没有作用,分界点开关为原环网馈线开关(如K3' , K4' )。但进线开关和K3'、K4两者的状态有密切的关系,均为同时闭合或同时断开。同时闭合出现在开闭所正常或单电源故障运行方式时,为开闭所供电分区提供电源;同时断开出现在应急运行方式时,进线开关断开切除与城市电网的联系,避免向故障点返送电源,K3'、K4断开为了避免使联络电源合环。
因此在运行时,当任一进线开关合闸时,K3'、K4'开关可进行操作或处于合闸状态,当两台进线开关均为分闸时,联跳K3'、K4,开关分闸,并将其合闸回路闭锁。
将以上各种联锁条件与原有五防逻辑规则结合起来,就抽象为实际操作的逻辑序列,与人员判断操作不同,专家系统会依据目前的运行方式自动识别相应的联锁逻辑条件,形成操作序列,如下面文件:
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以专家系统为基础,配合操作终端和现场闭锁装置,就形成了轨道交通供电安全智能防误系统的整体架构,如下图:


   

3. 检修联锁控制
检修车间的联锁关系比较明确,在隔离刀闸、接地线、登顶平台之间的闭锁关系,目的是必须保证人员车顶检修时是处于接触网断电并安全接地的安全措施,由于上述的检修工作的时间短、任务重的特点,如何提高效率是关注要点,我们调研发现,整个操作过程中,挂接地线是最占时间的过程,在符合安全规程的基础上,我们提出了自动化的可视验电接地装置代替地线,既满足安全需求,同时大大提高了工作效率。

1. 车辆检修调度室
 安全联锁主机:
以图形方式实现接触网带电情况显示、隔离开关状态显示、地线挂接情况显示,实现任务的模拟操作,安全联锁逻辑判断,设备远方遥控操作;
 视频监控主机:
实现设备操作过程的视频联动,检修重点区域的视频实时监控;
2. 检修车间
检修自动化控制终端:
检修轨道的设备集中控制单元,安装于检修库的每一条检修轨道旁,采集本条检修轨道的设备信号和对设备进行就地控制;
车辆位置传感器:
安装于轨道前后两端,采集车辆当前位置信息;
车辆道闸机:
车辆进出检修库的门禁系统;
道闸信号灯:
车辆进出检修库时提供灯光警示;
声光报警器:
车辆移动过程中给予声光报警;
检修平台门禁:
实现检修人员的登顶作业权限控制,防止未经授权登顶作业;
LED显示屏:
显示接触网当前的带电情况;
电动隔离开关:
支持远方遥控和就地操作,通过电动机构控制接触网的供电/断电;
电动接地装置:
支持远方遥控和就地操作,通过电动机构控制地线头与接触网接触,实现接触网地线挂接;
电动验电装置:
支持远方遥控和就地操作,通过电动机构控制验电装置与接触网接触,并对接触网的带电情况进行信号反馈;

四、应用效果
    轨道交通供电安全智能防误管理系统建立一个程序化、网络化、可视化、标准化的供电运行安全生产保障体系,保障了供电系统运行的安全生产,提高了轨道交通运行的可靠性,保障了市民的日常出行需求,具有巨大的社会效益。
系统在某地铁集团应用后,解决了目前挂接地线必须依靠专业人员问题,节约人力成本。系统还缩短了停电时间,将以前1.5小时的停电时间缩短为0.5小时,从而延长了现场作业时间,大大提高工作效率。


作者简介:夏锐,1975年出生,工程师。主要研究方向为电力系统的实时仿真、电能质量监测与控制、电力系统安全防误技术。

 

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