陳敬鋒 劉偉 李永征
(南京國電南自軌道交通工程有限公司,南京 210000)
十一五以來,我國迎來了客運(yùn)專線、高速鐵路和城市軌道交通的建設(shè)高峰。根據(jù)《鐵路中長期規(guī)劃》,到2020年我國將建成16000km高速鐵路,其中“十一五”期間建成7000km。大規(guī)模的高速鐵路建設(shè),為電力牽引供電、電力供電、通信、信號系統(tǒng)(簡稱四電系統(tǒng))提供了難得的發(fā)展機(jī)遇。同時(shí),也對四電系統(tǒng)中各個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展,各個(gè)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào),與列車、土建、外部系統(tǒng)的匹配,及其安全可靠性提出了更高的要求。如何將四電系統(tǒng)及其相關(guān)的系統(tǒng)集約在一起,克服短板效應(yīng),實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)、滿足高速鐵路對四電系統(tǒng)的要求,是四電系統(tǒng)首先要解決的問題。
高速鐵路供電自動化集成多學(xué)科、多領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)于一體,是一個(gè)既相互獨(dú)立又密切相關(guān)且與外部系統(tǒng)有著復(fù)雜聯(lián)系的巨型系統(tǒng)。通過系統(tǒng)集成與創(chuàng)新,將各個(gè)自動化系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控管理;提供各系統(tǒng)間業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)和觸發(fā)聯(lián)動,提高對事件的應(yīng)急處理能力和快速反應(yīng),并充分實(shí)現(xiàn)資源共享,降低工程造價(jià)。因此,高鐵供電自動化集成是我國高速鐵路建設(shè)的必然產(chǎn)物,它為四電系統(tǒng)建設(shè)提供了相應(yīng)的技術(shù)、管理平臺。
高鐵供電自動化集成系統(tǒng)完成高鐵建設(shè)項(xiàng)目中“四電集成”項(xiàng)目內(nèi)容,該集成系統(tǒng)內(nèi)容涵蓋了高鐵牽引變電站自動化系統(tǒng)、電力變配電站自動化系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、電能質(zhì)量分析及故障錄波系統(tǒng)、自耦變壓器保護(hù)測控功能、接觸網(wǎng)開關(guān)控制等軟件產(chǎn)品,其中牽引變電所自動化系統(tǒng)采用了自主研發(fā)的高配置性能優(yōu)越的NDT650+高速鐵路和軌道交通供電自動化系統(tǒng);電力變配電所采用自主創(chuàng)新并且技術(shù)含量很高的PS6000U系列保護(hù)裝置。
該集成系統(tǒng)在總結(jié)多年來變電站自動化技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn),特別是近年來基于網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)下的分層分布式系統(tǒng)的實(shí)踐,使“四電集成”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生了重大的變化。在強(qiáng)化分層分布概念的基礎(chǔ)上,本系統(tǒng)不但強(qiáng)化間隔層設(shè)備及功能配置的合理分布,同時(shí)也強(qiáng)調(diào)變電站層功能及配置的可組態(tài)、可移動性,通過采用高起點(diǎn)、大資源的硬件平臺及多種運(yùn)行維護(hù)分析工具,強(qiáng)化供電自動化設(shè)備運(yùn)行信息的透明化程度,消除了不明原因的事故,進(jìn)一步提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)水平,從而實(shí)現(xiàn)了以往離散子系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的一整套快速響應(yīng)系統(tǒng)。
高鐵供電自動化集成系統(tǒng)完成高鐵建設(shè)項(xiàng)目中牽引供電、通信、信號、電力“四電集成”項(xiàng)目內(nèi)容,其中牽引變電所自動化系統(tǒng)采用了自主研發(fā)的高配置性能優(yōu)越的NDT650+高速鐵路和軌道交通供電自動化系統(tǒng);電力變配電所采用自主創(chuàng)新并且技術(shù)含量很高的PS6000U系列電力自動化系統(tǒng)。本集成系統(tǒng)主要技術(shù)內(nèi)容如下。
NDT650+高速鐵路和軌道交通供電自動化系統(tǒng)是國電南自集在SCADA系統(tǒng)、綜合自動化等方面的多年研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn),充分考慮當(dāng)前高速鐵路、軌道交通綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)的用戶需求,總結(jié)和鑒以往監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)而開發(fā)的綜合自動化系統(tǒng),本系統(tǒng)包括裝置及軟件有:監(jiān)控系統(tǒng)軟件、微機(jī)通信管理裝置、微機(jī)故障測距裝置、微機(jī)備自投裝置、電能質(zhì)量分析及故障錄波裝置、微機(jī)單相變壓器保護(hù)測控、饋線保護(hù)測控、自耦變保護(hù)測控等,完成多種保護(hù)、控制及其它自動化功能。系統(tǒng)中的部分保護(hù)測控裝置基于公司的EDP02通用保護(hù)測控平臺,平臺主CPU采用高性能的MCU芯片為主處理器,主頻達(dá)到 400M,配以大容量存儲器和RAM,大大提高了CPU處理性能。平臺采用前沿的軟硬件技術(shù),可用性高,性能優(yōu)越,維護(hù)方便,新項(xiàng)目從基礎(chǔ)軟硬件、產(chǎn)品平臺開發(fā)和應(yīng)用集成技術(shù)3個(gè)方面全面提升系列產(chǎn)品的功能和性能。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
圖1 牽引供電自動化系統(tǒng)
主要子系統(tǒng)介紹:
1)微機(jī)故障測系統(tǒng)。適用于采用并聯(lián)自耦變壓器(AT)供電方式的電氣化鐵道牽引變電所、AT所、開閉所及分區(qū)所,實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)各種類型故障的定位、類型判別和方向判別的功能。本障測系統(tǒng)測距原理的選擇旨在保證能夠適用于單復(fù)線AT的故障測距,且測距原理簡單可靠。當(dāng)線路沿線通信通道具備的情況下,在AT自耦變未解列的情況下出現(xiàn)T-R,F(xiàn)-R故障時(shí),采用“AT中性點(diǎn)吸上電流比原理”;T-F故障或者AT自耦變解列時(shí),采用“線性電抗法”進(jìn)行測距。如此可以確保線路出現(xiàn)不同類型故障時(shí),微機(jī)故障測系統(tǒng)都能采用相應(yīng)的原理來測距。如果沿線通道不具備,可以考慮采用“上下行電流比”原理來做為后備的測距原理。
2)單相變壓器的單相變壓器保護(hù)系統(tǒng)。功能涵
了單相變壓器差動、后備、非電量等相關(guān)保護(hù)功能,簡潔完整,不僅適用于常規(guī)V/V接線單相變壓器保護(hù)模式而且適用于高速鐵路牽引所AT供電方式下單相變壓器接線模式。是一種簡單、方便、適用性強(qiáng)單相變壓器保護(hù)方案。
3)適用于AT運(yùn)行模式的自耦變壓器保護(hù)測控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了AT變壓器差動速斷保護(hù)、差動保護(hù)、電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、外殼過電流保護(hù)、失壓保護(hù)、失靈保護(hù)、AT自投功能、一次自動重合閘、故障再現(xiàn)等。
4)電能質(zhì)量分析及故障錄波系統(tǒng)。裝置采用保護(hù)測控通用硬件平臺裝置,實(shí)現(xiàn)模擬量、開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集,通過分析數(shù)據(jù)判斷是否啟動故障錄波,具有交流量、開入量、遙控多種啟動方式;裝置交流采樣頻率為6400Hz,具有諧波分析、不平衡度分析等電能質(zhì)量分析功能。裝置可配置后臺機(jī)實(shí)現(xiàn)大容量歷史數(shù)據(jù)存儲、圖形顯示、故障錄波分析和報(bào)告輸出等功能,后臺機(jī)可用一體化工控機(jī)、筆記本電腦或臺式機(jī)電腦,可組屏也可以放在控制臺上,裝置和后臺機(jī)之間的通信由以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)。
5)監(jiān)控系統(tǒng)軟件。監(jiān)控系統(tǒng)軟件是基于嵌入式操作系統(tǒng)的綜合自動化應(yīng)用平臺,適用于鐵路、軌道交通的供電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)不僅具備基本的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)功能[1],還包括微機(jī)保護(hù)設(shè)備的信息采集及分析功能。監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用通信、監(jiān)控合一設(shè)計(jì),運(yùn)行于嵌入式系統(tǒng)中。采用了嵌入式數(shù)據(jù)庫替代常規(guī)的商用數(shù)據(jù)庫,精簡、優(yōu)化了原有監(jiān)控系統(tǒng)軟件,提高運(yùn)行效率,使其能夠適應(yīng)嵌入式環(huán)境的有限資源。同時(shí)優(yōu)化了雙機(jī)冗余功能,配置簡單易用。
本系統(tǒng)提供完備的產(chǎn)品系列、各功能及子系統(tǒng)間優(yōu)化的協(xié)作機(jī)制、靈活的系統(tǒng)配置方案,完成電力變配電所各種保護(hù)測控功能,系統(tǒng)中采用的新技術(shù)。
1)嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。
2)以太網(wǎng)及TCP/IP技術(shù)。
3)嵌入式WEB Sever技術(shù)。
4)組件對象模型(CORBA)的系統(tǒng)構(gòu)架。
5)系統(tǒng)功能及組件的“即插即用”技術(shù)。
6)過程的全息再現(xiàn)技術(shù)。
7)智能調(diào)校的高精度量測技術(shù)。
8)多CPU共享AD的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。
9)背插式結(jié)構(gòu)的電磁兼容方案。
10)基于能量原理的方向元件(線路保護(hù))。
整個(gè)遠(yuǎn)動通道由多個(gè)調(diào)度中心(或維管段)、多個(gè)變配電所,以及處于其間的MSTP傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[2]。
變電所(或調(diào)度中心)的設(shè)備配置必須嚴(yán)格遵循以下原則:
1)內(nèi)外網(wǎng)分離:縮小網(wǎng)絡(luò)規(guī)模,避免產(chǎn)生IP沖突,減少廣播風(fēng)暴。對變電所或調(diào)度中心來說,外網(wǎng)設(shè)備數(shù)量一般遠(yuǎn)小于內(nèi)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量,如果把內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)聯(lián)通,則一下子會把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大數(shù)倍,不可避免的產(chǎn)生地址沖突、廣播風(fēng)暴等問題。
2)主備網(wǎng)分離:避免環(huán)路的產(chǎn)生。如果廠家為了節(jié)省設(shè)備成本,將主備網(wǎng)連接在一臺交換機(jī)上,則不僅把網(wǎng)絡(luò)規(guī)模一下擴(kuò)大了一倍,從整個(gè)MSTP網(wǎng)絡(luò)來看,還會產(chǎn)生不正常的以太網(wǎng)環(huán)路,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
整個(gè)遠(yuǎn)動通道由多個(gè)調(diào)度中心(或維管段)、多個(gè)變配電所,以及處于其間的MSTP傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,如圖2所示。
圖2 MSTP遠(yuǎn)動通道
網(wǎng)絡(luò)型測控終端裝置(RTU)適用于:電力系統(tǒng)各級變電站中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控;各級發(fā)電廠中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控;鐵路電氣自動化系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控;其他工業(yè)控制領(lǐng)域中動力網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。系統(tǒng)特點(diǎn)如下。
1)采用無破壞優(yōu)先級仲裁的CAN網(wǎng)絡(luò)作為內(nèi)部通訊網(wǎng),采用多主非平衡方式運(yùn)行,各I/O節(jié)點(diǎn)均可主動發(fā)起信息傳輸,以此來保證開關(guān)變位等重要信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)在接口及總線上可配置成主從熱備份方式工作以提高可靠性。
2)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議上進(jìn)行分層,在傳輸層提供不面向連接的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)以提高效率,在必要時(shí)在應(yīng)用層上對部分信息采用確認(rèn)和重傳機(jī)制以保證可靠性。
3)中心節(jié)點(diǎn)作為服務(wù)器對系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)以及全網(wǎng)唯一的時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行管理,所有 I/O模塊可以向服務(wù)器傳輸和請求數(shù)據(jù)。
4)服務(wù)器可雙機(jī)備份式工作,平時(shí)備用服務(wù)器被動的從網(wǎng)上取得數(shù)據(jù)以維護(hù)自己的實(shí)時(shí)庫,在主服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)備用服務(wù)器將自動接替工作。
5)為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下復(fù)雜的管理并方便編程,所有節(jié)點(diǎn)將配備實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)軟件,所有網(wǎng)絡(luò)接口軟件將進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一編制。
防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是架構(gòu)于通信傳輸系統(tǒng)之上的一套集災(zāi)害信息采集、分析、處理和指導(dǎo)、輔助安全行車的平臺,主要是對危及鐵路運(yùn)輸安全的自然災(zāi)害及異物侵限等突發(fā)危害進(jìn)行監(jiān)測,并提供經(jīng)處理后的災(zāi)害預(yù)警信息、限速信息或停運(yùn)信息等,為運(yùn)營調(diào)度中心運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整、下達(dá)行車管制、搶險(xiǎn)救援、維修提供依據(jù),以保證列車安全正點(diǎn)、高效、舒適。
1)防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)采用統(tǒng)一的處理平臺,由調(diào)度所設(shè)備、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備、監(jiān)控單元、現(xiàn)場各監(jiān)測設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。
2)在各現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置風(fēng)、雨以及異物侵限現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備。
3)在鄰近現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的GSM-R基站、車站等的機(jī)房內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場監(jiān)控單元,根據(jù)所接入的現(xiàn)場監(jiān)測傳感器種類的不同,分別配置風(fēng)、雨以及異物侵限監(jiān)測的監(jiān)控單元主機(jī)。
4)在工務(wù)段機(jī)房設(shè)置監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備,在路局工務(wù)處設(shè)置工務(wù)終端。
5)在調(diào)度所設(shè)置調(diào)度所設(shè)備,在調(diào)度所行調(diào)臺設(shè)置防災(zāi)監(jiān)控終端。
6)各監(jiān)控單元與綜合工區(qū)、調(diào)度所間通過傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成傳輸網(wǎng)絡(luò),在局界處的傳輸網(wǎng)絡(luò)冗余覆蓋至臨界基站。
7)防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在完成異物侵限功能的現(xiàn)場監(jiān)控單元處通過繼電接口直接與列控系統(tǒng)連接。
高鐵供電自動化集成系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于京滬高鐵項(xiàng)目建設(shè)中,該系統(tǒng)的成功應(yīng)用,使得公司軌道交通產(chǎn)業(yè)以卓越而又領(lǐng)先的綜合實(shí)力脫穎而出,公司的自主產(chǎn)品經(jīng)受住了中國高鐵高標(biāo)準(zhǔn)的考驗(yàn),為京滬高鐵創(chuàng)造世界奇跡提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和動力保障,公司自動化專業(yè)集成系統(tǒng)水平日臻成熟,在京滬、滬寧、寧杭等高鐵工程、杭甬客運(yùn)專線工程、盤營客專四電集成工程、哈大客運(yùn)專線“四電”系統(tǒng)集成總承包工程、新建合蚌客專及合肥樞紐電力與牽引供電系統(tǒng)集成施工總承包工程中,都有著本集成系統(tǒng)產(chǎn)品的卓越貢獻(xiàn)。
高鐵供電自動化集成系統(tǒng)是公司軌道交通專業(yè)目前的主導(dǎo)產(chǎn)品,隨著高鐵建設(shè)和城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展,隨著公司的銷售業(yè)績不斷提高,本擁有良好的市場前景。
高鐵供電自動化集成系統(tǒng)集多學(xué)科、多領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)于一體,是一個(gè)既相互獨(dú)立又密切相關(guān)且與外部系統(tǒng)有著復(fù)雜聯(lián)系的巨型系統(tǒng)。本集成系統(tǒng)為高速鐵路四電系統(tǒng)建設(shè)形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)、統(tǒng)一,系統(tǒng)開放、共享,調(diào)試手段先進(jìn)、有效的技術(shù)平臺提供方法和動力。本集成系統(tǒng)的應(yīng)用,對快速擴(kuò)充鐵路運(yùn)輸能力,快速提升技術(shù)裝備水平具有重大現(xiàn)實(shí)意義,對促進(jìn)國家軌道交通專業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級,對振興民族自動化項(xiàng)目集成產(chǎn)業(yè),保證國民經(jīng)濟(jì)又快又好發(fā)展具有極其深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)和歷史意義。我國的高速鐵路正在迎來大發(fā)展,市場前景廣闊。
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