基于光纤通信式高速公路隧道供电的备用电源自投解决方案
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
珠海市恒瑞电力科技有限公司的研究人员李才勇、刘宏，在2017年第6期《电气技术》杂志上撰文指出，高速公路的中、长距离的隧道多采用隧道两端双电源供电方式，一端电源失电时，需要人工倒闸至隧道另一端电源供电，时效性较差且不利于实现无人值守。
本文根据某高速公路隧道工程的实际供电情况，提出了基于光纤通信的备用电源自投方案，从而提高隧道供电的可靠性和实时性。
1 案例概述
图1 某高速公路隧道供电主接线示意图
广东某高速公路隧道长度约7km，隧道两端各分布一处变电所，每个变电所设有2个环网柜（G04、G05）分别给隧道左洞、右洞供电，如图1所示。正常运行时，只允许一端变电所的10kV环网柜给隧道左洞或右洞供电，对端（另一端）变电所的对应的10kV环网柜处于热备用状态。两端变电所各备有380V等级的ATS应急发电机电源。
隧道及隧道两端变电所均有光纤互联，并且也联接至该高速公路管理中心，通过光纤通信将隧道及隧道变电站的视频安防、电气设备运行等数据传输至远方的高速公路管理中心后台监控系统。该隧道变电站运行模式定性为无人值守、定期巡检。
鉴于用电安全考虑，当隧道原供电变电所或环网柜失电，先由应急发电机电源给隧道就近的洞口加强照明灯具供电，再由人工把对端变电所对应的环网柜合上。
由于高速公路隧道多处于山区，当发生失电事故，运行人员从高速公路管理中心到隧道现场处理电源倒闸操作的响应时间较长，至少几十分钟以上时间；较长时间由ATS应急柴油发电机电源供电，存在安全隐患，也不经济。
从上述分析可知该隧道供电存在的主要问题是：隧道供电电源发生故障时的备用电源切换倒闸操作时间长，不能满足无人值守条件。针对这个问题，可以靠安装安全自动装置来解决。
2 解决方案
由于隧道较长，线路会将信号衰减，因此通过硬接线采集对端变电所对应环网出线的二次侧电流、电压及开关状态来实现备用电源自投的方法是不可取的。文献[2]中对采用TCP/IP、GPRS和光纤通信作为远方数据传输作了论述分析，光纤通信是解决变电站之间传输控制数据信息的优良手段。
如图2所示，在两端变电所环网柜上各加装一台光纤备用电源自投装置（简称备自投），隧道工程已建有光纤设施，且纤芯为12芯，有充足的光纤通道资源，故采用合用现有光缆的专用纤芯方式，通过光纤点对点通讯，实现两端数据交互，由两端备自投装置实现虚拟硬件电气互锁和备用电源自投等智能操作，操作实时性高、安全性好。
图2 备用电源自投方案示意图
3 光纤备自投功能设计
备自投装置采集母线电压、给隧道供电的环网柜出线电流、环网柜断路器的双点（断路器的辅助常开触点和辅助常闭触点，以下相同）位置状态、洞内电缆带电状态（通过电压取样或表征带电的状态信号），以及外部闭锁备自投信号等，并把数据信息实时传输至隧道对端备自投装置。备自投装置结合两端的电流、电压、开关状态等信息，做出综合判断。
自投动作采用母线失压、洞口电缆无电压、无电流判据。正常工作仅有一端环网柜处于工作状态，两端环网柜运行方式为互备或主备模式。在主备模式下，主供柜可选Ⅰ号环网柜（A变电所环网柜）或Ⅱ号环网柜（B变电所环网柜）。环网柜是否有电通过采集母线PT（电压互感器）电压判断。
分布于隧道两端的备自投装置，硬件、软件完全相同，其中一台做主机，另一台做从机；主、从设置通过人机接口来设定。主机与从机每隔20ms交换一次实时数据帧，分别将各自的电流、电压、开入量状态等传输至对端。数据帧格式如表1所示。数据交换由主机发起，从机应答。备自投动作逻辑由主机来实现，从机依据主机的远控指令完成本端断路器的分、合闸操作。
表1 数据帧格式
光纤备自投装置实现的主要功能有：
3.1 系统运行方式的识别
1）Ⅰ柜正常工作运行方式：Ⅰ柜带隧道内高压电缆独立运行，Ⅱ柜热备用。
①两端环网柜的母线电压均正常（PT电压正常）；② I柜断路器在合闸位置，Ⅱ柜在分闸位置（通过断路器双点位置来判断）。
2）Ⅱ柜正常工作运行方式：Ⅱ柜带隧道内高压电缆独立运行，Ⅰ柜热备用。
①两端环网柜的母线电压均正常（PT电压正常）；②Ⅱ柜断路器在合闸位置，I柜在分闸位置（通过断路器双点位置来判断）
3.2 备用电源自动投入
1）互备模式
在Ⅰ柜正常工作运行状态或Ⅱ柜正常工作运行状态下，工作柜失电欠流、失压、洞内电缆失压，而且备用柜电压正常，工作柜上的备自投装置经T1跳闸延时对失电工作柜发跳闸命令，确认失电的工作柜断路器跳开后，备用柜上的备自投装置经T2合闸延时对备用柜断路器发合闸命令，原备用柜变为了工作柜。如果失电的工作柜断路器没有跳开，将不会合备用柜断路器。
2）主备模式
①自投动作过程：在主供柜正常工作运行状态，主供柜失电欠流、失压，洞内电缆失压，而且备用柜电压正常，经T1跳闸延时对失电主柜发跳闸命令，确认失电的工作柜断路器跳开后，经T2合闸延时对备用柜断路器发合闸命令，然后备用柜带隧道电缆运行。如果失电的主供柜断路器没有跳开，将不会合备用柜断路器。
②自复动作过程：处于备用柜工作状态时，当主供柜电压恢复后，备自投将经T3延时确认后，经T1跳闸延时跳备用柜，确认备用柜断路器跳开后，经T2合闸延时对主柜断路器发合闸命令，然后恢复主柜带隧道电缆运行，即自复功能。如果备用柜断路器没有跳开，将不会合主供柜断路器。
③紧急自复动作过程：处于备用柜工作、主供柜有压状态时，备用柜失电、无压无流，洞内电缆失压，经T1跳闸延时跳备用柜，确认备用柜断路器跳开后，经T2合闸延时对主供柜断路器发合闸命令，主供柜带隧道电缆运行。如果备用柜断路器没有跳开，将不会合主供柜断路器。
④在运行过程中如主供柜已拉开，而备供柜无法合上时（排除闭锁条件满足情况），当检测到主供柜恢复送电后，会经T4延时自动合上主供柜开关。
T1、T2、T3、T4延时可以通过备自投装置面板人机接口操作来设定，设定范围0.2S~60分钟。
3.3 备自投闭锁
备自投功能可通过控制字选择经由外部接点闭锁、洞内电缆过流闭锁、PT断线闭锁等；光纤通讯中断时将闭锁备自投。一旦闭锁条件满足，备自投功能将处于退出运行状态。
刚动作完一次后，备自投自行退出或进入备用运行方式，只有再次满足正常运行条件15秒后再进入的正常运行状态。
4 结论
方案采用了断路器位置双点（常开、常闭）状态判断，加上母线电压判断、环网柜电流判断、洞口高压电缆有电状态检测，两端数据交互后，能清晰无误地判断系统运行状态，多重条件判定，使得装置不会出现误动的情况。在出现光纤通讯中断，或PT断线，或状态检测断线时，最坏的情况是备自投装置处于闭锁而拒动，这种情况下可由人工操作来完成电源切换。
方案以光纤通信式备用电源自投解决了中长距离隧道的双端电源供电切换问题，最快可在500ms内就地实现备用电源切换，解决了山区隧道供电需要人工倒闸操作的问题，提高了隧道供电的安全性、可靠性和实时性，在隧道供电应用上具有很好的实用性。