高速鐵路牽引變電所數字化設計

■ 張雷

高速鐵路牽引變電所數字化設計

■ 張雷

隨著我國電氣化鐵道牽引變電所二次設備技術水平的發展，牽引變電所綜合自動化系統被廣泛應用。武廣高速鐵路牽引變電所采用的綜合自動化系統技術為牽引供電可靠性及供電質量提供了保障。在對既有經驗與技術總結的同時，進一步探索變電所數字化設計的可行性是十分必要的。

1 武廣高速鐵路綜合自動化系統構成

武廣高速鐵路綜合自動化系統采用分層分布式網絡結構，系統主要由4部分組成，即調度層、站控層、間隔層和設備層。武廣高速鐵路新烏龍泉牽引變電所綜合自動化系統構成見圖1。

調度層位于調度所內，與牽引變電所的聯系為圖1所示遠動通道。牽引變電所內實時信息均被傳送到調度層，調度人員根據所傳遞的信息掌握各牽引變電所的運行狀態并能及時處理事故。站控層主要設在各變電所、分區所、AT所和開閉所等控制室內，主要由后臺監控機、通信管理機和GPS接收器構成。間隔層由牽引變電所各保護測控單元模塊和其他智能儀表構成。每個保護測控單元集保護、控制、測量和智能通信功能于一體，實現數據采集、保護和信息傳輸功能，也是系統與一次設備的接口。設備層主要是室外高壓電設備，如變壓器、斷路器和隔離開關等。

圖1 新烏龍泉牽引變電所綜合自動化系統構成圖

武廣高速鐵路綜合自動化系統采用集中組屏方式，統一放置于各個牽引變電所主控制室內，間隔層與設備層通過二次電纜完成（見圖2）。

牽引變電所內220kV設備均為戶外集中式布置，設備本體通過端子排及控制電纜沿電纜溝敷設至主控室的綜合自動化顯示屏內，在設計、施工工程中需與綜合自動化設備、斷路器、隔開和變壓器等多個設備聯絡，工作量巨大，接口繁多，較易發生差漏。

2 數字化牽引變電所關鍵技術

數字化變電站是近年來我國電力系統研究的熱點，其基本概念是牽引變電所的信息采集、傳輸、處理和輸出過程全部數字化。與傳統的牽引變電所設計相區別，數字化牽引變電所設計主要涉及的關鍵技術包括電子式互感器的應用、智能化一次設備的研發和牽引變電所基本框架的研究等。

2.1 電子式互感器

電子式互感器包括電子式電流互感器（ECT）和電子式電壓互感器（EPT）。種類繁多，結構各異，但最終均在低壓部分通過光纖輸出數字信號，提供給二次設備。與傳統的互感器相比，ECT/EPT絕緣結構簡單可靠，體積小，重量輕，無磁飽和問題，頻率響應范圍寬，精度高，暫態特性好，抗電磁干擾能力強，數據可靠性高；ECT沒有開路運行問題，EPT沒有諧振問題。

在數字化牽引變電所設計中，對于EPT的選擇，可參考國內電力系統的部分工程實例，運用分壓式互感器配備智能單元的組合方案，使得電壓互感器就地實現數字化信息采集。

根據牽引變電所布置方式，220kV高壓設備采用戶外常規敞開式布置時，牽引變電所進線電流互感器可采用獨立式的ECT，而采用GIS組合電氣的2×27.5kV饋線側可采用嵌入式的電子式電流互感器；考慮到投資成本，傳統線圈式配備智能單元方案仍是目前的首選。

此外，可以把電流互感器和電壓互感器的功能在同一臺設備中實現，即電子式電流電壓互感器。當用于牽引變電所進線時，可節約線路側電壓互感器的安裝空間，節省用地，減少牽引變電所場坪面積。

2.2 智能化一次設備

數字化牽引變電所內的智能化一次設備主要包括數字化開關和變壓器等，其信號回路和操作驅動回路采用微處理器和光電技術設計，常規強電模擬信號和控制電纜被光電數字信號和光纖代替。

智能化一次設備還處于實驗室研究和理論論證階段，國內外均沒有成熟產品應用。電力系統實施的工程中，一般采用智能電子設備（IED）。就地安裝IED提供數字接口，將傳統一次設備通過光纜接入過程層網絡，使一次設備具備部分智能化功能。

武廣高速鐵路在接觸網開關控制設計中，通過接觸網開關控制箱內集成智能模塊，將隔離開關的控制回路及信息回路電信號轉化為光信號，并通過光纖接入所內控制單元。牽引變電所內高壓設備在線檢測系統將數據采集模塊分布安裝于高壓設備本體或端子箱內，對其絕緣、電磁、溫度、機構動作、油等指標進行實時監測。隨著IED研究的不斷發展，牽引變電所對于智能化一次設備的嘗試正在不斷深化，數字化牽引變電所內設備連接見圖3。

牽引變電所戶外敞開式布置設備就地配備智能終端，對防濕、防熱、防塵和防電磁干擾等各項技術指標的要求較高，一般電磁兼容性指標必須滿足IEC標準4級的要求，運行環境溫度為-20～+70 ℃[1]。

2.3 數字化變電所系統結構

IEC61850標準在邏輯和功能上將數字化變電所內智能設備分為3層：變電所層、間隔層和過程層[2，3]。其功能分層和接口模型見圖4。

過程層主要完成實時電氣量檢測和設備運行狀態參數檢測和控制命令的發送和執行；間隔層主要匯總站內本間隔的過程層實時數據信息，實施對該間隔的一次設備保護控制，與變電所層和過程層高速通信等；變電所層主要完成間隔層數據顯示，存儲歷史數據庫，在線編程完成全站操作閉鎖控制、操作、打印、報警、圖像、聲音等多媒體功能，也可以對間隔層、過程層各種設備進行在線維護、組態和修改參數。

2.4 數字化牽引變電所的三個模式

過渡型模式。牽引變電所既有過程層和間隔層之間關系保持不變，而在間隔層和站控層之間采用IEC61850標準實現通信機數據處理等操作。此模式下，二次設備可通過在現有成熟的設備基礎上完成，具有較高的實用性，便于現階段推廣及老站改造。

實用模式。牽引變電所的間隔層和站控層通過IEC61850協議全部實現數字化，同時ECT/EPT的應用使得過程層基本實現數字化。ECT/EPT 在國內外的運行成功是目前推廣數字化變電站最熱點關注的焦點，但過程層的一次設備仍是單獨的信號回路。

圖2 牽引變電所內二次接線示意圖

圖3 數字化牽引變電所設備連接示意圖

完全型模式。通過IEC61850協議、ECT/EPT、智能一次設備，變電所的間隔層、站控層和過程層全部實現數字化。因為智能一次設備目前技術上還沒成熟到試運行階段，此方案目前無法實施[4]。

4 數字化牽引變電所的設計

根據目前數字化牽引變電所產品的發展現狀，在經濟投資、技術等條件約束下，其設計采用過渡型模式，采購成熟的基于IEC61850標準的二次設備和為一次設備配備IED，從而實現牽引變電所基本數字化（見圖5）。

數字化牽引變電所過程層設備主要是所內一次設備（電壓互感器、電流互感器、斷路器和變壓器等）和智能終端設備；間隔層設備主要是牽引變電所綜合自動化（保護裝置、測控裝置）及安全監控系統、交直流系統和接觸網開關控制系統；站控層設備主要有監控后臺、遠動主站及GPS。間隔層與過程層、站控層的網絡均采用100 Mbit雙星形或雙環形工業以太網。

圖4 數字化牽引變電所功能結構圖

圖5 數字化牽引變電所系統結構圖

牽引變電所內一些不具備IEC61850通信功能的單元，如交直流系統、接觸網開關控制、安全監控系統，統一通過網關進行規約轉換，從而接入綜合自動化后臺。

5 結束語

數字化牽引變電所建設是一個系統工程，要實現全部數字化功能，還有許多技術問題需要解決。目前技術的成熟度、方案的可行性均需要結合工程實際逐步改善。從長遠發展來看，還將涉及到數字化分區所、AT所的設計，同一供電臂內牽引變電所信息交互技術、牽引變電所與調度中心信息交互技術和信息安全技術等。

隨著新技術和新產品的不斷研發，相信在不久的將來，數字化牽引變電所能在工程中逐步實現，從而在高速鐵路和客運專線供電系統中發揮重要作用。

[1]陳浩敏，陳偉浩. 數字化變電站設計研究與應用[J]. 廣東輸電與變電技術，2009，11(2)：59-61

[2]IEC. IEC 61850-1 Introduction and overview[S]，2002

[3]IEC. IEC 61850-5 Communication requirements for function and device[S]，2003

[4]李文偉. 淺析數字化變電站自動化系統[J].廣東科技，2008，18：157-158

責任編輯王志明

張雷：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，工程師，湖北 武漢，430063