智能化變電所技術在牽引供電系統中的應用

姜筱靨

0 引言

電氣化鐵道牽引網是一個無備用系統，可用性較低，為了保證實時監視牽引供電系統及設備的狀態、快速切除故障、快速判斷故障性質、快速重構以恢復供電以及檢修安全的功能需求，需要變電所、分區所、AT所等的二次設備全方位采集信息、共享信息、協調配合、快速反應。

然而，綜合自動化技術是基于牽引供電系統的所間相互獨立、一次設備與二次設備相互獨立、各二次設備功能及數據交互標準相互獨立、控制中心與所級自動化系統相互獨立的思路而開發的。由于設備間接口多、信息共享程度低，造成許多有用的信息無法采集并上送電力調度中心，而指揮調度卻依賴于電力調度中心，因此系統的運營安全與工作效率較低；另外，鐵路運營多采用綜合監控系統，但若每個專業的所有信息都上送，并通過綜合監控系統的中心級完成智能化判斷，實現安全運營的做法將使綜合監控系統頭重腳輕、指揮緩慢，一旦中心級故障，將造成整個系統癱瘓。

1 智能變電所技術的作用

可以設置以供電臂為單元的智能化、網絡化、標準化的信息處理平臺，實現供電臂單元的實時保護、監控等功能，該平臺位于變電所，并在分區所、AT所等建立遠程模塊，通過網絡納入變電所平臺。而調度中心僅做宏觀管理、監督和后備，形成調度中心級與牽引變電所平臺的合理分工。

智能化變電所技術通過先進的傳感器、信息、通信、控制、智能等技術，實現一次設備參量數字化和標準化與廣域信息同步實時采集，也是具備統一模型、時標、規范、接口、語義的信息平臺，因此，應用智能化變電所技術能實現供電臂單元的實時全景監測、自動運行控制以及與所外系統協同互動等功能，達到提高牽引網供電可靠性，優化資產利用率和減少人工干預目的，實現牽引網供電系統的安全高效運行。

2 智能牽引變電所技術的特點

2.1 一次設備智能化

非磁性/磁光型電壓和電流傳感器、合并單元、智能終端等元件與斷路器、主變壓器、避雷器等高壓設備有機結合，融為一體，形成智能化斷路器、變壓器和避雷器等；把高電壓、大電流直接就地變換成光纖數字網絡信號，通過高速光纖以太網實現數據傳輸；保護和控制命令通過光纖傳輸網絡送到智能斷路器操作模塊的數字端口。

2.2 二次設備網絡化

在智能變電所中，裝置無I/O硬件接口，而通過網絡實現數據共享。系統的通信協議遵循IEC61850，該標準具備開放性、系統性和完整性，保證了變電所設備間的“互聯、互換、互操作”通過各設備間的信息交互，實現變電所二次設備從設備冗余到信息冗余。

智能牽引變電所技術采用的IEC61850標準，和早期的101規約、103規約、104規約不同，它是建立了一個統一的數字化變電所平臺而不是一個簡單地通信協議，充分利用IEC61850的面向對象和分層分布思想構建，建立全所統一的數據模型和數據通信模式，實現智能化的一次設備和網絡化的二次設備之間數字化通信，確保智能化二次設備之間的互通性和互操作性。

2.3 運行管理系統智能化

智能變電所能持續監視變電所電氣及其運行環境，能夠實現大“五防”功能，發生故障時能提供故障診斷分析報告，并能自動發出變電所檢修指引，在發生安防、火災、地震等情況時，應根據預案啟動相關措施，因此，要求智能變電所具備海量的、全方位的智能化數據處理能力，實現設備狀態可視化、故障信息綜合分析、智能告警及決策等功能，并能利用統一IEC61850平臺，實現牽引變電所、接觸網、分相裝置等以供電臂為單元的整個牽引供電系統的可靠運行監控、保護和重構操作。

3 新建智能牽引變電所網絡架構

圖1示意智能化牽引變電所的架構，包括站控層、間隔層和過程層，站控層包括系統主機、電壓無功控制裝置（VQC）、工作站、北斗/GPS對時系統等，根據IEC61850-5所提的要求，站控層提供了變電所內一個運行的人機聯系界面，從而實現了管理間隔層設備等功能；間隔層由110 kV和27.5 kV保護、測控裝置組成；過程層包含由一次設備和智能組件構成的智能終端設備、合并單元和新型非磁性/光電式互感器等，這意味著智能終端設備可以隨一次設備就地安裝。

全站可采用3層2網，2個網絡均可采用100 M雙環形或雙星型工業以太網。

站控-間隔層網采用構建在IEC61850-8-1通信協議上的MNS冗余以太網，具備了智能電氣設備間信息共享和互操作的條件，同時，站控層采用SNTP對時，對時精度很高，優于5 μs。間隔層和過程層之間則通過交換式光纖以太網通信，采用IEC61850-9-1/2點對點采樣值通信協議與GOOSE網絡通信協議，同時，北斗/GPS提供統一標準的IRIG-B信號和時間信息，確保了間隔層與過程層設備之間的有效、高速信息傳輸。在實際的設計中，如果牽引變電所信息負荷率高或包括了供電臂的管理，一般采用冗余的間隔-過程層網。

圖1 智能牽引變電所網絡結構簡圖

智能變電所的采樣值傳輸模式是基于IEC61850-9-1和IEC61850-9-2這2種采樣值（SV）傳輸模式，即點對點或網絡化傳輸方式，對于后者，非磁性互感器通過合并單元輸出的采樣值報文，經過程層交換網絡傳送給智能設備，這有利于實現跨間隔、全站和區域性的集中保護，保護裝置可靈活定義幀格式以及靈活配置數據集內容，同時支持單播方式；合并單元可下放至就地端子箱安裝，并只需 1根光纖就可接入主控室的過程層網絡。鑒于此，故障錄波器可經網絡接收任一合并單元數字化的交流采樣信號。

智能設備（IED）共同協助完成自動化功能的應用場合越來越多，例如間隔層設備之間的防誤閉鎖、分布式母線保護以及開關狀態傳輸等，這些功能得以完成的重要前提是眾多 IED之間數據通信的可靠性和實時性。基于此，IEC61850標準中定義了通用變電所事件GSE模型，該模型提供了在全系統范圍內快速可靠地輸入、輸出數據值的功能。GSE分為2種不同的控制類和報文結構：一種是面向通用對象的變電所事件GOOSE，支持由數據集組織的公共數據交換；另一種是通用變電所狀態事件 GSSE，用于傳輸狀態變位信息。GOOSE即通用面向對象的變電所事件，是一種快速報文傳輸機制，由IEC61850-7標準定義的變電所事件模型類；GOOSE服務的基礎是高速PZP（peer to peer）通信，為邏輯節點間提供了更可靠和快速的通信，無需硬接線連接；當一個智能電子設備與其他智能電子設備相連時，GOOSE不僅可以作為訂閱端接收數據，而且還可以作為發送端，為其他智能電子設備提供數據。

在大部分智能變電所中，過程層多采用IEC61850-9-2 SV傳輸網絡，與GOOSE網絡相互獨立。不過，測試結果表明過程層可以實現 SV與GOOSE共網傳輸，并且通信性能在 SV采樣值和GOOSE信息方面都沒有明顯的差異。GOOSE信息采用發布/訂閱的機制，它的數據量比例較小，利用的帶寬比例也較小，且具備超時重傳機制。該共網傳輸大大降低了變電所的投資成本，方便運營維護。

4 既有牽引供電系統的智能化改造

對于傳統的牽引變電所分區所等，110 kV配電裝置通常為戶外單體設備，戶外的110 kV GIS尚較少應用；中壓側27.5 kV或2×27.5 kV配電裝置通常戶內安裝，近年來，27.5 kV開關柜（GIS）在高速牽引供電領域的應用越來越普遍。一次設備本體均設置端子箱；控制保護屏、交直流電源等二次設備一般安裝在牽引變電所控制室內，環境溫度滿足安全運行要求。二次設備與一次設備端子箱、一次設備端子箱與一次設備間采用大量的電纜連接。

一次設備及既有監控系統的智能化改造是既有所智能化改造的關鍵，需根據其使用年限及工程投資等多方面比選，確定經濟技術最優的改造方案。

對于一次設備智能化改造，根據智能變電所的基本組成，有 2個方案：選用新型非磁性互感器+合并單元+智能單元；利用既有的電磁式電流電壓互感器+合并單元+智能單元。從投資角度，第1種方案造價較高，但智能化改造更徹底；從產品的成熟度角度看，第1種方案尚處于發展中，需要不斷積累經驗，而第2種方案較成熟，改造難度小；從產品的技術角度看，非磁性互感器數據的光纖傳輸有一定的延時，相比于常規互感器，它的數據會產生一定的角差，因此，通常情況下，主變壓器與其低壓側的跨間隔保護設備改造仍采取常規互感器。

對于監控系統的智能化改造，如果被改造的牽引變電所仍采用遠動RTU或集中式的自動化系統，首先淘汰RTU設備，其次完成間隔層以及站控層的綜合自動化數字化改造，實現設備間網絡通信，最后，依照IEC61850標準對二次設備軟件進行升級。

5 結語

經上述分析，智能牽引變電所技術無論應用于新建還是既有所改造，將會帶來3個方面的突破：一是實現一次設備信息就地采集并上網，實現與所智能化平臺的融合；二是實現變電所、分區所等的基礎信息數字化、標準（規范）化和一體化，使得相關智能化所間、智能化所與綜合監控系統間的聯網變為現實，實現了信息系統的一體化、密切分工與協同互動。

總之，基于IEC61850標準的智能斷路器、智能熔斷器、新型非磁性/光互感器，以及光纖交換式以太網通信技術的應用，實現了供電臂單元智能設備間的“互連、互換、互操作”，該技術是變電所建設、運行、檢修、管理模式的升級，將高效地實現整個牽引供電系統的智能化運行和維護監視，提高牽引供電系統的安全運行水平，大大降低運行維護成本。

[1]陳小川. 鐵路供電繼電保護與自動化[M]. 北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]楊奇遜. 變電所綜合自動化發展趨勢[J]. 中國電機工程學報1996，18（3）.

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