智能牽引供電系統現場試驗評估技術研究

楊斯泐，李 強，董文哲

(中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所，北京 100081)

基于IEC61850協議的智能化變電站已經廣泛運用于電力系統中，較為成熟的智能站技術能夠有效地幫助鐵路牽引供電系統完成智能化升級。智能牽引變電所對比傳統牽引變電所，具有數字化、信息化程度高，運用維護成本低,故障排除快，節能環保等特點，是未來高速鐵路牽引變電系統的發展趨勢[1]。我國已在山西中南部鐵路通道首次應用數字化牽引變電所。數字化牽引變電所是智能牽引供電系統的重要技術基礎，而鐵路牽引供電中還沒有真正意義上的全數字化變電所，研究中提出了智能牽引供電系統試驗評估的概念，系統化的試驗評估技術為牽引供電系統數字化、智能化建設積累技術和經驗。

我國高速鐵路多釆用全并聯AT方式的牽引供電模式，以滿足動車組速度等級高、行車密度大、重聯運行牽引功率成倍增加的需求。AT所、分區所作為供電單元的重要組成部分，牽引供電系統所亭之間需要智能互聯技術進行溝通，達到信息的共享，通過智能化技術判定故障。

以智能牽引變電所為基礎的供電系統，模擬量轉化為數字量的信號采樣方法，電纜轉化為光纜的數據傳遞介質的改變，使得智能牽引變電所安裝調試和試驗評估方法與傳統牽引變電所有了較大的差異。智能牽引變電站中，所有的控制、保護以及電流、電壓信號都是在網絡中以數字信號傳遞，傳統的模擬信號采集的測試手段不再適用。通信網絡的功能對變電所控制保護系統的功能起更大作用。目前，針對智能牽引變電所的測試設備尚不多見，其檢測手段相對于傳統方法還十分有限，有必要針對智能牽引供電系統的試驗評估方法和理論進行規范。從分系統的角度出發，探討適應智能牽引變電系統的調試要點和方法，對推動智能牽引供電系統的建設與發展有積極的指導意義。

1 基于IEC61850標準的智能牽引供電系統

1.1 智能牽引變電所模型

智能牽引變電所模型建立在先進的網絡通信協議基礎之上。智能化設備模型可以映射到通信協議中，通過分層、分布的通信網絡體系，面向對象建模，提供對象的自我描述和配置，模塊化的信息傳輸服務，實現智能牽引供電系統的網絡互聯[2]。

智能牽引變電所網絡模型構建為過程層、間隔層和站控層的3層結構。過程層是連接一次設備的通道，通過電子式互感器完成電壓和電流等電氣參數的檢測，以智能開關等設備實現設備運行狀態參數檢測，通過過程層控制命令的發送和執行；間隔層面向通用對象的變電站事件報文(GOOSE報文)、實時傳輸數字采樣信息的通信服務報文(SMV報文)等過程層傳輸的實時數據信息，通過間隔層設備進行保護、測控、計量、錄波等功能，分析并完成一次設備保護控制，并把數據信息高速傳輸給站控層設備；站控層得到間隔層傳輸的信息，完成數據顯示，數據存儲，實時完成智能所內操作閉鎖控制、操作、打印、報警、圖像、聲音等多媒體功能。智能牽引供電系統試驗評估的數據信息主要來源于過程層采樣信息數據和間隔層實時數據信息[3]。

智能牽引供電系統的硬件，主要由一次設備、過程層設備、間隔層設備和站控層設備組成。一次設備包括電子式互感器、智能化開關和主變本體智能終端等。過程層設備包括合并單元，智能開關操作箱。間隔層設備包括智能化保護測控裝置、智能化計量儀表，同步時鐘系統、工業級網絡交換機等。站控層設備包括監控系統，故障信息系統和工程師工作站等。

其中智能高壓一次設備是獲取智能變電所數字化數據的基礎，從智能高壓設備及時獲取信息數據是整個試驗評估技術的核心。

智能變壓器和智能高壓開關能夠通過通信網絡把其運行狀態信號和數據實時通過過程層傳輸給間隔層控制系統，使牽引供電系統對一次設備進行有效的監測和診斷。

1.2 IEC61850標準在牽引供電系統中的運用

IEC61850標準設計之初是解決變電站內相互通信。由于變電站內、變電站與調度中心、調度中心之間存在各類協議的不兼容問題，需要協議轉換才可連接，效率低下，穩定性差。從而有必要從信息源，變電站的過程層到調度中心之間采用統一的通信協議，統一建模的數據對象和協調一致的標準，于是建立了IEC61850通信體系結構[4-5]。

智能化牽引變電所的IEC 61850協議與傳統牽引變電所的SCADA協議僅定義傳輸方式意義不同。IEC61850協議規定了多層結構通信網絡的定義、面向對象的建模技術、系統的搭建和用戶管理系統的設置等多方面的規范和要求。系統集成商可以通過系統配置文件(SCD)配置整個智能牽引變電所的結構和布局[6]。

2 智能牽引變電所的試驗模型

2.1 智能牽引供電系統檢測標準和方法

智能牽引供電系統仍處于發展階段，檢測的標準和方法主要來自于變電所智能化改造的調試規范和智能化設備產品標準。驗證功能性試驗為主要內容，缺少對牽引供電系統的整體考慮。主要參考以下技術規范和標準。

《變電站智能化改造技術規范》(Q/GDW Z 414—2010)適用于變電站階段性智能化改造，對于關鍵一次設備增設相應的狀態監測功能單元，完成一次設備狀態的綜合分析評價。二次系統主要由直采直跳模式逐步轉化為通過網絡傳輸電流、電壓采樣值及跳閘控制信號。

《智能變電站自動化系統現場調試導則》(Q/GDW 431—2010)主要為智能變電站自動化系統的現場調試提供幫助，側重于現場調試計算機監控、繼電保護，采樣值系統等內容。

《智能牽引供電系統總體技術方案》(科技裝函[2016]73號)、《智能牽引供電系統主要設備技術條件》(科技裝函[2016]180號)主要為智能牽引供電系統建設的歸納性文件，指導智能牽引供電系統的搭建和提出的智能化設備技術條件。

根據目前智能牽引供電系統執行的相關規范和標準，在試驗期間，測量和監視一次設備的電壓、電流互感器采集的數據完整，并能在過程層完成信息交互流程，要求信息交互功能正常、監測參量的技術指標準確并符合要求。在整個試驗周期內，對智能牽引變壓器、斷路器、隔離開關、GIS開關柜等關鍵智能一次設備(包括智能柜)運行狀況進行監控和數據交換。通過過程層網絡獲取的試驗數據，是分析智能牽引供電系統運行狀態的核心。間隔層智能裝置功能的測試與傳統設備的測試的區別在于，間隔層智能裝置的輸入/輸出都是通過數字信號相互通信來實現的。應采用基于IEC 61850標準的測試儀器，對間隔層智能裝置進行性能測試[7]。

同時，一些原有的檢測項目已經不適用于檢測間隔層設備產品。智能化牽引變電所測試裝置，在過程層完成對符合IEC61850協議的相關報文解析，間隔層智能測控保護裝置將接收過程層傳輸的數字信號，而不是以前的模擬量交流采樣值，因此對采樣數據精度的考核將轉化為過程層的光信號準確度。

除傳統的測試項目外，間隔層還需要增加對過程層信息的檢測功能，在線收集來自過程層的采樣值報文和過程層的GOOSE報文，對來自過程層的數據完備性進行評估，對可能發生的丟包、積錯、誤碼，延時、同步性等問題及時進行告警和記錄，同時測試過程層數據異常時的動作情況。

2.2 網絡報文解析技術

智能牽引供電系統試驗評估技術的關鍵在于對SMV、GOOSE報文進行實時采集捕獲和解析。在配置正確的SCL文件后，智能檢測設備應實時顯示數據包的信息，并實時解析報文內容；能夠實現離線報文解析、異常報文告警；能夠實現數據的統計分析功能；能夠實現SMV離線波形圖的顯示；能夠實時記錄存儲SMV和GOOSE數據報文。GOOSE和SMV報文進行相應的PCAP(通用數據格式)文件存儲，報文的解析放在解析模塊中實現[8-9]。

2.2.1 SMV報文解析

采樣值報文的獲取是根據以太網類型標志位來實現的，采樣值報文擁有專用的以太網類型，通過此標志位來對報文進行過濾，就能得到所要解析的采樣值報文。目前主要采用IEC61850-9-2協議報文解析模塊[10-11]，用于接收SMV采樣值報文，以有效值、波形、序量、相量、諧波等多種方式顯示分析結果，還可進行采樣值報文丟幀統計。

SMV功能模塊接收并分析IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、FT3(IEC61850系列報文格式)的采樣值報文，可對報文進行丟幀統計，遙測量可采用表格、波形、矢量圖、序量等方式進行監測，也可以進行互操作和數據分析統計。圖1為SMV報文的傳輸通道示意[12]。

圖1 SMV報文傳輸通道示意

2.2.2 GOOSE報文解析

GOOSE報文用于智能設備之間通過協作完成某一自動化功能，實現設備間可靠、實時通信是GOOSE報文的功能[7]。由于GOOSE傳輸保護跳閘等實時性報文，所以為了降低報文處理過程中的延時，IEC61850在定義GOOSE服務機制時，去掉了網絡層和傳輸層，直接映射到數據鏈路層和物理層傳輸，在數據鏈路層獲取GOOSE報文之后對其進行解析，報文解析模塊用于接收GOOSE報文，顯示GOOSE報文的變位情況。[13-14]

2.3 智能牽引供電系統試驗評估原理

智能變電站評估試驗主要針對過程層中的采樣值和間隔層實時交換數據進行分析，對過程層、間隔層設備和系統功能進行測試，具體針對智能供電系統網絡化保護和故障標定的準確性和智能化提出了更高的要求。

針對智能牽引變電所目前所采用的不同測試方法進行分析比較，并根據實際情況和傳統變電所相關經驗，滿足IEC61850相關設計要求。對智能牽引供電系統的功能分析，對不滿足應用的標準模型進行了適當擴展，建立試驗系統和體系牽引供電系統功能需求的IEC61850設備模型，設計了一套適應牽引供電系統試驗的評估方案。智能牽引變電所評估原理如圖2所示[15]。

圖2 智能牽引變電所評估原理框圖

智能變電站采用微處理器和光電技術結合設計采樣信號回路和操作控制驅動回路，網絡交換機及數字公共信號網絡取代了傳統的導線連接。通過解析過程層數字信號，正確配置間隔層智能電子設備(IED)，利用IEC 61850規約的特點，重構和還原電參數信號，實現對智能牽引供電系統諧波、功率、正負序電壓等電能質量參數的解析，保證通信信號的準確快速傳輸，形成對智能設備的閉環反饋，從而完成對系統的評估工作[16]。

3 智能牽引供電系統的試驗方法

3.1 智能牽引供電系統運行參數測試

3.1.1 試驗目的

研究智能牽引供電系統內智能一次設備的運行參數，并為牽引供電系統的運行控制提供依據。因此，主要對智能變電所通過錄波和故障記錄系統實時采集所內網絡的采樣值報文和GOOSE報文、MMS報文等網絡通信信息，對系統內智能設備的運行狀態進行評估和記錄[17]。

3.1.2 試驗內容

智能牽引供電系統運行參數測試，試驗內容如下。

(1)在線收集來自過程層的采樣值報文，對來自過程層的數據完備性進行評估。對可能發生的丟包、積錯、誤碼、延時、同步性等問題及時進行告警和記錄。

(2)在線收集來自過程層的GOOSE報文，對來自過程層的開關量信息的完備性進行評估和記錄。

(3)在線收集站內IED所發出的GOOSE報文，并進行記錄[18]。

(4)在線收集站內IED所發出的MMS報文，并進行記錄。

(5)對采樣值報文，GOOSE報文，MMS報文分類解析，形成對牽引變電所的主變壓器原、次邊同時連續記錄測試：220 kV側母線電壓；母線電流；2×27.5 kV側母線電壓；饋線電流。AT分區所記錄測試：分區所兩側接觸網末端27.5 kV電壓；供電臂上、下行穿越電流；AT分區所兩側AT吸上電流。AT所測試：接觸網27.5 kV電壓；供電臂上、下行穿越電流；AT吸上電流。圖3為智能變電所報文重構后接觸網電壓及功率的波形[19]。

圖3 智能所報文重構后接觸網電壓及功率

(6)對越區供電方式、分開供電方式等應急供電方式進行試驗評估。

3.1.3 試驗方法

采用光數字化采樣裝置，對滿足IEC61850規約報文進行采樣分析。因保護裝置不再有模擬量輸入、AID等電路，間隔層智能測試設備直接通過網絡接收數字信號。因此對于現場間隔層智能裝置試驗人員來說，相當于二次回路已經不復存在，只需測量數字信號的正確性[20-21]。

采樣裝置對智能變電站過程層和間隔層的網絡通訊協議(IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、IEC60044-7/8[19]、GOOSE、IEEE1588)進行實時解析和監視，并分析其中傳輸的數字化信號。現場顯示分析結果：如電壓電流的有效值、相角、諧波、功率等。對過程層采樣結果進行DFT計算和相關分析，統計歸納得出各項被測項目的有效值、最大值、波形、各次諧波分量、變壓器原次邊輸入輸出功率、功率因數等內容。

3.2 智能牽引供電系統短路試驗

3.2.1 試驗目的

通過對接觸網進行人工短路試驗，能夠有效地對智能供電系統保護裝置的保護動作正確性和故障測距的準確性等方面進行檢驗。

傳統變電站背景下的測距裝置的信號采集，主要在常規的模擬量基礎上進行，而智能變電所實現了信號采集數字化，測距裝置信號分析通過GOOSE報文解析。而變電站實現數字化背景下，消除了變電所與AT所之間的孤島化信息瓶頸，對信息暫態過程的分析更加實用，能夠利用測距原理更為準確地完成故障測距工作[22]。

3.2.2 試驗內容

智能牽引供電系統接觸網短路試驗內容如下。

(1)在線收集來自短路試驗期間，過程層和間隔層的采樣值報文，對來自過程層的數據完備性進行評估。對短路試驗采樣時可能發生的丟包、積錯、誤碼、延時、同步性等問題及時進行告警和記錄。

(2)在線收集來自接觸網短路，過程層的GOOSE報文，分析保護動作的正確性，及時性，保護定值是否滿足要求，圖4為短路試驗報文重構后的波形。

圖4 短路試驗后報文重構的波形

(3)在線收集站內智能設備所發出的MMS報文，并對MMS報文的準確性進行確認。

(4)分析智能牽引供電系統各所在短路試驗過程中，信息傳輸和交流的穩定性，準確性問題，信息孤島問題的解決和相互信息的傳遞。

3.2.3 試驗方法

在接觸網短路測試地點，將接觸網T線對地或F線對地經斷路器短接(或T線對F線間短接)。通過在過程層和間隔層收集采樣值報文和GOOSE報文，解析報文后連續記錄短路電壓、電流波形；每一次短路測試后，及時分析變電所、AT所、分區所故障報告數據。

根據報文數據分析饋線電流、電壓，短路點位置，計算短路點所在供電臂線路阻抗，驗證保護動作，并記錄波形，定位短路故障位置及準確度。

4 結論

通過研究智能牽引供電系統現場試驗評估技術，比較傳統牽引變電所的測試方法，以IEC61850標準為基礎，分析智能牽引供電系統的模型建立和試驗測試原理，結合標準化和工程實施規范等，明確了智能化牽引供電系統的試驗目的，分析了試驗內容，提出了試驗方法。

目前國內智能牽引供電系統仍在建立過程中，需從建設過程和試驗過程中對問題不斷的匯總和交流，以新的思路和方案支持智能牽引供電試驗，為智能牽引供電系統的發展提供參考。