牽引變電所智能化應用研究

劉奇光

關鍵詞：牽引變電所;智能化;二次設備

智能變電站是建立于IEC61850通信規范基礎之上，包括過程層智能終端、合并單元，間隔層智能IED，站控層監控系統等在內的能夠實現變電站內智能電氣設備間信息共享和互操作的現代化變電站。IEC61850標準提出了一種公共的通信標準，通過對設備的一系列規范化形成一個規范的輸出，能夠使系統無縫連接。隨著電力系統智能化變電站的推廣，牽引變電所的智能化也成逐步發展的趨勢。目前運營的牽引變電所幾乎都為常規變電所，研究常規牽引變電所的智能化改造極具現實意義。

一、概述

智能牽引變電所實現總體原則是由變電所數字化一次設備、數字化二次設備，高速網絡通信平臺共同組成的，通過標準化的數字信息在線采集，實現牽引變電所數據共享和設備互操作，實時在線監測、數據管理、運行狀態評估等功能，較傳統牽引變電所綜合自動化技術有著深入的發展。從體系架構上一般將智能牽引變電所分為三層，即過程層、間隔層、站控層。過程層主要包括互感器、斷路器開關等一次設備;間隔層主要包括繼電保護裝置、故障錄波器、系統測控裝置等二次設備;站控層主要包括主機、工作站、遠動通信裝置和其他功能設備。

二、智能牽引變電所主要特點

傳統的牽引變電所設計涉及變電部分、數據采集和SCADA監控系統等不同部分。智能牽引變電所基于IEC61850標準，具有全息化在線控制、智能化故障指示，實時化接口數據共享等特點。采用分布式控制技術的牽引變電所接線逐步被過渡淘汰，取而代之的是一個本地網絡化智能牽引變電所。如何最大化地將智能變電所技術應用在電氣化鐵路供電系統中，提高其運行眭能，增加可靠性，確保操作性，簡化維護性，解決行車安全問題和控制成本是需要重點解決的問題。IEC61850標準的實施加快了變電站保護及自動化技術的發展，此外基于光電技術傳感器檢測電壓和電流，光纖網絡通信、高速以太網和主設備的智能化技術為新型智能化變電站的繼電保護及自動化系統的實現奠定了基礎。因此，包括信息共享、設備互聯和智能運行的技術優勢必將對供電系統的保護和控制起到實質性的變化影響。目前，基于IEC61850協議的智能變電站已在供電系統逐步推廣，但其中部分細節仍需完善。具體是：（1）雖然光學或電子式互感器已被用于獲得保護自動化設備所需的電流和電壓信號，但變電站保護大數據處理系統的高級應用功能仍需提高。（2）智能變電站新技術的應用尚屬起步階段，新的設備和控制系統的兼容性、耐用性有一定提升空間。總體構建和實施基于IEC61850的變電站保護和自動化系統，應該利用新的技術來獲得比綜合微機保護及自動化系統可靠性更高。因此，有必要研究提高變電站新型保護自動化系統可靠性的方法。在分析傳統保護系統的基礎上，提出了兩種基于信息共享備份保護單元和基于信息共享的信號備份的可靠性方案。研究鐵路智能牽引變電所的一次設備智能化關鍵技術的組成構架，通過智能電子設備的組合與集成，實現了增強化的控制和維護智能變電所的網絡及軟件功能。基于IEC61850協議的智能牽引變電所，實現電子式互感器數字化采樣、斷路器及隔離開關合分閘狀態的網絡傳輸、多功能繼電保護、電源管理、設備狀態監測等一次設備狀態的在線監測主要包括電子式互感器、智能斷路器及智能終端。

三、智能牽引變電所網絡架構

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110kv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100M雙環形或雙星型工業以太網，站控一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，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一過程層網。如圖。

智能變電所的采樣值傳輸模式是基于IEC61850-9-1和IEC61850-9-2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。為了保證過程層數據的實時性，避免不同特點的數據相互影響，系統采用變電所層網絡、過程層GOOSE網絡和sV傳送網三網分離策略。變電所層網絡數據的特點是突發性強、數據量大，傳送實時性要求不高;過程層GOOSE網數據特點是數據量不大，具有突發性，傳輸要求可靠性高、實時性強;SV傳送網絡特點是數據量特別大，呈周期性，傳輸的要求是實時性、穩定性、可靠性都要非常高，延時需要確定。若三網相互獨立，分工明確，可確保整個智能化牽引變電所系統的安全和穩定。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。

四、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110kV 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，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。經分析，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。