既有牽引變電所智能化改造實施方案

何柏杉 唐玫 汪潤澤 張果

（四川鐵道職業學院）

1 現狀研究

在“交通強國”戰略指導下，我國高速電氣化鐵路發展十分迅速。牽引變電所作為牽引供電系統和鐵路電力系統的能源分配和信息控制的樞紐一般采用綜合自動化系統。該系統一般采用分層分布式集中組屏結構，將變電所所內設備分為變電所層、間隔層、設備層三個物理層。間隔層包含測量、控制和保護等部件，通過RS 485通信電纜與設備層進行通信，各間隔之間通過現場總線或局域網進行通信，變電所層一般由工業以太網通過光纖供各主機之間和間隔層之間通信。綜合自動化系統基本實現了信息共享，提高了設備利用率，自動化程度顯著提高。

但是，牽引變電所綜合自動化系統也出現了以下問題：①接入綜合自動化系統的各層各系統的通信協議難以統一，大量規約需要轉換才能實現不同廠家設備的互聯，設備間互操作性差。②雖減少了變電所層與間隔層電纜的使用，但互感器直接采集的大量模擬信號通過二次電纜進行傳輸，易受到電磁線路的干擾，抗干擾能力較差。③通信電纜數據傳輸效率、傳輸能力、誤碼率高，難以傳輸海量的原始數據，成為自我預測和自我修復等智能化改造的瓶頸。因此，開展牽引變電所智能化改造實施方案的研究具有較強的工程意義。

2 變電站智能化的發展趨勢

2.1 智能設備的發展

（1）電子式互感器的普及

與傳統的互感器采集模擬信號不同，電子式互感器利用傳感器技術同時采集電流、電壓等數字信號，該信號不必經過模數轉換可以直接通過通信光纖進行傳播，可顯著提高數據采集效率，測量精度高，減少傳統互感器絕緣和諧振等問題。

（2）智能組件的應用

智能組件分為合并單元與智能終端兩種類型，可替代傳統的開關操作箱，實現一次設備數字化和智能化。合并單元通過光纜與一次設備聯接，可實現信號合并、數據同步、電壓切換與并列、數據擴展等功能。智能終端可由電纜與斷路器等傳統一次設備相連，完成一次設備位置和狀態告警信息的采集，并通過GOOSE交換機將數字信息上傳至間隔層，可接收間隔層設備的GOOSE命令對一次進行控制。

2.2 IEC61850標準

IEC61850標準參考和吸收了原有的101、103規約，對變電站內智能電子設備間的通信進行分類和分析，定義了變電站裝置間和變電站對外通信的10種基本類型。引入GOOSE、SMV和MMS等不同通信方式，針對性地滿足變電站內不同裝置間的通信需求。

建立統一的SCD變電站系統配置描述文件，實現了在各個變電站電壓等級、供電范圍、一次接線方式等不完全相同的情況下，變電站配置文件的統一。

3 牽引變電所智能化改造方案

由于鐵路運輸負荷分散、露天、無備用等的特征，造成鐵路牽引供電系統和鐵路電力系統的供電質量受到多種因素的影響。將既有的牽引變電所進行智能化改造，旨在統一適應智能電網的建設需求，將一次設備智能化、將二次系統的網絡化和標準化。為人工智能、大數據、云計算等現代信息技術的引入提供平臺和接口，為鐵路供電系統的自我預測、自我診斷提供可能。

對本牽引變電站進行的智能化主要分為高壓設備的智能化改造和統一信息平臺的標準化和網絡化兩部分。

3.1 某牽引變電所綜合自動化系統概述

某牽引變電所的主接線采用110kV雙進線，兩路進線的母線設有電壓互感器，每一路通過串聯電流互感器、斷路器、接主變壓器，主變壓器采用VV三相變壓器，每臺主變壓器副邊兩出現分別接AC、AB戶外輔助母線，在通過聯絡開關接兩組牽引母線，每組母線饋線側饋出兩條供電臂，每組母線均設有平衡電抗器進行補償。牽引變電所主要一次設備統計情況如表1所示。

表1 牽引變電所主要一次設備統計

牽引變電所屏柜的設置及數量如表2所示，屏柜合計約13個。

表2 牽引變電所的屏柜數量統計

牽引變電所屏柜的設置及數量如表2所示，屏柜合計約13個。牽引變電所的電流和電壓互感器的數量統計如表3所示。

表3 電流和電壓互感器的數量統計

3.2 高壓設備的智能化

3.2.1 斷路器設備

智能斷路器是將一次設備斷路器與二次設備智能終端、合并單元等智能組件就地有機結合，共同組成統一的高集成度智能設備。智能斷路器性能優越，但價格昂貴，在對既有牽引變電所改造時，如果直接更換原有的斷路器，則造成巨大浪費。因此，采取將智能終端、合并單元（或合智一體化設備）安裝在原斷路器附近，代替原有的設備端子箱以實現其智能化目的的方案。

如表1所示，在110kV側本牽引變電所有101QF、102QF兩個110kV的高壓斷路器，兩斷路器分別裝設三相四組1TA、2TA電流互感器獲取電流，進線110kV母線處分別裝設有三相2組1TV、2TV電壓互感器獲取電壓。現取消兩個斷路器附近的設備端子箱，就近設置智能終端與合并單元設備，將1TA、2TA、1TV、2TV更換成電子式互感器，通過光纜與合并單元設備連接、通過電纜與智能終端連接。

綜上，全所需要取消110kV的電流互感器6個，電壓互感器24個，更換為3電子式互感器。

3.2.2 變壓器

本牽引變電所主變電器采用油浸式三相變壓器，副邊27.5kV電壓輸送給接觸網。具有結構簡單、造價低、運行穩定的特點，是現行鐵路主流的變壓器接線形式。

智能變壓器利用傳感器、智能電子設備（IED）與變壓器采用一體化設計，提升智能變壓器的可靠性、降低了主絕緣事故風險、可以實現基于信息聚合的智能化應用，是現今變壓器主流發展方向。因此將本牽引變電所的牽引變壓器更換為智能變壓器以適應清潔、低碳、智能的智能電網的新形勢顯得適逢其時。

將兩臺牽引變壓器1T、2T更換為兩臺智能變壓器，可由智能電子設備（IED）實現智能變壓器本體數字信號的實時測量與采集，實現變壓器的冷卻裝置、有載分壓、瓦斯等智能化控制。由于自用變壓器是將饋線電壓變為0.4kV，負荷較小，因此不作更換。

3.3 統一信息平臺的網絡化構建

如下圖所示，智能牽引變電站統一信息平臺采用三層兩網布局，整個變電所分為站控層、間隔層、過程層三層結構。這種布局減少了設備間通信協議的轉換，保證了不同廠家設備間的互聯、互通和互操作性。而且減少了過程層大量的電纜使用，實現了二次系統從設備冗余到信息冗余的轉變。

3.3.1 三層兩網結構

（1）站控層及站控層網絡

站控層主要實現面向全站設備的監視、控制及信息交互功能。主要包括主機、操作員站、GPS對時、遠動通信裝置等設備。

站控層網絡由站控層交換機獨立配置，由工業以太網MMS網絡構建，可以實現間隔層與站控層的通信。站控層及站控層網絡予以保留，不用改造。

（2）間隔層

間隔是以斷路器主要核心設備進行劃分，能匯總站內所屬間隔的過程層實時數據信息，傳遞和處理站控層下發的數據，實施對本間隔的一次設備保護、測控等操作。

因此，可以將牽引變電所分為1#/2#主變高壓側保護測控間隔、1#/2#主變本體間隔、1#/2#主變低壓側間隔、27.5kV聯絡回路保護測控間隔、饋線保護測控間隔、電容電路保護測控間隔等。

每一個間隔包含自身所屬的一二次設備。主要有變壓器、斷路器、刀閘等一次設備和保護、測控、故障錄播等二次設備。

（3）過程層及過程層網絡

過程層網絡主要由GOOSE、SV網絡，實現智能終端與合并單元等過程層設備與間隔層的通信。

構建GOOSE、SV網絡，設置GOOSE、SV交換機。合并單元將通過互感器測量的數據進行合并和處理，并將處理后的數字信號以光纖為介質，通過SV交換機以點對點或者廣播的形式轉發給繼電保護、計量裝置、故障錄波等間隔層設備。

智能終端可由電纜與一次設備相連，完成一次設備位置和狀態告警信息的采集，并通過GOOSE網絡將數字信息上傳到間隔層，同時可接收間隔層設備的GOOSE命令對一次進行控制。

圖 變電站統一信息平臺

3.3.2 虛端子和虛回路

與傳統牽引變電所二次回路擁有屏端子不同，數字化二次設備信息通信信息虛擬化，因此提出了基于虛擬回路的虛端子的設計理念。虛端子是IED設備間的GOOSE、SV輸入輸出信號連接關系的總稱，是二次回路GOOSE、SV關聯信息直觀展示，類比于傳統變電站的二次系統圖。

在構建了智能牽引變電站統一信息平臺后，對整個變電站進行虛端子的配置工作。采用虛端子配置工具實現不同IED的開出虛端子與開入虛端子的配置和校驗，實現虛回路的連接，可有效減少繼電器等實際二次設備的使用，降低了配置和修改時的運維成本。

3.3.3 SCL文件的配置

為了區分不同工具間交換數據類型，建立基于智能變電站配置描述語言（SCL）的一系列文件。不同廠家生產的智能電子設備（IED）時會同時下發該設備的配置文件ICD。系統規范文件（SSD）文件由系統集成商提供，描述主接線拓撲圖、變電所功能等，相當于主接線圖和設備功能圖。

將SSD文件、IED文件由系統配置工具配置生成全站系統配置文件（SCD），描述整個變電站所有IED設備的實例配置和通信參數，IED設備間的配置信息、變電站一次系統結構等信息，相當于全站施工圖、竣工圖。

SCD文件通過裝置配置文件生成CID、CCD文件，可實現IEC61850規約的校驗。通過交換機配置工具導出CSD、CID文件對交換機進行配置。

4 未來展望

至此，本牽引變電所綜合自動化系統智能化改造過程已完成，改造后的變電站將具備以下優勢：①傳統互感器大量更換為電子式互感器，采集的數據由模擬量轉變為數字量，更加有利于大規模數據采集和傳輸。②將大量電纜傳輸介質換成少量光纜，節約了電能損耗，提高了傳輸效率，減少了電磁干擾的風險。③全站統一信息平臺基于IEC61850規約構建，解決了不同廠家設備間互操作性的問題。④提供智能化模塊的必要接口，為將來電網的自我預測、自我調節、自我修復等智能化功能的完善提供統一的平臺。

雖然鐵路牽引變電站智能化改造受制于改造難度大、改造成本高、行業慣性等因素影響，未能完全落地。然而，隨著大數據平臺搭配云計算等現代信息技術的發展及應用，可以實現實時觀察和控制全網范圍內電能流動狀態、電能負載熱區、故障高發區等全網所有信息節點，數據可視化、負載趨勢預測、設備故障趨勢預測等功能會逐步得到兌現，自我預測、自我調節、自我修復等智能化功能的研究深入，其優勢會愈發明顯，智能牽引變電所將大有可為。