城市軌道交通變電站一次設備智能化研究

龔曉冬

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院， 200235， 上?！喂こ處?

城市軌道交通傳統的設備維護保養模式已難以滿足快速增長的線網規模要求，以及運營安全和服務水平需求。打造智慧地鐵是目前城市軌道交通系統的發展目標。對城市軌道交通供電系統而言，應加快探索、研究如何將最新的技術應用到設計、建設和運營中，用設備代替人、用技術保障運營，實現變電站的智能化。本文簡要介紹智能化變電站的系統架構及技術特征，分析研究城市軌道交通變電站內主要一次設備實現智能化的功能需求及架構。在此基礎上，以城市軌道交通典型變電站為例，初步構建智能化變電站的系統架構。

1 智能化變電站介紹

1.1 智能化變電站的定義

智能變電站是采用可靠、經濟、集成、節能、環保的設備與設計，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化、系統功能集成化、結構設計緊湊化、高壓設備智能化和運行狀態可視化等為基本要求，能夠支持電網實時在線分析和控制決策，以提高整個電網運行可靠性及經濟性的變電站[1]。

智能化變電站建立在全球通用系列標準IEC 61850的基礎上，由智能化一次設備和網絡化二次設備分層構建而成，能實現變電站內智能電氣設備的信息共享和互操作。

1.2 智能化變電站的系統架構

如圖1所示，傳統變電站與智能化變電站均采用“過程層+間隔層+站控層”的架構體系，兩者的最大區別在于智能化變電站的間隔層與過程層間不用傳統方式連接，而采用光纖以太網連接。該連接方式高效簡單，其傳輸速率和可靠性更高,便于網絡擴展，大大提高了工作效率[2]。

兩類變電站的主要區別如表1所示。

1.3 智能化變電站的技術特征

智能化變電站主要的技術特征包括信息數字化、通信網絡化、共享標準化、系統集成化、結構緊湊

a) 傳統變電站結構示意圖

b) 智能化變電站結構示意圖

表1 傳統變電站與智能化變電站的主要區別

化、設備智能化和狀態可視化。此外，智能化變電站還可根據需要，增加如電網的實時自動控制和智能調節、輔助在線分析決策、協同互動等高級功能，并實現與相鄰變電站、電網調度等的互動。

2 城市軌道交通變電站的類型及設備

2.1 城市軌道交通變電站的類型

城市軌道交通變電站主要分為主變電站、牽引變電站、降壓變電站及跟隨式降壓變電站，其主要功能分別為：

1) 主變電站：將來自于城市電網的高壓AC 110 kV電源變換為中壓AC 35 kV電源。

2) 牽引變電站：將中壓AC 35 kV電源降壓、整流后，轉化為可供城市軌道交通列車牽引使用的DC 1 500 V電源。

3) 降壓變電站和跟隨式降壓變電站：將中壓AC 35 kV電源降為低壓AC 0.4 kV后，供城市軌道交通動力、照明設備使用。

同址的牽引變電站與降壓變電站通常合設為牽引降壓混合變電站。

2.2 城市軌道交通變電站的設備

城市軌道交通各類變電站內的主要一次設備如表2所示。

表2 城市軌道交通各類變電站內的主要一次設備

3 變電站一次設備的智能化及其系統架構

3.1 變電站主要一次設備的智能化

一次設備智能化是智能化變電站的重要標志之一。智能化的一次設備采用標準的信息接口，集狀態監測、測控保護、信息通信等功能于一體，可使實現重要參數在線監測、故障早期征兆識別、設備自我診斷、輔助決策等高級功能。

3.1.1 一次設備智能化的結構框架及原理

3.1.1.1 一次設備智能化的結構框架

智能化一次設備主要由電氣部分和信息部分組成，其中：電氣部分包括一次設備本體及其操作機構、互感器及傳感器；信息部分為智能組件及其內部所配置的智能單元。其結構框架如圖2所示。

1) 電氣部分：與傳統變電站的主要一次設備相比，智能化一次設備各本體及其操作機構具有相同的功能。將互感器和傳感器加裝在一次設備上，用以采集設備的狀態和特征信息。

注:雙向箭頭表示數據流方向。

2) 智能組件：是智能設備的重要組成部分，為智能單元提供信息處理、通信和執行等基礎性服務。由設備本體的測量、控制、監測、保護(非電量)、計量的部分或全部IED集合而成，通過電纜或光纜與設備本體的傳感器或控制機構連接成有機整體，用以實現對設備的狀態檢修。

3) 設備接口：網絡接口接至站控層網絡，用于智能一次設備相互間及和站控層主機的通信；專項接口直接連接智能單元，用于特殊智能單元的快速信息通信。

4) 智能單元：是智能化技術的應用終端，具有計算處理、分析和決策的能力。

3.1.1.2 智能組件的工作過程

1) 信息采集：傳感器將反映一次設備狀態信息(如在線監測信息、操作機構位置和動作信息等)的物理量數據轉換為電氣量數據，通過狀態接口傳輸至智能組件。

2) 分析處理：智能組件對收集到的各接口信息進行處理，得到分析所需的數據。再由智能組件里配置的智能單元進行計算分析，將分析結果送至輸出部分。

3) 動作操作和信息發布：根據各智能單元的分析結果，智能組件進行相應的決策動作和信息發布。智能單元的決策產生或來自于上層的動作命令，通過控制接口對一次設備的操作機構進行操作；隨后，智能組件通過網絡接口發布自動上傳和上層提取的信息。

3.1.2 電子式互感器

如圖3所示，電子式互感器通過轉換器將一次CT/PT的數據傳輸給二次轉換器，通過MU進行數據合并后傳送至保護測控裝置。與傳統互感器對比，電子式互感器結構更簡單，極大地降低了二次接線的復雜程度。

注：P1、P2分別為CT、PT接線引出端子。

目前，電子式CT主要采用羅氏線圈，電子式PT主要采用分壓電容。表3為傳統互感器與電子式互感器性能對比分析列表。

表3 傳統互感器與電子式互感器性能對比分析

3.1.3 110 kV主變壓器

城市軌道交通110 kV主變壓器選用三相雙繞組、有載調壓、自冷油浸式變壓器。主變壓器的智能化應具備自我檢測和診斷的功能，包括本體監測和輔助設備監測兩部分。

1) 本體監測：包含局部放電監測、油中溶解氣體監測、油中含水量監測、繞組光纖測溫監測、氣體聚集量監測等。

2) 輔助設備監測：包含保護功能器件監測、冷卻器監測、有載分接開關監測等。

主變壓器的智能組件架構如圖4所示。測控裝置A為可集成于智能組件。合并單元B為可集成于智能組件，如設備集成了電子式互感器，則合并單元宜集成于智能組件。圖4中：虛線框及虛線均為可選配內容，當至少有1個監測IED時，應配置主IED；a、b均表示可集成于智能組件，如設備集成了電子式互感器，則MU宜集成于智能組件。

注：OLTC為有載調壓開關；①為繼電保護裝置。

3.1.4 GIS的智能架構

在城市軌道交通供電系統中，110 kV開關柜、35 kV開關柜均采用SF6(六氟化硫)氣體絕緣的金屬封閉式開關柜。

智能化的GIS由設備本體、傳感器及智能組件組成，通過電纜或光纖與傳感器、執行器連接，可自動完成信息的采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可支持實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能。其智能組件架構如圖5所示。

注：①、②均為繼電保護裝置。

智能化的GIS包含以下功能：

1) SF6在線監測：采用數字式氣體壓力和溫度傳感器檢測SF6氣體的壓力、溫度、微水含量、密度，并具有就地和遠方顯示的功能。

2) 斷路器在線監測：監測分、合閘線圈電流；監測斷路器的振動波形、動觸頭行程、開斷電流、分合狀態；診斷電氣壽命和常規機械故障；在線監測儲能電機的電流波形、儲能狀態、儲能時間、頻率等參量。

3) 局部放電在線監測：采用UHF(特高頻)無線電波外置式或內置式傳感器，利用二維波形及三維相位圖譜技術，通過對信息模式的識別及故障類型的診斷，實現局部放電故障點準確的定位診斷。

4) 視頻監視：視頻監視三工位隔離開關操作過程，直接觀察隔離開關斷口情況。

3.1.5 電力變壓器

城市軌道交通供電系統中牽引變壓器、配電變壓器均選用空氣自冷環氧樹脂真空澆注干式變壓器。智能化電力變壓器就地安裝智能組件，將光電數字信號代替傳統的強電模擬信號，用光纖代替控制電纜，通過光纜接入過程層網絡。智能化電力變壓器可實現的采集、控制功能如表4所示。

表4 智能化電力變壓器的采集、控制功能

3.1.6 低壓開關柜

以1座典型城市軌道交通地下車站為例，0.4 kV低壓開關柜約有20～24面，實際出線回路約有70～90回。其中，約有1/3的回路為動力照明一級負荷，部分回路甚至是一級負荷中特別重要的負荷。

可采取以下措施實現低壓開關柜的智能化，實時監測重要的配電回路，提高供電系統的可靠性。

1) 對進、出線一次插件等關鍵部件進行溫度監測、超溫報警，及時發現潛在故障點。溫度傳感器采用嵌入插拔式結構，以便于維護。

2) 采用以太網集成，增強數據的處理能力，完善故障診斷功能。超大數據傳輸量可實現對開關柜運行狀態的大數據分析。

3.1.7 電力電纜

對35 kV中壓環網電纜、DC 1 500 V電纜進行局部放電量、介質損耗因數、直流分量等參量的監測，掌握其絕緣特性。

3.2 城市軌道交通智能化變電站的系統架構

城市軌道交通變電站一次設備的種類眾多、供貨商技術水平參差不齊。因此，智能化變電站在城市軌道交通領域的發展、應用仍相對滯后。本文結合智能化變電站系統架構以及城市軌道交通變電站主要一次設備智能化，以牽引降壓混合變電站為例，初步構建了城市軌道交通智能化變電站的系統架構，如圖6所示。

圖6 城市軌道交通智能化變電站架構示意圖

4 結語

城市軌道交通變電站的智能化發展是必然趨勢，是實現全面、主動、精準、高效的智能化運維模式的重要基礎，也是適應城市軌道交通網絡化發展的客觀需求，對于更好地保障其運營安全，提高效率、節約資源等方面具有重要意義。