高速铁路牵引变电所数字化设计

■ 张雷

高速铁路牵引变电所数字化设计

■ 张雷

随着我国电气化铁道牵引变电所二次设备技术水平的发展，牵引变电所综合自动化系统被广泛应用。武广高速铁路牵引变电所采用的综合自动化系统技术为牵引供电可靠性及供电质量提供了保障。在对既有经验与技术总结的同时，进一步探索变电所数字化设计的可行性是十分必要的。

1 武广高速铁路综合自动化系统构成

武广高速铁路综合自动化系统采用分层分布式网络结构，系统主要由4部分组成，即调度层、站控层、间隔层和设备层。武广高速铁路新乌龙泉牵引变电所综合自动化系统构成见图1。

调度层位于调度所内，与牵引变电所的联系为图1所示远动通道。牵引变电所内实时信息均被传送到调度层，调度人员根据所传递的信息掌握各牵引变电所的运行状态并能及时处理事故。站控层主要设在各变电所、分区所、AT所和开闭所等控制室内，主要由后台监控机、通信管理机和GPS接收器构成。间隔层由牵引变电所各保护测控单元模块和其他智能仪表构成。每个保护测控单元集保护、控制、测量和智能通信功能于一体，实现数据采集、保护和信息传输功能，也是系统与一次设备的接口。设备层主要是室外高压电设备，如变压器、断路器和隔离开关等。

图1 新乌龙泉牵引变电所综合自动化系统构成图

武广高速铁路综合自动化系统采用集中组屏方式，统一放置于各个牵引变电所主控制室内，间隔层与设备层通过二次电缆完成（见图2）。

牵引变电所内220kV设备均为户外集中式布置，设备本体通过端子排及控制电缆沿电缆沟敷设至主控室的综合自动化显示屏内，在设计、施工工程中需与综合自动化设备、断路器、隔开和变压器等多个设备联络，工作量巨大，接口繁多，较易发生差漏。

2 数字化牵引变电所关键技术

数字化变电站是近年来我国电力系统研究的热点，其基本概念是牵引变电所的信息采集、传输、处理和输出过程全部数字化。与传统的牵引变电所设计相区别，数字化牵引变电所设计主要涉及的关键技术包括电子式互感器的应用、智能化一次设备的研发和牵引变电所基本框架的研究等。

2.1 电子式互感器

电子式互感器包括电子式电流互感器（ECT）和电子式电压互感器（EPT）。种类繁多，结构各异，但最终均在低压部分通过光纤输出数字信号，提供给二次设备。与传统的互感器相比，ECT/EPT绝缘结构简单可靠，体积小，重量轻，无磁饱和问题，频率响应范围宽，精度高，暂态特性好，抗电磁干扰能力强，数据可靠性高；ECT没有开路运行问题，EPT没有谐振问题。

在数字化牵引变电所设计中，对于EPT的选择，可参考国内电力系统的部分工程实例，运用分压式互感器配备智能单元的组合方案，使得电压互感器就地实现数字化信息采集。

根据牵引变电所布置方式，220kV高压设备采用户外常规敞开式布置时，牵引变电所进线电流互感器可采用独立式的ECT，而采用GIS组合电气的2×27.5kV馈线侧可采用嵌入式的电子式电流互感器；考虑到投资成本，传统线圈式配备智能单元方案仍是目前的首选。

此外，可以把电流互感器和电压互感器的功能在同一台设备中实现，即电子式电流电压互感器。当用于牵引变电所进线时，可节约线路侧电压互感器的安装空间，节省用地，减少牵引变电所场坪面积。

2.2 智能化一次设备

数字化牵引变电所内的智能化一次设备主要包括数字化开关和变压器等，其信号回路和操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，常规强电模拟信号和控制电缆被光电数字信号和光纤代替。

智能化一次设备还处于实验室研究和理论论证阶段，国内外均没有成熟产品应用。电力系统实施的工程中，一般采用智能电子设备（IED）。就地安装IED提供数字接口，将传统一次设备通过光缆接入过程层网络，使一次设备具备部分智能化功能。

武广高速铁路在接触网开关控制设计中，通过接触网开关控制箱内集成智能模块，将隔离开关的控制回路及信息回路电信号转化为光信号，并通过光纤接入所内控制单元。牵引变电所内高压设备在线检测系统将数据采集模块分布安装于高压设备本体或端子箱内，对其绝缘、电磁、温度、机构动作、油等指标进行实时监测。随着IED研究的不断发展，牵引变电所对于智能化一次设备的尝试正在不断深化，数字化牵引变电所内设备连接见图3。

牵引变电所户外敞开式布置设备就地配备智能终端，对防湿、防热、防尘和防电磁干扰等各项技术指标的要求较高，一般电磁兼容性指标必须满足IEC标准4级的要求，运行环境温度为-20～+70 ℃[1]。

2.3 数字化变电所系统结构

IEC61850标准在逻辑和功能上将数字化变电所内智能设备分为3层：变电所层、间隔层和过程层[2，3]。其功能分层和接口模型见图4。

过程层主要完成实时电气量检测和设备运行状态参数检测和控制命令的发送和执行；间隔层主要汇总站内本间隔的过程层实时数据信息，实施对该间隔的一次设备保护控制，与变电所层和过程层高速通信等；变电所层主要完成间隔层数据显示，存储历史数据库，在线编程完成全站操作闭锁控制、操作、打印、报警、图像、声音等多媒体功能，也可以对间隔层、过程层各种设备进行在线维护、组态和修改参数。

2.4 数字化牵引变电所的三个模式

过渡型模式。牵引变电所既有过程层和间隔层之间关系保持不变，而在间隔层和站控层之间采用IEC61850标准实现通信机数据处理等操作。此模式下，二次设备可通过在现有成熟的设备基础上完成，具有较高的实用性，便于现阶段推广及老站改造。

实用模式。牵引变电所的间隔层和站控层通过IEC61850协议全部实现数字化，同时ECT/EPT的应用使得过程层基本实现数字化。ECT/EPT 在国内外的运行成功是目前推广数字化变电站最热点关注的焦点，但过程层的一次设备仍是单独的信号回路。

图2 牵引变电所内二次接线示意图

图3 数字化牵引变电所设备连接示意图

完全型模式。通过IEC61850协议、ECT/EPT、智能一次设备，变电所的间隔层、站控层和过程层全部实现数字化。因为智能一次设备目前技术上还没成熟到试运行阶段，此方案目前无法实施[4]。

4 数字化牵引变电所的设计

根据目前数字化牵引变电所产品的发展现状，在经济投资、技术等条件约束下，其设计采用过渡型模式，采购成熟的基于IEC61850标准的二次设备和为一次设备配备IED，从而实现牵引变电所基本数字化（见图5）。

数字化牵引变电所过程层设备主要是所内一次设备（电压互感器、电流互感器、断路器和变压器等）和智能终端设备；间隔层设备主要是牵引变电所综合自动化（保护装置、测控装置）及安全监控系统、交直流系统和接触网开关控制系统；站控层设备主要有监控后台、远动主站及GPS。间隔层与过程层、站控层的网络均采用100 Mbit双星形或双环形工业以太网。

图4 数字化牵引变电所功能结构图

图5 数字化牵引变电所系统结构图

牵引变电所内一些不具备IEC61850通信功能的单元，如交直流系统、接触网开关控制、安全监控系统，统一通过网关进行规约转换，从而接入综合自动化后台。

5 结束语

数字化牵引变电所建设是一个系统工程，要实现全部数字化功能，还有许多技术问题需要解决。目前技术的成熟度、方案的可行性均需要结合工程实际逐步改善。从长远发展来看，还将涉及到数字化分区所、AT所的设计，同一供电臂内牵引变电所信息交互技术、牵引变电所与调度中心信息交互技术和信息安全技术等。

随着新技术和新产品的不断研发，相信在不久的将来，数字化牵引变电所能在工程中逐步实现，从而在高速铁路和客运专线供电系统中发挥重要作用。

[1]陈浩敏，陈伟浩. 数字化变电站设计研究与应用[J]. 广东输电与变电技术，2009，11(2)：59-61

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

[3]IEC. IEC 61850-5 Communication requirements for function and device[S]，2003

[4]李文伟. 浅析数字化变电站自动化系统[J].广东科技，2008，18：157-158

责任编辑王志明

张雷：中铁第四勘察设计院集团有限公司，工程师，湖北 武汉，430063