智能牵引供电系统现场试验评估技术研究

杨斯泐，李 强，董文哲

(中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081)

基于IEC61850协议的智能化变电站已经广泛运用于电力系统中，较为成熟的智能站技术能够有效地帮助铁路牵引供电系统完成智能化升级。智能牵引变电所对比传统牵引变电所，具有数字化、信息化程度高，运用维护成本低,故障排除快，节能环保等特点，是未来高速铁路牵引变电系统的发展趋势[1]。我国已在山西中南部铁路通道首次应用数字化牵引变电所。数字化牵引变电所是智能牵引供电系统的重要技术基础，而铁路牵引供电中还没有真正意义上的全数字化变电所，研究中提出了智能牵引供电系统试验评估的概念，系统化的试验评估技术为牵引供电系统数字化、智能化建设积累技术和经验。

我国高速铁路多釆用全并联AT方式的牵引供电模式，以满足动车组速度等级高、行车密度大、重联运行牵引功率成倍增加的需求。AT所、分区所作为供电单元的重要组成部分，牵引供电系统所亭之间需要智能互联技术进行沟通，达到信息的共享，通过智能化技术判定故障。

以智能牵引变电所为基础的供电系统，模拟量转化为数字量的信号采样方法，电缆转化为光缆的数据传递介质的改变，使得智能牵引变电所安装调试和试验评估方法与传统牵引变电所有了较大的差异。智能牵引变电站中，所有的控制、保护以及电流、电压信号都是在网络中以数字信号传递，传统的模拟信号采集的测试手段不再适用。通信网络的功能对变电所控制保护系统的功能起更大作用。目前，针对智能牵引变电所的测试设备尚不多见，其检测手段相对于传统方法还十分有限，有必要针对智能牵引供电系统的试验评估方法和理论进行规范。从分系统的角度出发，探讨适应智能牵引变电系统的调试要点和方法，对推动智能牵引供电系统的建设与发展有积极的指导意义。

1 基于IEC61850标准的智能牵引供电系统

1.1 智能牵引变电所模型

智能牵引变电所模型建立在先进的网络通信协议基础之上。智能化设备模型可以映射到通信协议中，通过分层、分布的通信网络体系，面向对象建模，提供对象的自我描述和配置，模块化的信息传输服务，实现智能牵引供电系统的网络互联[2]。

智能牵引变电所网络模型构建为过程层、间隔层和站控层的3层结构。过程层是连接一次设备的通道，通过电子式互感器完成电压和电流等电气参数的检测，以智能开关等设备实现设备运行状态参数检测，通过过程层控制命令的发送和执行；间隔层面向通用对象的变电站事件报文(GOOSE报文)、实时传输数字采样信息的通信服务报文(SMV报文)等过程层传输的实时数据信息，通过间隔层设备进行保护、测控、计量、录波等功能，分析并完成一次设备保护控制，并把数据信息高速传输给站控层设备；站控层得到间隔层传输的信息，完成数据显示，数据存储，实时完成智能所内操作闭锁控制、操作、打印、报警、图像、声音等多媒体功能。智能牵引供电系统试验评估的数据信息主要来源于过程层采样信息数据和间隔层实时数据信息[3]。

智能牵引供电系统的硬件，主要由一次设备、过程层设备、间隔层设备和站控层设备组成。一次设备包括电子式互感器、智能化开关和主变本体智能终端等。过程层设备包括合并单元，智能开关操作箱。间隔层设备包括智能化保护测控装置、智能化计量仪表，同步时钟系统、工业级网络交换机等。站控层设备包括监控系统，故障信息系统和工程师工作站等。

其中智能高压一次设备是获取智能变电所数字化数据的基础，从智能高压设备及时获取信息数据是整个试验评估技术的核心。

智能变压器和智能高压开关能够通过通信网络把其运行状态信号和数据实时通过过程层传输给间隔层控制系统，使牵引供电系统对一次设备进行有效的监测和诊断。

1.2 IEC61850标准在牵引供电系统中的运用

IEC61850标准设计之初是解决变电站内相互通信。由于变电站内、变电站与调度中心、调度中心之间存在各类协议的不兼容问题，需要协议转换才可连接，效率低下，稳定性差。从而有必要从信息源，变电站的过程层到调度中心之间采用统一的通信协议，统一建模的数据对象和协调一致的标准，于是建立了IEC61850通信体系结构[4-5]。

智能化牵引变电所的IEC 61850协议与传统牵引变电所的SCADA协议仅定义传输方式意义不同。IEC61850协议规定了多层结构通信网络的定义、面向对象的建模技术、系统的搭建和用户管理系统的设置等多方面的规范和要求。系统集成商可以通过系统配置文件(SCD)配置整个智能牵引变电所的结构和布局[6]。

2 智能牵引变电所的试验模型

2.1 智能牵引供电系统检测标准和方法

智能牵引供电系统仍处于发展阶段，检测的标准和方法主要来自于变电所智能化改造的调试规范和智能化设备产品标准。验证功能性试验为主要内容，缺少对牵引供电系统的整体考虑。主要参考以下技术规范和标准。

《变电站智能化改造技术规范》(Q/GDW Z 414—2010)适用于变电站阶段性智能化改造，对于关键一次设备增设相应的状态监测功能单元，完成一次设备状态的综合分析评价。二次系统主要由直采直跳模式逐步转化为通过网络传输电流、电压采样值及跳闸控制信号。

《智能变电站自动化系统现场调试导则》(Q/GDW 431—2010)主要为智能变电站自动化系统的现场调试提供帮助，侧重于现场调试计算机监控、继电保护，采样值系统等内容。

《智能牵引供电系统总体技术方案》(科技装函[2016]73号)、《智能牵引供电系统主要设备技术条件》(科技装函[2016]180号)主要为智能牵引供电系统建设的归纳性文件，指导智能牵引供电系统的搭建和提出的智能化设备技术条件。

根据目前智能牵引供电系统执行的相关规范和标准，在试验期间，测量和监视一次设备的电压、电流互感器采集的数据完整，并能在过程层完成信息交互流程，要求信息交互功能正常、监测参量的技术指标准确并符合要求。在整个试验周期内，对智能牵引变压器、断路器、隔离开关、GIS开关柜等关键智能一次设备(包括智能柜)运行状况进行监控和数据交换。通过过程层网络获取的试验数据，是分析智能牵引供电系统运行状态的核心。间隔层智能装置功能的测试与传统设备的测试的区别在于，间隔层智能装置的输入/输出都是通过数字信号相互通信来实现的。应采用基于IEC 61850标准的测试仪器，对间隔层智能装置进行性能测试[7]。

同时，一些原有的检测项目已经不适用于检测间隔层设备产品。智能化牵引变电所测试装置，在过程层完成对符合IEC61850协议的相关报文解析，间隔层智能测控保护装置将接收过程层传输的数字信号，而不是以前的模拟量交流采样值，因此对采样数据精度的考核将转化为过程层的光信号准确度。

除传统的测试项目外，间隔层还需要增加对过程层信息的检测功能，在线收集来自过程层的采样值报文和过程层的GOOSE报文，对来自过程层的数据完备性进行评估，对可能发生的丢包、积错、误码，延时、同步性等问题及时进行告警和记录，同时测试过程层数据异常时的动作情况。

2.2 网络报文解析技术

智能牵引供电系统试验评估技术的关键在于对SMV、GOOSE报文进行实时采集捕获和解析。在配置正确的SCL文件后，智能检测设备应实时显示数据包的信息，并实时解析报文内容；能够实现离线报文解析、异常报文告警；能够实现数据的统计分析功能；能够实现SMV离线波形图的显示；能够实时记录存储SMV和GOOSE数据报文。GOOSE和SMV报文进行相应的PCAP(通用数据格式)文件存储，报文的解析放在解析模块中实现[8-9]。

2.2.1 SMV报文解析

采样值报文的获取是根据以太网类型标志位来实现的，采样值报文拥有专用的以太网类型，通过此标志位来对报文进行过滤，就能得到所要解析的采样值报文。目前主要采用IEC61850-9-2协议报文解析模块[10-11]，用于接收SMV采样值报文，以有效值、波形、序量、相量、谐波等多种方式显示分析结果，还可进行采样值报文丢帧统计。

SMV功能模块接收并分析IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、FT3(IEC61850系列报文格式)的采样值报文，可对报文进行丢帧统计，遥测量可采用表格、波形、矢量图、序量等方式进行监测，也可以进行互操作和数据分析统计。图1为SMV报文的传输通道示意[12]。

图1 SMV报文传输通道示意

2.2.2 GOOSE报文解析

GOOSE报文用于智能设备之间通过协作完成某一自动化功能，实现设备间可靠、实时通信是GOOSE报文的功能[7]。由于GOOSE传输保护跳闸等实时性报文，所以为了降低报文处理过程中的延时，IEC61850在定义GOOSE服务机制时，去掉了网络层和传输层，直接映射到数据链路层和物理层传输，在数据链路层获取GOOSE报文之后对其进行解析，报文解析模块用于接收GOOSE报文，显示GOOSE报文的变位情况。[13-14]

2.3 智能牵引供电系统试验评估原理

智能变电站评估试验主要针对过程层中的采样值和间隔层实时交换数据进行分析，对过程层、间隔层设备和系统功能进行测试，具体针对智能供电系统网络化保护和故障标定的准确性和智能化提出了更高的要求。

针对智能牵引变电所目前所采用的不同测试方法进行分析比较，并根据实际情况和传统变电所相关经验，满足IEC61850相关设计要求。对智能牵引供电系统的功能分析，对不满足应用的标准模型进行了适当扩展，建立试验系统和体系牵引供电系统功能需求的IEC61850设备模型，设计了一套适应牵引供电系统试验的评估方案。智能牵引变电所评估原理如图2所示[15]。

图2 智能牵引变电所评估原理框图

智能变电站采用微处理器和光电技术结合设计采样信号回路和操作控制驱动回路，网络交换机及数字公共信号网络取代了传统的导线连接。通过解析过程层数字信号，正确配置间隔层智能电子设备(IED)，利用IEC 61850规约的特点，重构和还原电参数信号，实现对智能牵引供电系统谐波、功率、正负序电压等电能质量参数的解析，保证通信信号的准确快速传输，形成对智能设备的闭环反馈，从而完成对系统的评估工作[16]。

3 智能牵引供电系统的试验方法

3.1 智能牵引供电系统运行参数测试

3.1.1 试验目的

研究智能牵引供电系统内智能一次设备的运行参数，并为牵引供电系统的运行控制提供依据。因此，主要对智能变电所通过录波和故障记录系统实时采集所内网络的采样值报文和GOOSE报文、MMS报文等网络通信信息，对系统内智能设备的运行状态进行评估和记录[17]。

3.1.2 试验内容

智能牵引供电系统运行参数测试，试验内容如下。

(1)在线收集来自过程层的采样值报文，对来自过程层的数据完备性进行评估。对可能发生的丢包、积错、误码、延时、同步性等问题及时进行告警和记录。

(2)在线收集来自过程层的GOOSE报文，对来自过程层的开关量信息的完备性进行评估和记录。

(3)在线收集站内IED所发出的GOOSE报文，并进行记录[18]。

(4)在线收集站内IED所发出的MMS报文，并进行记录。

(5)对采样值报文，GOOSE报文，MMS报文分类解析，形成对牵引变电所的主变压器原、次边同时连续记录测试：220 kV侧母线电压；母线电流；2×27.5 kV侧母线电压；馈线电流。AT分区所记录测试：分区所两侧接触网末端27.5 kV电压；供电臂上、下行穿越电流；AT分区所两侧AT吸上电流。AT所测试：接触网27.5 kV电压；供电臂上、下行穿越电流；AT吸上电流。图3为智能变电所报文重构后接触网电压及功率的波形[19]。

图3 智能所报文重构后接触网电压及功率

(6)对越区供电方式、分开供电方式等应急供电方式进行试验评估。

3.1.3 试验方法

采用光数字化采样装置，对满足IEC61850规约报文进行采样分析。因保护装置不再有模拟量输入、AID等电路，间隔层智能测试设备直接通过网络接收数字信号。因此对于现场间隔层智能装置试验人员来说，相当于二次回路已经不复存在，只需测量数字信号的正确性[20-21]。

采样装置对智能变电站过程层和间隔层的网络通讯协议(IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、IEC60044-7/8[19]、GOOSE、IEEE1588)进行实时解析和监视，并分析其中传输的数字化信号。现场显示分析结果：如电压电流的有效值、相角、谐波、功率等。对过程层采样结果进行DFT计算和相关分析，统计归纳得出各项被测项目的有效值、最大值、波形、各次谐波分量、变压器原次边输入输出功率、功率因数等内容。

3.2 智能牵引供电系统短路试验

3.2.1 试验目的

通过对接触网进行人工短路试验，能够有效地对智能供电系统保护装置的保护动作正确性和故障测距的准确性等方面进行检验。

传统变电站背景下的测距装置的信号采集，主要在常规的模拟量基础上进行，而智能变电所实现了信号采集数字化，测距装置信号分析通过GOOSE报文解析。而变电站实现数字化背景下，消除了变电所与AT所之间的孤岛化信息瓶颈，对信息暂态过程的分析更加实用，能够利用测距原理更为准确地完成故障测距工作[22]。

3.2.2 试验内容

智能牵引供电系统接触网短路试验内容如下。

(1)在线收集来自短路试验期间，过程层和间隔层的采样值报文，对来自过程层的数据完备性进行评估。对短路试验采样时可能发生的丢包、积错、误码、延时、同步性等问题及时进行告警和记录。

(2)在线收集来自接触网短路，过程层的GOOSE报文，分析保护动作的正确性，及时性，保护定值是否满足要求，图4为短路试验报文重构后的波形。

图4 短路试验后报文重构的波形

(3)在线收集站内智能设备所发出的MMS报文，并对MMS报文的准确性进行确认。

(4)分析智能牵引供电系统各所在短路试验过程中，信息传输和交流的稳定性，准确性问题，信息孤岛问题的解决和相互信息的传递。

3.2.3 试验方法

在接触网短路测试地点，将接触网T线对地或F线对地经断路器短接(或T线对F线间短接)。通过在过程层和间隔层收集采样值报文和GOOSE报文，解析报文后连续记录短路电压、电流波形；每一次短路测试后，及时分析变电所、AT所、分区所故障报告数据。

根据报文数据分析馈线电流、电压，短路点位置，计算短路点所在供电臂线路阻抗，验证保护动作，并记录波形，定位短路故障位置及准确度。

4 结论

通过研究智能牵引供电系统现场试验评估技术，比较传统牵引变电所的测试方法，以IEC61850标准为基础，分析智能牵引供电系统的模型建立和试验测试原理，结合标准化和工程实施规范等，明确了智能化牵引供电系统的试验目的，分析了试验内容，提出了试验方法。

目前国内智能牵引供电系统仍在建立过程中，需从建设过程和试验过程中对问题不断的汇总和交流，以新的思路和方案支持智能牵引供电试验，为智能牵引供电系统的发展提供参考。