牵引变电所智能化应用研究

刘奇光

关键词：牵引变电所;智能化;二次设备

智能变电站是建立于IEC61850通信规范基础之上，包括过程层智能终端、合并单元，间隔层智能IED，站控层监控系统等在内的能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。IEC61850标准提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化形成一个规范的输出，能够使系统无缝连接。随着电力系统智能化变电站的推广，牵引变电所的智能化也成逐步发展的趋势。目前运营的牵引变电所几乎都为常规变电所，研究常规牵引变电所的智能化改造极具现实意义。

一、概述

智能牵引变电所实现总体原则是由变电所数字化一次设备、数字化二次设备，高速网络通信平台共同组成的，通过标准化的数字信息在线采集，实现牵引变电所数据共享和设备互操作，实时在线监测、数据管理、运行状态评估等功能，较传统牵引变电所综合自动化技术有着深入的发展。从体系架构上一般将智能牵引变电所分为三层，即过程层、间隔层、站控层。过程层主要包括互感器、断路器开关等一次设备;间隔层主要包括继电保护装置、故障录波器、系统测控装置等二次设备;站控层主要包括主机、工作站、远动通信装置和其他功能设备。

二、智能牵引变电所主要特点

传统的牵引变电所设计涉及变电部分、数据采集和SCADA监控系统等不同部分。智能牵引变电所基于IEC61850标准，具有全息化在线控制、智能化故障指示，实时化接口数据共享等特点。采用分布式控制技术的牵引变电所接线逐步被过渡淘汰，取而代之的是一个本地网络化智能牵引变电所。如何最大化地将智能变电所技术应用在电气化铁路供电系统中，提高其运行眭能，增加可靠性，确保操作性，简化维护性，解决行车安全问题和控制成本是需要重点解决的问题。IEC61850标准的实施加快了变电站保护及自动化技术的发展，此外基于光电技术传感器检测电压和电流，光纤网络通信、高速以太网和主设备的智能化技术为新型智能化变电站的继电保护及自动化系统的实现奠定了基础。因此，包括信息共享、设备互联和智能运行的技术优势必将对供电系统的保护和控制起到实质性的变化影响。目前，基于IEC61850协议的智能变电站已在供电系统逐步推广，但其中部分细节仍需完善。具体是：（1）虽然光学或电子式互感器已被用于获得保护自动化设备所需的电流和电压信号，但变电站保护大数据处理系统的高级应用功能仍需提高。（2）智能变电站新技术的应用尚属起步阶段，新的设备和控制系统的兼容性、耐用性有一定提升空间。总体构建和实施基于IEC61850的变电站保护和自动化系统，应该利用新的技术来获得比综合微机保护及自动化系统可靠性更高。因此，有必要研究提高变电站新型保护自动化系统可靠性的方法。在分析传统保护系统的基础上，提出了两种基于信息共享备份保护单元和基于信息共享的信号备份的可靠性方案。研究铁路智能牵引变电所的一次设备智能化关键技术的组成构架，通过智能电子设备的组合与集成，实现了增强化的控制和维护智能变电所的网络及软件功能。基于IEC61850协议的智能牵引变电所，实现电子式互感器数字化采样、断路器及隔离开关合分闸状态的网络传输、多功能继电保护、电源管理、设备状态监测等一次设备状态的在线监测主要包括电子式互感器、智能断路器及智能终端。

三、智能牵引变电所网络架构

智能化牵引变电所的架构，包括站控层、间隔层和过程层，站控层包括系统主机、电压无功控制装置（VQC）、工作站、北斗/GPS对时系统等，根据IEC61850-5所提的要求，站控层提供了变电所内一个运行的人机联系界面，从而实现了管理间隔层设备等功能;间隔层由110kv和27.5 kV保护、测控装置组成;过程层包含由一次设备和智能组件构成的智能终端设备、合并单元和新型非磁性，光电式互感器等，这意味着智能终端设备可以随一次设备就地安装。全站可采用100M双环形或双星型工业以太网，站控一间隔层网采用构建在IEC61850-8-1通信协议上的MNS冗余以太网，具备了智能电气设备间信息共享和互操作的条件，同时，北斗/GPS提供统一标准的IRIG-B信号和时间信息，确保了间隔层与过程层设备之间的有效、高速信息传输。在实际的设计中，如果牵引变电所信息负荷率高或包括了供电臂的管理，一般采用冗余的间隔一过程层网。如图。

智能变电所的采样值传输模式是基于IEC61850-9-1和IEC61850-9-2采样值sV传输模式，即点对点或网络化传输方式，对于后者，非磁性互感器通过合并单元输出的采样值报文，经过程层交换网络传送给智能设备，这有利于实现跨间隔、全站和区域性的集中保护，保护装置可灵活定义帧格式以及灵活配置数据集内容，同时支持单播方式;合并单元可下放至就地端子箱安装，并只需1根光纤就可接入主控室的过程层网络。鉴于此，故障录波器可经网络接收任一合并单元数字化的交流采样信号。

智能设备（IED）共同协助完成自动化功能的应用场合越来越多，例如间隔层设备之间的防误闭锁、分布式母线保护以及开关状态传输等，这些功能得以完成的重要前提是众多IED之间数据通信的可靠性和实时性。基于此，IEC61850标准中定義了通用变电所事件GSE模型，该模型提供了在全系统范围内快速可靠地输入、输出数据值的功能。GSE分为不同的控制类和报文结构：一种是面向通用对象的变电所事件GOOSE，支持由数据集组织的公共数据交换;另一种是通用变电所状态事件GSSE，用于传输状态变位信息。GOOSE即通用面向对象的变电所事件，是一种快速报文传输机制，由IEC61850-7标准定义的变电所事件模型类;GOOSE服务的基础是高速PZP通信，为逻辑节点间提供了更可靠和快速的通信，无需硬接线连接;当一个智能电子设备与其他智能电子设备相连时，GOOSE不仅可以作为订阅端接收数据，而且还可以作为发送端，为其他智能电子设备提供数据。在大部分智能变电所中，过程层多采用IEC61850-9-2 SV传输网络，与GOOSE网络相互独立。不过，测试结果表明过程层可以实现SV与GOOSE共网传输，并且通信性能在sV采样值和GOOSE信息方面都没有明显的差异。为了保证过程层数据的实时性，避免不同特点的数据相互影响，系统采用变电所层网络、过程层GOOSE网络和sV传送网三网分离策略。变电所层网络数据的特点是突发性强、数据量大，传送实时性要求不高;过程层GOOSE网数据特点是数据量不大，具有突发性，传输要求可靠性高、实时性强;SV传送网络特点是数据量特别大，呈周期性，传输的要求是实时性、稳定性、可靠性都要非常高，延时需要确定。若三网相互独立，分工明确，可确保整个智能化牵引变电所系统的安全和稳定。GOOSE信息采用发布，订阅的机制，它的数据量比例较小，利用的带宽比例也较小，且具备超时重传机制。该共网传输大大降低了变电所的投资成本，方便运营维护。

四、既有牵引供电系统的智能化改造

对于传统的牵引变电所分区所等，110 kV配电装置通常为户外单体设备，户外的110kV GIS尚较少应用;中压侧27.5 kV或2×27.5 kv配电装置通常户内安装，近年来，27.5 kV开关柜（GIS）在高速牵引供电领域的应用越来越普遍。一次设备本体均设置端子箱;控制保护屏、交直流电源等二次设备一般安装在牵引变电所控制室内，环境温度满足安全运行要求。二次设备与一次设备端子箱、一次设备端子箱与一次设备间采用大量的电缆连接。一次设备及既有监控系统的智能化改造是既有所智能化改造的关键，需根据其使用年限及工程投资等多方面比选，确定经济技术最优的改造方案。对于一次设备智能化改造，根据智能变电所的基本组成方案：选用新型非磁性互感器+合并单元+智能单元;利用既有的电磁式电流电压互感器+合并单元+智能单元。从投资角度，第1种方案造价较高，但智能化改造更彻底;从产品的成熟度角度看，方案尚处于发展中，需要不断积累经验，而第2种方案较成熟，改造难度小;从产品的技术角度看，非磁性互感器数据的光纤传输有一定的延时，相比于常规互感器，它的数据会产生一定的角差，因此，通常情况下，主变压器与其低压侧的跨间隔保护设备改造仍采取常规互感器。对于监控系统的智能化改造，如果被改造的牵引变电所仍采用远动RTU或集中式的自动化系统，首先淘汰RTU设备，其次完成间隔层以及站控层的综合自动化数字化改造，实现设备间网络通信，最后，依照IEC61850标准对二次设备软件进行升级。经分析，智能牵引变电所技术无论应用于新建还是既有所改造，将会带来3个方面的突破：一是实现一次设备信息就地采集并上网，实现与所智能化平台的融合;二是实现变电所、分区所等的基础信息数字化、标准规范化和一体化，使得相关智能化所间、智能化所与综合监控系统间的联网变为现实，实现了信息系统的一体化、密切分工与协同互动。

总之，基于IEC61850标准的智能断路器、智能熔断器、新型非磁性，光互感器，以及光纤交换式以太网通信技术的应用，实现了供电臂单元智能设备间的“互连、互换、互操作”，该技术是变电所建设、运行、检修、管理模式的升级，将高效地实现整个牵引供电系统的智能化运行和维护监视，提高牵引供电系统的安全运行水平，大大降低运行维护成本。