基于IEC61850的高速鐵路客運(yùn)專線AT所綜合自動化系統(tǒng)配置研究

劉賡然，羅映紅

(蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070)

基于IEC61850的高速鐵路客運(yùn)專線AT所綜合自動化系統(tǒng)配置研究

劉賡然，羅映紅

(蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070)

AT供電方式目前廣泛應(yīng)用于高速鐵路，AT所是AT供電方式的重要組成部分，其對整個牽引網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，電氣化鐵路作為電網(wǎng)的用戶，勢必要進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造。同時，為滿足高速鐵路對牽引供電系統(tǒng)的要求，鐵路電站的IEC61850綜合自動化工程勢在必行?；贗EC61850標(biāo)準(zhǔn)，對某客專AT所進(jìn)行信息建模，完成了間隔層保護(hù)測控IED的配置，并對遠(yuǎn)動方案進(jìn)行探討，初步解決了IEC61850應(yīng)用于AT所綜合自動化系統(tǒng)的問題。

IEC61850;AT所;客運(yùn)專線;綜合自動化系統(tǒng);配置

目前，我國高速鐵路客運(yùn)專線的快速發(fā)展以及既有線路的不斷提速對牽引供電方式的要求在不斷提高。AT供電方式相比其他方式具有更為優(yōu)越的綜合性能，能夠滿足高速客運(yùn)專線對牽引供電方式的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

自耦變壓器站(AT所)是AT供電方式的重要組成部分，其綜合自動化系統(tǒng)對于AT所功能的實(shí)現(xiàn)、自身的監(jiān)控、保護(hù)以及整個牽引網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

IEC61850是國際電工委員會第57工作組制定的為解決變電站內(nèi)信息交互、共享和互操作的國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)通信體系，它詳細(xì)闡述了分層的變電站通信體系結(jié)構(gòu)，采用抽象類和服務(wù)定義，使得標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立于特定的協(xié)議棧、實(shí)現(xiàn)方法和操作系統(tǒng)［1，2］，是變電站綜合自動化系統(tǒng)通信協(xié)議的發(fā)展方向。

1 AT供電系統(tǒng)

1.1 AT牽引網(wǎng)

AT方式下，牽引變電所主變壓器將220kV進(jìn)線電壓變換為2×27.5kV的出口電壓，送至所內(nèi)牽引母線T、F上，通過饋線送至上網(wǎng)點(diǎn)，通過柱上隔離開關(guān)向接觸線T、正饋線F供電。AT供電方式優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)AT供電方式無需提高牽引網(wǎng)絕緣水平即可將供電電壓提高1倍，加之其牽引網(wǎng)阻抗小，故可以大大減少牽引網(wǎng)的電能和電壓損失［3］;

(2)供電臂延長，使得變電所之間的距離增大至90～100 km，這不僅減少了投資，方便了變電所選址，更能夠減少電分相數(shù)目，對高速、重載十分有利;

(3)用電質(zhì)量提高，對鄰近通信線防護(hù)效果最佳。

1.2 AT所綜合自動化系統(tǒng)

自耦變壓器所(AT所)是AT供電系統(tǒng)的重要組成部分，分布于鐵路沿線，每8～12 km設(shè)置1座，所內(nèi)可實(shí)現(xiàn)上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)，并能提高供電電壓。圖1為某客運(yùn)專線典型AT所主接線圖。

圖1 AT所主接線圖

鐵路行業(yè)的綜合自動化系統(tǒng)一般采用分層分布式，主要分為站控層和間隔層［4］，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，當(dāng)?shù)乇O(jiān)控單元、通信管理單元和保護(hù)測控單元是構(gòu)成綜合自動化系統(tǒng)的主要功能單元。

圖2 AT所綜合自動化結(jié)構(gòu)

當(dāng)?shù)乇O(jiān)控單元:系統(tǒng)控制、監(jiān)視、維護(hù)和報表打印等功能;

通信管理單元:遠(yuǎn)方調(diào)度(或當(dāng)?shù)乇O(jiān)控)與保護(hù)測控裝置之間信息的交互、管理和顯示;

保護(hù)測控單元:各種數(shù)據(jù)量的采集、繼電保護(hù)、故障錄波以及信息傳送。

拆下火花塞，通過檢查發(fā)現(xiàn)4支火花塞都存在比較嚴(yán)重的積炭，而且一缸和二缸的火花塞比較潮濕。為了進(jìn)一步驗(yàn)證噴油嘴是否泄漏，筆者打開點(diǎn)火開關(guān)，讓低壓油泵工作，用診斷儀讀取高壓油壓約為6bar(此時高壓泵不工作，實(shí)測數(shù)據(jù)為低壓油壓)，5min左右該油壓就降到2bar左右，這只是從側(cè)面證明發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃油系統(tǒng)確實(shí)存在泄漏現(xiàn)象。反復(fù)操作點(diǎn)火開關(guān)，讓油壓升到6bar左右(低壓和高壓一致)，同時用內(nèi)窺鏡觀察缸內(nèi)情況，發(fā)現(xiàn)二缸的噴油嘴像花灑一樣，往外噴灑很細(xì)小的油滴，活塞頂部也存在一些干涸的油跡。

2 基于IEC61850的AT所綜合自動化系統(tǒng)

2.1 IEC61850簡介

IEC61850是變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)體系，利用分層分布式體系，面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，使得數(shù)據(jù)對象的自描述成為可能，為不同廠商的IED實(shí)現(xiàn)互操作和系統(tǒng)無縫集成提供了可能［5］，其主要內(nèi)容包括功能建模、數(shù)據(jù)建模、通信協(xié)議以及變電站自動化系統(tǒng)工程和一致性測試。與以往標(biāo)準(zhǔn)不同的是，IEC61850沒有僅僅停留在對通信協(xié)議進(jìn)行規(guī)范的層次，而是將重點(diǎn)放在對數(shù)據(jù)傳輸交換制定相關(guān)規(guī)范，具有以下顯著的特點(diǎn)［6］:

(1)按功能劃分邏輯節(jié)點(diǎn)LN，用邏輯設(shè)備 LD抽象物理設(shè)備;

(2)定義抽象通信服務(wù)接口ACSI和特殊通信服務(wù)映射SCSM，使得功能獨(dú)立于具體通信技術(shù);

(3)利用變電站配置語言SCL實(shí)現(xiàn)設(shè)備自描述。

高速客運(yùn)專線AT供電方式的正常運(yùn)行至關(guān)重要，直接關(guān)系到旅客出行的安全舒適和鐵路系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定。AT所作為AT供電方式中必不可少的環(huán)節(jié)，其自身的正常平穩(wěn)運(yùn)行亦尤為重要。高速客專供電系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量多、數(shù)據(jù)采集和傳輸信息量大、實(shí)時性要求高，傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)不能很好地滿足要求。為此，現(xiàn)考慮將IEC61850應(yīng)用于AT所綜自系統(tǒng)中，利用其新的技術(shù)特點(diǎn)，以求滿足牽引供電系統(tǒng)的要求。

2.2 基于IEC61850的AT所保護(hù)測控IED配置

IEC61850中關(guān)于分層分布的一個顯著特點(diǎn)就是一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，間隔層內(nèi)布置各種保護(hù)、測量和控制用二次智能電子設(shè)備IED。參照IEC61850-5、7-3/4，保護(hù)測控 IED中的 LN為 IED設(shè)備的最小功能劃分，完成IED數(shù)據(jù)采集、控制和通信等各項(xiàng)功能。為保證保護(hù)測控IED功能模型的清晰以及裝置的綜合性能，現(xiàn)將各IED按保護(hù)、測控功能獨(dú)立劃分配置。

如上述圖2結(jié)構(gòu)，AT所保護(hù)測控IED主要分為AT保護(hù)測控IED、饋線保護(hù)測控IED和自用變壓器保護(hù)測控IED。按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10620—2009)的11.3.10節(jié)之3～4條、11.3.11節(jié)的規(guī)定以及某新建客專設(shè)計(jì)文件關(guān)于AT所保護(hù)自動裝置配置的要求(圖1)，詳細(xì)劃分保護(hù)測控IED配置如下。

(1)AT保護(hù)測控IED按主保護(hù)、后備保護(hù)、測控3套裝置獨(dú)立劃分如下。

①主保護(hù):重瓦斯保護(hù)PGAS1、二次諧波閉鎖的比率差動保護(hù)PDIF;

③測控:斷路器監(jiān)視XCBR、隔離開關(guān)/地刀監(jiān)視XSWI、變壓器監(jiān)視YPTR、開關(guān)控制CSWI、電氣聯(lián)閉鎖CILO、測量 MMXU、自動重合閘 RREC、故障錄波RDRE、通用輸入/輸出GGIO。

(2)饋線保護(hù)測控IED按保護(hù)、測控獨(dú)立劃分如下。

①保護(hù):進(jìn)線失壓保護(hù)PTUV、電流速斷保護(hù)PIOC、過流保護(hù)PTOC;

②測控:故障定位RFLO、斷路器監(jiān)視XCBR、隔離開關(guān)/地刀監(jiān)視 XSWI、開關(guān)控制 CSWI、電氣聯(lián)閉鎖CILO、測量 MMXU、自動重合閘 RREC、故障錄波RDRE、通用輸入/輸出GGIO。

(3)自用變壓器保護(hù)測控IED按主保護(hù)、后備保護(hù)和測控獨(dú)立劃分如下。

①主保護(hù):電流速斷保護(hù)PIOC、瓦斯保護(hù)PGAS;

②后備保護(hù):過負(fù)荷保護(hù)PTTR;

③測控:斷路器監(jiān)視XCBR、隔離開關(guān)/地刀監(jiān)視XSWI、變壓器監(jiān)視 YPTR、開關(guān)控制 CSWI、測量MMXU、自動重合閘 RREC、故障錄波 RDRE、通用輸入/輸出 GGIO。

將上述內(nèi)容在SCL Manager中進(jìn)行配置，所得結(jié)果如下。

SCL文檔結(jié)構(gòu)分為頭文件 Header、變電站部分Substation、通信部分Communication以及智能電子設(shè)備部分IED，其樹形圖如圖3所示。

Substation部分包含電壓等級和全站設(shè)備連接情況。將能夠完成站內(nèi)一個或幾個功能的、相對獨(dú)立的設(shè)備組成為一個間隔(Bay)，則AT所的間隔劃分如圖4所示。

Communication部分，每個間隔配置一個連接點(diǎn)ConnectedAP，地址為 10.0.0.3～10.0.0.7，網(wǎng)關(guān)和子網(wǎng)地址均為默認(rèn)的10.0.0.101和255.255.255.0，如圖5所示。圖中的OSI_PSEL、OSI_SSEL、OSI_TSEL分別為OSI七層模型中的表示層、會話層和傳輸層地址。

圖3 SCL樹形圖

圖4 Substation樹形圖

圖5 Communication樹形圖

按照間隔來劃分保護(hù)、測量和控制以及其他的輔助功能，構(gòu)成對本間隔設(shè)備的保護(hù)、測控，即為間隔層IED。其樹形結(jié)構(gòu)如圖6所示。依照IEC61850，IED由上至下依次為Server、LD、LN、DA以及DO，以 IED_AT1及其瓦斯保護(hù)節(jié)點(diǎn)PGAS為例，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，可見上述層次結(jié)構(gòu)以及保護(hù)、測控功能節(jié)點(diǎn)的劃分。其中LDevice∶GOPRPT為保護(hù)功能邏輯設(shè)備，LDevice∶GOMMCR為測控功能邏輯設(shè)備。

圖6 間隔層IED劃分

圖7 IED樹形圖

若AT所一次主接線發(fā)生變化，或是間隔層增減IED/LN時，只需在樹形圖結(jié)構(gòu)中進(jìn)行操作即可，并且相應(yīng)的配置文件也會對應(yīng)改變項(xiàng)重新生成。例如，在IED_AT1/LDevice:GOMMCR中添加電壓控制邏輯節(jié)點(diǎn)AVCO，則IED_AT1樹形圖中增加Class:AVCO節(jié)點(diǎn)，SCD文件對應(yīng)增加描述語句，如圖8選中部分所示。

圖8 增加IED/LN操作

3 遠(yuǎn)動方案

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為電力系統(tǒng)自動化行業(yè)發(fā)展建立了全新的標(biāo)準(zhǔn)，雖然目前只是基于變電站的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，但其面向?qū)ο蟮乃枷氡囟〞ξ磥碚{(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響［7］。因此，IEC61850不應(yīng)僅僅局限于變電站內(nèi)部，更影響遠(yuǎn)動系統(tǒng)擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)真正意義上的無縫連接［8］。

IEC61850遠(yuǎn)動系統(tǒng)廣義上分為4層:控制中心層、變電站層、間隔層和過程層［9］。變電站層和間隔層之間采用TCP/IP的以太網(wǎng)，將ACSI映射到MMS進(jìn)行服務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳送;間隔層和過程層之間采用GOOSE和SV通信;變電站層和控制中心之間采用ACSI/MMS通信機(jī)制，2M-SDH專線連接。

本文在AT所遠(yuǎn)動方面考慮采用ACSI/MMS遠(yuǎn)動網(wǎng)關(guān)通信模型［10-11］。該模型中，原有設(shè)備無需進(jìn)行更換，原有通信協(xié)議也不用進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可使用，可以大大減少工作量并能夠節(jié)省投資，是當(dāng)前系統(tǒng)到IEC61850系統(tǒng)的一個平穩(wěn)過渡方案。網(wǎng)關(guān)模型如圖9所示，遠(yuǎn)動信息交換模型如圖10所示。

4 結(jié)語

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是迄今為止最完善的變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議［12］，并且是數(shù)字化變電站的唯一標(biāo)準(zhǔn)，在目前的電力行業(yè)應(yīng)用研究較為廣泛。電氣化鐵路作為電網(wǎng)的用戶，未來也必須進(jìn)行和電網(wǎng)相適應(yīng)的技術(shù)改造。因此，對鐵路電站進(jìn)行IEC61850的應(yīng)用研究勢在必行。

本文基于 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，采用 SCL Manager軟件，針對某客專AT所進(jìn)行了綜合自動化配置，完成了AT所建模工作，并對間隔層保護(hù)測控IED進(jìn)行了配置，最后對遠(yuǎn)動方案進(jìn)行了探討，為今后 AT所的IEC61850改造工程提供了一定的借鑒。

圖9 ACSI/MMS網(wǎng)關(guān)模型

圖10 遠(yuǎn)動信息交換模型

［1］ 王向東.數(shù)字化變電站及在鐵路電路供電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(8):90-101.

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Research on Integrated Automation System Configuration of AT Station of High-speed Railway Passenger-dedicated Line Based on IEC61850

LIU Geng-ran，LUO Ying-hong
(School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

The AT power supply mode has been widely used in high speed railway.As an indispensable component，the AT station is the key to the security and stability of the whole traction network.Being a user of power grid，the electrified railway must undergo corresponding technical reform because the IEC61850 standard is being more and more widely applied in electric power system.At the same time，in order to meet the requirements on traction power supply system of high speed railway，it is imperative to carry out railway substation's IEC61850 integrated automation engineering.In this paper，based on the IEC61850 standard，the information model of the AT station of a passenger dedicated line was established，the configuration of protection，measurement and control IED in the bay level was completed，and the remote control scheme was discussed，so that the problem of using IEC61850 standard in the integrated automation system of AT station was solved preliminarily.

IEC61850;AT station;passenger dedicate line;integrated automation system;configuration

U238;U223

A

1004-2954(2013)09-0096-04

2012-12-25;

2013-03-13

劉賡然(1989—)，男，碩士研究生，E-mail:liugengran@163.com。