智能化變電所技術(shù)在牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

姜筱靨

0 引言

電氣化鐵道牽引網(wǎng)是一個(gè)無備用系統(tǒng)，可用性較低，為了保證實(shí)時(shí)監(jiān)視牽引供電系統(tǒng)及設(shè)備的狀態(tài)、快速切除故障、快速判斷故障性質(zhì)、快速重構(gòu)以恢復(fù)供電以及檢修安全的功能需求，需要變電所、分區(qū)所、AT所等的二次設(shè)備全方位采集信息、共享信息、協(xié)調(diào)配合、快速反應(yīng)。

然而，綜合自動(dòng)化技術(shù)是基于牽引供電系統(tǒng)的所間相互獨(dú)立、一次設(shè)備與二次設(shè)備相互獨(dú)立、各二次設(shè)備功能及數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)相互獨(dú)立、控制中心與所級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)相互獨(dú)立的思路而開發(fā)的。由于設(shè)備間接口多、信息共享程度低，造成許多有用的信息無法采集并上送電力調(diào)度中心，而指揮調(diào)度卻依賴于電力調(diào)度中心，因此系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)安全與工作效率較低；另外，鐵路運(yùn)營(yíng)多采用綜合監(jiān)控系統(tǒng)，但若每個(gè)專業(yè)的所有信息都上送，并通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)的中心級(jí)完成智能化判斷，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)營(yíng)的做法將使綜合監(jiān)控系統(tǒng)頭重腳輕、指揮緩慢，一旦中心級(jí)故障，將造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

1 智能變電所技術(shù)的作用

可以設(shè)置以供電臂為單元的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化的信息處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)供電臂單元的實(shí)時(shí)保護(hù)、監(jiān)控等功能，該平臺(tái)位于變電所，并在分區(qū)所、AT所等建立遠(yuǎn)程模塊，通過網(wǎng)絡(luò)納入變電所平臺(tái)。而調(diào)度中心僅做宏觀管理、監(jiān)督和后備，形成調(diào)度中心級(jí)與牽引變電所平臺(tái)的合理分工。

智能化變電所技術(shù)通過先進(jìn)的傳感器、信息、通信、控制、智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備參量數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化與廣域信息同步實(shí)時(shí)采集，也是具備統(tǒng)一模型、時(shí)標(biāo)、規(guī)范、接口、語義的信息平臺(tái)，因此，應(yīng)用智能化變電所技術(shù)能實(shí)現(xiàn)供電臂單元的實(shí)時(shí)全景監(jiān)測(cè)、自動(dòng)運(yùn)行控制以及與所外系統(tǒng)協(xié)同互動(dòng)等功能，達(dá)到提高牽引網(wǎng)供電可靠性，優(yōu)化資產(chǎn)利用率和減少人工干預(yù)目的，實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。

2 智能牽引變電所技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 一次設(shè)備智能化

非磁性/磁光型電壓和電流傳感器、合并單元、智能終端等元件與斷路器、主變壓器、避雷器等高壓設(shè)備有機(jī)結(jié)合，融為一體，形成智能化斷路器、變壓器和避雷器等；把高電壓、大電流直接就地變換成光纖數(shù)字網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，通過高速光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；保護(hù)和控制命令通過光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)送到智能斷路器操作模塊的數(shù)字端口。

2.2 二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化

在智能變電所中，裝置無I/O硬件接口，而通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)的通信協(xié)議遵循IEC61850，該標(biāo)準(zhǔn)具備開放性、系統(tǒng)性和完整性，保證了變電所設(shè)備間的“互聯(lián)、互換、互操作”通過各設(shè)備間的信息交互，實(shí)現(xiàn)變電所二次設(shè)備從設(shè)備冗余到信息冗余。

智能牽引變電所技術(shù)采用的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，和早期的101規(guī)約、103規(guī)約、104規(guī)約不同，它是建立了一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字化變電所平臺(tái)而不是一個(gè)簡(jiǎn)單地通信協(xié)議，充分利用IEC61850的面向?qū)ο蠛头謱臃植妓枷霕?gòu)建，建立全所統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)通信模式，實(shí)現(xiàn)智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備之間數(shù)字化通信，確保智能化二次設(shè)備之間的互通性和互操作性。

2.3 運(yùn)行管理系統(tǒng)智能化

智能變電所能持續(xù)監(jiān)視變電所電氣及其運(yùn)行環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)大“五防”功能，發(fā)生故障時(shí)能提供故障診斷分析報(bào)告，并能自動(dòng)發(fā)出變電所檢修指引，在發(fā)生安防、火災(zāi)、地震等情況時(shí)，應(yīng)根據(jù)預(yù)案啟動(dòng)相關(guān)措施，因此，要求智能變電所具備海量的、全方位的智能化數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)可視化、故障信息綜合分析、智能告警及決策等功能，并能利用統(tǒng)一IEC61850平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)牽引變電所、接觸網(wǎng)、分相裝置等以供電臂為單元的整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行監(jiān)控、保護(hù)和重構(gòu)操作。

3 新建智能牽引變電所網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1示意智能化牽引變電所的架構(gòu)，包括站控層、間隔層和過程層，站控層包括系統(tǒng)主機(jī)、電壓無功控制裝置（VQC）、工作站、北斗/GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)等，根據(jù)IEC61850-5所提的要求，站控層提供了變電所內(nèi)一個(gè)運(yùn)行的人機(jī)聯(lián)系界面，從而實(shí)現(xiàn)了管理間隔層設(shè)備等功能；間隔層由110 kV和27.5 kV保護(hù)、測(cè)控裝置組成；過程層包含由一次設(shè)備和智能組件構(gòu)成的智能終端設(shè)備、合并單元和新型非磁性/光電式互感器等，這意味著智能終端設(shè)備可以隨一次設(shè)備就地安裝。

全站可采用3層2網(wǎng)，2個(gè)網(wǎng)絡(luò)均可采用100 M雙環(huán)形或雙星型工業(yè)以太網(wǎng)。

站控-間隔層網(wǎng)采用構(gòu)建在IEC61850-8-1通信協(xié)議上的MNS冗余以太網(wǎng)，具備了智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的條件，同時(shí)，站控層采用SNTP對(duì)時(shí)，對(duì)時(shí)精度很高，優(yōu)于5 μs。間隔層和過程層之間則通過交換式光纖以太網(wǎng)通信，采用IEC61850-9-1/2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣值通信協(xié)議與GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，同時(shí)，北斗/GPS提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的IRIG-B信號(hào)和時(shí)間信息，確保了間隔層與過程層設(shè)備之間的有效、高速信息傳輸。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，如果牽引變電所信息負(fù)荷率高或包括了供電臂的管理，一般采用冗余的間隔-過程層網(wǎng)。

圖1 智能牽引變電所網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

智能變電所的采樣值傳輸模式是基于IEC61850-9-1和IEC61850-9-2這2種采樣值（SV）傳輸模式，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)化傳輸方式，對(duì)于后者，非磁性互感器通過合并單元輸出的采樣值報(bào)文，經(jīng)過程層交換網(wǎng)絡(luò)傳送給智能設(shè)備，這有利于實(shí)現(xiàn)跨間隔、全站和區(qū)域性的集中保護(hù)，保護(hù)裝置可靈活定義幀格式以及靈活配置數(shù)據(jù)集內(nèi)容，同時(shí)支持單播方式；合并單元可下放至就地端子箱安裝，并只需 1根光纖就可接入主控室的過程層網(wǎng)絡(luò)。鑒于此，故障錄波器可經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接收任一合并單元數(shù)字化的交流采樣信號(hào)。

智能設(shè)備（IED）共同協(xié)助完成自動(dòng)化功能的應(yīng)用場(chǎng)合越來越多，例如間隔層設(shè)備之間的防誤閉鎖、分布式母線保護(hù)以及開關(guān)狀態(tài)傳輸?shù)?，這些功能得以完成的重要前提是眾多 IED之間數(shù)據(jù)通信的可靠性和實(shí)時(shí)性。基于此，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中定義了通用變電所事件GSE模型，該模型提供了在全系統(tǒng)范圍內(nèi)快速可靠地輸入、輸出數(shù)據(jù)值的功能。GSE分為2種不同的控制類和報(bào)文結(jié)構(gòu)：一種是面向通用對(duì)象的變電所事件GOOSE，支持由數(shù)據(jù)集組織的公共數(shù)據(jù)交換；另一種是通用變電所狀態(tài)事件 GSSE，用于傳輸狀態(tài)變位信息。GOOSE即通用面向?qū)ο蟮淖冸娝录?，是一種快速報(bào)文傳輸機(jī)制，由IEC61850-7標(biāo)準(zhǔn)定義的變電所事件模型類；GOOSE服務(wù)的基礎(chǔ)是高速PZP（peer to peer）通信，為邏輯節(jié)點(diǎn)間提供了更可靠和快速的通信，無需硬接線連接；當(dāng)一個(gè)智能電子設(shè)備與其他智能電子設(shè)備相連時(shí)，GOOSE不僅可以作為訂閱端接收數(shù)據(jù)，而且還可以作為發(fā)送端，為其他智能電子設(shè)備提供數(shù)據(jù)。

在大部分智能變電所中，過程層多采用IEC61850-9-2 SV傳輸網(wǎng)絡(luò)，與GOOSE網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立。不過，測(cè)試結(jié)果表明過程層可以實(shí)現(xiàn) SV與GOOSE共網(wǎng)傳輸，并且通信性能在 SV采樣值和GOOSE信息方面都沒有明顯的差異。GOOSE信息采用發(fā)布/訂閱的機(jī)制，它的數(shù)據(jù)量比例較小，利用的帶寬比例也較小，且具備超時(shí)重傳機(jī)制。該共網(wǎng)傳輸大大降低了變電所的投資成本，方便運(yùn)營(yíng)維護(hù)。

4 既有牽引供電系統(tǒng)的智能化改造

對(duì)于傳統(tǒng)的牽引變電所分區(qū)所等，110 kV配電裝置通常為戶外單體設(shè)備，戶外的110 kV GIS尚較少應(yīng)用；中壓側(cè)27.5 kV或2×27.5 kV配電裝置通常戶內(nèi)安裝，近年來，27.5 kV開關(guān)柜（GIS）在高速牽引供電領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。一次設(shè)備本體均設(shè)置端子箱；控制保護(hù)屏、交直流電源等二次設(shè)備一般安裝在牽引變電所控制室內(nèi)，環(huán)境溫度滿足安全運(yùn)行要求。二次設(shè)備與一次設(shè)備端子箱、一次設(shè)備端子箱與一次設(shè)備間采用大量的電纜連接。

一次設(shè)備及既有監(jiān)控系統(tǒng)的智能化改造是既有所智能化改造的關(guān)鍵，需根據(jù)其使用年限及工程投資等多方面比選，確定經(jīng)濟(jì)技術(shù)最優(yōu)的改造方案。

對(duì)于一次設(shè)備智能化改造，根據(jù)智能變電所的基本組成，有 2個(gè)方案：選用新型非磁性互感器+合并單元+智能單元；利用既有的電磁式電流電壓互感器+合并單元+智能單元。從投資角度，第1種方案造價(jià)較高，但智能化改造更徹底；從產(chǎn)品的成熟度角度看，第1種方案尚處于發(fā)展中，需要不斷積累經(jīng)驗(yàn)，而第2種方案較成熟，改造難度??；從產(chǎn)品的技術(shù)角度看，非磁性互感器數(shù)據(jù)的光纖傳輸有一定的延時(shí)，相比于常規(guī)互感器，它的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一定的角差，因此，通常情況下，主變壓器與其低壓側(cè)的跨間隔保護(hù)設(shè)備改造仍采取常規(guī)互感器。

對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的智能化改造，如果被改造的牽引變電所仍采用遠(yuǎn)動(dòng)RTU或集中式的自動(dòng)化系統(tǒng)，首先淘汰RTU設(shè)備，其次完成間隔層以及站控層的綜合自動(dòng)化數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)通信，最后，依照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)二次設(shè)備軟件進(jìn)行升級(jí)。

5 結(jié)語

經(jīng)上述分析，智能牽引變電所技術(shù)無論應(yīng)用于新建還是既有所改造，將會(huì)帶來3個(gè)方面的突破：一是實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備信息就地采集并上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與所智能化平臺(tái)的融合；二是實(shí)現(xiàn)變電所、分區(qū)所等的基礎(chǔ)信息數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）化和一體化，使得相關(guān)智能化所間、智能化所與綜合監(jiān)控系統(tǒng)間的聯(lián)網(wǎng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)了信息系統(tǒng)的一體化、密切分工與協(xié)同互動(dòng)。

總之，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能斷路器、智能熔斷器、新型非磁性/光互感器，以及光纖交換式以太網(wǎng)通信技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了供電臂單元智能設(shè)備間的“互連、互換、互操作”，該技術(shù)是變電所建設(shè)、運(yùn)行、檢修、管理模式的升級(jí)，將高效地實(shí)現(xiàn)整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的智能化運(yùn)行和維護(hù)監(jiān)視，提高牽引供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平，大大降低運(yùn)行維護(hù)成本。

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