智能牽引變電所技術(shù)研究

李志鋒

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智能牽引變電所技術(shù)研究

李志鋒

結(jié)合國內(nèi)外電力系統(tǒng)智能電網(wǎng)的發(fā)展及我國鐵路牽引供電系統(tǒng)存在的問題，研究了智能牽引變電所的技術(shù)方案。對(duì)智能牽引變電所一次設(shè)備智能化方案、設(shè)備配置，保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成、兩級(jí)保護(hù)功能配置，智能輔助系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)等進(jìn)行了研究，得出了適合電氣化鐵路的智能牽引變電所技術(shù)方案，并提出了智能牽引變電所的設(shè)計(jì)原則。

電氣化；牽引變電所；智能

0 引言

“智能電網(wǎng)（Intelligrid）”的概念由美國電力科學(xué)研究院在2001年提出，并于2003年展開對(duì)《智能電網(wǎng)研究框架》的研究，美國能源部隨即發(fā)布Grid 2030計(jì)劃。2005年，歐洲國家提出類似的“Smart grid”概念[1]，2006年歐盟智能電網(wǎng)技術(shù)論壇即推出了《歐洲智能電網(wǎng)技術(shù)框架》[2]。

2009年5月，我國國家電網(wǎng)公司在2009年度特高壓輸電技術(shù)國際會(huì)議上提出了建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的方案[3]。2009年6月，國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)部成立，同年8月，確定了堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)第一批試點(diǎn)項(xiàng)目，標(biāo)志著我國堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)試點(diǎn)工作全面啟動(dòng)。

我國電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)智能化研究也于多年前展開，在自動(dòng)化、智能化方面，對(duì)監(jiān)控、監(jiān)測(cè)設(shè)備和管理平臺(tái)等開展了相應(yīng)的研究。如監(jiān)測(cè)設(shè)備有牽引變電所在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和6C系統(tǒng)；安全方面有綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、SF6氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、防誤操作系統(tǒng)[4]等；監(jiān)控平臺(tái)主要有牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和供電調(diào)度系統(tǒng)（PSCADA系統(tǒng)）。但不同系統(tǒng)間采用不同的平臺(tái)，各系統(tǒng)平臺(tái)相互獨(dú)立，這些系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)采集分散凌亂，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、功能互動(dòng)及技術(shù)支撐平臺(tái)，導(dǎo)致各系統(tǒng)間的信息相互獨(dú)立，交互共享困難。因此，有必要對(duì)智能牽引變電所的技術(shù)方案進(jìn)行研究。

1 智能牽引變電所總體方案

智能牽引變電所應(yīng)具有信息采集數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)功能集成化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊化、高壓設(shè)備智能化和運(yùn)行狀態(tài)可視化等技術(shù)特征[5]，結(jié)合電氣化鐵路特點(diǎn)，滿足無人值守及運(yùn)營維護(hù)需要。智能牽引變電所還應(yīng)具有一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)營維護(hù)系統(tǒng)智能化的技術(shù)特點(diǎn)[6]。智能牽引變電所可由智能一次設(shè)備、保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)、智能輔助系統(tǒng)組成，其總體架構(gòu)見圖1。

圖1 智能牽引變電所總體構(gòu)架

智能一次設(shè)備由設(shè)備本體、傳感器和智能組件組成。智能組件通過電纜或光纖等與傳感器相連[7]，智能組件以測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化、信息互動(dòng)化為特征，由測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量、監(jiān)測(cè)中的部分或全部智能電子裝置集合而成[8]。一次設(shè)備配置的智能電子裝置主要具有繼電保護(hù)與錄波、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備記錄、測(cè)量、計(jì)量和智能操作[9]等功能。

保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備的控制、保護(hù)、測(cè)量和監(jiān)視功能，其通信標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合DL/T 860系列標(biāo)準(zhǔn)。

智能輔助系統(tǒng)集成在線監(jiān)測(cè)、視頻安全監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警等除保護(hù)測(cè)控功能外的各系統(tǒng)功能，并應(yīng)具備向供電段運(yùn)營維護(hù)管理系統(tǒng)發(fā)送信息的功能。

2 一次設(shè)備智能化方案

一次設(shè)備通過安裝在設(shè)備本體上的傳感器或監(jiān)測(cè)裝置采集設(shè)備信息，通過智能輔助系統(tǒng)進(jìn)行診斷，并進(jìn)一步將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上送至運(yùn)營維護(hù)管理系統(tǒng)，通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障早期預(yù)測(cè)、壽命管理等，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一次設(shè)備智能化方案見圖2。

2.1 互感器

互感器是實(shí)現(xiàn)智能牽引變電所運(yùn)行信息采集的基礎(chǔ)，測(cè)量的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、可靠性是智能變電所安全、高效和優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的關(guān)鍵。

目前智能牽引變電所互感器有2種實(shí)現(xiàn)方案，即采用電子式互感器和傳統(tǒng)互感器就地?cái)?shù)字化。

圖2 一次設(shè)備智能化方案

（1）電子式互感器。

電子式互感器相比傳統(tǒng)互感器具有測(cè)量精度高、抗電磁干擾性能好、體積小、絕緣性能好、無二次開路危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，分為有源式和無源式2類。有源電子互感器在高壓側(cè)傳感頭部分需要接入供電電源，無源電子互感器則不需要接入供電電源。

有源電子互感器的關(guān)鍵技術(shù)在于電源供電技術(shù)、遠(yuǎn)端電子模塊的可靠性及采集單元的可維護(hù)性。無源電子互感器的優(yōu)點(diǎn)在于其傳感頭在設(shè)計(jì)上不需考慮電源的供應(yīng)問題，但是這種互感器在技術(shù)上與磁光材料的選擇密切相關(guān)，在環(huán)境溫度、外界壓力等參數(shù)變換的情況下，磁光材料的穩(wěn)定性仍是一個(gè)難以解決的技術(shù)問題[10]。

（2）傳統(tǒng)互感器就地?cái)?shù)字化。

傳統(tǒng)互感器就地?cái)?shù)字化方案示意圖見圖3。

圖3 傳統(tǒng)互感器就地?cái)?shù)字化

傳統(tǒng)互感器就地?cái)?shù)字化方案是將傳統(tǒng)互感器測(cè)量的電流、電壓模擬信號(hào)傳給合并單元，合并單元通過轉(zhuǎn)換，經(jīng)過硬件電路、數(shù)據(jù)采樣和軟件系統(tǒng)的處理，將信號(hào)按IEC 61850-9-2LE通信協(xié)議輸出。

上述2種方案目前都得到了應(yīng)用，牽引變電所在互感器選型時(shí)還需考慮鐵路沿線的振動(dòng)影響、與電力系統(tǒng)計(jì)費(fèi)配合等因素，因此優(yōu)先采用傳統(tǒng)互感器就地?cái)?shù)字化方案。電子式互感器目前發(fā)展很快，當(dāng)其成熟可靠時(shí)，再推廣采用。

2.2 斷路器

根據(jù)斷路器特性，應(yīng)對(duì)斷路器的行程曲線、機(jī)構(gòu)電機(jī)電流、分合閘線圈電流、SF6氣體壓力和微水含量等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

斷路器智能組件應(yīng)支持所屬斷路器間隔各開關(guān)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化控制，控制應(yīng)滿足所屬各開關(guān)設(shè)備的邏輯閉鎖和保護(hù)閉鎖要求。智能組件還應(yīng)支持所屬主斷路器間隔各開關(guān)設(shè)備的順序控制，即接受一個(gè)完整操作的一系列指令，智能組件自動(dòng)按規(guī)定的時(shí)序和邏輯閉鎖要求逐一完成各指令規(guī)定的操作。

考慮電子式互感器體積小的特點(diǎn)，結(jié)合牽引變電所主接線形式，如采用電子式互感器，則可將其與斷路器合并，以減小牽引變電所的占地面積。

2.3 牽引變壓器

對(duì)牽引變壓器主要參數(shù)（油中溶解氣體、油中微水、套管絕緣、局部放電、繞組、鐵芯熱點(diǎn)溫度、鐵芯接地電流等）的監(jiān)測(cè)功能分別由相應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)。

牽引變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置的布設(shè)不應(yīng)影響變壓器的絕緣性能，且應(yīng)維護(hù)簡(jiǎn)單，可靠性高。

由于傳統(tǒng)多組分油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置存在半年至一年更換載氣的問題[11]，維護(hù)成本較高，因此智能牽引變壓器宜采用免載氣方案；繞組、鐵芯熱點(diǎn)溫度的測(cè)量宜采用直接采集方案，采用光纖測(cè)溫。光纖傳感器需安裝于繞組、鐵芯內(nèi)，應(yīng)具有抗高溫、壽命長(zhǎng)、不破壞變壓器絕緣等特性，在組裝變壓器時(shí)，應(yīng)注意保護(hù)光纖，防止斷裂；鐵芯接地電流監(jiān)測(cè)裝置宜采用免維護(hù)型。

局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置可準(zhǔn)確定位變壓器內(nèi)部發(fā)生的絕緣破壞故障位置，但由于局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置易受到外部環(huán)境的干擾而發(fā)生誤報(bào)，因此，其不宜接入智能輔助系統(tǒng)，可以預(yù)留接口條件，當(dāng)其他在線監(jiān)測(cè)裝置發(fā)生報(bào)警時(shí)，再通過局部放電監(jiān)測(cè)的方式，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速維護(hù)維修。

3 保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)

智能變電所保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)利用IEC 61850通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)所內(nèi)信息的相互交換和高效共享。牽引變電所保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)建層次化的保護(hù)功能配置，具備分層閉鎖功能。

3.1 設(shè)備構(gòu)成

在設(shè)備構(gòu)成上，保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)可分為過程層設(shè)備、間隔層設(shè)備、站控層設(shè)備[12]。間隔層設(shè)備從管轄范圍上，又可以分為就地級(jí)保護(hù)測(cè)控和站域級(jí)保護(hù)測(cè)控。過程層設(shè)備與間隔層設(shè)備之間通過過程層網(wǎng)絡(luò)交換信息；間隔層設(shè)備與站控層設(shè)備之間通過間隔層網(wǎng)絡(luò)交換信息。其設(shè)備構(gòu)成如圖4所示。

（1）過程層設(shè)備包括智能組件、合并單元、智能終端等，對(duì)220 kV及以上牽引變電所，變壓器高壓側(cè)的合并單元、智能終端應(yīng)采用雙重化配置。

（2）牽引變電所間隔層就地級(jí)保護(hù)測(cè)控裝置包括主變保護(hù)、主變測(cè)控、饋線保護(hù)測(cè)控、故障測(cè)距、通用測(cè)控、接觸網(wǎng)開關(guān)監(jiān)控等裝置以及網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析儀等，其中220 kV及以上主變保護(hù)裝置應(yīng)采用雙重化配置方案，若27.5 kV設(shè)備為開關(guān)柜，可將就地保護(hù)測(cè)控裝置安裝于開關(guān)柜小室內(nèi)，以節(jié)省控制室房屋面積和線纜長(zhǎng)度。

（3）站控層設(shè)備包括一體化監(jiān)控后臺(tái)、時(shí)鐘同步裝置、遠(yuǎn)動(dòng)通信機(jī)、測(cè)距管理機(jī)等。

圖4 保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

3.2 保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)功能配置

保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)完成智能牽引變電所的數(shù)據(jù)采集、保護(hù)運(yùn)算、邏輯輸出和命令處理等功能。

3.2.1 就地級(jí)保護(hù)測(cè)控裝置

就地級(jí)保護(hù)測(cè)控裝置利用被控對(duì)象自身信息進(jìn)行獨(dú)立判斷，實(shí)現(xiàn)可靠、快速地切除故障，并可對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行測(cè)量、控制，完成間隔內(nèi)的開關(guān)邏輯閉鎖。包括主變保護(hù)、主變測(cè)控、饋線保護(hù)、故障測(cè)距等。

（1）牽引變壓器。牽引變壓器分別配置主變保護(hù)裝置、主變測(cè)控裝置，完成變壓器的保護(hù)、測(cè)量、控制、備自投等功能。

主變保護(hù)裝置完成差動(dòng)、高低壓側(cè)過電流、過負(fù)荷等保護(hù)功能，同時(shí)接收本體智能組件GOOSE信號(hào)記錄非電量保護(hù)。

主變測(cè)控裝置完成變壓器高、低壓側(cè)電氣測(cè)量，相關(guān)斷路器和隔離開關(guān)的控制，同時(shí)完成主變故障備用變壓器自動(dòng)投入、進(jìn)線失壓備用電源自動(dòng)投入等備自投功能，開關(guān)控制具備邏輯閉鎖功能。

（2）饋線。每條饋線對(duì)應(yīng)一套保護(hù)測(cè)控裝置，饋線保護(hù)測(cè)控裝置完成距離、電流速斷、過電流、電流增量保護(hù)及自動(dòng)重合閘功能，完成饋線間隔的1個(gè)饋線斷路器、2個(gè)電動(dòng)隔離開關(guān)控制和閉鎖功能，測(cè)量采集間隔內(nèi)電流和電壓值。

（3）故障測(cè)距。以供電臂為單元，在牽引變電所、分區(qū)所、AT所各配置一臺(tái)AT故障測(cè)距裝置，構(gòu)成故障測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距功能。

3.2.2 站域級(jí)保護(hù)測(cè)控裝置

站域級(jí)保護(hù)測(cè)控裝置利用牽引變電所內(nèi)多個(gè)對(duì)象的電氣量、開關(guān)量和就地級(jí)保護(hù)設(shè)備狀態(tài)等信息，集中判斷，實(shí)現(xiàn)保護(hù)的冗余和優(yōu)化，完成并提升牽引變電所的安全自動(dòng)控制功能及間隔之間的開關(guān)邏輯閉鎖功能。

站域級(jí)保護(hù)測(cè)控裝置基于牽引變電所全部信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的冗余和優(yōu)化，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。除了冗余就地級(jí)主變保護(hù)、饋線保護(hù)功能外，還可實(shí)現(xiàn)母線快速保護(hù)和斷路器失靈保護(hù)。

（1）母線快速保護(hù)。綜合運(yùn)用主變低壓側(cè)和線路側(cè)電氣量信息，判斷故障區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)母線的快速保護(hù)。

（2）斷路器失靈保護(hù)。當(dāng)斷路器失靈時(shí)，跳開位于其上一級(jí)的斷路器，然后通過隔離開關(guān)隔離失靈的斷路器，并啟動(dòng)自愈功能。

4 智能輔助系統(tǒng)

智能輔助系統(tǒng)整合、優(yōu)化、管理及控制牽引變電所的各種輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，其集成了視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全防范、門禁、火災(zāi)報(bào)警、動(dòng)力照明控制、在線監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能一次設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)及對(duì)輔助設(shè)備的管理控制，還具備智能圖像識(shí)別、智能聯(lián)動(dòng)和控制功能，并具備與保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)的信息共享及信息互動(dòng)功能。

智能輔助系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用2層架構(gòu)，由間隔層和平臺(tái)層組成。

圖5 智能輔助系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

5 智能牽引變電所設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則

智能牽引變電所在我國電氣化鐵路建設(shè)領(lǐng)域剛剛起步，我國鐵路智能牽引變電所的建設(shè)應(yīng)做到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

（1）智能牽引變電所無論是在接口定義、數(shù)據(jù)傳輸、通信協(xié)議，還是在軟、硬件平臺(tái)配置等方面均應(yīng)遵循相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，兼容不同廠家的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并能與其它相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行互連互通和信息共享。

（2）智能牽引變電所在硬件架構(gòu)及系統(tǒng)功能上能夠隨著鐵路電氣化的發(fā)展而方便靈活地進(jìn)行容量、功能擴(kuò)展。

（3）在軟、硬件配置及產(chǎn)品性能方面，必須滿足高可靠性、高安全性的要求。

（4）設(shè)置的傳感器應(yīng)具有良好的電、磁屏蔽措施和環(huán)境適應(yīng)能力，如可內(nèi)置亦可外置的設(shè)備，應(yīng)采用外置式。內(nèi)置傳感器宜采用無源型，使用壽命應(yīng)不小于設(shè)備本體的使用壽命；外置傳感器的安裝應(yīng)滿足整潔美觀、易維護(hù)、不降低高壓設(shè)備外絕緣水平等要求。

（5）保護(hù)測(cè)控裝置應(yīng)滿足GB/T 14285規(guī)定的繼電保護(hù)選擇性、速動(dòng)性、靈敏性、可靠性的要求。

6 結(jié)語

智能牽引變電所的建設(shè)應(yīng)滿足自動(dòng)化、信息化、無人值守和運(yùn)營維護(hù)需求；配置的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)壽命長(zhǎng)、可靠性高；智能組件應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活可靠且具有良好的可擴(kuò)展性；所內(nèi)除保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)外的各系統(tǒng)應(yīng)可予以整合，實(shí)現(xiàn)信息共享和互動(dòng)；保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)配置宜分為站域級(jí)和就地級(jí)，站域級(jí)可對(duì)全所保護(hù)實(shí)現(xiàn)冗余配置。

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With connection to development of smart grid and problems existed in traction power supply system in our country, analyzing is made on technical schemes for intelligent traction substation. On the basis of analysis of primary equipment intellectualization scheme, equipment allocation, composition of protection and measurement system, configuration of two-level protection functions, overall technological structure of intelligent auxiliary system, technical schemes for intelligent traction substation are obtained, and design principles for intelligent traction substation are put forward.

Electrification; traction substation; intellectualization

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.04.001

U224.1

A

1007-936X(2017)04-0001-05

2017-04-24

李志鋒.中國鐵路總公司，高級(jí)工程師，電話：010-51842873。