智能牽引變電站廣域保護(hù)系統(tǒng)的一種配置方案

南京國(guó)電南自軌道交通工程有限公司 沈珂婷 孫金華

目前鐵路供電領(lǐng)域?qū)χ悄茏冸娬镜奶接懞蛯?shí)踐還在初步發(fā)展階段，多數(shù)國(guó)內(nèi)已有的智能化牽引變電站系統(tǒng)局限于獨(dú)立的各個(gè)變電站、AT所、分區(qū)所分別實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的智能化，僅可構(gòu)成所內(nèi)智能化系統(tǒng)。近年來(lái)隨著廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)概念的提出及推廣，新一代智能牽引變電站以供電臂為單元，將同一供電臂的牽引變電所、AT所、分區(qū)所、開閉所的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)，完成以供電臂為單元的廣域保護(hù)功能及所內(nèi)的站域保護(hù)功能。廣域保護(hù)系統(tǒng)有效地提高了保護(hù)的可靠性、選擇性和速動(dòng)性，為智能變電站的推廣應(yīng)用提供了有利條件。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 三層兩網(wǎng)

智能牽引變電站系統(tǒng)采用三層兩網(wǎng)的架構(gòu)，三層包括過(guò)程層、間隔層、站控層[1-2]，兩網(wǎng)包括過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)。

三層主要設(shè)備配置如下：站控層設(shè)備主要包括當(dāng)?shù)乇O(jiān)控后臺(tái)、通信管理裝置、通信規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置、GPS對(duì)時(shí)裝置等，提供良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)全所設(shè)備的監(jiān)控和管理；間隔層設(shè)備主要包括就地保護(hù)測(cè)控裝置、站域保護(hù)裝置、故障測(cè)距裝置、網(wǎng)開關(guān)監(jiān)控裝置等，實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測(cè)量、控制、計(jì)量、監(jiān)測(cè)等功能；過(guò)程層設(shè)備主要包括智能牽引變壓器、智能高壓開關(guān)設(shè)備、互感器、避雷器等高壓設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電量和開關(guān)位置等信息的實(shí)時(shí)采集，并執(zhí)行分/合閘等操作指令。

網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)物理層：站控層MMS網(wǎng)絡(luò)、過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)。站控層MMS網(wǎng)絡(luò)為以太網(wǎng)，可選擇雙絞線以太網(wǎng)或光纖以太網(wǎng)，用于站控層設(shè)備之間、站控層與間隔層設(shè)備之間信息交換，可采用星型雙網(wǎng)模式；過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)為光纖以太網(wǎng)，用于間隔層與智能終端間的信息交換。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)包含了SV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)及GOOSE過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)[3]，SV網(wǎng)絡(luò)和GOOSE網(wǎng)絡(luò)既可相互獨(dú)立也可共網(wǎng)，本方案采用雙網(wǎng)共網(wǎng)模式為SV/GOOSE雙網(wǎng)，可節(jié)約投資、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)。過(guò)程層交換機(jī)可根據(jù)流量和傳輸路徑通過(guò)合理的VLAN劃分來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

1.2 層次化保護(hù)

智能牽引變電站繼電保護(hù)由牽引變電所、開閉所、分區(qū)所、AT所設(shè)備的層次化保護(hù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)層次化保護(hù)包括設(shè)備的就地保護(hù)、全所的站域保護(hù)、所間的廣域保護(hù)。就地保護(hù)、站域保護(hù)由就地保護(hù)裝置、站域保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)，廣域保護(hù)由就地保護(hù)裝置、站域保護(hù)裝置共同實(shí)現(xiàn)。

2 廣域保護(hù)方案設(shè)計(jì)

為提高智能牽引變電站廣域保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，就地保護(hù)裝置均采用電纜直接采樣模式，其保護(hù)功能不依賴于時(shí)鐘同步系統(tǒng)。27.5kV側(cè)就地保護(hù)裝置采用電纜跳閘模式，主變保護(hù)采用網(wǎng)絡(luò)跳閘模式，站域/廣域保護(hù)裝置采用網(wǎng)絡(luò)采樣/網(wǎng)絡(luò)跳閘模式，站域保護(hù)裝置和就地保護(hù)裝置中的保護(hù)控制功能相互冗余。廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)可充分發(fā)揮所內(nèi)和所間信息共享的優(yōu)勢(shì)，具備分層閉鎖功能，提高控制操作的安全性；具備自愈重構(gòu)功能，能減少停電時(shí)間和停電區(qū)間，提高供電可靠性。

2.1 站控層設(shè)計(jì)方案

站控層設(shè)備主要包括監(jiān)控后臺(tái)、通信管理裝置、通信規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置、GPS對(duì)時(shí)裝置等。監(jiān)控后臺(tái)單機(jī)設(shè)計(jì)，采用無(wú)機(jī)械磨損件的工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)。通信管理裝置采用雙機(jī)熱備用模式，提高可靠性。通信規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置用于接入其它廠家非IEC 61850設(shè)備。

2.2 間隔層設(shè)計(jì)方案

變壓器保護(hù)裝置。采用差動(dòng)、后備保護(hù)合一配置模式，每臺(tái)變壓器均配置2臺(tái)完全一致的變壓器保護(hù)裝置，每臺(tái)保護(hù)裝置均實(shí)現(xiàn)完全的保護(hù)判斷和跳閘功能，裝置采用主控室集中組屏模式。變壓器保護(hù)裝置通過(guò)電纜接入主變高、低壓側(cè)交流保護(hù)電量，每臺(tái)保護(hù)裝置均實(shí)現(xiàn)變壓器差動(dòng)和后備保護(hù)，通過(guò)SV/GOOSE雙網(wǎng)與主變高、低側(cè)智能終端通信，接收主變斷路器、隔離開關(guān)等狀態(tài)信息，發(fā)送保護(hù)跳閘命令，完成對(duì)主變高、低側(cè)斷路器的跳閘操作。變壓器保護(hù)裝置接收主變高壓側(cè)智能終端的本體保護(hù)動(dòng)作GOOSE信息，生成非電量動(dòng)作報(bào)告并錄波。

變壓器測(cè)控裝置。通過(guò)電纜接入主變高、低壓側(cè)交流測(cè)量電量，實(shí)現(xiàn)主變高、低壓側(cè)交流及有功、無(wú)功計(jì)算等測(cè)量功能，通過(guò)SV/GOOSE雙網(wǎng)與主變高、低壓側(cè)智能終端通信，接收斷路器、隔離開關(guān)等狀態(tài)信息，發(fā)送遙控分/合閘命令，完成主變高、低壓側(cè)斷路器、隔離開關(guān)及進(jìn)線隔離開關(guān)的遙控分/合閘操作。裝置采用主控室集中組屏模式。

備自投裝置。系統(tǒng)配置單獨(dú)的備自投裝置。備自投裝置通過(guò)電纜接入2臺(tái)主變的高壓側(cè)電壓和進(jìn)線抽壓電壓，通過(guò)SV/GOOSE雙網(wǎng)接收斷路器、隔離開關(guān)等狀態(tài)信息，發(fā)送開關(guān)分/合閘命令，完成進(jìn)線失壓自投及主變故障自投功能。裝置采用主控室集中組屏模式。

27.5kV間隔層保護(hù)裝置。27.5kV間隔層保護(hù)如饋線保護(hù)、電容器保護(hù)、所用變壓器保護(hù)、自耦變壓器保護(hù)等采用保護(hù)測(cè)控裝置一體化設(shè)計(jì)，安裝在開關(guān)柜上，對(duì)改造所開關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)安裝困難的也可采用在主控室集中組屏方式，均采用電纜接線方式實(shí)現(xiàn)與互感器和開關(guān)的信息交換。間隔層保護(hù)裝置均接入SV/GOOSE雙網(wǎng)。

計(jì)量表。采用常規(guī)的電磁式電度表，采用傳統(tǒng)的電纜接線方式采集主變高壓側(cè)三相電壓、電流作為電度表的計(jì)量交流輸入回路。

網(wǎng)絡(luò)分析記錄系統(tǒng)。配備一個(gè)該系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)以下功能：裝置應(yīng)能實(shí)時(shí)分析報(bào)文，給出預(yù)警信息并啟動(dòng)報(bào)文記錄；能對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]；能離線分析網(wǎng)絡(luò)流量、報(bào)文統(tǒng)計(jì)信息，以及離線還原供電系統(tǒng)一次設(shè)備的波形和動(dòng)作行為的記錄；故障錄波功能。錄波啟動(dòng)可通過(guò)外啟動(dòng)和自啟動(dòng)兩種方式。

站域保護(hù)裝置。每個(gè)所均配置1臺(tái)站域保護(hù)裝置，站域保護(hù)基于全站信息實(shí)現(xiàn)保護(hù)的冗余和優(yōu)化，具有斷路器失靈保護(hù)、簡(jiǎn)易母線保護(hù)、饋出的冗余保護(hù)、所內(nèi)自愈重構(gòu)等功能。站域保護(hù)裝置通過(guò)SV/GOOSE雙網(wǎng)從智能終端和就地化保護(hù)測(cè)控裝置獲取數(shù)字化采樣信息及開關(guān)信息，通過(guò)SV/GOOSE雙網(wǎng)給智能終端和就地化保護(hù)測(cè)控裝置發(fā)出開關(guān)的動(dòng)作信號(hào)及保護(hù)的閉鎖信息等。

廣域保護(hù)裝置。不配置單獨(dú)的裝置，廣域保護(hù)是基于牽引變電所、AT所、分區(qū)所的信息共享，由站域保護(hù)裝置及就地化保護(hù)測(cè)控裝置聯(lián)合完成，實(shí)現(xiàn)供電臂保護(hù)功能、供電單元自愈重構(gòu)等功能。

2.3 過(guò)程層設(shè)計(jì)方案

2.3.1 互感器

對(duì)比電子式互感器+合并單元的采樣方式，由于電子式互感器易受快速暫態(tài)過(guò)電壓（VFTO）的影響，遠(yuǎn)端模塊抗干擾能力較差，合并單元數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼_性依賴外部時(shí)鐘，這些問(wèn)題易引起保護(hù)的誤動(dòng)。因此本方案采用常規(guī)電磁式互感器，通過(guò)電纜接線接入各保護(hù)裝置，提高保護(hù)的可靠性。

2.3.2 智能終端

過(guò)程層設(shè)備主要包括主變高、低壓側(cè)智能終端，可實(shí)現(xiàn)合并單元及智能終端功能。智能終端通過(guò)光纖以太網(wǎng)接入SV/GOOSE雙網(wǎng)與間隔層設(shè)備傳輸信息，智能終端完成主變斷路器和隔離開關(guān)的信號(hào)采集及分/合閘操作，完成變壓器本體保護(hù)功能,支持就地組屏、集中組屏等方式。

主變過(guò)程層設(shè)備按如下配置：變壓器高壓側(cè)智能終端安裝于戶外智能柜，也可集中組屏。每個(gè)牽引變電所配置2個(gè)戶外智能柜，分別就近安裝在2臺(tái)主變附近。主變高壓側(cè)智能終端完成主變本體保護(hù)功能及主變斷路器、隔離開關(guān)、進(jìn)線隔離開關(guān)和跨條隔離開關(guān)等開關(guān)的信號(hào)采集和開關(guān)控制功能。變壓器本體保護(hù)由主變高壓側(cè)智能終端通過(guò)電纜接線直接跳閘高、低壓側(cè)斷路器，非電量動(dòng)作信息通過(guò)SV/GOOSE雙網(wǎng)上送變壓器保護(hù)裝置，由主變保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)故障記錄及錄波；變壓器低壓側(cè)智能終端安裝于開關(guān)柜，對(duì)改造所就地開關(guān)柜不能安置時(shí)也可集中組屏，采用電纜接線實(shí)現(xiàn)開關(guān)量輸入輸出。a、b相斷路器可共同配置1臺(tái)智能終端，實(shí)現(xiàn)2相斷路器的操作和信息采集，也可分別配置智能終端。

主變高、低壓側(cè)智能終端按雙重化配置，并分別與雙重化配置的主變保護(hù)裝置相對(duì)應(yīng)，當(dāng)一套保護(hù)或智能終端異?；蛲顺鰰r(shí)不影響另一套保護(hù)的運(yùn)行。智能終端中的本體保護(hù)按單套配置。

2.4 系統(tǒng)對(duì)時(shí)方案

配置1臺(tái)專用GPS裝置接收衛(wèi)星時(shí)鐘的對(duì)時(shí)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘同步。保護(hù)裝置支持IRIG-B碼對(duì)時(shí)和SNTP對(duì)時(shí)。間隔層和過(guò)程層采用IRIG-B碼對(duì)時(shí)，站控層采用SNTP網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)。

3 系統(tǒng)指標(biāo)

總體指標(biāo)：事件順序記錄分辨率（SOE）≤1ms；遙信變位響應(yīng)時(shí)間≤2s；遙測(cè)信息響應(yīng)時(shí)間≤2s；保護(hù)跳閘與告警響應(yīng)時(shí)間≤2s；遙控傳輸延時(shí)時(shí)間≤2s；監(jiān)控后臺(tái)主機(jī)CPU平均負(fù)荷率正常時(shí)任意30min內(nèi)≤30%、電力系統(tǒng)故障時(shí)10s內(nèi)≤50%；遙控操作正確率=100%；系統(tǒng)平均無(wú)故障間隔時(shí)間（MTBF）≥20000h；主時(shí)鐘時(shí)間準(zhǔn)確度≤1μs；間隔層裝置對(duì)時(shí)精度≤1ms。

保護(hù)元件精確工作范圍：電壓0.01～1.5UN，保護(hù)電流0.05～20IN或0.1～40IN，測(cè)量電流0.01～2IN，頻率45～55Hz。UN、IN為額定值，下同；保護(hù)元件定值誤差：電流元件不超過(guò)±2%整定值或±0.01IN（兩者取較大值），電壓元件不超過(guò)±2%整定值或±0.005 UN（兩者取較大值），時(shí)間元件（定時(shí)限時(shí)）不超過(guò)±1%整定值或30ms；采樣、同步及延時(shí)：采樣頻率4kHz(每周波80點(diǎn))，同步精度＜1μs，守時(shí)精度丟失同步信號(hào)10min后小于4μs，跳閘動(dòng)作延時(shí)≤7ms(從收到GOOSE報(bào)文到節(jié)點(diǎn)輸出)，開入變位傳輸延時(shí)≤2ms(從開入變位到對(duì)應(yīng)GOOSE報(bào)文輸出)。

綜上，本方案采用常規(guī)互感器電纜采樣，避免了電子互感器和合并單元固有缺陷造成的保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。采用SV/GOOSE雙網(wǎng)共網(wǎng)模式，可簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)保證了通信可靠性。通過(guò)SV/GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)，完成整條供電臂上各個(gè)所的所內(nèi)和所間信息共享，從而實(shí)現(xiàn)智能牽引變電站的廣域保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)常規(guī)保護(hù)功能的冗余、優(yōu)化和補(bǔ)充，提高了系統(tǒng)的可靠性。