重載鐵路廣域保護測控系統(tǒng)應(yīng)用方案研究

張志文

0 引言

隨著信息技術(shù)、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、人工智能等新技術(shù)給各行業(yè)帶來了巨大變化，各行業(yè)都在利用新技術(shù)對傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行改造以適應(yīng)社會發(fā)展的需要。鐵路的發(fā)展，尤其是我國高鐵取得的巨大成就，使我國在智能鐵路的研究和發(fā)展中走在了世界前列[1]。智能鐵路是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，智能牽引供電系統(tǒng)是其重要組成部分，值得深入研究。

牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所、接觸網(wǎng)、調(diào)度控制系統(tǒng)等組成，其中牽引變電所設(shè)有各種類型的電氣一次設(shè)備和二次設(shè)備，一次設(shè)備和二次設(shè)備的智能化推動了牽引供電系統(tǒng)智能化的發(fā)展[2]。另一方面，智能牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展也受到了智能電網(wǎng)發(fā)展的影響和推動。文獻(xiàn)[3]介紹了智能電網(wǎng)的發(fā)展背景和發(fā)展歷程，對智能電網(wǎng)新技術(shù)、國家電網(wǎng)公司“堅強智能電網(wǎng)”的實踐進(jìn)行了總結(jié)和展望；智能變電站是智能電網(wǎng)的重要組成環(huán)節(jié)，文獻(xiàn)[4]介紹了新一代智能變電站的建設(shè)背景及構(gòu)成，提出了層次化保護控制體系架構(gòu)，即由就地級保護、站域級保護控制和廣域級保護控制3個層次組成，提高了繼電保護整體的可靠性、選擇性、靈敏性和速動性；文獻(xiàn)[5～7]對電網(wǎng)層次化保護控制的體系架構(gòu)、功能原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹。上述文獻(xiàn)均是圍繞電力系統(tǒng)智能變電站的架構(gòu)、功能及實際應(yīng)用進(jìn)行闡述，在智能牽引供電系統(tǒng)和智能牽引變電所的應(yīng)用中均可借鑒。

文獻(xiàn)[8]詳細(xì)介紹了國鐵集團對智能牽引供電的研究應(yīng)用、工程實踐以及取得的技術(shù)成果；文獻(xiàn)[9]介紹了智能牽引供電系統(tǒng)架構(gòu)，對系統(tǒng)檢測、評估進(jìn)行了討論。上述文獻(xiàn)主要針對高速鐵路智能牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行討論，技術(shù)方案主要針對新建變電所，對普速鐵路、重載鐵路、既有所亭改造等方面未給出明確的方案和建議。

本文結(jié)合新朔鐵路公司重載鐵路牽引供電系統(tǒng)的實際情況，借鑒電力系統(tǒng)、國鐵集團智能牽引供電系統(tǒng)智能變電所技術(shù)方案，研究牽引供電廣域保護測控系統(tǒng)在重載鐵路的應(yīng)用，提出變電所智能化技術(shù)方案，為重載鐵路智能牽引供電系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

1 廣域保護測控系統(tǒng)方案研究

牽引供電廣域保護測控系統(tǒng)滿足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，采用智能一次設(shè)備，或者常規(guī)一次設(shè)備通過智能組件實現(xiàn)數(shù)字化，實現(xiàn)“采樣數(shù)字化、跳閘命令化”，保護按照層次化配置，分為就地保護、站域保護、廣域保護，參考電力系統(tǒng)智能變電站架構(gòu)，牽引變電所廣域保護測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 牽引變電所廣域保護測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中一次設(shè)備采用合并單元、智能終端實現(xiàn)數(shù)字化；就地保護測控裝置按照傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)進(jìn)行配置并完成其功能；站域保護測控裝置完成就地保護功能的冗余和優(yōu)化，并完成站域控制功能；廣域保護測控裝置完成供電臂保護、控制功能；網(wǎng)絡(luò)報文記錄裝置記錄全所網(wǎng)絡(luò)報文，監(jiān)視過程層、站控層網(wǎng)絡(luò)；故障錄波裝置實現(xiàn)獨立的全所故障錄波功能。下文對牽引變電所廣域保護測控系統(tǒng)的架構(gòu)、過程層和間隔層裝置功能配置、站域和廣域保護功能進(jìn)行討論。

1.1 功能研究

牽引供電廣域保護測控系統(tǒng)具備層次化保護、分層閉鎖、重構(gòu)自愈功能[8]。層次化保護功能中，就地保護完成現(xiàn)有自動化系統(tǒng)的全部功能，其中備自投功能通過配置專門的備自投裝置實現(xiàn)，在廣域保護測控系統(tǒng)中可將其納入重構(gòu)自愈功能中統(tǒng)一考慮，測距功能也可納入廣域功能中。站域保護控制功能分為冗余類保護、優(yōu)化后備保護類、安全自動控制類，廣域保護完成區(qū)域電網(wǎng)保護控制相關(guān)功能[10，11]。牽引供電系統(tǒng)作為電網(wǎng)的終端用戶，其電壓等級、供電制式、負(fù)荷特性、保護配置等與電力系統(tǒng)存在較多不同，導(dǎo)致保護功能需求也不同，按照牽引供電系統(tǒng)特點，表1給出了牽引供電系統(tǒng)站域保護功能設(shè)計方案。

牽引供電系統(tǒng)中，220 kV及以上電壓等級的變壓器配置了雙套保護，27.5 kV側(cè)保護均按照單套配置，因此站域保護冗余主要針對27.5 kV側(cè)的保護進(jìn)行配置，以提高保護的整體可靠性。

表1 站域保護功能方案

傳統(tǒng)保護配置中，保護的速動性、選擇性、靈敏性通過主、后備保護的定值和時限綜合考慮，牽引供電系統(tǒng)未配置專門的母線保護和斷路器失靈保護。在站域保護中，可以根據(jù)全站信息實現(xiàn)斷路器失靈保護、母線保護、快速后備保護，在保證保護選擇性的同時實現(xiàn)保護的靈敏性，不再通過定值和時限去折中。牽引變電所備自投功能包括進(jìn)線自投和變壓器自投，實現(xiàn)方式主要是通過配置專門的備自投裝置實現(xiàn)，也有采用變壓器測控裝置通過相互配合完成備自投功能。在智能所中，站域保護裝置可實現(xiàn)全所信息的采集及設(shè)備控制，備自投功能可由站域保護裝置實現(xiàn)，可不再配置專門的備自投裝置。另外，針對變電所其他設(shè)備故障，如某臺饋線斷路器跳閘失靈，可以通過站域保護裝置控制其他開關(guān)設(shè)備動作，隔離故障設(shè)備，實現(xiàn)變電所內(nèi)的重構(gòu)自愈，快速恢復(fù)供電[12]。

文獻(xiàn)[13，14]對全并聯(lián)AT供電方式繼電保護配置的問題提出了供電臂保護方案，解決保護速動性和選擇性的矛盾。文獻(xiàn)[15，16]對樞紐地區(qū)牽引變電所-開閉所多級級聯(lián)供電的繼電保護問題進(jìn)行了分析，傳統(tǒng)保護配置通過本所信息、變電所-分區(qū)所間通過保護的定值和時限實現(xiàn)保護方案，很難解決樞紐地區(qū)保護存在的難題，可通過供電臂保護解決。廣域保護的配置方案見表2。

表2 廣域保護功能方案

供電臂重構(gòu)自愈功能可參考文獻(xiàn)[12]。廣域保護已實現(xiàn)了變電所-AT所-分區(qū)所信息的統(tǒng)一采集，可集成AT測距功能，取消專門配置的AT測距系統(tǒng)，同時可取消AT測距通道。廣域保護測控系統(tǒng)是一個功能集成創(chuàng)新的平臺，其能夠收集全所、全供電臂的信息用于保護、測控功能的現(xiàn)實，表1、表2列出了一些集成創(chuàng)新的功能。隨著國內(nèi)外牽引供電技術(shù)的不斷發(fā)展[17]，廣域保護測控技術(shù)也將得到不斷提升，以解決傳統(tǒng)保護中的技術(shù)難題，獲得更多的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[18]介紹了智能變電站開關(guān)防誤操作的具體方案，提出智能牽引供電系統(tǒng)的分層閉鎖構(gòu)建調(diào)度層-變電所層-間隔層-過程層的閉鎖層次結(jié)構(gòu)，結(jié)合牽引供電系統(tǒng)的特點，可通過在調(diào)度層-變電所層-間隔層均采用邏輯閉鎖，過程層保留必要的硬節(jié)點閉鎖的層次化閉鎖模式，來保證操作的安全。需要說明的是，在重構(gòu)自愈功能中，隔離故障設(shè)備的操作與傳統(tǒng)的防誤操作可能存在矛盾，如斷路器和隔開存在閉鎖關(guān)系，當(dāng)斷路器失靈時，通過隔離開關(guān)來隔離失靈的斷路器，則必須取消傳統(tǒng)的硬節(jié)點閉鎖，此時必須設(shè)置相應(yīng)的重構(gòu)自愈操作邏輯閉鎖條件，以保證其操作的安全性。因此，正常遙控操作和重構(gòu)自愈控制，兩者的閉鎖邏輯條件是不同的，在現(xiàn)有的閉鎖規(guī)程下，為實現(xiàn)重構(gòu)自愈功能，必須去除某些既有設(shè)計中的硬節(jié)點閉鎖。

1.2 裝置優(yōu)化研究

文獻(xiàn)[19，20]對新一代智能變電站站控層、間隔層、過程層設(shè)備從配置優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、功能優(yōu)化集成等方面結(jié)合電網(wǎng)的工程實踐進(jìn)行了討論，對牽引供電廣域保護測控系統(tǒng)的二次設(shè)備配置優(yōu)化具有很好的借鑒意義。

目前牽引供電系統(tǒng)中，牽引變壓器采用保護、測控裝置分開配置的模式，27.5 kV側(cè)采用保護、測控合一裝置，在廣域保護測控系統(tǒng)中，就地保護可沿用該模式。站域保護和廣域保護均需采集各個間隔的信息并完成控制功能，牽引變電所的規(guī)模及供電臂廣域規(guī)模也較電力系統(tǒng)小，因此站域保護測控裝置和廣域保護測控裝置可合并，由一臺裝置完成表1、表2中的全部功能。牽引供電系統(tǒng)中未配置專門的故障錄波裝置，而智能所中配置的網(wǎng)絡(luò)報文記錄裝置記錄全所通信報文，可在報文記錄的基礎(chǔ)上增加故障錄波功能[21]，為故障分析、故障查找提供數(shù)據(jù)支持。

合并單元、智能終端分開設(shè)置以及GOOSE、SV分別組網(wǎng)傳輸，存在經(jīng)濟性差、光口多等諸多缺點。國家電網(wǎng)公司在新一代智能電網(wǎng)建設(shè)中對過程層設(shè)備提出了新的配置原則[22]，220 kV及以上優(yōu)先采用合并單元、智能終端分開配置，110 kV及以下采用合并單元、智能終端一體化配置，同時采用GOOSE、SV共網(wǎng)傳輸?shù)哪Ｊ?。智能牽引變電所的建設(shè)可以借鑒采用這種配置方式。

1.3 系統(tǒng)方案研究

智能變電站采用“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)[3]，“三層”指站控層、間隔層、過程層，“兩網(wǎng)”指過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)，過程層網(wǎng)絡(luò)分為SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)。在智能變電站的發(fā)展過程中有“三網(wǎng)合一”（過程層網(wǎng)絡(luò)、站控層網(wǎng)絡(luò)、時鐘同步網(wǎng)絡(luò)合一）、“四網(wǎng)合一”（GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)、站控層MMS網(wǎng)、時鐘同步網(wǎng)絡(luò)合一）[4]網(wǎng)絡(luò)方案，變電站二次設(shè)備就地化方案中有MMS、GOOSE、SV“三網(wǎng)合一”的技術(shù)方案[23]。由于電網(wǎng)就地化保護多處于掛網(wǎng)試運行、只出口不跳閘方式[24]，結(jié)合智能牽引供電系統(tǒng)實踐與前述分析，牽引供電廣域保護測控系統(tǒng)優(yōu)化后的配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 牽引供電廣域保護測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

牽引供電廣域保護測控系統(tǒng)采用“三層兩網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，過程層220 kV側(cè)采用合并單元、智能終端分開配置，27.5 kV側(cè)采用合并單元智能終端集成裝置，GOOSE和SV共網(wǎng)傳輸以減少光口。間隔層網(wǎng)絡(luò)報文記錄與故障錄波裝置集成，站域保護與廣域保護裝置集成，站域保護測控裝置具備廣域保護功能。站控層采用一體化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，具備智能告警、智能輔助分析等應(yīng)用功能。時鐘同步系統(tǒng)采用北斗+GPS時鐘源，北斗優(yōu)先，兩種模式自動切換。根據(jù)對時精度的要求，采用不同的時鐘同步方式，站控層采用SNTP方式，間隔層和過程層采用IRIG-B碼同步方式，也可采用IEC 61588網(wǎng)絡(luò)同步方式。供電臂內(nèi)的變電所、AT所、分區(qū)所/開閉所通過廣域保護通道連接，廣域保護通道可冗余配置以提高可靠性，取消測距專用通道。

2 重載鐵路廣域保護測控系統(tǒng)應(yīng)用研究

牽引供電廣域保護測控系統(tǒng)目前主要用于新建鐵路中[1，8]，在變電所改造，尤其重載鐵路變電所改造工程中還未有應(yīng)用報道。以新朔鐵路公司為例，公司轄內(nèi)準(zhǔn)池、大準(zhǔn)、巴準(zhǔn)鐵路均屬于重載鐵路，有AT供電方式和直接供電方式，一次開關(guān)設(shè)備有采用戶外布置、戶內(nèi)網(wǎng)柵式布置、開關(guān)柜等形式，采用何種廣域保護測控系統(tǒng)實施方案對既有變電所進(jìn)行改造，以適應(yīng)智慧鐵路及智能牽引供電系統(tǒng)的建設(shè)，值得研究。

根據(jù)層次化保護配置原則，就地保護按照間隔配置，配置站域保護測控裝置完成站域保護控制、廣域保護控制功能。站域保護測控裝置具備備自投功能、所內(nèi)設(shè)備隔離重構(gòu)自愈功能，取消專門的備自投裝置；AT供電模式下具備故障測距功能，取消專門的AT故障測距裝置和測距通道；具備供電臂保護功能、供電臂重構(gòu)自愈功能；對直供方式，根據(jù)需求確定是否需要配置供電臂保護功能和供電臂重構(gòu)自愈功能。具體而言，準(zhǔn)池鐵路為AT供電方式，采用就地-站域-廣域的層次化保護配置，大準(zhǔn)、巴準(zhǔn)鐵路為直接供電方式，采用就地-站域的層次化保護配置，預(yù)留廣域保護實施條件。

對于110 kV牽引變壓器，一般采用主、后備保護分開配置，不采用雙重化配置模式。準(zhǔn)池、大準(zhǔn)、巴準(zhǔn)鐵路均采用110 kV外部電源，相比普速鐵路，重載鐵路對牽引供電的可靠性要求更高，因此廣域保護測控系統(tǒng)的合并單元智能終端集成裝置均采用雙重化配置，保護配置采用主、后備合一的裝置[25]?？刹捎脙煞N配置方式以提高保護的可靠性：第一種方式，由主后合一的就地變壓器保護裝置、站域保護裝置分別對應(yīng)第一、二套合并智能單元集成裝置完成保護功能，實現(xiàn)變壓器保護的冗余；第二種方式，由2套主后合一的就地變壓器保護裝置分別對應(yīng)第一、二套合并智能單元集成裝置完成保護功能，站域保護裝置不再配置變壓器保護。建議采用第二種方式，系統(tǒng)配置見圖3。

對于110 kV電源接入，牽引變壓器高、低壓側(cè)均采用合并單元智能終端集成裝置，雙套配置，分別對應(yīng)主后合一保護裝置，保護裝置與合并單元智能終端集成裝置采用光纖直連模式，測控、網(wǎng)絡(luò)報文記錄及故障錄波、站域保護裝置采用網(wǎng)絡(luò)連接方式，過程層網(wǎng)絡(luò)采用單網(wǎng)、SV和GOOSE共網(wǎng)傳輸。變壓器非電量保護及本體信號通過配置本體智能終端完成，非電量跳閘按照可靠性原則采用電纜直接跳閘，跳閘信號接入第一套合并單元智能終端跳閘回路，同時發(fā)送相關(guān)GOOSE信號到過程層網(wǎng)絡(luò)供其他裝置使用（圖3中本體智能終端連接間隔層、過程層網(wǎng)絡(luò)未表示）。過程層的合并單元、智能終端等智能組件具備MMS接口，過程層智能組件的相關(guān)信息不再由間隔層保護測控裝置接收GOOSE信號后再轉(zhuǎn)換為MMS報文上送，使信息來源清晰化，也可減少裝置之間的虛端子連接，減少工作量，簡化系統(tǒng)配置。27.5 kV側(cè)的保護采用合并單元智能終端單套配置，就地保護測控裝置單套配置，站域保護測控裝置實現(xiàn)保護功能的冗余和優(yōu)化，就地保護與合并單元智能終端采用光纖直接連接，站域保護裝置可采用網(wǎng)絡(luò)連接方式，也可采用光纖直接連接方式。

圖3 變壓器保護配置及網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

既有變電所按照廣域保護測控系統(tǒng)要求進(jìn)行改造，對于一次設(shè)備未到更換年限的，可采用常規(guī)一次設(shè)備就地數(shù)字化模式，對于需要更換一次設(shè)備的情況，可采用智能一次設(shè)備或常規(guī)一次設(shè)備就地數(shù)字化加必要在線監(jiān)測模式，增加的智能組件根據(jù)設(shè)備形式確定安裝方式。取消一次設(shè)備端子箱[26]，GIS設(shè)備，合并單元、智能終端、監(jiān)測智能組件安裝在GIS匯控柜中；對開關(guān)柜設(shè)備，合并單元、智能終端就地安裝在開關(guān)柜二次室；網(wǎng)柵式設(shè)備、戶外設(shè)備采用智能組件柜安裝方式，合并單元、智能終端、監(jiān)測智能組件按照間隔配置原則安裝在智能組件柜中。戶外安裝的智能組件柜必須采取溫、濕度控制措施，保證設(shè)備安全運行；對于戶內(nèi)安裝的情況，采取室內(nèi)整體溫、濕度控制措施，簡化智能柜相關(guān)配置，降低建設(shè)成本。變壓器保護采用在控制室集中組屏的模式，對于27.5 kV側(cè)保護，對全戶外設(shè)備采用控制室集中組屏模式，提高系統(tǒng)的可靠性，高壓室內(nèi)一次設(shè)備采用保護就地安裝模式，減少光纜用量。

3 結(jié)語

牽引供電廣域保護測控系統(tǒng)是智能牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，本文通過對電力系統(tǒng)智能變電站、智能牽引供電的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)的介紹，研究了牽引供電廣域保護測控系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)，給出了具體的實施方案，并結(jié)合新朔重載鐵路的實際情況，討論分析了廣域保護測控系統(tǒng)在重載鐵路的應(yīng)用。

牽引供電與電力系統(tǒng)對站域保護、廣域保護的功能需求區(qū)別較大，本文詳細(xì)分析了牽引供電站域保護及廣域保護功能，對系統(tǒng)裝置優(yōu)化集成方案進(jìn)行了研究，提出了優(yōu)化集成方案。目前，牽引供電廣域保護測控系統(tǒng)主要應(yīng)用于高鐵新建變電所，對既有變電所及重載鐵路的應(yīng)用還缺乏研究，本文研究成果具有一定的參考和應(yīng)用價值。