既有牽引變電所智能化改造實(shí)施方案

何柏杉 唐玫 汪潤澤 張果

（四川鐵道職業(yè)學(xué)院）

1 現(xiàn)狀研究

在“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略指導(dǎo)下，我國高速電氣化鐵路發(fā)展十分迅速。牽引變電所作為牽引供電系統(tǒng)和鐵路電力系統(tǒng)的能源分配和信息控制的樞紐一般采用綜合自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般采用分層分布式集中組屏結(jié)構(gòu)，將變電所所內(nèi)設(shè)備分為變電所層、間隔層、設(shè)備層三個(gè)物理層。間隔層包含測量、控制和保護(hù)等部件，通過RS 485通信電纜與設(shè)備層進(jìn)行通信，各間隔之間通過現(xiàn)場總線或局域網(wǎng)進(jìn)行通信，變電所層一般由工業(yè)以太網(wǎng)通過光纖供各主機(jī)之間和間隔層之間通信。綜合自動化系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了信息共享，提高了設(shè)備利用率，自動化程度顯著提高。

但是，牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)也出現(xiàn)了以下問題：①接入綜合自動化系統(tǒng)的各層各系統(tǒng)的通信協(xié)議難以統(tǒng)一，大量規(guī)約需要轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互聯(lián)，設(shè)備間互操作性差。②雖減少了變電所層與間隔層電纜的使用，但互感器直接采集的大量模擬信號通過二次電纜進(jìn)行傳輸，易受到電磁線路的干擾，抗干擾能力較差。③通信電纜數(shù)據(jù)傳輸效率、傳輸能力、誤碼率高，難以傳輸海量的原始數(shù)據(jù)，成為自我預(yù)測和自我修復(fù)等智能化改造的瓶頸。因此，開展?fàn)恳冸娝悄芑脑鞂?shí)施方案的研究具有較強(qiáng)的工程意義。

2 變電站智能化的發(fā)展趨勢

2.1 智能設(shè)備的發(fā)展

（1）電子式互感器的普及

與傳統(tǒng)的互感器采集模擬信號不同，電子式互感器利用傳感器技術(shù)同時(shí)采集電流、電壓等數(shù)字信號，該信號不必經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換可以直接通過通信光纖進(jìn)行傳播，可顯著提高數(shù)據(jù)采集效率，測量精度高，減少傳統(tǒng)互感器絕緣和諧振等問題。

（2）智能組件的應(yīng)用

智能組件分為合并單元與智能終端兩種類型，可替代傳統(tǒng)的開關(guān)操作箱，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備數(shù)字化和智能化。合并單元通過光纜與一次設(shè)備聯(lián)接，可實(shí)現(xiàn)信號合并、數(shù)據(jù)同步、電壓切換與并列、數(shù)據(jù)擴(kuò)展等功能。智能終端可由電纜與斷路器等傳統(tǒng)一次設(shè)備相連，完成一次設(shè)備位置和狀態(tài)告警信息的采集，并通過GOOSE交換機(jī)將數(shù)字信息上傳至間隔層，可接收間隔層設(shè)備的GOOSE命令對一次進(jìn)行控制。

2.2 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)參考和吸收了原有的101、103規(guī)約，對變電站內(nèi)智能電子設(shè)備間的通信進(jìn)行分類和分析，定義了變電站裝置間和變電站對外通信的10種基本類型。引入GOOSE、SMV和MMS等不同通信方式，針對性地滿足變電站內(nèi)不同裝置間的通信需求。

建立統(tǒng)一的SCD變電站系統(tǒng)配置描述文件，實(shí)現(xiàn)了在各個(gè)變電站電壓等級、供電范圍、一次接線方式等不完全相同的情況下，變電站配置文件的統(tǒng)一。

3 牽引變電所智能化改造方案

由于鐵路運(yùn)輸負(fù)荷分散、露天、無備用等的特征，造成鐵路牽引供電系統(tǒng)和鐵路電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量受到多種因素的影響。將既有的牽引變電所進(jìn)行智能化改造，旨在統(tǒng)一適應(yīng)智能電網(wǎng)的建設(shè)需求，將一次設(shè)備智能化、將二次系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化。為人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)的引入提供平臺和接口，為鐵路供電系統(tǒng)的自我預(yù)測、自我診斷提供可能。

對本牽引變電站進(jìn)行的智能化主要分為高壓設(shè)備的智能化改造和統(tǒng)一信息平臺的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化兩部分。

3.1 某牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)概述

某牽引變電所的主接線采用110kV雙進(jìn)線，兩路進(jìn)線的母線設(shè)有電壓互感器，每一路通過串聯(lián)電流互感器、斷路器、接主變壓器，主變壓器采用VV三相變壓器，每臺主變壓器副邊兩出現(xiàn)分別接AC、AB戶外輔助母線，在通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)接兩組牽引母線，每組母線饋線側(cè)饋出兩條供電臂，每組母線均設(shè)有平衡電抗器進(jìn)行補(bǔ)償。牽引變電所主要一次設(shè)備統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

表1 牽引變電所主要一次設(shè)備統(tǒng)計(jì)

牽引變電所屏柜的設(shè)置及數(shù)量如表2所示，屏柜合計(jì)約13個(gè)。

表2 牽引變電所的屏柜數(shù)量統(tǒng)計(jì)

牽引變電所屏柜的設(shè)置及數(shù)量如表2所示，屏柜合計(jì)約13個(gè)。牽引變電所的電流和電壓互感器的數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 電流和電壓互感器的數(shù)量統(tǒng)計(jì)

3.2 高壓設(shè)備的智能化

3.2.1 斷路器設(shè)備

智能斷路器是將一次設(shè)備斷路器與二次設(shè)備智能終端、合并單元等智能組件就地有機(jī)結(jié)合，共同組成統(tǒng)一的高集成度智能設(shè)備。智能斷路器性能優(yōu)越，但價(jià)格昂貴，在對既有牽引變電所改造時(shí)，如果直接更換原有的斷路器，則造成巨大浪費(fèi)。因此，采取將智能終端、合并單元（或合智一體化設(shè)備）安裝在原斷路器附近，代替原有的設(shè)備端子箱以實(shí)現(xiàn)其智能化目的的方案。

如表1所示，在110kV側(cè)本牽引變電所有101QF、102QF兩個(gè)110kV的高壓斷路器，兩斷路器分別裝設(shè)三相四組1TA、2TA電流互感器獲取電流，進(jìn)線110kV母線處分別裝設(shè)有三相2組1TV、2TV電壓互感器獲取電壓?，F(xiàn)取消兩個(gè)斷路器附近的設(shè)備端子箱，就近設(shè)置智能終端與合并單元設(shè)備，將1TA、2TA、1TV、2TV更換成電子式互感器，通過光纜與合并單元設(shè)備連接、通過電纜與智能終端連接。

綜上，全所需要取消110kV的電流互感器6個(gè)，電壓互感器24個(gè)，更換為3電子式互感器。

3.2.2 變壓器

本牽引變電所主變電器采用油浸式三相變壓器，副邊27.5kV電壓輸送給接觸網(wǎng)。具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，是現(xiàn)行鐵路主流的變壓器接線形式。

智能變壓器利用傳感器、智能電子設(shè)備（IED）與變壓器采用一體化設(shè)計(jì)，提升智能變壓器的可靠性、降低了主絕緣事故風(fēng)險(xiǎn)、可以實(shí)現(xiàn)基于信息聚合的智能化應(yīng)用，是現(xiàn)今變壓器主流發(fā)展方向。因此將本牽引變電所的牽引變壓器更換為智能變壓器以適應(yīng)清潔、低碳、智能的智能電網(wǎng)的新形勢顯得適逢其時(shí)。

將兩臺牽引變壓器1T、2T更換為兩臺智能變壓器，可由智能電子設(shè)備（IED）實(shí)現(xiàn)智能變壓器本體數(shù)字信號的實(shí)時(shí)測量與采集，實(shí)現(xiàn)變壓器的冷卻裝置、有載分壓、瓦斯等智能化控制。由于自用變壓器是將饋線電壓變?yōu)?.4kV，負(fù)荷較小，因此不作更換。

3.3 統(tǒng)一信息平臺的網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建

如下圖所示，智能牽引變電站統(tǒng)一信息平臺采用三層兩網(wǎng)布局，整個(gè)變電所分為站控層、間隔層、過程層三層結(jié)構(gòu)。這種布局減少了設(shè)備間通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，保證了不同廠家設(shè)備間的互聯(lián)、互通和互操作性。而且減少了過程層大量的電纜使用，實(shí)現(xiàn)了二次系統(tǒng)從設(shè)備冗余到信息冗余的轉(zhuǎn)變。

3.3.1 三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)

（1）站控層及站控層網(wǎng)絡(luò)

站控層主要實(shí)現(xiàn)面向全站設(shè)備的監(jiān)視、控制及信息交互功能。主要包括主機(jī)、操作員站、GPS對時(shí)、遠(yuǎn)動通信裝置等設(shè)備。

站控層網(wǎng)絡(luò)由站控層交換機(jī)獨(dú)立配置，由工業(yè)以太網(wǎng)MMS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)間隔層與站控層的通信。站控層及站控層網(wǎng)絡(luò)予以保留，不用改造。

（2）間隔層

間隔是以斷路器主要核心設(shè)備進(jìn)行劃分，能匯總站內(nèi)所屬間隔的過程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，傳遞和處理站控層下發(fā)的數(shù)據(jù)，實(shí)施對本間隔的一次設(shè)備保護(hù)、測控等操作。

因此，可以將牽引變電所分為1#/2#主變高壓側(cè)保護(hù)測控間隔、1#/2#主變本體間隔、1#/2#主變低壓側(cè)間隔、27.5kV聯(lián)絡(luò)回路保護(hù)測控間隔、饋線保護(hù)測控間隔、電容電路保護(hù)測控間隔等。

每一個(gè)間隔包含自身所屬的一二次設(shè)備。主要有變壓器、斷路器、刀閘等一次設(shè)備和保護(hù)、測控、故障錄播等二次設(shè)備。

（3）過程層及過程層網(wǎng)絡(luò)

過程層網(wǎng)絡(luò)主要由GOOSE、SV網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能終端與合并單元等過程層設(shè)備與間隔層的通信。

構(gòu)建GOOSE、SV網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置GOOSE、SV交換機(jī)。合并單元將通過互感器測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并和處理，并將處理后的數(shù)字信號以光纖為介質(zhì)，通過SV交換機(jī)以點(diǎn)對點(diǎn)或者廣播的形式轉(zhuǎn)發(fā)給繼電保護(hù)、計(jì)量裝置、故障錄波等間隔層設(shè)備。

智能終端可由電纜與一次設(shè)備相連，完成一次設(shè)備位置和狀態(tài)告警信息的采集，并通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字信息上傳到間隔層，同時(shí)可接收間隔層設(shè)備的GOOSE命令對一次進(jìn)行控制。

圖 變電站統(tǒng)一信息平臺

3.3.2 虛端子和虛回路

與傳統(tǒng)牽引變電所二次回路擁有屏端子不同，數(shù)字化二次設(shè)備信息通信信息虛擬化，因此提出了基于虛擬回路的虛端子的設(shè)計(jì)理念。虛端子是IED設(shè)備間的GOOSE、SV輸入輸出信號連接關(guān)系的總稱，是二次回路GOOSE、SV關(guān)聯(lián)信息直觀展示，類比于傳統(tǒng)變電站的二次系統(tǒng)圖。

在構(gòu)建了智能牽引變電站統(tǒng)一信息平臺后，對整個(gè)變電站進(jìn)行虛端子的配置工作。采用虛端子配置工具實(shí)現(xiàn)不同IED的開出虛端子與開入虛端子的配置和校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)虛回路的連接，可有效減少繼電器等實(shí)際二次設(shè)備的使用，降低了配置和修改時(shí)的運(yùn)維成本。

3.3.3 SCL文件的配置

為了區(qū)分不同工具間交換數(shù)據(jù)類型，建立基于智能變電站配置描述語言（SCL）的一系列文件。不同廠家生產(chǎn)的智能電子設(shè)備（IED）時(shí)會同時(shí)下發(fā)該設(shè)備的配置文件ICD。系統(tǒng)規(guī)范文件（SSD）文件由系統(tǒng)集成商提供，描述主接線拓?fù)鋱D、變電所功能等，相當(dāng)于主接線圖和設(shè)備功能圖。

將SSD文件、IED文件由系統(tǒng)配置工具配置生成全站系統(tǒng)配置文件（SCD），描述整個(gè)變電站所有IED設(shè)備的實(shí)例配置和通信參數(shù)，IED設(shè)備間的配置信息、變電站一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等信息，相當(dāng)于全站施工圖、竣工圖。

SCD文件通過裝置配置文件生成CID、CCD文件，可實(shí)現(xiàn)IEC61850規(guī)約的校驗(yàn)。通過交換機(jī)配置工具導(dǎo)出CSD、CID文件對交換機(jī)進(jìn)行配置。

4 未來展望

至此，本牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)智能化改造過程已完成，改造后的變電站將具備以下優(yōu)勢：①傳統(tǒng)互感器大量更換為電子式互感器，采集的數(shù)據(jù)由模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，更加有利于大規(guī)模數(shù)據(jù)采集和傳輸。②將大量電纜傳輸介質(zhì)換成少量光纜，節(jié)約了電能損耗，提高了傳輸效率，減少了電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn)。③全站統(tǒng)一信息平臺基于IEC61850規(guī)約構(gòu)建，解決了不同廠家設(shè)備間互操作性的問題。④提供智能化模塊的必要接口，為將來電網(wǎng)的自我預(yù)測、自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)等智能化功能的完善提供統(tǒng)一的平臺。

雖然鐵路牽引變電站智能化改造受制于改造難度大、改造成本高、行業(yè)慣性等因素影響，未能完全落地。然而，隨著大數(shù)據(jù)平臺搭配云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀察和控制全網(wǎng)范圍內(nèi)電能流動狀態(tài)、電能負(fù)載熱區(qū)、故障高發(fā)區(qū)等全網(wǎng)所有信息節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)可視化、負(fù)載趨勢預(yù)測、設(shè)備故障趨勢預(yù)測等功能會逐步得到兌現(xiàn)，自我預(yù)測、自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)等智能化功能的研究深入，其優(yōu)勢會愈發(fā)明顯，智能牽引變電所將大有可為。