基于IEC61850的高速铁路客运专线AT所综合自动化系统配置研究

刘赓然，罗映红

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州 730070)

基于IEC61850的高速铁路客运专线AT所综合自动化系统配置研究

刘赓然，罗映红

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州 730070)

AT供电方式目前广泛应用于高速铁路，AT所是AT供电方式的重要组成部分，其对整个牵引网的安全稳定运行至关重要。IEC61850标准在电力系统中的应用越来越广泛，电气化铁路作为电网的用户，势必要进行相应的技术改造。同时，为满足高速铁路对牵引供电系统的要求，铁路电站的IEC61850综合自动化工程势在必行。基于IEC61850标准，对某客专AT所进行信息建模，完成了间隔层保护测控IED的配置，并对远动方案进行探讨，初步解决了IEC61850应用于AT所综合自动化系统的问题。

IEC61850;AT所;客运专线;综合自动化系统;配置

目前，我国高速铁路客运专线的快速发展以及既有线路的不断提速对牵引供电方式的要求在不断提高。AT供电方式相比其他方式具有更为优越的综合性能，能够满足高速客运专线对牵引供电方式的要求，因此得到了广泛的应用。

自耦变压器站(AT所)是AT供电方式的重要组成部分，其综合自动化系统对于AT所功能的实现、自身的监控、保护以及整个牵引网的安全稳定运行至关重要。

IEC61850是国际电工委员会第57工作组制定的为解决变电站内信息交互、共享和互操作的国际统一标准通信体系，它详细阐述了分层的变电站通信体系结构，采用抽象类和服务定义，使得标准独立于特定的协议栈、实现方法和操作系统［1，2］，是变电站综合自动化系统通信协议的发展方向。

1 AT供电系统

1.1 AT牵引网

AT方式下，牵引变电所主变压器将220kV进线电压变换为2×27.5kV的出口电压，送至所内牵引母线T、F上，通过馈线送至上网点，通过柱上隔离开关向接触线T、正馈线F供电。AT供电方式优点如下:

(1)AT供电方式无需提高牵引网绝缘水平即可将供电电压提高1倍，加之其牵引网阻抗小，故可以大大减少牵引网的电能和电压损失［3］;

(2)供电臂延长，使得变电所之间的距离增大至90～100 km，这不仅减少了投资，方便了变电所选址，更能够减少电分相数目，对高速、重载十分有利;

(3)用电质量提高，对邻近通信线防护效果最佳。

1.2 AT所综合自动化系统

自耦变压器所(AT所)是AT供电系统的重要组成部分，分布于铁路沿线，每8～12 km设置1座，所内可实现上下行接触网并联，并能提高供电电压。图1为某客运专线典型AT所主接线图。

图1 AT所主接线图

铁路行业的综合自动化系统一般采用分层分布式，主要分为站控层和间隔层［4］，其结构如图2所示。其中，当地监控单元、通信管理单元和保护测控单元是构成综合自动化系统的主要功能单元。

图2 AT所综合自动化结构

当地监控单元:系统控制、监视、维护和报表打印等功能;

通信管理单元:远方调度(或当地监控)与保护测控装置之间信息的交互、管理和显示;

保护测控单元:各种数据量的采集、继电保护、故障录波以及信息传送。

拆下火花塞，通过检查发现4支火花塞都存在比较严重的积炭，而且一缸和二缸的火花塞比较潮湿。为了进一步验证喷油嘴是否泄漏，笔者打开点火开关，让低压油泵工作，用诊断仪读取高压油压约为6bar(此时高压泵不工作，实测数据为低压油压)，5min左右该油压就降到2bar左右，这只是从侧面证明发动机内部燃油系统确实存在泄漏现象。反复操作点火开关，让油压升到6bar左右(低压和高压一致)，同时用内窥镜观察缸内情况，发现二缸的喷油嘴像花洒一样，往外喷洒很细小的油滴，活塞顶部也存在一些干涸的油迹。

2 基于IEC61850的AT所综合自动化系统

2.1 IEC61850简介

IEC61850是变电站通信网络和系统协议的标准体系，利用分层分布式体系，面向对象的建模技术，使得数据对象的自描述成为可能，为不同厂商的IED实现互操作和系统无缝集成提供了可能［5］，其主要内容包括功能建模、数据建模、通信协议以及变电站自动化系统工程和一致性测试。与以往标准不同的是，IEC61850没有仅仅停留在对通信协议进行规范的层次，而是将重点放在对数据传输交换制定相关规范，具有以下显著的特点［6］:

(1)按功能划分逻辑节点LN，用逻辑设备 LD抽象物理设备;

(2)定义抽象通信服务接口ACSI和特殊通信服务映射SCSM，使得功能独立于具体通信技术;

(3)利用变电站配置语言SCL实现设备自描述。

高速客运专线AT供电方式的正常运行至关重要，直接关系到旅客出行的安全舒适和铁路系统设备的安全稳定。AT所作为AT供电方式中必不可少的环节，其自身的正常平稳运行亦尤为重要。高速客专供电系统设备数量多、数据采集和传输信息量大、实时性要求高，传统的自动化系统不能很好地满足要求。为此，现考虑将IEC61850应用于AT所综自系统中，利用其新的技术特点，以求满足牵引供电系统的要求。

2.2 基于IEC61850的AT所保护测控IED配置

IEC61850中关于分层分布的一个显著特点就是一次设备智能化、二次设备网络化，间隔层内布置各种保护、测量和控制用二次智能电子设备IED。参照IEC61850-5、7-3/4，保护测控 IED中的 LN为 IED设备的最小功能划分，完成IED数据采集、控制和通信等各项功能。为保证保护测控IED功能模型的清晰以及装置的综合性能，现将各IED按保护、测控功能独立划分配置。

如上述图2结构，AT所保护测控IED主要分为AT保护测控IED、馈线保护测控IED和自用变压器保护测控IED。按照《高速铁路设计规范》(TB10620—2009)的11.3.10节之3～4条、11.3.11节的规定以及某新建客专设计文件关于AT所保护自动装置配置的要求(图1)，详细划分保护测控IED配置如下。

(1)AT保护测控IED按主保护、后备保护、测控3套装置独立划分如下。

①主保护:重瓦斯保护PGAS1、二次谐波闭锁的比率差动保护PDIF;

③测控:断路器监视XCBR、隔离开关/地刀监视XSWI、变压器监视YPTR、开关控制CSWI、电气联闭锁CILO、测量 MMXU、自动重合闸 RREC、故障录波RDRE、通用输入/输出GGIO。

(2)馈线保护测控IED按保护、测控独立划分如下。

①保护:进线失压保护PTUV、电流速断保护PIOC、过流保护PTOC;

②测控:故障定位RFLO、断路器监视XCBR、隔离开关/地刀监视 XSWI、开关控制 CSWI、电气联闭锁CILO、测量 MMXU、自动重合闸 RREC、故障录波RDRE、通用输入/输出GGIO。

(3)自用变压器保护测控IED按主保护、后备保护和测控独立划分如下。

①主保护:电流速断保护PIOC、瓦斯保护PGAS;

②后备保护:过负荷保护PTTR;

③测控:断路器监视XCBR、隔离开关/地刀监视XSWI、变压器监视 YPTR、开关控制 CSWI、测量MMXU、自动重合闸 RREC、故障录波 RDRE、通用输入/输出 GGIO。

将上述内容在SCL Manager中进行配置，所得结果如下。

SCL文档结构分为头文件 Header、变电站部分Substation、通信部分Communication以及智能电子设备部分IED，其树形图如图3所示。

Substation部分包含电压等级和全站设备连接情况。将能够完成站内一个或几个功能的、相对独立的设备组成为一个间隔(Bay)，则AT所的间隔划分如图4所示。

Communication部分，每个间隔配置一个连接点ConnectedAP，地址为 10.0.0.3～10.0.0.7，网关和子网地址均为默认的10.0.0.101和255.255.255.0，如图5所示。图中的OSI_PSEL、OSI_SSEL、OSI_TSEL分别为OSI七层模型中的表示层、会话层和传输层地址。

图3 SCL树形图

图4 Substation树形图

图5 Communication树形图

按照间隔来划分保护、测量和控制以及其他的辅助功能，构成对本间隔设备的保护、测控，即为间隔层IED。其树形结构如图6所示。依照IEC61850，IED由上至下依次为Server、LD、LN、DA以及DO，以 IED_AT1及其瓦斯保护节点PGAS为例，其结构如图7所示，可见上述层次结构以及保护、测控功能节点的划分。其中LDevice∶GOPRPT为保护功能逻辑设备，LDevice∶GOMMCR为测控功能逻辑设备。

图6 间隔层IED划分

图7 IED树形图

若AT所一次主接线发生变化，或是间隔层增减IED/LN时，只需在树形图结构中进行操作即可，并且相应的配置文件也会对应改变项重新生成。例如，在IED_AT1/LDevice:GOMMCR中添加电压控制逻辑节点AVCO，则IED_AT1树形图中增加Class:AVCO节点，SCD文件对应增加描述语句，如图8选中部分所示。

图8 增加IED/LN操作

3 远动方案

IEC61850标准为电力系统自动化行业发展建立了全新的标准，虽然目前只是基于变电站的应用标准，但其面向对象的思想必定会对未来调度系统的发展产生深远影响［7］。因此，IEC61850不应仅仅局限于变电站内部，更影响远动系统扩展，以实现整个系统真正意义上的无缝连接［8］。

IEC61850远动系统广义上分为4层:控制中心层、变电站层、间隔层和过程层［9］。变电站层和间隔层之间采用TCP/IP的以太网，将ACSI映射到MMS进行服务数据的实时传送;间隔层和过程层之间采用GOOSE和SV通信;变电站层和控制中心之间采用ACSI/MMS通信机制，2M-SDH专线连接。

本文在AT所远动方面考虑采用ACSI/MMS远动网关通信模型［10-11］。该模型中，原有设备无需进行更换，原有通信协议也不用进行转换即可使用，可以大大减少工作量并能够节省投资，是当前系统到IEC61850系统的一个平稳过渡方案。网关模型如图9所示，远动信息交换模型如图10所示。

4 结语

IEC61850标准是迄今为止最完善的变电站通信网络和系统协议［12］，并且是数字化变电站的唯一标准，在目前的电力行业应用研究较为广泛。电气化铁路作为电网的用户，未来也必须进行和电网相适应的技术改造。因此，对铁路电站进行IEC61850的应用研究势在必行。

本文基于 IEC61850标准，采用 SCL Manager软件，针对某客专AT所进行了综合自动化配置，完成了AT所建模工作，并对间隔层保护测控IED进行了配置，最后对远动方案进行了探讨，为今后 AT所的IEC61850改造工程提供了一定的借鉴。

图9 ACSI/MMS网关模型

图10 远动信息交换模型

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［2］ 吴在军，胡敏强.变电站通信网络和系统协议IEC61850标准分析［J］.电力自动化设备，2002，22(11):70-72.

［3］ 李彦哲，胡彦奎，王果，张蕊萍.电气化铁道供电系统与设计［M］.兰州:兰州大学出版社，2006.

［4］ 程波.牵引变电所综合自动化系统［M］.北京:中国铁道出版社，2011.

［5］ 吴在军，胡敏强.基于IEC61850标准的变电站自动化系统研究［J］.电网技术，2003，27(10):61-65.

［6］ 顾建炜，张铁峰，韩书娟.基于IEC61850国际标准的配电自动化系统应用研究［J］.电力科学与工程，2012，28(1):30-36.

［7］ 王祖峰.IEC61850标准在客运专线综合SCADA系统中的应用展望［J］.中国铁路，2012(1):62-65.

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［11］朱永利，黄敏，刘培培，任蒙兴.基于IEC61850的电力远动信息网络化传输的研究［J］.继电器，2005，33(1):45-48，67.

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Research on Integrated Automation System Configuration of AT Station of High-speed Railway Passenger-dedicated Line Based on IEC61850

LIU Geng-ran，LUO Ying-hong
(School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

The AT power supply mode has been widely used in high speed railway.As an indispensable component，the AT station is the key to the security and stability of the whole traction network.Being a user of power grid，the electrified railway must undergo corresponding technical reform because the IEC61850 standard is being more and more widely applied in electric power system.At the same time，in order to meet the requirements on traction power supply system of high speed railway，it is imperative to carry out railway substation's IEC61850 integrated automation engineering.In this paper，based on the IEC61850 standard，the information model of the AT station of a passenger dedicated line was established，the configuration of protection，measurement and control IED in the bay level was completed，and the remote control scheme was discussed，so that the problem of using IEC61850 standard in the integrated automation system of AT station was solved preliminarily.

IEC61850;AT station;passenger dedicate line;integrated automation system;configuration

U238;U223

A

1004-2954(2013)09-0096-04

2012-12-25;

2013-03-13

刘赓然(1989—)，男，硕士研究生，E-mail:liugengran@163.com。