智能化变电所技术在牵引供电系统中的应用

姜筱靥

0 引言

电气化铁道牵引网是一个无备用系统，可用性较低，为了保证实时监视牵引供电系统及设备的状态、快速切除故障、快速判断故障性质、快速重构以恢复供电以及检修安全的功能需求，需要变电所、分区所、AT所等的二次设备全方位采集信息、共享信息、协调配合、快速反应。

然而，综合自动化技术是基于牵引供电系统的所间相互独立、一次设备与二次设备相互独立、各二次设备功能及数据交互标准相互独立、控制中心与所级自动化系统相互独立的思路而开发的。由于设备间接口多、信息共享程度低，造成许多有用的信息无法采集并上送电力调度中心，而指挥调度却依赖于电力调度中心，因此系统的运营安全与工作效率较低；另外，铁路运营多采用综合监控系统，但若每个专业的所有信息都上送，并通过综合监控系统的中心级完成智能化判断，实现安全运营的做法将使综合监控系统头重脚轻、指挥缓慢，一旦中心级故障，将造成整个系统瘫痪。

1 智能变电所技术的作用

可以设置以供电臂为单元的智能化、网络化、标准化的信息处理平台，实现供电臂单元的实时保护、监控等功能，该平台位于变电所，并在分区所、AT所等建立远程模块，通过网络纳入变电所平台。而调度中心仅做宏观管理、监督和后备，形成调度中心级与牵引变电所平台的合理分工。

智能化变电所技术通过先进的传感器、信息、通信、控制、智能等技术，实现一次设备参量数字化和标准化与广域信息同步实时采集，也是具备统一模型、时标、规范、接口、语义的信息平台，因此，应用智能化变电所技术能实现供电臂单元的实时全景监测、自动运行控制以及与所外系统协同互动等功能，达到提高牵引网供电可靠性，优化资产利用率和减少人工干预目的，实现牵引网供电系统的安全高效运行。

2 智能牵引变电所技术的特点

2.1 一次设备智能化

非磁性/磁光型电压和电流传感器、合并单元、智能终端等元件与断路器、主变压器、避雷器等高压设备有机结合，融为一体，形成智能化断路器、变压器和避雷器等；把高电压、大电流直接就地变换成光纤数字网络信号，通过高速光纤以太网实现数据传输；保护和控制命令通过光纤传输网络送到智能断路器操作模块的数字端口。

2.2 二次设备网络化

在智能变电所中，装置无I/O硬件接口，而通过网络实现数据共享。系统的通信协议遵循IEC61850，该标准具备开放性、系统性和完整性，保证了变电所设备间的“互联、互换、互操作”通过各设备间的信息交互，实现变电所二次设备从设备冗余到信息冗余。

智能牵引变电所技术采用的IEC61850标准，和早期的101规约、103规约、104规约不同，它是建立了一个统一的数字化变电所平台而不是一个简单地通信协议，充分利用IEC61850的面向对象和分层分布思想构建，建立全所统一的数据模型和数据通信模式，实现智能化的一次设备和网络化的二次设备之间数字化通信，确保智能化二次设备之间的互通性和互操作性。

2.3 运行管理系统智能化

智能变电所能持续监视变电所电气及其运行环境，能够实现大“五防”功能，发生故障时能提供故障诊断分析报告，并能自动发出变电所检修指引，在发生安防、火灾、地震等情况时，应根据预案启动相关措施，因此，要求智能变电所具备海量的、全方位的智能化数据处理能力，实现设备状态可视化、故障信息综合分析、智能告警及决策等功能，并能利用统一IEC61850平台，实现牵引变电所、接触网、分相装置等以供电臂为单元的整个牵引供电系统的可靠运行监控、保护和重构操作。

3 新建智能牵引变电所网络架构

图1示意智能化牵引变电所的架构，包括站控层、间隔层和过程层，站控层包括系统主机、电压无功控制装置（VQC）、工作站、北斗/GPS对时系统等，根据IEC61850-5所提的要求，站控层提供了变电所内一个运行的人机联系界面，从而实现了管理间隔层设备等功能；间隔层由110 kV和27.5 kV保护、测控装置组成；过程层包含由一次设备和智能组件构成的智能终端设备、合并单元和新型非磁性/光电式互感器等，这意味着智能终端设备可以随一次设备就地安装。

全站可采用3层2网，2个网络均可采用100 M双环形或双星型工业以太网。

站控-间隔层网采用构建在IEC61850-8-1通信协议上的MNS冗余以太网，具备了智能电气设备间信息共享和互操作的条件，同时，站控层采用SNTP对时，对时精度很高，优于5 μs。间隔层和过程层之间则通过交换式光纤以太网通信，采用IEC61850-9-1/2点对点采样值通信协议与GOOSE网络通信协议，同时，北斗/GPS提供统一标准的IRIG-B信号和时间信息，确保了间隔层与过程层设备之间的有效、高速信息传输。在实际的设计中，如果牵引变电所信息负荷率高或包括了供电臂的管理，一般采用冗余的间隔-过程层网。

图1 智能牵引变电所网络结构简图

智能变电所的采样值传输模式是基于IEC61850-9-1和IEC61850-9-2这2种采样值（SV）传输模式，即点对点或网络化传输方式，对于后者，非磁性互感器通过合并单元输出的采样值报文，经过程层交换网络传送给智能设备，这有利于实现跨间隔、全站和区域性的集中保护，保护装置可灵活定义帧格式以及灵活配置数据集内容，同时支持单播方式；合并单元可下放至就地端子箱安装，并只需 1根光纤就可接入主控室的过程层网络。鉴于此，故障录波器可经网络接收任一合并单元数字化的交流采样信号。

智能设备（IED）共同协助完成自动化功能的应用场合越来越多，例如间隔层设备之间的防误闭锁、分布式母线保护以及开关状态传输等，这些功能得以完成的重要前提是众多 IED之间数据通信的可靠性和实时性。基于此，IEC61850标准中定义了通用变电所事件GSE模型，该模型提供了在全系统范围内快速可靠地输入、输出数据值的功能。GSE分为2种不同的控制类和报文结构：一种是面向通用对象的变电所事件GOOSE，支持由数据集组织的公共数据交换；另一种是通用变电所状态事件 GSSE，用于传输状态变位信息。GOOSE即通用面向对象的变电所事件，是一种快速报文传输机制，由IEC61850-7标准定义的变电所事件模型类；GOOSE服务的基础是高速PZP（peer to peer）通信，为逻辑节点间提供了更可靠和快速的通信，无需硬接线连接；当一个智能电子设备与其他智能电子设备相连时，GOOSE不仅可以作为订阅端接收数据，而且还可以作为发送端，为其他智能电子设备提供数据。

在大部分智能变电所中，过程层多采用IEC61850-9-2 SV传输网络，与GOOSE网络相互独立。不过，测试结果表明过程层可以实现 SV与GOOSE共网传输，并且通信性能在 SV采样值和GOOSE信息方面都没有明显的差异。GOOSE信息采用发布/订阅的机制，它的数据量比例较小，利用的带宽比例也较小，且具备超时重传机制。该共网传输大大降低了变电所的投资成本，方便运营维护。

4 既有牵引供电系统的智能化改造

对于传统的牵引变电所分区所等，110 kV配电装置通常为户外单体设备，户外的110 kV GIS尚较少应用；中压侧27.5 kV或2×27.5 kV配电装置通常户内安装，近年来，27.5 kV开关柜（GIS）在高速牵引供电领域的应用越来越普遍。一次设备本体均设置端子箱；控制保护屏、交直流电源等二次设备一般安装在牵引变电所控制室内，环境温度满足安全运行要求。二次设备与一次设备端子箱、一次设备端子箱与一次设备间采用大量的电缆连接。

一次设备及既有监控系统的智能化改造是既有所智能化改造的关键，需根据其使用年限及工程投资等多方面比选，确定经济技术最优的改造方案。

对于一次设备智能化改造，根据智能变电所的基本组成，有 2个方案：选用新型非磁性互感器+合并单元+智能单元；利用既有的电磁式电流电压互感器+合并单元+智能单元。从投资角度，第1种方案造价较高，但智能化改造更彻底；从产品的成熟度角度看，第1种方案尚处于发展中，需要不断积累经验，而第2种方案较成熟，改造难度小；从产品的技术角度看，非磁性互感器数据的光纤传输有一定的延时，相比于常规互感器，它的数据会产生一定的角差，因此，通常情况下，主变压器与其低压侧的跨间隔保护设备改造仍采取常规互感器。

对于监控系统的智能化改造，如果被改造的牵引变电所仍采用远动RTU或集中式的自动化系统，首先淘汰RTU设备，其次完成间隔层以及站控层的综合自动化数字化改造，实现设备间网络通信，最后，依照IEC61850标准对二次设备软件进行升级。

5 结语

经上述分析，智能牵引变电所技术无论应用于新建还是既有所改造，将会带来3个方面的突破：一是实现一次设备信息就地采集并上网，实现与所智能化平台的融合；二是实现变电所、分区所等的基础信息数字化、标准（规范）化和一体化，使得相关智能化所间、智能化所与综合监控系统间的联网变为现实，实现了信息系统的一体化、密切分工与协同互动。

总之，基于IEC61850标准的智能断路器、智能熔断器、新型非磁性/光互感器，以及光纤交换式以太网通信技术的应用，实现了供电臂单元智能设备间的“互连、互换、互操作”，该技术是变电所建设、运行、检修、管理模式的升级，将高效地实现整个牵引供电系统的智能化运行和维护监视，提高牵引供电系统的安全运行水平，大大降低运行维护成本。

[1]陈小川. 铁路供电继电保护与自动化[M]. 北京：中国铁道出版社，2010.

[2]杨奇逊. 变电所综合自动化发展趋势[J]. 中国电机工程学报1996，18（3）.

[3]IEC.IEC 61850-1 Introduction and overview[S]. 2002.