牵引变电所智能化应用研究

何奇瑞

（珠海万力达电气自动化有限公司，广东 珠海 519085）

1 研究背景

随着京广、京沪高铁的开通与运行，我国已成为世界上高速铁路运行里程最长、运行速度最快和建设标准最高的国家[1]。智能变电所相关技术的发展对高速铁路牵引供电产生了深刻的影响[2]，智能牵引变电所将成为牵引变电所的发展趋势，可有效提升牵引供电效率，提高供电可靠性。

牵引变电所综合自动化系统存在局限性，如设备间互操作性差、不具备状态监测和故障分析和自动化功能不够强大等问题，依照《西安铁路局关于下达2016年路局科学技术研究开发计划(第一批)的通知》（西铁总函〔2016〕152号）要求，完成对牵引变电所的智能化应用研究，有助于实现系统平台可视化、设备健康管理（CPS）、能源管理分析、专家系统和应急预案等高级应用的投入使用。

2 研究目的

主要目的为提高牵引变电所地自动化和管理水平，使牵引变电所实现信息采集数字化、运行状态可视化、信息共享标准化、通信平台网络化和高压设备智能化。

智能化系统可以大幅简化变电所内二次接线，解决设备间互操作性问题，完成保护动作、故障信息弹出和调取等工作，具备遥测、遥信号监视、音响警告功能，为高级应用打好基础。此外，智能变电所的避雷器、变压器应具备在线监测功能，可实时接收并监控避雷器及变压器的运行状态，从而完成运行监视、运行管理、信息综合分析与智能告警等辅助工作。

3 方案规划

3.1 确定研究样板

协调供电段，安排对某110 kV常规牵引变电所部分实施改造，参照运行状况，改造的设备主要包括一台主变和一条馈线。

3.2 改造内容

系统各部分具体改造内容如下：过程层中需改造合并单元、智能终端、合智一体装置、主变、27.5 kV断路器和避雷器等在线监测装置；间隔层中需改造智能化的保护测控装置；站控层应配备智能一体化监控系统和智能视频系统；在线监测方面主要改进对变压器的油中气体和油温、断路器的合分闸电流、避雷器的泄露电流和雷击次数的检测，这些数据都会用于一体化监控系统智能告警和故障分析阶段；视频监控系统要改进对断路器和电动隔离刀状态的监测。

3.3 智能牵引站系统的网络规划

智能牵引变电所系统结构如图1所示。整套系统建立在IEC 61850通信技术规范基础上，采用分层分布式实现智能牵引变电所的智能电气设备间的信息共享和相互操作。

图1 系统结构图

智能牵引变电所按逻辑功能划分为三层：过程层、间隔层和站控层。具体系统结构构成描述如下。

（1）过程层。过程层包括牵引变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置。

（2）间隔层。间隔层设备主要为继电保护装置，实现使用一个间隔的数据并且只作用于该间隔一次设备的功能，还可完成各种远方输入或输出、传感器和控制器通信。

（3）站控层。站控层包括自动化站级监控系统、通信系统和对时系统，实现面向全站设备的监视、控制、告警以及信息交互功能，同时具备数据采集和监视控制（SCADA）、操作闭锁、同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。

（4）层间通信。站控层与间隔层采用IEC 61850-8-1通信协议保护测控设备，间隔层与过程层合并单元采用了IEC 61850-9-2通信协议，而间隔层与过程层智能终端则采用GOOSE通信协议。

（5）设备状态监测。通过状态监测IED将变电所设备状态检测信息接入站控层的设备状态可视化终端和PHM终端，实现设备状态全景感知和PHM数据服务。

（6）辅助系统监控。所内设置有辅助控制系统，可实现对全所视频和安全监控系统的联动控制。

4 方案实施

牵引变电所智能设备的安装包括：新馈线保护盘、主变保护盘、监控盘、网络报文盘和在线监控盘共计5面盘柜的安装；高压室安装201A、201B、211、212、21B智能柜共计5面；高压场地安装进线智能柜；馈线安装避雷器在线监测装置3台；211馈线的供电线上新增一台27.5 kV电子式电压互感器和一台27.5 kV电子式电流互感器；211/212/21B馈线增设断路器在线监测；1#主变压器增设主变压器局部放电监测和主变压器铁芯接地电流监测；110 kV高压场地门杆安装红外热成像视频监控设备一台。

4.1 新技术优化

4.1.1 主变保护技术实施方案

智能牵引保护技术的应用可以保护就地数字化，连接开入开出光纤，增强抗干扰能力。传统牵引站保护中会用到大量的控制电缆，不但增加建设投资，而且因电磁干扰和雷击影响，维护性差，可靠性低。

变压器智能化体现在外置式传感器、智能终端、合并单元、主变在线监测装置的设置。主变保护合并单元和智能终端的配置如图2所示。

其中，合并单元采集主变高低压侧的电流电压数据，并将这些模拟量转变成数字量，通过SV网点对点上传至保护测控装置，组网传送到网络分析仪。智能终端一方面用于采集高低压侧的断路器和刀闸等位置信号，另一方面具备断路器操作箱功能，接收来自站控层和间隔层的控制命令，实现对一次设备的实时控制功能。智能终端主要通过GOOSE网点对点传输实现和保护测控装置之间的通信。主变智能终端还具有主变本体非电量保护功能，也可以监测变压器的上层油温，将信息直接上送至站控层MMS网络。主变保护合并单元和智能终端的网络架构如图3所示。

图2 主变保护合并单元和智能终端配置示意图

图3 主变保护合并单元与智能终端网络架构图

4.1.2 27.5 kV馈线保护技术

馈线的智能化改造主要是通过增加合智一体装置和断路器在线监测IED实现的。

（1）合并单元负责采集母线电压和馈线电流，在转换模数后经SV网点对点传送至馈线保护测控装置和网络分析仪等智能终端。同时还具备断路器操作箱功能，包含分合闸回路、合后监视、重合闸、操作电源监视和控制回路断线监视等操作[3]。系统支持以GOOSE方式上传一次设备的状态信息，同时接受来自站控层和间隔层GOOSE下行控制命令，实现对一次设备的实时控制。此外，系统能够记录GOOSE下行控制命令，含收到命令的时刻、来源及出口动作时刻等信息，并能够提供查看方式。断路器在线监测装置如图4所示，可用于监测分合闸线圈电流，并将信息直接上传至站控层MMS网。

图4 断路器在线监测装置

（2）电子式互感器的应用。如图5所示，电子式互感器与常规互感器的测量数据相互统一，能够满足智能变电所的保护、综合分析、智能告警和辅助应用的需求，提升了互感器模拟量数据的精度和抗干扰性能。

图5 电子式互感器技术

4.2 新设备接入

（1）智能IED设备。应在馈线增设断路器在线监测，针对断路器线圈电流的变化监视断路器线圈的状态，并给出监视意见，在以后的升级改造中还可增加对断路器的拉压力、开距、分合闸电流与时间的监测，以判断开关机构是否异常，避免误动和拒动的发生[4]。

（2）网络记录分析议。它属于数字化变电所通讯记录分析设备，可在线监视网络通讯状态，并对网络通讯故障和隐患进行告警，有利于及时发现故障点并排查故障。此外，它能够无损失全记录网络通讯信息，便于重现通讯过程和故障信息，也具有故障录波分析功能，当系统发生故障时，会以COMTRADE格式记录系统的一次电压电流波形和二次设备的动作行为，便于事后离线分析。

（3）红外高清热成像设备。它可以监测牵引变压器进线柱、断路器等14个预置点温度，并捕捉高清画面，根据与环境温度的对比判断出预置点的温升值，达到参考定值时输出报警信息。通过高清画面捕捉与综合自动化系统的联动完成对断路器设备的操作，并可通过通讯系统将数据上传至智能化系统。

（4）避雷器在线监测装置。馈线安装避雷器在线监测装置共3台，可对避雷器泄露电流与阻容比进行在线测量[4]，并记录雷击数据，将数据实时上传至智能牵引所管理系统，完成对避雷器的分析管理。

（5）局放在线监测设备。在1#主变压器上增设局部放电监测装置，能够测定变压器内部局部放电的放电量和准确判断放电类型，并于红外热成像仪和油色谱分析后进行数据对比，完成对变压器健康状况的综合评判[4]。

（6）铁芯接地电流在线监测设备。可在1#主变压器上增设铁芯接地电流在线监测设备。它主要由泄漏电流传感器、数据采集装置和就地显示仪表组成，可通过夹装在铁芯接地线上的泄漏电流传感器精确采集接地电流，由数据采集装置实现对弱电流的信号放大及传送，并采用先进的数字信号处理、分析和计算方法，实现实时监测铁芯接地电流、接地故障自动录波、分析判断、故障报警和趋势预测等功能。

5 智能化健康管理平台

智能化健康管理分析主要以变电所中主要电力设备为对象。对不同类型的设备，提出采样要求，制定运算模型，得出多个维度的分析结果，并利用大数据技术不断开发丰富分析模型，修整模型参数，为变电所选型设计、运维管理、设备计划检修以及故障预防和分析提供参考依据。

牵引变电所健康管理平台可分为以下方面：（1）系统接入：智能变电所综合自动化系统、红外热成像监测系统、避雷器在线监测系统、油色谱分析等数据，通过IEC61850规约形成标准传输，汇集到统一管理平台进行数据共享和大数据分析；（2）高级应用：通过牵引变压器过负荷寿命损失算法、三比值法、大卫三角法和阈值判断等，完成对牵引变压器的寿命分析与故障预测。通过断路器的分合闸次数和分合闸线圈电流完成对断路器的健康状况分析。通过监测避雷器的泄漏电流、组容比和阻性电流判断避雷器的健康状况；（3）展现形式：采用主屏展示，能够以大屏幕、多维度展现变电所健康状况，为便于巡检，可用手机、平板等智能移动终端结合二维码扫描实现访问与操作。

5.1 全景数据分析与运行报告功能

全景分析系统对变电所在不同时间段的各项运行数据提供曲线、表格和图形等多种展现方式，全方位展示变电所的运行情况。

运行报告则综合系统数据库中的历史数据，对变电所运行情况进行不同维度的统计与分析，形成日报、周报、月报、季报和年报等报表，便于管理人员掌握变电所运行情况。运行报告可参考当前巡检记录表的模式进行设计，要符合电气工段作业习惯。在原有基础上可扩充监测对象，增加数据分析，替代原人为巡检填写录入记录表方式。

5.2 设备状态评估功能

智能牵引变电所的设备状态评估功能可以根据为设备样本设计评价体系（适当增大范围），并将原先的人为感官判断调整为分析在线监测设备收集的状态数据。

智能牵引变电所管理系统可以综合在线监测设备收集的数据信息和运行数据信息，针对不同对象建立判断模型，自动完成从数据采集到状态判断的过程，还可以根据判读结果进行深度学习，不断修正判断模型和参数，达到更加精准的判断效果。

设备状态评价模型的输入数据是设备的台账信息与状态监测信息。台账信息主要包括铭牌信息、地理位置、投运时间、历史故障、检修记录、图纸资料和备品存储信息等。状态监测信息则由监测对象的分析维度而定，常见的有图像信息、温度信息和振动信息等。利用每个设备的分析模型，可将设备状态划分为健康、隐患、告警和故障四种类型，并根据状态报警提示检修。

5.3 状态检修提示功能

将原有的每班（周）一次固定路线巡检改为根据设备状态评估结论进行的针对性排查和检修。同时，将原有的每年一次设备试验改为根据监测的设备状态、统计的设备运行时间及设备运行期间的重大事故与过负荷等情况，结合停机计划灵活安排设备试验，最终形成计划检修与状态检修相结合的新型检修模式。

检修工作主要包括：（1）对存在安全隐患的设备提出复检建议；（2）对处于告警状态的设备提出保养与维护建议；（3）对处于故障状态的设备提出维修、更换建议。

状态检修除以设备状态评估为检修依据外，还应分析设备状态监测的历史数据，观察设备状态的变化趋势，对突变量表征的设备异常安排检修。在提出状态检修建议的同时，系统会调出检修对象的位置、铭牌信息、地理位置、投运时间、历史故障、检修记录、图纸资料和备品存储情况等信息，为检修提供参考。状态检修可与DCS系统联动，对设备的主动检修则可以选择在对生产影响最小的情况下进行。此外，状态检修应与计划检修相结合，形成对计划检修的补充。在实践中要不断完善设备状态的监测手段，丰富分析模型，修整模型参数，在得到准确的状态检修建议后，逐步调整状态检修与计划检修的比例。

5.4 故障处理辅助决策功能

故障发生时，系统配合继电保护设备第一时间内切断故障回路，并提供所有故障信息和开关量变位情况。故障引发的运行状态改变会导致数据庞杂，人为很难快速锁定故障位置。因此，故障处理辅助决策功能应提供应急预案、故障还原和故障分析等服务。

（1）应急预案。在系统中建立应急事件处理信息库，根据系统报警信息提供的内容，激活与内容相关的应急处理预案以供运维人员选择。结合设备位置信息、故障设备的图纸信息和备件信息等为运维人员处理事件提供全面的信息支撑，为应急事件中的调度指挥提供依据。

（2）故障还原。依据SOE信息描述事件发生过程，还原故障发起点对整个系统的影响。

（3）故障分析。智能牵引变电所管理系统会记录故障发生的各项数值，并进行事后调查确认故障原因，形成历史故障数据库。新发故障与历史库中的数据可进行大数据比对，判断此次故障可能的原因。随着历史库的不断累积，故障分析还能起到故障预测的作用。

6 结 论

智能牵引供电系统是铁路牵引供电系统的发展趋势。它综合运用数字化、信息化技术和互联网技术，可完成数据分层管理、信息共享、互联互通和智能事故综合判别等操作，实现对牵引供电系统运行状态、潮流分布、故障预警和辅助决策的自动调整与组织，大大提升牵引供电系统的可靠性和运行效能，在故障快速处理、快速恢复上能力突出。