既有牵引变电所智能化改造实施方案

何柏杉 唐玫 汪润泽 张果

（四川铁道职业学院）

1 现状研究

在“交通强国”战略指导下，我国高速电气化铁路发展十分迅速。牵引变电所作为牵引供电系统和铁路电力系统的能源分配和信息控制的枢纽一般采用综合自动化系统。该系统一般采用分层分布式集中组屏结构，将变电所所内设备分为变电所层、间隔层、设备层三个物理层。间隔层包含测量、控制和保护等部件，通过RS 485通信电缆与设备层进行通信，各间隔之间通过现场总线或局域网进行通信，变电所层一般由工业以太网通过光纤供各主机之间和间隔层之间通信。综合自动化系统基本实现了信息共享，提高了设备利用率，自动化程度显著提高。

但是，牵引变电所综合自动化系统也出现了以下问题：①接入综合自动化系统的各层各系统的通信协议难以统一，大量规约需要转换才能实现不同厂家设备的互联，设备间互操作性差。②虽减少了变电所层与间隔层电缆的使用，但互感器直接采集的大量模拟信号通过二次电缆进行传输，易受到电磁线路的干扰，抗干扰能力较差。③通信电缆数据传输效率、传输能力、误码率高，难以传输海量的原始数据，成为自我预测和自我修复等智能化改造的瓶颈。因此，开展牵引变电所智能化改造实施方案的研究具有较强的工程意义。

2 变电站智能化的发展趋势

2.1 智能设备的发展

（1）电子式互感器的普及

与传统的互感器采集模拟信号不同，电子式互感器利用传感器技术同时采集电流、电压等数字信号，该信号不必经过模数转换可以直接通过通信光纤进行传播，可显著提高数据采集效率，测量精度高，减少传统互感器绝缘和谐振等问题。

（2）智能组件的应用

智能组件分为合并单元与智能终端两种类型，可替代传统的开关操作箱，实现一次设备数字化和智能化。合并单元通过光缆与一次设备联接，可实现信号合并、数据同步、电压切换与并列、数据扩展等功能。智能终端可由电缆与断路器等传统一次设备相连，完成一次设备位置和状态告警信息的采集，并通过GOOSE交换机将数字信息上传至间隔层，可接收间隔层设备的GOOSE命令对一次进行控制。

2.2 IEC61850标准

IEC61850标准参考和吸收了原有的101、103规约，对变电站内智能电子设备间的通信进行分类和分析，定义了变电站装置间和变电站对外通信的10种基本类型。引入GOOSE、SMV和MMS等不同通信方式，针对性地满足变电站内不同装置间的通信需求。

建立统一的SCD变电站系统配置描述文件，实现了在各个变电站电压等级、供电范围、一次接线方式等不完全相同的情况下，变电站配置文件的统一。

3 牵引变电所智能化改造方案

由于铁路运输负荷分散、露天、无备用等的特征，造成铁路牵引供电系统和铁路电力系统的供电质量受到多种因素的影响。将既有的牵引变电所进行智能化改造，旨在统一适应智能电网的建设需求，将一次设备智能化、将二次系统的网络化和标准化。为人工智能、大数据、云计算等现代信息技术的引入提供平台和接口，为铁路供电系统的自我预测、自我诊断提供可能。

对本牵引变电站进行的智能化主要分为高压设备的智能化改造和统一信息平台的标准化和网络化两部分。

3.1 某牵引变电所综合自动化系统概述

某牵引变电所的主接线采用110kV双进线，两路进线的母线设有电压互感器，每一路通过串联电流互感器、断路器、接主变压器，主变压器采用VV三相变压器，每台主变压器副边两出现分别接AC、AB户外辅助母线，在通过联络开关接两组牵引母线，每组母线馈线侧馈出两条供电臂，每组母线均设有平衡电抗器进行补偿。牵引变电所主要一次设备统计情况如表1所示。

表1 牵引变电所主要一次设备统计

牵引变电所屏柜的设置及数量如表2所示，屏柜合计约13个。

表2 牵引变电所的屏柜数量统计

牵引变电所屏柜的设置及数量如表2所示，屏柜合计约13个。牵引变电所的电流和电压互感器的数量统计如表3所示。

表3 电流和电压互感器的数量统计

3.2 高压设备的智能化

3.2.1 断路器设备

智能断路器是将一次设备断路器与二次设备智能终端、合并单元等智能组件就地有机结合，共同组成统一的高集成度智能设备。智能断路器性能优越，但价格昂贵，在对既有牵引变电所改造时，如果直接更换原有的断路器，则造成巨大浪费。因此，采取将智能终端、合并单元（或合智一体化设备）安装在原断路器附近，代替原有的设备端子箱以实现其智能化目的的方案。

如表1所示，在110kV侧本牵引变电所有101QF、102QF两个110kV的高压断路器，两断路器分别装设三相四组1TA、2TA电流互感器获取电流，进线110kV母线处分别装设有三相2组1TV、2TV电压互感器获取电压。现取消两个断路器附近的设备端子箱，就近设置智能终端与合并单元设备，将1TA、2TA、1TV、2TV更换成电子式互感器，通过光缆与合并单元设备连接、通过电缆与智能终端连接。

综上，全所需要取消110kV的电流互感器6个，电压互感器24个，更换为3电子式互感器。

3.2.2 变压器

本牵引变电所主变电器采用油浸式三相变压器，副边27.5kV电压输送给接触网。具有结构简单、造价低、运行稳定的特点，是现行铁路主流的变压器接线形式。

智能变压器利用传感器、智能电子设备（IED）与变压器采用一体化设计，提升智能变压器的可靠性、降低了主绝缘事故风险、可以实现基于信息聚合的智能化应用，是现今变压器主流发展方向。因此将本牵引变电所的牵引变压器更换为智能变压器以适应清洁、低碳、智能的智能电网的新形势显得适逢其时。

将两台牵引变压器1T、2T更换为两台智能变压器，可由智能电子设备（IED）实现智能变压器本体数字信号的实时测量与采集，实现变压器的冷却装置、有载分压、瓦斯等智能化控制。由于自用变压器是将馈线电压变为0.4kV，负荷较小，因此不作更换。

3.3 统一信息平台的网络化构建

如下图所示，智能牵引变电站统一信息平台采用三层两网布局，整个变电所分为站控层、间隔层、过程层三层结构。这种布局减少了设备间通信协议的转换，保证了不同厂家设备间的互联、互通和互操作性。而且减少了过程层大量的电缆使用，实现了二次系统从设备冗余到信息冗余的转变。

3.3.1 三层两网结构

（1）站控层及站控层网络

站控层主要实现面向全站设备的监视、控制及信息交互功能。主要包括主机、操作员站、GPS对时、远动通信装置等设备。

站控层网络由站控层交换机独立配置，由工业以太网MMS网络构建，可以实现间隔层与站控层的通信。站控层及站控层网络予以保留，不用改造。

（2）间隔层

间隔是以断路器主要核心设备进行划分，能汇总站内所属间隔的过程层实时数据信息，传递和处理站控层下发的数据，实施对本间隔的一次设备保护、测控等操作。

因此，可以将牵引变电所分为1#/2#主变高压侧保护测控间隔、1#/2#主变本体间隔、1#/2#主变低压侧间隔、27.5kV联络回路保护测控间隔、馈线保护测控间隔、电容电路保护测控间隔等。

每一个间隔包含自身所属的一二次设备。主要有变压器、断路器、刀闸等一次设备和保护、测控、故障录播等二次设备。

（3）过程层及过程层网络

过程层网络主要由GOOSE、SV网络，实现智能终端与合并单元等过程层设备与间隔层的通信。

构建GOOSE、SV网络，设置GOOSE、SV交换机。合并单元将通过互感器测量的数据进行合并和处理，并将处理后的数字信号以光纤为介质，通过SV交换机以点对点或者广播的形式转发给继电保护、计量装置、故障录波等间隔层设备。

智能终端可由电缆与一次设备相连，完成一次设备位置和状态告警信息的采集，并通过GOOSE网络将数字信息上传到间隔层，同时可接收间隔层设备的GOOSE命令对一次进行控制。

图 变电站统一信息平台

3.3.2 虚端子和虚回路

与传统牵引变电所二次回路拥有屏端子不同，数字化二次设备信息通信信息虚拟化，因此提出了基于虚拟回路的虚端子的设计理念。虚端子是IED设备间的GOOSE、SV输入输出信号连接关系的总称，是二次回路GOOSE、SV关联信息直观展示，类比于传统变电站的二次系统图。

在构建了智能牵引变电站统一信息平台后，对整个变电站进行虚端子的配置工作。采用虚端子配置工具实现不同IED的开出虚端子与开入虚端子的配置和校验，实现虚回路的连接，可有效减少继电器等实际二次设备的使用，降低了配置和修改时的运维成本。

3.3.3 SCL文件的配置

为了区分不同工具间交换数据类型，建立基于智能变电站配置描述语言（SCL）的一系列文件。不同厂家生产的智能电子设备（IED）时会同时下发该设备的配置文件ICD。系统规范文件（SSD）文件由系统集成商提供，描述主接线拓扑图、变电所功能等，相当于主接线图和设备功能图。

将SSD文件、IED文件由系统配置工具配置生成全站系统配置文件（SCD），描述整个变电站所有IED设备的实例配置和通信参数，IED设备间的配置信息、变电站一次系统结构等信息，相当于全站施工图、竣工图。

SCD文件通过装置配置文件生成CID、CCD文件，可实现IEC61850规约的校验。通过交换机配置工具导出CSD、CID文件对交换机进行配置。

4 未来展望

至此，本牵引变电所综合自动化系统智能化改造过程已完成，改造后的变电站将具备以下优势：①传统互感器大量更换为电子式互感器，采集的数据由模拟量转变为数字量，更加有利于大规模数据采集和传输。②将大量电缆传输介质换成少量光缆，节约了电能损耗，提高了传输效率，减少了电磁干扰的风险。③全站统一信息平台基于IEC61850规约构建，解决了不同厂家设备间互操作性的问题。④提供智能化模块的必要接口，为将来电网的自我预测、自我调节、自我修复等智能化功能的完善提供统一的平台。

虽然铁路牵引变电站智能化改造受制于改造难度大、改造成本高、行业惯性等因素影响，未能完全落地。然而，随着大数据平台搭配云计算等现代信息技术的发展及应用，可以实现实时观察和控制全网范围内电能流动状态、电能负载热区、故障高发区等全网所有信息节点，数据可视化、负载趋势预测、设备故障趋势预测等功能会逐步得到兑现，自我预测、自我调节、自我修复等智能化功能的研究深入，其优势会愈发明显，智能牵引变电所将大有可为。