智能牵引变电所网络化自投功能研究与应用*

高黎明

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 431000)

0 引言

近年来，我国高速铁路建设取得了巨大成就，人们对高速铁路的发展也提出了更高的要求。高速铁路一般为电气化铁路，电气化铁路的牵引供电系统主要由牵引变电所与牵引网两部分组成，一旦发生故障，会中断对机车供电，动车组失去动力来源，停止运行，造成乘客滞留，严重扰乱正常的运输秩序[1-3]。因此，作为牵引供电系统核心部分的牵引变电所，其继电保护的配置必须合理、规范和准确。保护的可靠性关系到牵引供电系统的安全，将直接影响电气化铁路的运营状况。

牵引变电所内设置有一主一备2 台牵引变压器以及对应的2 路进线电源，采用2 台主变测控装置分别采集进线电源的电压、电流及对应进线的隔离开关、断路器等开关量，同时实现对相应开关的控制分合闸，需要采用大量的二次电缆实现硬线连接。同时，传统的综合自动化系统在发生进线失压或牵引变压器故障时，通过设置自投装置实现进线或牵引变压器的自动投切，投入备用进线或牵引变压器，保证牵引变电所的安全供电。自投装置同样需要采用大量的二次电缆，采集开关量、电气量、保护动作信号等，进行逻辑编程，控制分合与自投相关的开关，从而实现备用电源及牵引变压器自动投切功能，但大量的二次电缆容易造成接线错误，导致装置误动或拒动[4-5]。

智能牵引变电所由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，建立在IEC61850 通信规范基础上[6]，能够实现变电所内智能电气设备间信息共享与互操作，基本特征为一次设备智能化、二次设备网络化、站内通信光纤化、运行管理自动化。IEC61850 提出的通用面向对象变电站事件(Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE)传输机制可以实现快速、安全的数据交换。GOOSE 可以实现保护跳合闸、摇控跳合闸及遥信量的传输[7-8]。自投功能必需的开关控制分合闸命令、开关位置信号与联锁信号采集等均可通过GOOSE 实现。电压、电流等模拟量通过过程层的SMV(Sampled Measured Value)报文传输[9-10]，以采集自投功能所需的电源电流和电压等模拟量作无流有压判断。

本文针对智能牵引变电所的特点，提出了基于GOOSE与SMV 实现自投功能的方案。该方案在变压器故障或进线电源失压时，自动实现变压器与进线电源的投切，保证牵引变电所的供电安全，方案的有效性与正确性得到了现场试验验证。

1 传统综合自动化系统自投功能缺陷

传统综合自动化系统在牵引变电所内设置专用的自投装置，采集供电电源及备用电源的电流、电压、开关位置、合后状态等信号，根据自投方式和逻辑，关合或开断相应断路器、隔离开关，维持电源供电。传统的自投装置利用二次电缆从变电所获取电压、电流、开关位置等信息，从其他装置获取闭锁信号，通过电缆传送分合闸命令，接线十分复杂，容易出现TA 开路、TV 短路、直流接地等故障。当变电站需要扩建线路间隔或对自投方式更改时，需要重新敷设电缆、改造自投装置，自投装置同调度、后台之间的通信也需要调整，既加大了投资，又延长了改造周期，不能适应新的变电站自动化模式。

传统综合自动化系统自投方案存在上述缺陷的主要原因是：保护装置之间不能交换信息[11]，各保护装置只能各自分合断路器与隔离开关，并采集相对应的开关位置信息。基于IEC61850 标准的智能保护装置之间可以通过GOOSE 传递信息，能够快速地向其他装置发出闭锁信号、保护联跳或开关分合闸信号，通过SMV 传递电压、电流等模拟量，从而通过网络信息交互代替传统的电缆连接，使基于通信方式的自投功能实现成为可能。

当自投利用GOOSE 实现时，可能通过网络信息交互代替传统的电缆连接，适应数字化变电站的要求。变电站自动化系统按照IEC61850 通信标准进行建模和信息传输，通过GOOSE 传输机制实现快速、安全的数据交换。由于GOOSE 只能传输开关量信号和跳闸信号，不能传输模拟量数据，而传统的自投装置需要采集电源电流和电压等模拟量作无流有压判断，必须根据智能变电站的特点作相应的调整，采用SMV 传递电压、电流等模拟量，从而在智能牵引变电所中实现自投功能。

2 基于IEC61850 的变电所自投方案研究

牵引变电所主接线图如图1 所示，需要配置的保护装置与该装置应该完成的功能如表1 所示。

图1 牵引变电所主接线图

表1 保护装置配置与功能

基于IEC61850 的变电站自动化系统采用分层分布式结构，由站控层、间隔层和过程层组成，分层结构示意图如图2 所示。

图2 智能变电站自动化系统分层结构示意图

站控层由一体化当地监控单元、远动通信单元、时钟同步单元构成；间隔层由保护装置、测控装置等单元构成，装置之间通过GOOSE 交互信息；过程层由合并单元、智能组件等构成，合并单元通过SMV 向保护装置传递信息，智能组件通过GOOSE 与保护测控装置传递信息。

自投程序固化在两台主变测控装置中，由主变测控装置完成自投功能。在自投功能启动前，两台主变测控装置先对当前运行方式进行识别：

(1)运行方式1：本侧进线受电，本侧变压器运行，对侧进线、对侧变压器备用；

(2)运行方式2：本侧进线受电，对侧变压器运行，对侧进线、本侧变压器备用；

(3)运行方式3：对侧进线受电，本侧变压器运行，本侧进线、对侧变压器备用；

(4)运行方式4：对侧进线受电，对侧变压器运行，本侧进线、本侧变压器备用。

若一台装置识别出运行方式1，对应地另一台装置将识别出运行方式4；若一台装置识别出运行方式2，对应地另一台装置将识别出运行方式3。将变压器运行侧主变测控装置设定为主用，备用侧主变测控装置设定为备用。也即，识别出运行方式1 与运行方式3 的主变测控装置主用，当收到进线失压或变压器故障信息时，进入自投状态，完成自投功能。只有当主用自投装置出现故障，备用自投装置立即进入自投状态，替代主用装置，完成自投功能。

备自投动作序列遵循的原则是：先合隔离开关，后合断路器；先分断路器，后分隔离开关；先合高压侧开关，后合低压侧开关；先分低压侧开关，后分高压侧开关。

3 试验验证

针对本文提出的自投方案，课题组于2021 年8 月24 日在赣深高铁博罗北牵引所进行了现场试验，验证了方案的有效性与正确性。博罗北牵引所没有设置变压器中性点接地隔离开关，即图1 中的9QS 与10QS 没有，7QS 与8QS 为手动隔离开关，处于常合位。当1# 进线带1# 变压器运行，2# 进线与2# 变压器备用，1# 进线失压时，变电所1# 主变测控装置作为自投主装置，记录的自投流程如图3 所示(事件记录按时间顺序从下往上看)。

图3 1# 进线失压自投流程记录图

其中高压侧断路器为图1 中的1QF，低压侧a 相断路器为图1 中的3QF，低压侧b 相断路器为图1 中的5QF。1# 进线失压启动自投，自投成功后，由原来的1#进线带1# 变压器运行，变成2# 进线带1# 变压器运行。

2# 进线带1# 变压器运行，1# 进线与2# 变压器备用，1# 变压器故障时，变电所1# 主变测控装置作为自投主装置，记录的自投流程如图4 所示(事件记录按时间顺序从下往上看)。

图4 1# 主变故障自投流程记录图

其中自投分闸的低压侧b 相断路器为图1 中的5QF，分闸的低压侧a 相断路器为图1 中的3QF，分闸的高压侧断路器为图1 中的1QF；自投合闸的高压侧断路器为图1 中的2QF，自投合闸的低压侧a 相断路器为图1 中的4QF，自投合闸的低压侧b 相断路器为图1 中的6QF。1# 变压器故障启动自投，自投成功后，由原来的2# 进线带1# 变压器运行，变成2# 进线带2# 变压器运行。

综上所述，分别通过进线失压与变压器故障启动自投，完成了进线电源与备用变压器的投切，验证了方案的正确性与有效性。

4 结论

针对智能牵引变电所的特点，本文提出了基于GOOSE与SMV 实现自投功能的方案，方案中的保护装置之间、保护装置与智能组件之间可以通过GOOSE 传递信息，快速地向其他装置发出闭锁信号、保护联跳或开关分合闸信号；合并单元通过SMV 向保护装置传递电压、电流等模拟量，作为无流或有压的判断依据。通过在既有主变测控装置中固化自投程序，当变压器故障或进线电源失压时，启动主用主变测控装置，依次控制操作相应的隔离开关与断路器，实现自投功能。备用主变测控装置在主用装置故障时，自动投入，替代主用装置完成自投功能。赣深高铁博罗北牵引所的现场试验结果验证了方案的有效性与正确性，该方案具有重要的理论意义与应用价值。