劉奇光

關(guān)鍵詞：牽引變電所;智能化;二次設(shè)備

智能變電站是建立于IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)之上，包括過程層智能終端、合并單元，間隔層智能IED，站控層監(jiān)控系統(tǒng)等在內(nèi)的能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提出了一種公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過對設(shè)備的一系列規(guī)范化形成一個規(guī)范的輸出，能夠使系統(tǒng)無縫連接。隨著電力系統(tǒng)智能化變電站的推廣，牽引變電所的智能化也成逐步發(fā)展的趨勢。目前運(yùn)營的牽引變電所幾乎都為常規(guī)變電所，研究常規(guī)牽引變電所的智能化改造極具現(xiàn)實(shí)意義。

一、概述

智能牽引變電所實(shí)現(xiàn)總體原則是由變電所數(shù)字化一次設(shè)備、數(shù)字化二次設(shè)備，高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺共同組成的，通過標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字信息在線采集，實(shí)現(xiàn)牽引變電所數(shù)據(jù)共享和設(shè)備互操作，實(shí)時在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理、運(yùn)行狀態(tài)評估等功能，較傳統(tǒng)牽引變電所綜合自動化技術(shù)有著深入的發(fā)展。從體系架構(gòu)上一般將智能牽引變電所分為三層，即過程層、間隔層、站控層。過程層主要包括互感器、斷路器開關(guān)等一次設(shè)備;間隔層主要包括繼電保護(hù)裝置、故障錄波器、系統(tǒng)測控裝置等二次設(shè)備;站控層主要包括主機(jī)、工作站、遠(yuǎn)動通信裝置和其他功能設(shè)備。

二、智能牽引變電所主要特點(diǎn)

傳統(tǒng)的牽引變電所設(shè)計涉及變電部分、數(shù)據(jù)采集和SCADA監(jiān)控系統(tǒng)等不同部分。智能牽引變電所基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，具有全息化在線控制、智能化故障指示，實(shí)時化接口數(shù)據(jù)共享等特點(diǎn)。采用分布式控制技術(shù)的牽引變電所接線逐步被過渡淘汰，取而代之的是一個本地網(wǎng)絡(luò)化智能牽引變電所。如何最大化地將智能變電所技術(shù)應(yīng)用在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中，提高其運(yùn)行眭能，增加可靠性，確保操作性，簡化維護(hù)性，解決行車安全問題和控制成本是需要重點(diǎn)解決的問題。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施加快了變電站保護(hù)及自動化技術(shù)的發(fā)展，此外基于光電技術(shù)傳感器檢測電壓和電流，光纖網(wǎng)絡(luò)通信、高速以太網(wǎng)和主設(shè)備的智能化技術(shù)為新型智能化變電站的繼電保護(hù)及自動化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。因此，包括信息共享、設(shè)備互聯(lián)和智能運(yùn)行的技術(shù)優(yōu)勢必將對供電系統(tǒng)的保護(hù)和控制起到實(shí)質(zhì)性的變化影響。目前，基于IEC61850協(xié)議的智能變電站已在供電系統(tǒng)逐步推廣，但其中部分細(xì)節(jié)仍需完善。具體是：（1）雖然光學(xué)或電子式互感器已被用于獲得保護(hù)自動化設(shè)備所需的電流和電壓信號，但變電站保護(hù)大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的高級應(yīng)用功能仍需提高。（2）智能變電站新技術(shù)的應(yīng)用尚屬起步階段，新的設(shè)備和控制系統(tǒng)的兼容性、耐用性有一定提升空間?？傮w構(gòu)建和實(shí)施基于IEC61850的變電站保護(hù)和自動化系統(tǒng)，應(yīng)該利用新的技術(shù)來獲得比綜合微機(jī)保護(hù)及自動化系統(tǒng)可靠性更高。因此，有必要研究提高變電站新型保護(hù)自動化系統(tǒng)可靠性的方法。在分析傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了兩種基于信息共享備份保護(hù)單元和基于信息共享的信號備份的可靠性方案。研究鐵路智能牽引變電所的一次設(shè)備智能化關(guān)鍵技術(shù)的組成構(gòu)架，通過智能電子設(shè)備的組合與集成，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)化的控制和維護(hù)智能變電所的網(wǎng)絡(luò)及軟件功能。基于IEC61850協(xié)議的智能牽引變電所，實(shí)現(xiàn)電子式互感器數(shù)字化采樣、斷路器及隔離開關(guān)合分閘狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)傳輸、多功能繼電保護(hù)、電源管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等一次設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測主要包括電子式互感器、智能斷路器及智能終端。

三、智能牽引變電所網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

智能化牽引變電所的架構(gòu)，包括站控層、間隔層和過程層，站控層包括系統(tǒng)主機(jī)、電壓無功控制裝置（VQC）、工作站、北斗/GPS對時系統(tǒng)等，根據(jù)IEC61850-5所提的要求，站控層提供了變電所內(nèi)一個運(yùn)行的人機(jī)聯(lián)系界面，從而實(shí)現(xiàn)了管理間隔層設(shè)備等功能;間隔層由110kv和27.5 kV保護(hù)、測控裝置組成;過程層包含由一次設(shè)備和智能組件構(gòu)成的智能終端設(shè)備、合并單元和新型非磁性，光電式互感器等，這意味著智能終端設(shè)備可以隨一次設(shè)備就地安裝。全站可采用100M雙環(huán)形或雙星型工業(yè)以太網(wǎng)，站控一間隔層網(wǎng)采用構(gòu)建在IEC61850-8-1通信協(xié)議上的MNS冗余以太網(wǎng)，具備了智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的條件，同時，北斗/GPS提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的IRIG-B信號和時間信息，確保了間隔層與過程層設(shè)備之間的有效、高速信息傳輸。在實(shí)際的設(shè)計中，如果牽引變電所信息負(fù)荷率高或包括了供電臂的管理，一般采用冗余的間隔一過程層網(wǎng)。如圖。

智能變電所的采樣值傳輸模式是基于IEC61850-9-1和IEC61850-9-2采樣值sV傳輸模式，即點(diǎn)對點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)化傳輸方式，對于后者，非磁性互感器通過合并單元輸出的采樣值報文，經(jīng)過程層交換網(wǎng)絡(luò)傳送給智能設(shè)備，這有利于實(shí)現(xiàn)跨間隔、全站和區(qū)域性的集中保護(hù)，保護(hù)裝置可靈活定義幀格式以及靈活配置數(shù)據(jù)集內(nèi)容，同時支持單播方式;合并單元可下放至就地端子箱安裝，并只需1根光纖就可接入主控室的過程層網(wǎng)絡(luò)。鑒于此，故障錄波器可經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接收任一合并單元數(shù)字化的交流采樣信號。

智能設(shè)備（IED）共同協(xié)助完成自動化功能的應(yīng)用場合越來越多，例如間隔層設(shè)備之間的防誤閉鎖、分布式母線保護(hù)以及開關(guān)狀態(tài)傳輸?shù)?，這些功能得以完成的重要前提是眾多IED之間數(shù)據(jù)通信的可靠性和實(shí)時性?；诖耍琁EC61850標(biāo)準(zhǔn)中定義了通用變電所事件GSE模型，該模型提供了在全系統(tǒng)范圍內(nèi)快速可靠地輸入、輸出數(shù)據(jù)值的功能。GSE分為不同的控制類和報文結(jié)構(gòu)：一種是面向通用對象的變電所事件GOOSE，支持由數(shù)據(jù)集組織的公共數(shù)據(jù)交換;另一種是通用變電所狀態(tài)事件GSSE，用于傳輸狀態(tài)變位信息。GOOSE即通用面向?qū)ο蟮淖冸娝录?，是一種快速報文傳輸機(jī)制，由IEC61850-7標(biāo)準(zhǔn)定義的變電所事件模型類;GOOSE服務(wù)的基礎(chǔ)是高速PZP通信，為邏輯節(jié)點(diǎn)間提供了更可靠和快速的通信，無需硬接線連接;當(dāng)一個智能電子設(shè)備與其他智能電子設(shè)備相連時，GOOSE不僅可以作為訂閱端接收數(shù)據(jù)，而且還可以作為發(fā)送端，為其他智能電子設(shè)備提供數(shù)據(jù)。在大部分智能變電所中，過程層多采用IEC61850-9-2 SV傳輸網(wǎng)絡(luò)，與GOOSE網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立。不過，測試結(jié)果表明過程層可以實(shí)現(xiàn)SV與GOOSE共網(wǎng)傳輸，并且通信性能在sV采樣值和GOOSE信息方面都沒有明顯的差異。為了保證過程層數(shù)據(jù)的實(shí)時性，避免不同特點(diǎn)的數(shù)據(jù)相互影響，系統(tǒng)采用變電所層網(wǎng)絡(luò)、過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)和sV傳送網(wǎng)三網(wǎng)分離策略。變電所層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是突發(fā)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大，傳送實(shí)時性要求不高;過程層GOOSE網(wǎng)數(shù)據(jù)特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量不大，具有突發(fā)性，傳輸要求可靠性高、實(shí)時性強(qiáng);SV傳送網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量特別大，呈周期性，傳輸?shù)囊笫菍?shí)時性、穩(wěn)定性、可靠性都要非常高，延時需要確定。若三網(wǎng)相互獨(dú)立，分工明確，可確保整個智能化牽引變電所系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。GOOSE信息采用發(fā)布，訂閱的機(jī)制，它的數(shù)據(jù)量比例較小，利用的帶寬比例也較小，且具備超時重傳機(jī)制。該共網(wǎng)傳輸大大降低了變電所的投資成本，方便運(yùn)營維護(hù)。

四、既有牽引供電系統(tǒng)的智能化改造

對于傳統(tǒng)的牽引變電所分區(qū)所等，110 kV配電裝置通常為戶外單體設(shè)備，戶外的110kV GIS尚較少應(yīng)用;中壓側(cè)27.5 kV或2×27.5 kv配電裝置通常戶內(nèi)安裝，近年來，27.5 kV開關(guān)柜（GIS）在高速牽引供電領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。一次設(shè)備本體均設(shè)置端子箱;控制保護(hù)屏、交直流電源等二次設(shè)備一般安裝在牽引變電所控制室內(nèi)，環(huán)境溫度滿足安全運(yùn)行要求。二次設(shè)備與一次設(shè)備端子箱、一次設(shè)備端子箱與一次設(shè)備間采用大量的電纜連接。一次設(shè)備及既有監(jiān)控系統(tǒng)的智能化改造是既有所智能化改造的關(guān)鍵，需根據(jù)其使用年限及工程投資等多方面比選，確定經(jīng)濟(jì)技術(shù)最優(yōu)的改造方案。對于一次設(shè)備智能化改造，根據(jù)智能變電所的基本組成方案：選用新型非磁性互感器+合并單元+智能單元;利用既有的電磁式電流電壓互感器+合并單元+智能單元。從投資角度，第1種方案造價較高，但智能化改造更徹底;從產(chǎn)品的成熟度角度看，方案尚處于發(fā)展中，需要不斷積累經(jīng)驗(yàn)，而第2種方案較成熟，改造難度小;從產(chǎn)品的技術(shù)角度看，非磁性互感器數(shù)據(jù)的光纖傳輸有一定的延時，相比于常規(guī)互感器，它的數(shù)據(jù)會產(chǎn)生一定的角差，因此，通常情況下，主變壓器與其低壓側(cè)的跨間隔保護(hù)設(shè)備改造仍采取常規(guī)互感器。對于監(jiān)控系統(tǒng)的智能化改造，如果被改造的牽引變電所仍采用遠(yuǎn)動RTU或集中式的自動化系統(tǒng)，首先淘汰RTU設(shè)備，其次完成間隔層以及站控層的綜合自動化數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)通信，最后，依照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對二次設(shè)備軟件進(jìn)行升級。經(jīng)分析，智能牽引變電所技術(shù)無論應(yīng)用于新建還是既有所改造，將會帶來3個方面的突破：一是實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備信息就地采集并上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與所智能化平臺的融合;二是實(shí)現(xiàn)變電所、分區(qū)所等的基礎(chǔ)信息數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化和一體化，使得相關(guān)智能化所間、智能化所與綜合監(jiān)控系統(tǒng)間的聯(lián)網(wǎng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)了信息系統(tǒng)的一體化、密切分工與協(xié)同互動。

總之，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能斷路器、智能熔斷器、新型非磁性，光互感器，以及光纖交換式以太網(wǎng)通信技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了供電臂單元智能設(shè)備間的“互連、互換、互操作”，該技術(shù)是變電所建設(shè)、運(yùn)行、檢修、管理模式的升級，將高效地實(shí)現(xiàn)整個牽引供電系統(tǒng)的智能化運(yùn)行和維護(hù)監(jiān)視，提高牽引供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平，大大降低運(yùn)行維護(hù)成本。