摘要：随着网络通信技术的发展与应用，数字化铁路已经成为铁路建设和发展的大方向。运营部门利用数字化技术可以远程实时监控现场设备的运行状态，即时组织故障抢险，并通过日积月累的设备维护信息、应急处理预案等数据库分析故障发生原因并给出合理化方案。智能牵引供电系统作为数字化铁路的重要组成部分，能够更加高效、即时、准确地保证电气化铁路的运行安全。目前，国内智能电网以及数字化变电站已在大规模的建设，而铁路数字化牵引变电所的建设和发展相对滞后，至今仍没有一条完全采用数字化牵引变电所的运营线路，相关规范标准也处于空白。文章通过借鉴归纳电力系统数字化变电站的建设、改造经验，探讨传统牵引变电所数字化改造的系统方案。
关键词：牵引变电所；数字化改造；IEC65850应用
The Discussion of Digital renovation system scheme of traditional traction substation
SHI Min YAO Xi-ping
（China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031，China）
Abstract：With the development and application of network communication technology，digital railway has become the general direction of construction and development in rail.The operation department can use the digital technology to monitor the running status of the field equipment in real time，and immediately organize the fault rescue，and analyze the cause of the failure and give the rationalization plan through the database including maintenance information and emergency treatment plan.The smart traction power supply system as an important part of the digital railway，can be more efficient，immediate and accurate to ensure the operation of electrical railway safety.At present，the domestic smart grid and digital substation has been in large-scale construction，and the construction and development of digital traction substation in rail is lagging behind.There is still not any railway route completely using digital traction substation，the corresponding standards are also in blank.In this paper，through learning from the construction and renovation experience of the digital substation in smart grid，digital renovation system scheme of traditional traction substation will be discussed.
Key words：traction substation；digital；IEC61850 application
0 引言
2004年，国际电工委员会颁布了变电站自动化系统国际标准IEC61850。同年，国家电网公司发布了《智能变电站技术导则》企业标准，对数字化变电站、智能电网的发展思路和建设理念提出了系统性要求。2013年，该标准修订更新后升级为
国家标准。根据国家能源局“十三五”规划，到2020年，我国将初步建成安全可靠、开放兼容、双向互动、高效经济、清洁环保的智能电网体系。
相比电网系统，铁路数字化牵引变电所的建设较晚，目前还处于经验累积阶段。近些年，部分铁路局陆续有个别所进行了数字化改造试验，例如：2012年，资阳110kV数字化牵引变电所投入试验运行；2014年，山西中南部铁路王家庄220kV AT数字化牵引变电所投入试验运行。
1 牵引变电所数字化
传统牵引变电所数字化改造主要包括一次设备的智能化改造和二次设备的网络化改造。一次设备智能化的重点是电子式互感器和智能开关设备的应用；根据IEC61850通信规范，将传统二次系统，清晰地分成过程层、间隔层、站控层，实现全所电气设备之间信息网络化共享和互操作。
1.1 IEC61850
IEC61850标准规范了二次系统（如保护、测控、环境监控、计量等装置）的模型和通信接口，同时定义了智能一次设备的模型和通信接口，使设备间通过网络进行信息交换，形成变电所二次系统的 “三层两网”结构。数字化牵引变电所与传统牵引变电所组网对比如图1所示。
图1 数字化牵引变电所与传统牵引变电所组网对比图
1.2 “三层两网”结构
过程层设备由合并单元（MU）和智能终端组成，配置在一次设备上，可完成对一次设备各种信息数据的实时采集和控制命令的执行功能。
间隔层设备由各种智能组件组成，可完成保护、测控、检测和计量等功能。各功能的智能组件之间组合灵活，并相对独立。目前智能组件的形态为保护、测控等装置。间隔层设备可集中组屏或与一次设备共同放置。
站控层设备由当地监控、远动通讯、高级应用等装置组成。
过程层网络分为SV采样值网络和GOOSE网络。前者可实现电流、电压模拟量采样值报文的上传；后者主要实现电气设备安全运行相关的状态信息（GOOSE报文）、对时报文（用于同步）和设备管理信息的传递。其中GOOSE报文可在多个IED之间的传递包括传输跳合闸、联闭锁等多种信号（命令）。
站控层网络与过程层网络物理上相互独立。站控层网络的功能和结构与传统牵引变电所的监控网络基本类似，依靠制造报文规范（MMS）/GOOSE进行通信，实现全站信息的汇总等功能。
2 牵引变电所数字化改造系统方案
本文牵引变电所的数字化改造方案以220kV全户外布置牵引变电所为例。220 kV、27.5 kV配电装置及牵引变压器均采用户外单体布置，综合自动化系统集中组屏于主控室。
2.1 一次设备智能化改造
智能一次设备具备数字化接口，包括电子式互感器、智能开关设备、智能化牵引变压器等，设备信息采用数字输出并通过光纤传输。
目前，智能化牵引变压器、智能开关的制造技术复杂，造价昂贵。在实际工程应用中，采用传统一次设备配智能终端来实现其智能化。
电子式互感器可解决传统互感器磁饱和等问题，具有非常好的暂态特性，其中应用较广泛的是有源电子式互感器（ECT、ECV）。但在相对恶劣的外部环境中，特别是山区铁路，电子式互感器长期工作的可靠性及稳定性无法得到保证，其中电子部件使用寿命无法满足30年工程设计寿命需求；27.5kV及以下电压等级的电子式互感器输出的电压信号，没有常规互感器输出的信号（1 A/5 A）抗干扰能力强，并且还需要通过合并单元转化成数字信号后才可实现网络化传输共享。因此本文方案中，220kV、27.5kV以及集中接地箱均采用常规互感器结合就地智能组件的方式实现互感器智能化。该就地智能组件应包含合并单元功能，能把常规互感器的模拟信号转换成数字信号后传输给各间隔层设备[3]。
2.2 二次设备网络化改造
所内传统微机保护装置可实现对一次设备进行保护、控制、测量和监视，并设置开入、开出、出口等端子排。保护测控装置的开关量、跳合闸出口等都与具体的端子一一对应，并采用控制电缆与一次设备相连接。当一次系统运行不正常或发生故障时，微机保护可根据异常电气量的变化，发出相应的信号，报警或切除故障电气设备。
改造后，传统微机保护装置将被新一代通过光纤传输数字量信号的微机保护装置所取代。保护装置和一次设备之间依靠智能终端来传递开关位置、闭锁、遥信等数字信号，并完成开关设备的跳合闸、闭锁等操作。考虑到一次设备与智能终端之间通常距离较近，两者仍可采用电缆连接，而智能终端与主控制室内的保护装置采用光缆传递数字命令信号。备自投、计量表等也需要更换为采用数字通信的新型装置。本文220kV牵引变电所数字化改造二次组网方案如图2所示。
2.2.1 过程层设备
过程层设备由安装在户外智能就地控制柜内的合并单元、智能终端和就地智能组件等单元组成。通过与传统互感器、开关设备、牵引变压器、所用变压器等相互配合满足一次设备的智能化要求。智能就地控制柜按电气间隔配置，通常1个控制柜中可安放6个单元。
合并单元用来完成一次设备电气量（电流、电压值）的合并和同步，并将处理之后的数字信号按照特定格式传递给间隔层保护测控等装置使用。合并单元采用IEC60044-7/8发送协议，使高低压侧各合并单元之间的同步能不依赖任何外部时钟源，确保保护实现的可靠性。合并单元应既可接入电子式互感器的数字采样值，也可接入传统互感器的模拟信号。
智能终端通过GOOSE通信方式实现对断路器、隔离开关、牵引变压器、所用变压器等设备的控制和相关状态信号的采集。
根据《110（66）kV～220kV智能变电站设计规范》（以下简称规范）以及电力系统智能变电站的典型设计方案，220kV及以上电压等级的电气设备，采用双重化配置（即2套独立的保护、合并单元和智能终端）；110kV及以下电压等级的电气设备，多采用单配置（即1套保护、合并单元和智能终端）；变压器的本体保护及变压器高低压侧合并单元和智能终端也按双重化配置，测控装置可按单套配置。
因此，本文220kV牵引变电所数字化改造方案中，牵引变压器的220kV侧和27.5kV进线侧均采用双重化配置，27.5kV馈线侧采用单配置，并且27.5kV母线电压合并单元应具备电压切换功能。
根据上述规范，110kV牵引变电所主保护，即110kV侧和27.5kV进线侧也按双重化配置。
2.2.2 过程层组网方案
根据规范：110（66）kV～220kV电压等级继电保护及安全自动装置宜采用点对点数字量采样，也可采用网络数字量采样。因此，过程层组网方案可分为点对点模式和组网模式。
点对点模式即“直采直跳”，该模式下保护、测控等装置通过光纤点对点直接采样，直接跳合闸，不经过交换机，无需考虑合并单元采样是否同步，可靠性高。点对点模式对光纤施工工艺的要求较高，同时建设成本也较高。熔纤工艺的好坏直接影响光纤的使用，而熔纤工艺并不取决于熔纤设备，主要依靠工人经验。
组网模式又可分为“直采网跳”和“网采网跳”。“网采网跳”模式中GOOSE数据、SV数据均需通过交换机传递，并且全所合并单元的时间需同步一致。该模式可以充分利用网络数据共享优势，精简过程层设备的硬件设计和光纤接线的数量，降低建设成本。由于受当前设备技术水平的影响，各生产厂商设备性能良莠不齐，可靠性相对较低。
本文数字化改造过程中过程层组网方案采用主保护点对点、其余组网的模式，即主变保护的GOOSE数据、SV数据点对点采集、传递，其余保护、测控、记录、分析等数据采用组网采集、传递。此方案既能保证保护可靠动作，又能极大程度地实现数据共享，减少间隔层设备和光纤的投资，降低后期运营维护工作量[2]。
方案中GOOSE网按双星形结构布置，所有保护、测控等装置与智能终端均需要提供2个GOOSE以太网光纤接口，同时接入到2个相互独立的以太网中。交换机或网络连线的故障通常只会影响其中一个网络，GOOSE数据传递和保护功能实现受影响程度会大大降低。此外，为便于传统牵引变电所的数字化改造，减少对行车运输的干扰，220kV和27.5kV应分别单独组网。
过程层SV网与GOOSE网既可分开设置，也可共网设置。相较于分开设置，SV网与GOOSE网共网设置组网结构简单，可减少交换设备和光纤的投资，便于管理维护。
2.2.3 间隔层设备配置
间隔层设备由保护测控装置组成，与传统牵引变电所一样，集中组屏于主控制室。
2.2.4 站控层设备配置
站控层设备包括计算机网络连接的系统监控主机、操作员工作站、远动主机、GPS或北斗对时系统等。站控层能够提供牵引变电所运行的人机联系界面，管理控制间隔层、过程层等设备，实现与调度中心、供电段等机构通信连接。依照IEC61850标准配置的站控层能够实现全所信息平台和功能的统一化、集成化。
站控层网络采用MMS、GOOSE、SNTP时间同步三网合一双星型结构，双网双工方式运行，能实现网络无缝切换。
交直流系统、电能表、油色谱装置、电缆在线监测、SF6监测、网开关等（非标准模型）子系统通过规约转换器生成标准的IEC61850数据模型，以MMS方式接入监控后台或远方调度主站。
2.2.5 北斗或GPS时钟同步
站控层采用SNTP（简单网络时间协议）对时，间隔层和过程层采用IRIG-B码对时。不同间隔设备之间的合并单元同步采样精度优应在4 s以内，大于网络传输的延时。所内设置GPS或北斗设备，用于统一同步信号源，提供标准的统一IRIG-B信号和时间信息。对时系统需要采用双重化配置和双电源供电。当同步信号源失去时，可利用数据间的自同步技术解决保护设备对同步信号源的依赖性，确保不影响全所的运行。
3 （AT）分区所、AT所、开闭所数字化改造
（AT）分区所、AT所、开闭所的数字化改造方案可参照牵引变电所27.5kV馈线侧间隔设备的改造标准进行设置。
4 传统牵引变电所数字化改造存在的问题
目前，传统牵引变电所数字化改造中还存在许多不足，例如：1.智能一次设备、电子式互感器的制造工艺亟待提升，使之能够长时间地适应各种恶劣的户外气候环境；2.数字化牵引变电所的实现依赖网络通信，因此对交换机、IDE等二次设备的性能要求较高，交换机需要实现零丢包及网络风暴抑制功能，而各厂家设备性能良莠不齐，市场急待规范；3.目前，牵引变电所数字化改造只能借鉴电网标准实施执行，铁路系统数字化牵引变电所的设计、施工、检测维护标准尚属空白。4.运营部门需根据数字化牵引变电所设备的特点培训组织专业的检测与维护人员。
5 结束语
本文中传统牵引变电所数字化改造方案在结合电力系统数字化变电站建设与运营经验基础上进行研究。改造后，传统牵引变电所数量密集的二次电缆会被简单的光纤取代，抗电磁干扰能力大幅增强；所内全部电气量、设备状态信息的采集均在就地完成，转换为数字量后通过网络传输保护测控装置，所有的开出控制也通过网络通信完成，实现了所内设备信息网络化共享，改善了系统的扩展性，为进一步实现实时自动控制、智能调节、在线分析决策等高级应用以及铁路系统全面数字化打下基础。
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作者简介：
施敏，出生年月：1987.1，职称：工程师，单位：中铁二院电化院。
论文作者:施敏,姚夕平
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/12
标签：变电所论文; 设备论文; 智能论文; 互感器论文; 变电站论文; 终端论文; 间隔论文; 《电力设备》2018年第3期论文;