1、牵引变电所数字化系统技术方案的研究王继来摘 要：随着智能化电气的发展，变电所自动化技术正在迈入数字化的新阶段，全数字化变电所已经在电网系统开始应用并逐步推广。本文对牵引变电所采用数字化技术的系统方案进行了研究和探讨。关键词：牵引变电所；数字化；技术方案Abstract: With the development of intelligent electrical, Substation automation technology is moving into a new stage of digital. All-digital substations have been started an
2、d gradually extend in the application of power system. In this paper, the programs of digital technology system in traction substation research and investigate.Key words: traction substation; digital; technical program中图分类号：U224.9 文献标识码：A 文章编号：1007-936(2010)03-0022-031 数字化变电所的主要技术特点数字化变电所技术是指基于 IEC6
3、1850 标准建立全站统一的数据模型和数据通信平台，实现站内智能化一次设备和网络化二次设备数字化通信，确保智能化二次设备之间的互操作性。与传统的变电站相比具有以下显著技术特点。1.1 基于 IEC61850 通信规约IEC61850 和传统规约的主要不同之处在于：不仅规范保护测控装置的模型和通信接口，而且还定义了数字式 TA、TV 和智能式开关等一次设备的模型和通信接口。IEC61850 将变电站通信体系分为 3 层 1：变电站层、间隔层，过程层。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范（MMS）、传输控制协议/网际协议（TCP/1P）以太网或光纤网。在间隔层和过程层
4、之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的智能电子设备（IED，测控单元和继电保护）均采用统一的协议，通过网络进行信息交换。1.2 采用智能化的一次设备智能化设备具备数字化接口，采用数字输出的电子式互感器、智能开关（或传统开关配智能终端）等智能一次设备，设备信息采用光纤传输，实现对其智能化控制，该设备是机电一体的进一步结合。作者简介：王继来.中铁第一勘察设计院集团有限公司，工程师，陕西 西安 710043，电话：13991255236。1.3 二次设备网络化取消控制电缆，二次设备间用通信网络交换采样数据、运行状态和控制命令等信息。变电站内的二次设备全部基于标准化、模块化的微处理机设计
5、制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备间用通信网络交换采样数据，通过网络真正实现数据、资源共享 23 。2 数字化牵引变电所技术方案2.1 牵引变电所设计概述牵引变电所主要分为高压（110 kV、220 kV或 330 kV）和中压（27.5 kV、55 kV 或 227.5 kV）2 个电压等级。本次研究以 110/27.5 kV 牵引变电所为例。 110 kV 配电装置采用户外单体设备，27.5 kV 配电装置采用户内单体设备间隔式布置方案。数字化牵引变电所由智能化一次设备（电子式互感器、智能化开关等）和网络化二次设备分层（过程层、间隔层、站控层）构建，建立在IEC61850
6、 通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作。110 kV 侧配置思路：（1）110 kV 侧采用有源电子式互感器，电子式互感器输出数字信号，通过合并单元将采样值信息以 IEC61850-9-2 点对点传输标准传输给各保护测控等间隔层设备。（2）智能开关采用“智能终端+GOOSE”实现了开关设备的数字化和过程层数字化，智能终端安装在户外智能就地柜内与开关设备配合实现一次设备的智能化。（3）110 kV 侧保护直采直跳，采用 GOOSE点对点跳闸方式，保护装置之间的联闭锁信息通过 GOOSE 网络传输。牵引变压器保护配置：（1）每台主变压器配一套变压器差动保护和一套后备保护（
7、含非电量保护功能），变压器保护遵循直采直跳，采用 GOOSE 点对点跳闸方式，保护装置之间的联闭锁信息通过 GOOSE 网络传输。（2）主变压器接地端电流互感器采用常规互感器，常规互感器的二次模拟信号接入合并单元后可转化为数字信号。合并单元就地放置于户外主变压器端子箱中。27.5 kV 侧配置思路：（1）27.5 kV 保护测控装置集中组屏于主控室。（2）27.5 kV 侧开关中考虑采用“常规互感器就地智能组件”方式，就地智能组件具有合并单元功能，可将常规互感器的模拟信号就地转换成数字信号后送给保护测控装置，27.5 kV 采样值传输采用 IEC61850-9-2 网络传输方式（组成SV 网）
8、，智能组件同时还含有智能终端功能。（3）27.5 kV GOOSE 信息采用 GOOSE 光纤双网实现，GOOSE 组网跳闸；GOOSE 网可与SV 网合一。2.2 过程层配置方案过程层设备由互感器、智能汇控柜等与一次设备直接联系的单元组成。2.2.1 过程层 GOOSE 及相关设备GOOSE 网采用星形结构，并采用双口双网GOOSE 网络结构，即所有的保护测控装置和智能终端均提供 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，交换机或网络连线故障只会影响其中一个网络，保护功能及GOOSE 交换信息不会受影响，且具有比较好的信息共享能力，如方便交换闭锁重合闸等信息。
9、GOOSE 作为 IEC61850 数字化变电站中利用光纤以太网传递快速变电站事件（跳合闸，刀闸位置传送、联闭锁信号交换）等的机制。2.2.2 110 kV 过程层的配置采用电子式电流、电压互感器，主变压器 110 kV 侧互感器采用双重化的传感、采集，双数字量光纤输出，每个间隔并配双套合并器。图 1是电子式电流电压互感器工作原理图。图 1 电子式电流电压互感器工作原理图主变压器 110 kV 侧间隔各断路器就地加装双套智能终端实现信息采集和控制输出，智能终端采用 GOOSE 规约与保护装置通信。2.2.3 27.5 kV 过程层的配置在该方案研究中，对于 27.5 kV 侧互感器的选择，考虑
10、采用常规互感器，若采用电子式互感器则意义不大，主要原因如下：（1）采用电子式互感器是为了解决互感器饱和等问题，低压常规互感器一般不存在饱和问题。（2）低压电子式互感器输出小模拟电压信号，没有常规互感器输出的 1 A 或 5 A 的抗干扰能力强，且该信号不易直接分享，需要通过合并单元转化成数字信号后才可分享，这无疑增加了合并单元的成本，而常规互感器输出的信号则易于供各保护测控装置分享。（3）有利于对既有牵引变电所进行升级改造。该方案对既有 27.5 kV 开关设备改造的工程量最小，行车运输干扰少。2.3 间隔层配置方案间隔层设备由保护测控装置组成，与过程层智能终端采用 GOOSE 通信协议，与合
11、并器采用可靠的 IEC61850-9-2 点对点（高压侧采用）或网络方式（低压侧采用）通信标准。2.4 站控层的配置方案站控层由计算机网络连接的系统主机、工作站、远动主机、VQC、GPS 对时系统等设备组成。按照 IEC-61850-5 的要求，提供变电站内运行的人机联系界面，实现管理控制间隔层设备等功能，形成全站监控、管理中心，可与调度中心、集控中心、保护信息主站通信，与间隔层设备采用IEC61850-8-1 通信协议。整个站控层网络采用IEC61850 通信标准，其模型描述能力大大提高，装置互操作性大大增强。2.4.1 基于 IEC61850 的变电所自动化系统按照 IEC61850 的面
12、向对象和分层分布思想构建，在站控层、间隔层实现 IEC61850 的自动化系统，充分利用了 IEC61850 的优势，对整个变电站的一次系统结构、二次设备信息、一次系统和二次设备之间的关系进行了系统的建模，大大增强了开放互联的信息共享能力，方便了变电所内部各子系统、装置之间的信息交换，同时又采用分层分布的思想使变电所内的设备相对独立又相互融合 2。2.4.2 GPS 对时方案站控层采用 SNTP 对时，间隔层和过程层采用 IRIG-B 码对时，对时精度达到微秒级。采用合并单元的数字化牵引变电所要求不同间隔之间合并单元同步采样的精度优于 5 s，间隔层和过程层的设备采用 IRIG-B 进行对时，
13、所内设置专门的GPS 设备提供统一标准的 IRIG-B 信号和时间信息。2.5 数字化牵引变电所的体现方式数字化牵引变电所的体现方式如下：IEC61850 通信规约的应用；二次设备的网络化；电子式互感器的应用；智能开关的应用。数字化牵引变电所各层之间的通信协议如下：（1）间隔层、站控层之间采用以太网双网，以 IEC61850 通信协议构建，具备站内智能电气设备间信息共享和互操作的条件。（2）间隔层保护测控等设备与过程层合并器采用 IEC61850-9-2 点对点或网络通信协议。（3）间隔层保护测控等设备与过程层智能终端采用 GOOSE 通信协议。（4）站控层采用 SNTP 对时，间隔层和过程层
14、采用 IRIG-B 码对时，对时精度可达微秒级。数字化牵引变电所网络结构简图见图 2。图 2 数字化牵引变电所网络结构简图3 数字化牵引变电所应用中存在的问题数字化变电所自动化系统的研究和应用还处于基础阶段，主要集中在过程层方面，诸如智能化开关设备、光电互感器、状态检测等技术与设备的研究开发，目前存在的主要问题：（1）现有的运营管理模式不能适应数字化牵引变电所的要求。其运行管理、运行规程和检修方案需要独立地制订。常规的变电设备“定期检修”需调整为“状态检修”，同时光电互感器二次侧也因可以开路、无谐振等特点，检修安全要求和方法也有别于常规牵引变电所。（2）目前的常规继电保护校验装置无法提供数字化
15、保护所需的电流量和电压量。数字化变电站保护校验相对复杂 4。（3）IEC61850 通信协议本身未对变电站网络系统的安全性做任何规定，同时协议本身的开放性和标准性使变电站的网络安全存在一定的隐患 5。4 结论目前基于 IEC61850 的数字化变电站技术在电力系统的变电站二次系统中已开始运用。（下转第 27页）（上接第 24页）数字化变电站所需的二次设备和一次智能化设备已实现国产化 6。以上设计方案是在参考电网系统的数字化变电所建设成果的基础上，结合铁路牵引供电特点进行的研究，但是数字化牵引变电所的发展将会是一个长期的过程，技术的成熟度，方案的可行性均要结合工程应用逐步完善。随着新技术的不断发
16、展和变电所与国际标准的接轨，数字化技术将为牵引变电所自动化系统的发展带来新的广阔前景。参考文献：1 IEc61850 1999, Communication networks and system in substationsS.2 周建.基于数字化技术的牵引变电所自动化研究 J.电气化铁道，客运专线技术研讨会论文集.3 李建，邓四俊.数字化变电站自动化系统浅谈 J.四川水利，2005，（6）.4 黄欣，贺春 .IEC61850 际准对电力系统工作的影响 J.继电器，2007，35（13）：53-56.5 王璐，王步华，宋丽君，等.基于 IEC61850 的数字化变电站的研究与应用J.电力系统保护与控制， 2008，12.6 高翔，张沛超.数字化变电站主要技术特征和关键技术J.电网技术收稿日期：2010-05-10
