淺談智能化牽引變電所集中保護(hù)設(shè)計(jì)

陳佳

摘 要：隨著我國(guó)高速鐵路行業(yè)的不斷發(fā)展，智能牽引變電所作為高速鐵路動(dòng)力提供者，彌補(bǔ)了牽引變電所保護(hù)裝置單一控制的缺點(diǎn)。本文基于智能牽引變電所的工作原理，分析了智能牽引變電所的特點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有變電所保護(hù)裝置的不足，提出了完善智能牽引變電所集中保護(hù)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：牽引變電所；集中保護(hù)；設(shè)計(jì)方案

中圖分類號(hào)： ：U224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2017）04-173-2

0 引言

隨著鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界鐵路運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的國(guó)家。牽引變電的主要任務(wù)是為高速鐵路提供動(dòng)力，隨著通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能牽引變電開始投入到我國(guó)的高速鐵路中。為確保牽引供電系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備正常運(yùn)行，就需使用變電所等二次設(shè)備協(xié)調(diào)配合。然而，目前使用的牽引變電所保護(hù)裝置均是采用一對(duì)一的方式配置，這種保護(hù)存在一定的缺陷，如何設(shè)計(jì)安全性更高的智能化牽引變電所，是我們需要進(jìn)一步解決的問題。

1 智能牽引變電所集中保護(hù)原理

智能化牽引變電所集中保護(hù)是采用光纖以太網(wǎng)技術(shù)、執(zhí)行IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，基于數(shù)值通信的一種新型變電所計(jì)算機(jī)保護(hù)，將變電所內(nèi)的所有設(shè)備信息綜合到一臺(tái)中心計(jì)算機(jī)上，形成靈活、可靠、相互協(xié)調(diào)的一種自動(dòng)化保護(hù)系統(tǒng)。較傳統(tǒng)的變電所保護(hù)裝置，就有反應(yīng)速度快，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)電氣元件的電流、電壓進(jìn)行判斷該元件是否出現(xiàn)故障，并能根據(jù)設(shè)定的程序進(jìn)行檢修、維護(hù)，完成自動(dòng)化的控制過程。

2 智能牽引變電所特點(diǎn)

智能牽引變電所之所以被稱為智能化，主要是因?yàn)樗淖兞藗鹘y(tǒng)的牽引化變電所系統(tǒng)一次設(shè)備與二次設(shè)備之間的獨(dú)立性，將二者有機(jī)的結(jié)合起來。

2.1 智能化的一次設(shè)備

在智能型牽引變電所技術(shù)中，幾乎所有的一次設(shè)備（包括電壓傳感器、電流傳感器、變壓器、避雷設(shè)備以及合并單元等高壓設(shè)備）之間都是相互聯(lián)系的，組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，各個(gè)設(shè)備承擔(dān)著不同的功能，通過信號(hào)采集、傳輸和處理，形成了智能性的斷路器、變壓器等，采用數(shù)值信息轉(zhuǎn)化設(shè)備，將高電壓、電流的數(shù)值信號(hào)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，并通過光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。整個(gè)過程緊密聯(lián)系在一起，完全不需要人為參與，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行及信息傳遞的智能化。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備

智能牽引變電所是通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的，并遵循標(biāo)準(zhǔn)為IEC61850通信協(xié)議，該標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)性和完整性好，并具有開發(fā)性，確保了智能變電所各設(shè)備之間信息傳遞的可靠性，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備冗余到信息冗余的轉(zhuǎn)化。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的通訊協(xié)議，而是一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字化平臺(tái)，并建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和通訊模式，完成了一次設(shè)備和二次設(shè)備之間的信號(hào)傳遞，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互相控制和操作。

2.3 智能化的運(yùn)行管理系統(tǒng)

智能變電所最主要的功能就是監(jiān)視電氣及設(shè)備的運(yùn)行狀況，例如：發(fā)生電氣故障時(shí)，可以進(jìn)行故障診斷分析，并及時(shí)修復(fù)；發(fā)生火災(zāi)、地震等突發(fā)情況時(shí)，可以迅速啟動(dòng)相應(yīng)措施。智能化牽引變電所所具備的全方位數(shù)據(jù)分析能力，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化，任何突發(fā)狀況的發(fā)生，都可以按照人為設(shè)定的程序自行處理。智能化變電所強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力確保了運(yùn)行管理系統(tǒng)的智能化，保障了電氣設(shè)備的可靠運(yùn)行。

3 智能化牽引變電所集中保護(hù)設(shè)計(jì)方案

3.1 集中保護(hù)整體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的牽引變電所一般是采用單個(gè)系統(tǒng)保護(hù)的方式，這樣很難實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜故障進(jìn)行快速有效的解決。智能牽引變電所集中保護(hù)整體設(shè)計(jì)采取方案如下：一是建立保護(hù)模塊。集中保護(hù)通過接受全部合并單元發(fā)送的信息，進(jìn)而對(duì)整個(gè)變電所的運(yùn)行情況、出現(xiàn)故障進(jìn)行分析，可以確保多個(gè)保護(hù)之間相互配合，并將集中保護(hù)分為饋線間隔和主變間隔。當(dāng)饋線保護(hù)發(fā)生故障時(shí)，可以通過饋線間隔和主變間隔組成的保護(hù)配合后備保護(hù)進(jìn)行控制，從而避免對(duì)動(dòng)作時(shí)限設(shè)定。二是建立后備保護(hù)模塊，通過對(duì)變電所的開關(guān)量信息和保護(hù)模塊電氣量的判斷，對(duì)失靈斷路器實(shí)施保護(hù)。

3.2 集中保護(hù)通信設(shè)計(jì)

在變電所網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋头譃榭偩€型結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)以及星形結(jié)構(gòu)，其中星形拓?fù)浼軜?gòu)是選用一臺(tái)交換機(jī)為中心節(jié)點(diǎn)，與其它交換機(jī)連成星形結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)。智能牽引變電所常用的集中保護(hù)通信設(shè)計(jì)方案有兩種：

一是冗余雙星形組網(wǎng)方案，采用雙星形鏈接方式，使交換機(jī)之間的鏈接也是采用星形方式進(jìn)行鏈接。在設(shè)計(jì)時(shí)，變電所配置兩臺(tái)集中保護(hù)，第一臺(tái)處于運(yùn)行狀態(tài)，用于變電所的保護(hù)，將另一臺(tái)設(shè)置為監(jiān)視模式，作為備用。這樣可以確保在第一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)可以及時(shí)的投入運(yùn)行，承擔(dān)變電所的保護(hù)任務(wù)。這兩臺(tái)集中保護(hù)之間相互聯(lián)系、實(shí)時(shí)通信，確保集中保護(hù)的可靠性。

二是冗余雙星形組網(wǎng)方案，該方案是基于GOOSE、SMV、IEEE1588三網(wǎng)合一的模式下設(shè)計(jì)的。此種組網(wǎng)方式集中保護(hù)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰的特點(diǎn)，并且可以最大程度的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，節(jié)省部分光纜投資。

3.3 集中保護(hù)硬件設(shè)計(jì)

智能化牽引變電所集中保護(hù)不僅需要接受采樣值、開關(guān)量，以及保護(hù)功能之間的相互協(xié)調(diào)，這基于性能較好的硬件設(shè)備。

3.3.1 CPU處理器

智能牽引變電所集中保護(hù)涉及多種保護(hù)功能，需要具有較高運(yùn)算能力的處理器。一般來說，集中保護(hù)裝置所配置的處理器在一秒內(nèi)需要完成50.08Mbit的數(shù)據(jù)量，再加上集中保護(hù)中一些其它的需要處理的數(shù)據(jù)量。擬定集中保護(hù)采用“ALL IN ON”處理器模塊，配置一個(gè)頻率為1.4GHz的Inter 處理器，片內(nèi)集成64KB一級(jí)緩存，2MB的二級(jí)緩存，能夠滿足集中保護(hù)裝置數(shù)據(jù)的處理。

3.3.2 合并單元配置

合并單元是指對(duì)一次互感器傳輸?shù)碾姎饬窟M(jìn)行合并處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并轉(zhuǎn)發(fā)給集中保護(hù)設(shè)備，用于解決互感器與二次保護(hù)設(shè)備的接口問題。以110KV的智能牽引變電所為例，合并單元配置如圖1所示，合并單元MU1配置在主變高壓側(cè)，合并單元MU2配置在主變低壓側(cè)，四條饋線分別配置合并單元MU3、MU4、MU7、MU8，用于測(cè)量電壓電流；兩個(gè)并補(bǔ)配置合并單元MU5、MU6；并配置兩臺(tái)變壓器合并單元備用。

3.3.3 智能單元

智能單元作為一次側(cè)的接口設(shè)備，使用電纜與一次設(shè)備進(jìn)行連接，使用光纖連接保護(hù)、測(cè)控設(shè)備，將二次設(shè)備的信息通過GOOSE報(bào)文的形式傳輸給保護(hù)設(shè)備，并接受保護(hù)命令。為滿足需求，可以采用PSIU600智能終端，支持雙100M太網(wǎng)口。

3.3.4 電壓（電流）互感器

互感器的作用是采集一次設(shè)備的電氣量，擬選用CYECVT1—10N性電壓、電流互感器，采樣系統(tǒng)選用雙A/D系統(tǒng)，可滿足智能化牽引變電集中保護(hù)需求。

3.4 集中保護(hù)功能軟件設(shè)計(jì)

智能牽引變電所保護(hù)軟件可分為三個(gè)模塊，采樣模塊、保護(hù)模塊和通信模塊。任何一個(gè)模塊軟件設(shè)計(jì)是否完善都會(huì)影響變電所的集中保護(hù)，此外，各模塊軟件之間相互影響，如何設(shè)計(jì)保護(hù)軟件是確保智能牽引變電所集中保護(hù)的一個(gè)重要方面。以數(shù)據(jù)采集模塊為例，可以通過程序設(shè)計(jì)對(duì)無用的數(shù)據(jù)包進(jìn)行過濾，只獲取有用數(shù)據(jù)，并存入到相應(yīng)的緩沖區(qū)內(nèi)，為確保數(shù)據(jù)傳遞過程的安全性，可設(shè)置雙緩沖區(qū)進(jìn)行有用數(shù)據(jù)的存放。

4 結(jié)論

智能牽引變電所集中保護(hù)是一種新型計(jì)算機(jī)技術(shù)，彌補(bǔ)了牽引變電所保護(hù)程序一對(duì)一的獨(dú)立式保護(hù)，而是采用一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)變電所的保護(hù)。本文先是對(duì)智能變電所的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，通過智能化的運(yùn)行管理系統(tǒng)，有效的將智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)智能化。并進(jìn)一步分析了智能化牽引變電站所集中保護(hù)設(shè)計(jì)方案，包括集中保護(hù)整體設(shè)計(jì)、集中保護(hù)通訊設(shè)計(jì)、集中保護(hù)硬件設(shè)計(jì)以及集中保護(hù)功能軟件設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們的不斷研究，智能牽引變電所的集中保護(hù)設(shè)計(jì)將會(huì)逐漸趨于完善。

參 考 文 獻(xiàn)

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