董文哲,郭晨曦,楊斯泐
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所, 北京 100081)
牽引供電系統(tǒng)作為高速列車(chē)的唯一動(dòng)力來(lái)源,是保障高速鐵路安全、 可靠、 高效運(yùn)行的關(guān)鍵。隨著我國(guó)高速鐵路的迅速發(fā)展,對(duì)牽引供電系統(tǒng)也提出了信息化、自動(dòng)化、智能化的技術(shù)要求。我國(guó)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)智能化研究在多年前已經(jīng)展開(kāi),在綜合自動(dòng)化、智能化方面,對(duì)電氣設(shè)備和運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)等開(kāi)展了相應(yīng)的研究。如文獻(xiàn)[1]圍繞智能牽引變電站的自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)理論分析和應(yīng)用研究,文獻(xiàn)[2]提出將故障預(yù)測(cè)與健康管理與主動(dòng)維護(hù)的理論及技術(shù)應(yīng)用于高速鐵路牽引供電系統(tǒng),文獻(xiàn)[3]對(duì)傳統(tǒng)牽引變電所的智能化改造提出思路,文獻(xiàn)[4]研究了數(shù)字化供電管理信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了供電資產(chǎn)、生產(chǎn)、物資數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享。目前,國(guó)內(nèi)智能牽引供電系統(tǒng)的建設(shè)依舊處于起步階段,尚未得到大面積推廣應(yīng)用。很多研究借鑒于智能電網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)而忽略了牽引供電系統(tǒng)本身的架構(gòu)和特點(diǎn),對(duì)于智能牽引供電系統(tǒng)建成后的測(cè)試評(píng)估和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的研究更是極少。因此,本文從智能牽引供電系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā),研究智能牽引供電系統(tǒng)和智能牽引變電所的原理、架構(gòu)和相關(guān)設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)及方案,并提出智能牽引供電系統(tǒng)建成后的測(cè)試與評(píng)估方法,對(duì)智能牽引供電系統(tǒng)的建設(shè)具有一定的意義。
智能牽引供電系統(tǒng)是以智能化牽引供電設(shè)施和高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),以信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征,具備全息感知、多維融合、重構(gòu)自愈、智慧運(yùn)維特性,運(yùn)用先進(jìn)的測(cè)量、傳感、控制、通信、信息、人工智能等技術(shù),為鐵路提供安全可靠、高效優(yōu)質(zhì)牽引動(dòng)力的系統(tǒng)。在智能牽引供電系統(tǒng)中,可以設(shè)置以供電臂為單元的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化的信息處理平臺(tái),通過(guò)測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)保護(hù)和監(jiān)控等功能[5]。實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)牽引供電設(shè)施運(yùn)行信息并上網(wǎng),能夠解決傳統(tǒng)供電系統(tǒng)信息不暢和缺乏交互的弊端。智能牽引供電系統(tǒng)也能夠更全面更及時(shí)的根據(jù)運(yùn)行檢修的各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引供電系統(tǒng)的不斷優(yōu)化和調(diào)整。
智能牽引供電系統(tǒng)按照功能設(shè)施構(gòu)成劃分,主要由智能牽引供電設(shè)施、智能供電調(diào)度系統(tǒng)、智能供電運(yùn)行檢修管理系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)4部分組成。智能牽引供電系統(tǒng)采用四級(jí)框架,如圖1所示。
圖1 智能牽引供電系統(tǒng)層級(jí)架構(gòu)圖
1.2.1 智能牽引供電設(shè)施
建立在IEC 61850通信技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上,按分層分布式來(lái)實(shí)現(xiàn)智能牽引供電設(shè)施間的信息共享和互操作性,其主要由智能高壓設(shè)備和分布于牽引變電所、分區(qū)所、AT所的測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)等組成。
1.2.2 智能供電調(diào)度系統(tǒng)
在既有供電SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合智能牽引供電設(shè)施的功能特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)全景化、報(bào)警分析綜合化、調(diào)度作業(yè)自動(dòng)化、調(diào)度決策精細(xì)化。智能供電調(diào)度系統(tǒng)采用總公司、鐵路局二級(jí)架構(gòu),其中,總公司系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)全國(guó)范圍牽引供電設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視以及對(duì)各鐵路局供電調(diào)度作業(yè)的協(xié)調(diào)指導(dǎo),鐵路局系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路局管轄范圍內(nèi)的牽引供電設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)視、測(cè)量、控制及調(diào)度作業(yè)管理。
1.2.3 智能供電運(yùn)行檢修管理系統(tǒng)
對(duì)智能牽引供電設(shè)施等設(shè)備進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、檢測(cè)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行檢修作業(yè)、設(shè)備狀態(tài)評(píng)估與預(yù)測(cè)等全壽命周期管理。
1.2.4 智能牽引供電系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)
采用工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于維護(hù)的架構(gòu),并采用鐵路通信網(wǎng)專(zhuān)用通道,滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。通信通道主要由遠(yuǎn)動(dòng)通道、復(fù)示通道、運(yùn)行檢修維護(hù)通道、廣域測(cè)控保護(hù)通道、故障測(cè)距通道及供電運(yùn)行檢修管理通道構(gòu)成。
智能牽引變電所是智能牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分,其建立在先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議基礎(chǔ)之上,智能化設(shè)備模型可以映射到不同的通信協(xié)議,通過(guò)分層、分布的通信網(wǎng)絡(luò)體系,面向?qū)ο蠼?,提供?duì)象的自我描述和配置以及信息傳輸服務(wù),實(shí)現(xiàn)智能牽引供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系[6]。智能通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建為3層結(jié)構(gòu):過(guò)程層、間隔層、站控層,具體結(jié)構(gòu),如圖2所示。
過(guò)程層包括牽引變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器、電壓互感器等智能高壓設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨(dú)立的智能電子裝置,承擔(dān)一次設(shè)備信息數(shù)字化、智能化的重要功能,主要完成電氣量檢測(cè)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)以及控制命令的發(fā)送和執(zhí)行,是整個(gè)智能牽引變電所的基礎(chǔ)。
間隔層主要匯總站內(nèi)本間隔的過(guò)程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息,實(shí)施對(duì)該間隔的一次設(shè)備保護(hù)控制。間隔層包括繼電保護(hù)裝置、系統(tǒng)測(cè)控裝置、監(jiān)測(cè)功能組的智能電子裝置(IED,Intelligent Electronic Device)等二次設(shè)備[7]。智能牽引變電所內(nèi)二次設(shè)備也變成數(shù)字化功能模塊,如繼電保護(hù)、防誤閉鎖、測(cè)量控制、故障錄波等全部基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理設(shè)計(jì),模塊之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信,真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享。按照應(yīng)用功能合理配置邏輯節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)或支持實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等功能。
圖2 智能牽引變電所結(jié)構(gòu)示意圖
站控層包括當(dāng)?shù)乇O(jiān)控主機(jī)、測(cè)距管理機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)管理機(jī)、對(duì)時(shí)系統(tǒng)、智能輔助系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)和綜合運(yùn)用服務(wù)器等,實(shí)現(xiàn)面向全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、告警及信息交互功能,完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備控制和運(yùn)行管理等功能。
一次設(shè)備智能化是智能牽引供電系統(tǒng)的重要標(biāo)志之一,主要實(shí)現(xiàn)信息采集和數(shù)據(jù)共享功能。智能牽引變電所一次設(shè)備主要包括:智能斷路器、電子式互感器和智能牽引變壓器等。
斷路器是牽引供電系統(tǒng)中非常重要的一次設(shè)備。設(shè)計(jì)并完成斷路器智能化方案,實(shí)現(xiàn)斷路器數(shù)字化通信與控制,使斷路器具有狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能,這對(duì)于提高牽引供電智能化水平和提高供電可靠性都具有積極的意義。目前,實(shí)現(xiàn)斷路器智能化主要通過(guò)兩種方式。
(1)在制作過(guò)程中將智能控制、通信傳輸?shù)饶K嵌入斷路器內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)智能斷路器的一體化。
(2)在斷路器上單獨(dú)加裝智能組件,通過(guò)智能組件與傳統(tǒng)1次設(shè)備聯(lián)通,在線(xiàn)采集信息和監(jiān)測(cè)一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),并對(duì)其進(jìn)行控制操作,在一個(gè)間隔內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)智能保護(hù)和控制功能。
考慮到因?yàn)榈?種方式工藝復(fù)雜且難以實(shí)現(xiàn),并參考電力系統(tǒng)智能變電站對(duì)智能一次設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,智能牽引變電所中的智能斷路器宜采用添加智能組件的方式實(shí)現(xiàn)智能化。
智能組件主要包括開(kāi)關(guān)設(shè)備控制器和監(jiān)測(cè)功能組件。其中,監(jiān)測(cè)功能組件將檢測(cè)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳遞給站控層。開(kāi)關(guān)設(shè)備控制器利用光纖與測(cè)控保護(hù)設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信,且符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,采用GOOSE報(bào)文進(jìn)行通信,在斷路器間隔內(nèi)采集和傳輸開(kāi)關(guān)狀態(tài),并接受控制信息[8]。
斷路器的智能組件可以根據(jù)不同的功能需求,添加不同的智能組件模塊,如繼電保護(hù)模塊等,從而實(shí)現(xiàn)高度集成,提高智能斷路器的可靠性。
互感器是牽引供電系統(tǒng)中進(jìn)行電氣信息采集的重要設(shè)備,也是連接一次和二次設(shè)備的重要紐帶?;ジ衅鞯木群涂煽啃耘c牽引供電系統(tǒng)安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)。傳統(tǒng)的電磁式互感器體積龐大、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、固有磁飽和、鐵磁諧振等缺點(diǎn),難以滿(mǎn)足智能牽引變電所的發(fā)展需求。目前,智能牽引變電所一般采用電子互感器或者常規(guī)互感器數(shù)字化的方式。
3.2.1 電子式互感器
電子式互感器采用新型光電技術(shù),具有體積小、精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在智能電網(wǎng)建設(shè)中得到推廣。電子式互感器通過(guò)一次傳感器對(duì)電氣信息進(jìn)行采集,經(jīng)過(guò)一次轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理以及模數(shù)轉(zhuǎn)換后,由光纖通信傳輸給二次轉(zhuǎn)換器,對(duì)信號(hào)處理后再輸出給二次設(shè)備。
電子互感器分為電子式電流互感器和電子式電壓互感器,其又分為有源和無(wú)源兩種類(lèi)型[9]。對(duì)于電子式電流互感器,無(wú)源型存在一些難以突破的技術(shù),比如磁光效應(yīng)會(huì)隨環(huán)境因素而變化等,暫時(shí)難以在智能牽引變電所進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。而對(duì)于無(wú)源電子式電壓互感器,由于光學(xué)傳感材料的可靠性和靈敏度、微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)及穩(wěn)定性等方面還需要進(jìn)一步改進(jìn),同樣不能夠達(dá)到實(shí)用化。
3.2.2 電磁式互感器數(shù)字化
電磁式互感器數(shù)字化,是將電磁式互感器采集到的模擬信號(hào)傳輸給合并單元,經(jīng)合并單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,并按照IEC61850-9-1或IEC61850-9-2通信協(xié)議將處理后的信息傳輸給二次設(shè)備。合并電源對(duì)模擬信號(hào)的處理過(guò)程,如圖3所示。
圖3 合并單元模擬信號(hào)處理示意圖
目前,上述兩種方式的互感器均有應(yīng)用,但考慮到與電力系統(tǒng)相配合且方便原有牽引變電所智能化改造,優(yōu)先選用電磁式互感器數(shù)字化的方案。
與智能斷路器類(lèi)似,牽引變壓器的智能化主要依靠“常規(guī)變壓器+傳感器+智能組件”的方式,通過(guò)配置智能組件,使得牽引變壓器各類(lèi)信息通過(guò)光纖與控制室相連接,從而實(shí)現(xiàn)牽引變壓器的測(cè)量、監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能,如圖4所示。
圖4 牽引變壓器智能組件
圖4中可以看出,智能組件可以完成對(duì)變壓器繞組溫度、局部放電、油中溶解氣體、有載分接開(kāi)關(guān)控制等進(jìn)行檢測(cè),并將監(jiān)測(cè)到的信息傳遞給過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò),為實(shí)現(xiàn)牽引變壓器高級(jí)應(yīng)用功能提供了信息支撐,提高了牽引變壓器的智能化和穩(wěn)定性。
以智能牽引變電所為基礎(chǔ)的智能牽引供電系統(tǒng)在信號(hào)采集和傳輸方式上的變革,使得變電所內(nèi)控制、保護(hù)以及電流、電壓信號(hào)均以數(shù)字信號(hào)方式在網(wǎng)絡(luò)中傳遞, 傳統(tǒng)的檢測(cè)與評(píng)估手段都不再適用,也無(wú)法滿(mǎn)足智能供電系統(tǒng)的要求。隨著智能牽引供電技術(shù)的推廣和應(yīng)用,有必要對(duì)適應(yīng)智能牽引供電系統(tǒng)的檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)進(jìn)行研究。
智能通信網(wǎng)絡(luò)3層結(jié)構(gòu):
(1)過(guò)程層是連接一次設(shè)備的通道,主要完成電氣參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)以及控制命令的發(fā)送與執(zhí)行。
(2)間隔層歸總面向通用對(duì)象的變電站事件報(bào)文( GOOSE 報(bào)文)、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)字采樣信息的通信服務(wù)報(bào)文( SMV 報(bào)文) 等過(guò)程層傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息[10],通過(guò)間隔層設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、錄波等功能,分析并完成一次設(shè)備保護(hù)控制,并把數(shù)據(jù)信息傳輸給站控層。
(3)站控層得到信息后完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示,并實(shí)時(shí)完成操作、打印、圖像等多媒體功能[11]。
智能牽引供電系統(tǒng)試驗(yàn)評(píng)估的數(shù)據(jù)信息主要來(lái)源于過(guò)程層采樣信息數(shù)據(jù)和間隔層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。試驗(yàn)評(píng)估技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)SMV、GOOSE 報(bào)文進(jìn)行實(shí)時(shí)采集捕獲和解析。
根據(jù)目前智能牽引供電系統(tǒng)執(zhí)行的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),在智能牽引供電系統(tǒng)試驗(yàn)評(píng)估周期內(nèi),應(yīng)對(duì)智能牽引變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、GIS 開(kāi)關(guān)柜等一些關(guān)鍵智能一次設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)交換,通過(guò)過(guò)程層獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù),并采用基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試儀對(duì)間隔層智能裝置進(jìn)行性能測(cè)試[12-13]。除傳統(tǒng)的測(cè)試項(xiàng)目外,間隔層還需要增加對(duì)過(guò)程層信息的檢測(cè)功能,在線(xiàn)收集來(lái)自過(guò)程層的采樣值報(bào)文和過(guò)程層的 GOOSE 報(bào)文,對(duì)來(lái)自過(guò)程層的數(shù)據(jù)完備性進(jìn)行評(píng)估,對(duì)可能發(fā)生的丟包、積錯(cuò)、誤碼,延時(shí)、同步性等問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行告警和記錄。
4.2.1 智能牽引供電系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源測(cè)試
監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)運(yùn)行質(zhì)量、疲勞損傷,并監(jiān)測(cè)牽引變壓器、互感器、GIS柜、饋線(xiàn)電纜等牽引變電所關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)據(jù)特征。
(1)根據(jù)智能牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)測(cè)試,考核動(dòng)車(chē)組運(yùn)行工況下供變電系統(tǒng)性能,驗(yàn)證牽引網(wǎng)內(nèi)電流分配是否符合要求,同時(shí)檢驗(yàn)牽引網(wǎng)內(nèi)是否存在諧振過(guò)電壓,考核智能牽引變電所引入電源的電能質(zhì)量。
(2)通過(guò)測(cè)試,驗(yàn)證智能牽引供電系統(tǒng)在越區(qū)供電、分開(kāi)供電等緊急供電方式下設(shè)備動(dòng)作邏輯準(zhǔn)確性并評(píng)估其運(yùn)行狀態(tài)。
需要通過(guò)在線(xiàn)收集和解析來(lái)自過(guò)程層的GOOSE報(bào)文以及站內(nèi)智能組件發(fā)出的GOOSE和MMS報(bào)文,對(duì)智能牽引變電所主變壓器相關(guān)數(shù)據(jù)、220 kV側(cè)母線(xiàn)電壓電流、27.5 kV側(cè)母線(xiàn)電壓、饋線(xiàn)電流、分區(qū)所接觸網(wǎng)末端電壓、供電臂上、下行穿越電流、AT所兩側(cè)吸上電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和測(cè)試。對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和分析,統(tǒng)計(jì)歸納出各項(xiàng)被測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)而指導(dǎo)智能牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。
4.2.2 智能牽引供電系統(tǒng)保護(hù)裝置測(cè)試
通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行人工短路,測(cè)試智能牽引供電系統(tǒng)在發(fā)生短路故障時(shí),系統(tǒng)保護(hù)裝置保護(hù)動(dòng)作的正確性,同時(shí)對(duì)智能牽引供電系統(tǒng)故障測(cè)距的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)。在進(jìn)行接觸網(wǎng)短路時(shí),在線(xiàn)收集過(guò)程層和間隔層的采樣報(bào)文,對(duì)來(lái)自過(guò)程層數(shù)據(jù)的完備性進(jìn)行評(píng)估,并對(duì)短路期間采樣時(shí)可能發(fā)生的誤碼、丟包、同步性等問(wèn)題進(jìn)行記錄和告警。對(duì)于收集到的采樣值報(bào)文和GOOSE報(bào)文進(jìn)行解析和重構(gòu),并記錄短路電壓及不同饋線(xiàn)電流波形,分析不同所亭的故障報(bào)告數(shù)據(jù),從而檢驗(yàn)保護(hù)動(dòng)作的正確性并對(duì)故障測(cè)距的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)判。
目前,已在京沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)阜新?tīng)恳冸娝梁谏奖睜恳冸娝g約50 km范圍內(nèi)搭建了智能牽引供電系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)整合、多信源數(shù)據(jù)共享,并完善了故障預(yù)警機(jī)制和系統(tǒng)健康評(píng)估體系。
本文分析智能牽引供電系統(tǒng)的原理及特點(diǎn),從功能設(shè)施結(jié)構(gòu)方面對(duì)智能牽引供電系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行研究,并分析了智能牽引變電所的過(guò)程層、間隔層、站控層,研究了智能斷路器、互感器、智能牽引變壓器的工作原理及方案選擇。此外,針對(duì)智能牽引供電系統(tǒng)的特點(diǎn)及原理,提出了智能牽引供電系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源及保護(hù)裝置的測(cè)試與評(píng)估方法。隨著智能牽引供電系統(tǒng)的逐步推廣,研究人員未來(lái)應(yīng)加大對(duì)智能牽引供電技術(shù)的系統(tǒng)性研究,推進(jìn)智能牽引供電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的建立,不斷促進(jìn)智能牽引供電系統(tǒng)進(jìn)一步的發(fā)展。