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1、牽引變電所智能化改造方案探索孔中秋，靳東蘭州鐵路局供電處摘要：對傳統牽引變電所進行智能化改造，可借鑒的工程實踐經驗非常少。本文以牽引變電所智能化改造的可行性分析為出發點，結合工程實際，提出了分階段實現牽引變電所智能化改造的方案。方案從過程層網絡配置、數據傳輸同步、全站對時、網絡選型等角度做了深入的分析，旨在為今后常規牽引變電所智能化革新提供有用的實踐經驗。關鍵字：牽引變電所、智能化改造、方案Abstract:Theengineering experiencefor referenceis very poor on intelligent rebuilding to routinetractio2、n substationIn this paper，some engineering schemes suitable for current stage are proposed, which is based on the feasibility about intelligent rebuilding of traction substation and combined with the engineering practice. The schemes are analyzed indepthfrom networkconfigurationof process level, dat3、a synchronization, time synchronization and choosing communication network, which is expected to provide useful engineering experiencefor the reform of routine traction substation.Key words:traction substation; intelligent rebuilding; scheme0 引言牽引變電所自動化系統經過十多年的發展已經達到了一定的水平，微機化從保護到監控已在變電所的二次系統中得到了全面應4、用。隨著設備技術的發展，特別是智能化組合電器開關和電子式330kV、220kV、110kV、27.5kV（鐵路專用）互感器的出現以及IEC61850標準的發展及應用，變電所的智能化在電力系統發展比較迅速，鐵路牽引變電所數字化、智能化是下步發展的趨勢。智能化牽引變電所將是由智能化組合電器開關、電子式互感器等智能化一次設備、網絡化二次設備分層構建，建立在IEC61850通信標準的基礎上，能夠實現牽引變電所內智能電氣設備間信息共享、智能處理故障信息、自動化作業操作的新一代牽引變電所。按照IEC61850標準，智能牽引變電所的通信體系分為過程層、間隔層和站控層三層。作為牽引變電所智能化、數字化、網絡化5、技術的提升，牽引變電所智能化升級改造是一個不斷發展的過程，可以結合我國牽引變電所現狀分階段實現。本文對智能化、數字化、網絡化技術引入牽引變電所綜合監控系統的關鍵技術進行探討，并提出了分階段實現智能化牽引變電所系統的方案，希望能為相關牽引供電科研設計、運營管理、工程技術人員提供參考。1.高壓設備智能化升級改造牽引變電所一次設備。采用“智能監控終端數字化傳感器常規高壓設備”的方式實現牽引變電所高壓設備智能化，傳感器實現牽引主變壓器絕緣油色譜、局部放電、內部緊固狀態，斷路器、互感器、隔離開關等一次設備電氣、機械、氣體、局放，避雷器的泄露電流、牽引回流、接地網等狀態參量的在線檢測功能，智能終端實現高壓6、設備狀態監測、電氣測量、自動控制、智能保護等功能。投資更換為智能高壓設備，通過自我參量的檢測、就地綜合評估、實時狀態預報，實現高壓設備信息互動化、保護控制功能一體化、狀態可視化；實現設備監測和控制由單相指標向綜合診斷轉變，設備運行管理由定期維修轉向狀態維修，減少檢修維護工作量，提升設備安全可靠水平，節省運行管理直接成本。由于既有牽引變電所一次設備均為傳統高壓設備，需分階段對牽引變電所設備進行更換，首先對電壓、電流互感器、110kV斷路器、27.5kV斷路器、隔離開關、牽引變壓器等進行升級改造。2.過程層網絡配置方案IEC61850標準中提出了過程層的新概念，其包括智能傳感器、智能I/O通訊單元7、智能化高壓等設備，主要功能是實現各種電氣、機械、狀態等參量的就地采集以及實現對一次設備的直接監控。目前我國牽引變電所自動化系統中的過程層功能都是在間隔層設備實現的，隨著電子式互感器的應用，現代電力技術的發展趨勢是將越來越多的間隔層功能下放到過程層。過程層網絡配置方案有：一、GOOSE和SMV均點對點；二、GOOSE組網、SMV點對點；三、GOOSE、SMV獨立組網；四、GOOSE、SV、1588三網合一。在牽引變電所智能化改造初期，本文推薦采用方案二。方案二的特點是GOOSE網和數據采集網在物理上分離，數據采集元間和隔層裝置采用點對點式通信，具體配置如圖1所示。該方案可以實現斷路器、隔離開關8、量信息共享，但采樣值仍然是點對點光纖傳輸，光纖數量對采樣同步網的依賴問題仍然存在，因此關于合并單元數據采集、傳輸同步問題是工程改造中需要注意的關鍵點。方案四為GOOSE、SV、IEEE1588三網合一，此方案必須依賴外部時鐘源實現時鐘同步，隨著時鐘同步技術的發展，將成為以后牽引變電所智能化革新的方向。圖1GOOSE組網、SMV點對點3.關于合并單元數據采集、傳輸同步的方案合并單元是對高壓設備參量進行合并和同步處理，并將處理后的數字信號按特定的格式提供給間隔層設備的裝置。為避免電氣量的幅值和相位在采用、傳輸過程中的產生誤差，需要在同一時間點上獲得間隔層的二次設備采樣數據，因此合并單元輸出的數字采9、樣信號必須含有時間信息。在常規牽引變電所智能化改造初期，各電壓等級的傳統電磁式互感器依然會和電子式互感器將并存，合并單元接入的信號不僅包括傳統互感器的模擬信號，還應該有電子式互感器輸出的數字采樣值。合并單元需同時接入模擬信號和數字信號，同步處理后輸出至間隔層設備。因此，實現合并單元數據采樣、傳輸的同步是智能化改造的一大科題。目前，合并單元和二次設備間傳輸規約有IEC61850-9-1/2和IEC60044-8標準規約可遵循。采用點對點IEC60044-8標準的光纖傳輸網絡的優點是傳輸延時確定，可以采用插值再采樣技術實現同步采樣。插值同步不依賴于任何外部時鐘源，可確保變電所運行的可靠性。這是在智10、能化改造初期，時鐘同步技術尚未成熟階段的首選方案。然而，IEC60044-8使用的是串行口，帶寬較低，且通道固定（最多22通道），擴展不容易，這些缺點是不適應于牽引變電所智能化發展要求的。從長遠，基于IEC61850標準采取時鐘同步手段保持采樣同步符合牽引變電所智能化發展的趨勢，具有更好的通用性和前瞻性。IEC61850對時間同步的要求分為T1T5共5級，其中：T1要求最低，為1 ms；T5要求最高，為1us。由于過程層的負載大，要求同步誤差控制在1us，過程層同步標準可采取IEEE1588標準。IEEE1588的基本功能是使分布式網絡內的最精確時鐘與其他時鐘保持同步，同時完全兼容原有的以太網11、協議。lEEEl588標準采用軟硬件結合的方式，可以實現亞微秒級的網絡同步精度。IEEE1588的優越特性預示著其在智能化變電所時鐘同步系統特別是過程層同步中的良好前景。面對智能化牽引變電所純以太網通信模式和亞微妙級的同步精度需求，其面向站內應用的實現方式，特別是面向過程層網絡的應用方式、安全穩定性能、產生同步誤差的原因及解決方案都值得更加深入、具體的研究。4.全站對時方案當前站內常用的對時方式有脈沖對時（硬對時）、通信對時(軟對時)、綜合對時、IRIG-B碼對時以及簡單網絡時間協議SNTP對時等。前四種方案可以實現較高的同步精度，但需要專門的線纜進行點對點連接，接線數量龐大且接線方式復雜，給12、系統的建設和維護帶來困難。IEC61850中規定的時間同步協議SNTP，其同步方式具有經濟、簡單、規范、高效的優勢，但同步精度有限，不能完全滿足需要。目前技術條件下，在變電所內，將時間報文和脈沖信號相綜合的綜合對時方式(包括IRIG-B)仍是保證對時精度的有效手段，而IEEE 1588憑借其優勢可能會逐步成為主要的對時手段。在全站對時設計中，時間精度要求不高的站控層可以考慮使用SNTP對時，間隔層設備使用電纜B碼對時或IEEE 1588對時，過程層設備考慮用光纖B碼對時或IEEE 1588對時。具體設計如圖2所示。圖2 全站對時設計方案目前，智能化牽引變電所IEEE1588時鐘同步方案包括基于13、獨立網絡的同步設計和基于唯一網絡的同步設計兩種方案。基于獨立網絡的同步設計的方案采用SNTP+IEEE1588協議，即在站級網絡中使用SNTP協議作為同步手段，而在過程網絡中使用IEEE1588協議。該時鐘服務器一個網口以 SNTP對時，一個網口以 IEEE 1588對時，這樣可以優化功能配置，節省投資，經濟性好，但站內設備時間精度差。基于唯一網絡的同步設計的方案在兩級網絡中都采用IEEE1588協議作為同步手段，在站級和過程網絡中分別布置專門主時鐘，將UTC分別引入各層網絡，精度較高，符合網絡化、統一化的同步思路。但此方案需要全站過程層和間隔層設備的以太網芯片、變電所層計算機的網卡以及通信網14、絡中的交換機或路由器都支IEEE1588硬件對時，投資成本較大。從智能化牽引變電所的工程實施角度看，IEEE 1588 高精度時鐘同步的實現需要硬件資源的支持以及考慮對時的冗余，其在牽引變電所內的具體應用需針對功能特點結合經濟性要求來實施。5.系統的網絡選型方案網絡系統是牽引變電所的“神經系統”，其可靠性和信息傳輸的快速性直接決定了牽引變電所智能化的水平。站控層網絡采用抽象通信服務接口映射到制造報文規范(MMS)、傳輸控制協議/網際協議(TCP/IP)以太網或光纖網。過程層網絡主要傳輸 GOOSE（通用的面向對象的變電所事件）、SV（采樣值）和 IEEE1588 時鐘同步數據，較之站控層網絡，15、要求更高的實時性和更強的報文處理能力。為了保證過程層數據的實時性，避免不同特點的數據相互影響，系統采用變電所層網絡、過程層GOOSE網絡和SV傳送網三網分離策略。變電所層網絡數據的特點是突發性強、數據量大，傳送實時性要求不高；過程層GOOSE網數據特點是數據量不大，具有突發性，傳輸要求可靠性高、實時性強；SV傳送網絡特點是數據量特別大，呈周期性，傳輸的要求是實時性、穩定性、可靠性都要非常高，延時需要確定。若三網相互獨立，分工明確，可確保整個智能化牽引變電所系統的安全和穩定。目前，以太網提供了單播、組播和廣播三種模式。除了 MMS 報文為單播以外，上述 GOOSE報文和 SV報文以及 IEEE116、588同步報文等都是采用組播地址作為它們的目的地址。為了減少網絡負載，提高網絡的效率，降低網絡上的延時，需要對過程層網絡上傳輸的組播報文進行有效的管理和過濾。過程層網絡常用的多播報文技術有虛擬局域網（VLAN）、GMRP（GARP多播注冊協議）和靜態多播地址表等。VLAN技術是目前在智能變電所中應用最廣的多播報文隔離技術，只要確定裝置與交換機端口的對應關系，以及裝置之間的報文發送關系，就可以在交換機上配置。但是交換機的配置相當繁瑣，增加了現場施工和維護的復雜性，而且裝置與交換機的端口的對應關系也不能隨意更換，否則裝置可能無法建立通信。使用GMRP時，交換機只要打開該功能即可，配置工作量大大簡化17、，但是需要裝置支持GMRP，增大了裝置廠家的工作量。與VLAN方式一樣，靜態多播地址表方式交換機配置靈活性較差，但它省去了VLAN配置時復雜的邏輯運算，配置結果也一目了然，尤其對網絡需要支持 IEC61588時配置起來要比VLAN容易。需要注意的是VLAN、GMRP和靜態多播地址表三種方法并不沖突，用戶可以根據需要靈活地將三者結合起來使用。6.結術語作為新生事物的智能化牽引變電所，其本身有逐步發展成熟的過程，需要在設計、施工、生產運行中不斷完善。目前智能化牽引變電所的改造或建設應從生產上的迫切需要出發，考慮管理、技術方面的現實可能，積極探索，穩妥推進。針對當前牽引變電所綜合自動化技術的應用水平18、，本文對牽引變電所的智能化改造提出了不同階段的應用方案，旨在拋磚引玉，為進一步的研究及解決方案提供基礎。參考文獻1 高翔，張沛超. 數字化變電站的主要特征和關鍵技術J.電網技術，2006,30(23):6771 .2 孫一民，李延新等.分階段實現數字化變電站系統的工程方案,電力系統及其自動化，2007,31(5):9093.3 張信權，梁德勝，趙希才.時鐘同步技術及其在變電站中的應用.繼電器，2008,36(9) :3972.4 丁書文，史志鵬.數字化變電站的幾個關鍵技術問題.繼電器，2006,36(10):5356.5 尹亮，鄭耀南.變電站數字化改造施工中幾個關鍵問題,電氣技術,2010,5:90936 趙上林，胡敏強等.基于IEEE 1588的數字化變電站時鐘同步技術研究.電網技術,2008,32(21):97102.