220kV牵引变电所数字化改造系统方案的探讨

220kV牵引变电所数字化改造系统方案的探讨

施敏

中铁二院工程集团有限责任公司成都610031

摘要：随着网络通信和智能电气设备技术的发展与应用，国内智能电网以及数字化变电站已在大规模的建设。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220kV牵引变电所数字化改造的方案。

关键词：牵引变电所；数字化改造；IEC65850应用

Abstract:Withthedevelopmentandapplicationofcommunicationtechnologyandintelligentelectrical,Smartelectricnetworkanddigitalsubstationsarebuiltathomeonalargescale.Inthispaper,thedigitaltransformationplanningofexisting220kVtractionsubstationsispresented,byborrowingideasfromtheconstructionandtransformationexperienceofdigitalsubstationinpowersystem.

Keywords:tractionsubstation;digital;IEC61850application

0引言

2004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。根据国家规划，到2020年，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。2014年，山西中南部铁路王家庄220kV数字化牵引变电所投入试验运行，为铁路数字化技术的进一步推广积累经验。

1220kV牵引变电所数字化改造系统方案

牵引变电所220kV、27.5kV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，一次设备与二次设备间采用电缆连接。

1.1一次设备智能化改造

智能一次设备具有数字化接口，采用数字输出的电子式互感器、智能化开关、智能化牵引变压器等，设备信息采用光纤传输。

目前，智能牵引变压器、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智能化。

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，电子部件使用寿命无法满足30年工程设计寿命需求；低压侧电子式互感器输出的小模拟电压信号，没有常规互感器输出的抗干扰能力强，且需通过合并单元转化成数字信号后才可分享。因此本方案，220kV、27.5kV以及集中接地箱均采用“常规互感器＋就地智能组件”方式实现互感器智能化。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转换成数字信号后传输给各保护测控等设备[3]。

1.2二次设备网络化改造

改造后，传统微机保护装置更换为通过光纤传输数字量（电流电压、开关位置、闭锁信号、遥信信号等）的新一代微机保护装置。保护装置和一次设备之间通过智能终端来实现跳闸、闭锁、发信。因距离较近，一次设备与智能终端间仍使用电缆连接，智能终端与保护装置通过光缆传输数字命令信号。备自投、计量表等更换为通过数字量通信的新型装置。既有交直流系统、油色谱等通过规约转换器实现与自动化系统的连接。本次220kV牵引变电所数字化改造组网方案如图1所示。

1.2.1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、智能终端及就地智能组件等单元组成，与传统互感器、开关设备、牵引变压器配合实现一次设备的智能化。智能控制柜按电气间隔配置，通常1个智能控制柜中可安放6个单元。

合并单元是对一次设备的三相电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按特定的格式提供给间隔层保护、测控等装置使用，并采用特定发送协议，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，确保保护的可靠性。

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），110kV及以下电压等级的电气设备，多采用单配置原则，即只有1套保护、合并单元和智能终端；220kV及以上电压等级的电气设备，采用双重化配置，即有2套独立的保护、合并单元和智能终端；变压器本体保护及变压器各侧合并单元、智能终端也按双重化配置。

因此，本方案220kV侧和27.5kV进线侧采用双重化配置，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。

1.2.2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。

本方案采用主保护点对点其余组网模式，即主变保护的SV和GOOSE数据点对点采集，其余保护、测控、记录分析等数据组网采集，既满足保护可靠性要求，又最大程度实现数据共享，减少设备、光纤的投资和后期维护工作量[2]。

GOOSE网采用双星形结构，所有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。同时，为方便牵引变电所的改造，减少对行车运输的干扰，220kV和27.5kV分别单独组网。

SV网与GOOSE网共网设置，可减少交换设备和光纤，组网结构简单，减少投资。

1.2.3间隔层设备

间隔层设备由保护测控装置组成，与既有牵引变电所一样，集中组屏于主控制室。

1.2.4站控层配置

站控层由计算机网络连接的系统主机、工作站、远动主机、GPS对时系统等设备组成。

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，并能实现网络无缝切换。

2数字化变电所应用中存在的问题

目前，数字化变电所还存在以下不足：1、智能化一次设备、电子式互感器的技术工艺需逐步完善；2、数字化变电所的实现依赖网络通信，对交换机的功能、智能电子设备（IDE）的信息处理能力要求较高，如要求交换机实现零丢包及网络风暴抑制功能等；3、运营部门需根据数字化变电所设备的特点组织检测与维护，如通过网络报文分析设备故障或事故原因等。

3结语

本方案结合电力系统数字化变电站建设经验进行研究。改造后，既有牵引变电所密集分布的二次电缆被光纤取代，抗电磁干扰性能大幅提升；所有开入、模拟量的采集均在就地完成，转换为数字量后通过标准规约从网络传输，所有的开出控制也通过网络通信完成，实现了网络数据的共享，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数字化打下基础。

参考文献：

[1]110(66)kV～220kV智能变电站设计规范[GB／T51072-2014].

[2]秦建松，陈瑛等.智能变电站过程层点对点与组网模式比较分析[J].淅江电力，2016，第35卷，第9期.

[3]张寅怀.常规变电站数字化改造的技术难点与解决方案[J].电力勘测设计，2010，第5期.

[4]刘曦，朱继红.关于合并单元和智能终端应用模式的探讨[J].淅江电力，2011，第3期.

[5]张晓波，朱军红等.220kV数字化变电站保护解决方案综述[J].电工技术，2013，第8期.