牵引变电所智能化改造方案探索.doc

牵引变电所智能化改造方案探索孔中秋，靳东兰州铁路局供电处摘要：对传统牵引变电所进行智能化改造，可借鉴的工程实践经验非常少。本文以牵引变电所智能化改造的可行性分析为出发点，结合工程实际，提出了分阶段实现牵引变电所智能化改造的方案。方案从过程层网络配置、数据传输同步、全站对时、网络选型等角度做了深入的分析，旨在为今后常规牵引变电所智能化革新提供有用的实践经验。关键字：牵引变电所、智能化改造、方案Abstract: The engineering experience for reference is very poor on intelligent rebuilding to routine traction 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 in depth from network configuration of process level, data synchronization, time synchronization and choosing communication network, which is expected to provide useful engineering experience for the reform of routine traction substation.Key words: traction substation; intelligent rebuilding; scheme 0 引言牵引变电所自动化系统经过十多年的发展已经达到了一定的水平，微机化从保护到监控已在变电所的二次系统中得到了全面应用。随着设备技术的发展，特别是智能化组合电器开关和电子式330kV、220kV、110kV、27.5kV（铁路专用）互感器的出现以及IEC61850标准的发展及应用，变电所的智能化在电力系统发展比较迅速，铁路牵引变电所数字化、智能化是下步发展的趋势。智能化牵引变电所将是由智能化组合电器开关、电子式互感器等智能化一次设备、网络化二次设备分层构建，建立在IEC61850通信标准的基础上，能够实现牵引变电所内智能电气设备间信息共享、智能处理故障信息、自动化作业操作的新一代牵引变电所。按照IEC61850标准，智能牵引变电所的通信体系分为过程层、间隔层和站控层三层。作为牵引变电所智能化、数字化、网络化技术的提升，牵引变电所智能化升级改造是一个不断发展的过程，可以结合我国牵引变电所现状分阶段实现。本文对智能化、数字化、网络化技术引入牵引变电所综合监控系统的关键技术进行探讨，并提出了分阶段实现智能化牵引变电所系统的方案，希望能为相关牵引供电科研设计、运营管理、工程技术人员提供参考。1.高压设备智能化升级改造牵引变电所一次设备。采用“智能监控终端数字化传感器常规高压设备”的方式实现牵引变电所高压设备智能化，传感器实现牵引主变压器绝缘油色谱、局部放电、内部紧固状态，断路器、互感器、隔离开关等一次设备电气、机械、气体、局放，避雷器的泄露电流、牵引回流、接地网等状态参量的在线检测功能，智能终端实现高压设备状态监测、电气测量、自动控制、智能保护等功能。投资更换为智能高压设备，通过自我参量的检测、就地综合评估、实时状态预报，实现高压设备信息互动化、保护控制功能一体化、状态可视化；实现设备监测和控制由单相指标向综合诊断转变，设备运行管理由定期维修转向状态维修，减少检修维护工作量，提升设备安全可靠水平，节省运行管理直接成本。由于既有牵引变电所一次设备均为传统高压设备，需分阶段对牵引变电所设备进行更换，首先对电压、电流互感器、110kV断路器、27.5kV断路器、隔离开关、牵引变压器等进行升级改造。2.过程层网络配置方案IEC61850标准中提出了过程层的新概念，其包括智能传感器、智能I/O通讯单元、智能化高压等设备，主要功能是实现各种电气、机械、状态等参量的就地采集以及实现对一次设备的直接监控。目前我国牵引变电所自动化系统中的过程层功能都是在间隔层设备实现的，随着电子式互感器的应用，现代电力技术的发展趋势是将越来越多的间隔层功能下放到过程层。过程层网络配置方案有：一、GOOSE和SMV均点对点；二、GOOSE组网、SMV点对点；三、GOOSE、SMV独立组网；四、GOOSE、SV、1588三网合一。在牵引变电所智能化改造初期，本文推荐采用方案二。方案二的特点是GOOSE网和数据采集网在物理上分离，数据采集元间和隔层装置采用点对点式通信，具体配置如图1所示。该方案可以实现断路器、隔离开关量信息共享，但采样值仍然是点对点光纤传输，光纤数量对采样同步网的依赖问题仍然存在，因此关于合并单元数据采集、传输同步问题是工程改造中需要注意的关键点。方案四为GOOSE、SV、IEEE1588三网合一，此方案必须依赖外部时钟源实现时钟同步，随着时钟同步技术的发展，将成为以后牵引变电所智能化革新的方向。图1 GOOSE组网、SMV点对点3.关于合并单元数据采集、传输同步的方案合并单元是对高压设备参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设备的装置。为避免电气量的幅值和相位在采用、传输过程中的产生误差，需要在同一时间点上获得间隔层的二次设备采样数据，因此合并单元输出的数字采样信号必须含有时间信息。在常规牵引变电所智能化改造初期，各电压等级的传统电磁式互感器依然会和电子式互感器将并存，合并单元接入的信号不仅包括传统互感器的模拟信号，还应该有电子式互感器输出的数字采样值。合并单元需同时接入模拟信号和数字信号，同步处理后输出至间隔层设备。因此，实现合并单元数据采样、传输的同步是智能化改造的一大科题。目前，合并单元和二次设备间传输规约有IEC61850-9-1/2和IEC60044-8标准规约可遵循。采用点对点IEC60044-8标准的光纤传输网络的优点是传输延时确定，可以采用插值再采样技术实现同步采样。插值同步不依赖于任何外部时钟源，可确保变电所运行的可靠性。这是在智能化改造初期，时钟同步技术尚未成熟阶段的首选方案。然而，IEC60044-8使用的是串行口，带宽较低，且通道固定（最多22通道），扩展不容易，这些缺点是不适应于牵引变电所智能化发展要求的。从长远，基于IEC61850标准采取时钟同步手段保持采样同步符合牵引变电所智能化发展的趋势，具有更好的通用性和前瞻性。IEC61850对时间同步的要求分为T1T5共5级，其中：T1要求最低，为1 ms；T5要求最高，为1us。由于过程层的负载大，要求同步误差控制在1us，过程层同步标准可采取IEEE1588标准。IEEE1588的基本功能是使分布式网络内的最精确时钟与其他时钟保持同步，同时完全兼容原有的以太网协议。lEEEl588标准采用软硬件结合的方式，可以实现亚微秒级的网络同步精度。IEEE1588的优越特性预示着其在智能化变电所时钟同步系统特别是过程层同步中的良好前景。面对智能化牵引变电所纯以太网通信模式和亚微妙级的同步精度需求，其面向站内应用的实现方式，特别是面向过程层网络的应用方式、安全稳定性能、产生同步误差的原因及解决方案都值得更加深入、具体的研究。4.全站对时方案当前站内常用的对时方式有脉冲对时（硬对时）、通信对时(软对时)、综合对时、IRIG-B码对时以及简单网络时间协议SNTP对时等。前四种方案可以实现较高的同步精度，但需要专门的线缆进行点对点连接，接线数量庞大且接线方式复杂，给系统的建设和维护带来困难。IEC61850中规定的时间同步协议SNTP，其同步方式具有经济、简单、规范、高效的优势，但同步精度有限，不能完全满足需要。目前技术条件下，在变电所内，将时间报文和脉冲信号相综合的综合对时方式(包括IRIG-B)仍是保证对时精度的有效手段，而IEEE 1588凭借其优势可能会逐步成为主要的对时手段。在全站对时设计中，时间精度要求不高的站控层可以考虑使用SNTP对时，间隔层设备使用电缆B码对时或IEEE 1588对时，过程层设备考虑用光纤B码对时或IEEE 1588对时。具体设计如图2所示。图2 全站对时设计方案目前，智能化牵引变电所IEEE1588时钟同步方案包括基于独立网络的同步设计和基于唯一网络的同步设计两种方案。基于独立网络的同步设计的方案采用SNTP+IEEE1588协议，即在站级网络中使用SNTP协议作为同步手段，而在过程网络中使用IEEE1588协议。该时钟服务器一个网口以 SNTP对时，一个网口以 IEEE 1588对时，这样可以优化功能配置，节省投资，经济性好，但站内设备时间精度差。基于唯一网络的同步设计的方案在两级网络中都采用IEEE1588协议作为同步手段，在站级和过程网络中分别布置专门主时钟，将UTC分别引入各层网络，精度较高，符合网络化、统一化的同步思路。但此方案需要全站过程层和间隔层设备的以太网芯片、变电所层计算机的网卡以及通信网络中的交换机或路由器都支IEEE1588硬件对时，投资成本较大。从智能化牵引变电所的工程实施角度看，IEEE 1588 高精度时钟同步的实现需要硬件资源的支持以及考虑对时的冗余，其在牵引变电所内的具体应用需针对功能特点结合经济性要求来实施。5.系统的网络选型方案网络系统是牵引变电所的“神经系统”，其可靠性和信息传输的快速性直接决定了牵引变电所智能化的水平。站控层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/IP)以太网或光纤网。过程层网络主要传输 GOOSE（通用的面向对象的变电所事件）、SV（采样值）和 IEEE1588 时钟同步数据，较之站控层网络，要求更高的实时性和更强的报文处理能力。为了保证过程层数据的实时性，避免不同特点的数据相互影响，系统采用变电所层网络、过程层GOOSE网络和SV传送网三网分离策略。变电所层网络数据的特点是突发性强、数据量大，传送实时性要求不高；过程层GOOSE网数据特点是数据量不大，具有突发性，传输要求可靠性高、实时性强；SV传送网络特点是数据量特别大，呈周期性，传输的要求是实时性、稳定性、可靠性都要非常高，延时需要确定。若三网相互独立，分工明确，可确保整个智能化牵引变电所系统的安全和稳定。目前，以太网提供了单播、组播和广播三种模式。除了 MMS 报文为单播以外，上述 GOOSE报文和 SV报文以及 IEEE1588同步报文等都是采用组播地址作为它们的目的地址。为了减少网络负载，提高网络的效率，降低网络上的延时，需要对过程层网络上传输的组播报文进行有效的管理和过滤。过程层网络常用的多播报文技术有虚拟局域网（VLAN）、GMRP（GARP多播注册协议）和静态多播地址表等。VLAN技术是目前在智能变电所中应用最广的多播报文隔离技术，只要确定装置与交换机端口的对应关系，以及装置之间的报文发送关系，就可以在交换机上配置。但是交换机的配置相当繁琐，增加了现场施工和维护的复杂性，而且装置与交换机的端口的对应关系也不能随意更换，否则装置可能无法建立通信。使用GMRP时，交换机只要打开该功能即可，配置工作量大大简化，但是需要装置支持GMRP，增大了装置厂家的工作量。与VLAN方式一样，静态多播地址表方式交换机配置灵活性较差，但它省去了VLAN配置时复杂的逻辑运算，配置结果也一目了然，尤其对网络需要支持 IEC61588时配置起来要比VLAN容易。需要注意的是VLAN、GMRP和静态多播地址表三种方法并不冲突，用户可以根据需要灵活地将三者结合起来使用。6.结术语作为新生事物的智能化牵引变电所，其本身有逐步发展成熟的过程，需要在设计、施工、生产运行中不断完善。目前智能化牵引变电所的改造或建设应从生产上的迫切需要出发，考虑管理、技术方面的现实可能，积极探索，稳妥推进。针对当前牵引变电所综合自动化技术的应用水平，本文对牵引变电所的智能化改造提出了不同阶段的应用方案，旨在抛砖引玉，为进一步的研究及解决方案提供基础。参考文献1 高翔，张沛超. 数字化变电站的主要特征和关键技术J.电网技术，2006,30(23):6771 .2 孙一民，李延新等.分阶段实现数字化变电站系统的工程方案,电力系统