基于IEC61850的高速鐵路客運專線AT所綜合自動化系統配置研究

劉賡然，羅映紅

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州 730070)

基于IEC61850的高速鐵路客運專線AT所綜合自動化系統配置研究

劉賡然，羅映紅

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州 730070)

AT供電方式目前廣泛應用于高速鐵路，AT所是AT供電方式的重要組成部分，其對整個牽引網的安全穩定運行至關重要。IEC61850標準在電力系統中的應用越來越廣泛，電氣化鐵路作為電網的用戶，勢必要進行相應的技術改造。同時，為滿足高速鐵路對牽引供電系統的要求，鐵路電站的IEC61850綜合自動化工程勢在必行。基于IEC61850標準，對某客專AT所進行信息建模，完成了間隔層保護測控IED的配置，并對遠動方案進行探討，初步解決了IEC61850應用于AT所綜合自動化系統的問題。

IEC61850;AT所;客運專線;綜合自動化系統;配置

目前，我國高速鐵路客運專線的快速發展以及既有線路的不斷提速對牽引供電方式的要求在不斷提高。AT供電方式相比其他方式具有更為優越的綜合性能，能夠滿足高速客運專線對牽引供電方式的要求，因此得到了廣泛的應用。

自耦變壓器站(AT所)是AT供電方式的重要組成部分，其綜合自動化系統對于AT所功能的實現、自身的監控、保護以及整個牽引網的安全穩定運行至關重要。

IEC61850是國際電工委員會第57工作組制定的為解決變電站內信息交互、共享和互操作的國際統一標準通信體系，它詳細闡述了分層的變電站通信體系結構，采用抽象類和服務定義，使得標準獨立于特定的協議棧、實現方法和操作系統［1，2］，是變電站綜合自動化系統通信協議的發展方向。

1 AT供電系統

1.1 AT牽引網

AT方式下，牽引變電所主變壓器將220kV進線電壓變換為2×27.5kV的出口電壓，送至所內牽引母線T、F上，通過饋線送至上網點，通過柱上隔離開關向接觸線T、正饋線F供電。AT供電方式優點如下:

(1)AT供電方式無需提高牽引網絕緣水平即可將供電電壓提高1倍，加之其牽引網阻抗小，故可以大大減少牽引網的電能和電壓損失［3］;

(2)供電臂延長，使得變電所之間的距離增大至90～100 km，這不僅減少了投資，方便了變電所選址，更能夠減少電分相數目，對高速、重載十分有利;

(3)用電質量提高，對鄰近通信線防護效果最佳。

1.2 AT所綜合自動化系統

自耦變壓器所(AT所)是AT供電系統的重要組成部分，分布于鐵路沿線，每8～12 km設置1座，所內可實現上下行接觸網并聯，并能提高供電電壓。圖1為某客運專線典型AT所主接線圖。

圖1 AT所主接線圖

鐵路行業的綜合自動化系統一般采用分層分布式，主要分為站控層和間隔層［4］，其結構如圖2所示。其中，當地監控單元、通信管理單元和保護測控單元是構成綜合自動化系統的主要功能單元。

圖2 AT所綜合自動化結構

當地監控單元:系統控制、監視、維護和報表打印等功能;

通信管理單元:遠方調度(或當地監控)與保護測控裝置之間信息的交互、管理和顯示;

保護測控單元:各種數據量的采集、繼電保護、故障錄波以及信息傳送。

拆下火花塞，通過檢查發現4支火花塞都存在比較嚴重的積炭，而且一缸和二缸的火花塞比較潮濕。為了進一步驗證噴油嘴是否泄漏，筆者打開點火開關，讓低壓油泵工作，用診斷儀讀取高壓油壓約為6bar(此時高壓泵不工作，實測數據為低壓油壓)，5min左右該油壓就降到2bar左右，這只是從側面證明發動機內部燃油系統確實存在泄漏現象。反復操作點火開關，讓油壓升到6bar左右(低壓和高壓一致)，同時用內窺鏡觀察缸內情況，發現二缸的噴油嘴像花灑一樣，往外噴灑很細小的油滴，活塞頂部也存在一些干涸的油跡。

2 基于IEC61850的AT所綜合自動化系統

2.1 IEC61850簡介

IEC61850是變電站通信網絡和系統協議的標準體系，利用分層分布式體系，面向對象的建模技術，使得數據對象的自描述成為可能，為不同廠商的IED實現互操作和系統無縫集成提供了可能［5］，其主要內容包括功能建模、數據建模、通信協議以及變電站自動化系統工程和一致性測試。與以往標準不同的是，IEC61850沒有僅僅停留在對通信協議進行規范的層次，而是將重點放在對數據傳輸交換制定相關規范，具有以下顯著的特點［6］:

(1)按功能劃分邏輯節點LN，用邏輯設備 LD抽象物理設備;

(2)定義抽象通信服務接口ACSI和特殊通信服務映射SCSM，使得功能獨立于具體通信技術;

(3)利用變電站配置語言SCL實現設備自描述。

高速客運專線AT供電方式的正常運行至關重要，直接關系到旅客出行的安全舒適和鐵路系統設備的安全穩定。AT所作為AT供電方式中必不可少的環節，其自身的正常平穩運行亦尤為重要。高速客專供電系統設備數量多、數據采集和傳輸信息量大、實時性要求高，傳統的自動化系統不能很好地滿足要求。為此，現考慮將IEC61850應用于AT所綜自系統中，利用其新的技術特點，以求滿足牽引供電系統的要求。

2.2 基于IEC61850的AT所保護測控IED配置

IEC61850中關于分層分布的一個顯著特點就是一次設備智能化、二次設備網絡化，間隔層內布置各種保護、測量和控制用二次智能電子設備IED。參照IEC61850-5、7-3/4，保護測控 IED中的 LN為 IED設備的最小功能劃分，完成IED數據采集、控制和通信等各項功能。為保證保護測控IED功能模型的清晰以及裝置的綜合性能，現將各IED按保護、測控功能獨立劃分配置。

如上述圖2結構，AT所保護測控IED主要分為AT保護測控IED、饋線保護測控IED和自用變壓器保護測控IED。按照《高速鐵路設計規范》(TB10620—2009)的11.3.10節之3～4條、11.3.11節的規定以及某新建客專設計文件關于AT所保護自動裝置配置的要求(圖1)，詳細劃分保護測控IED配置如下。

(1)AT保護測控IED按主保護、后備保護、測控3套裝置獨立劃分如下。

①主保護:重瓦斯保護PGAS1、二次諧波閉鎖的比率差動保護PDIF;

③測控:斷路器監視XCBR、隔離開關/地刀監視XSWI、變壓器監視YPTR、開關控制CSWI、電氣聯閉鎖CILO、測量 MMXU、自動重合閘 RREC、故障錄波RDRE、通用輸入/輸出GGIO。

(2)饋線保護測控IED按保護、測控獨立劃分如下。

①保護:進線失壓保護PTUV、電流速斷保護PIOC、過流保護PTOC;

②測控:故障定位RFLO、斷路器監視XCBR、隔離開關/地刀監視 XSWI、開關控制 CSWI、電氣聯閉鎖CILO、測量 MMXU、自動重合閘 RREC、故障錄波RDRE、通用輸入/輸出GGIO。

(3)自用變壓器保護測控IED按主保護、后備保護和測控獨立劃分如下。

①主保護:電流速斷保護PIOC、瓦斯保護PGAS;

②后備保護:過負荷保護PTTR;

③測控:斷路器監視XCBR、隔離開關/地刀監視XSWI、變壓器監視 YPTR、開關控制 CSWI、測量MMXU、自動重合閘 RREC、故障錄波 RDRE、通用輸入/輸出 GGIO。

將上述內容在SCL Manager中進行配置，所得結果如下。

SCL文檔結構分為頭文件 Header、變電站部分Substation、通信部分Communication以及智能電子設備部分IED，其樹形圖如圖3所示。

Substation部分包含電壓等級和全站設備連接情況。將能夠完成站內一個或幾個功能的、相對獨立的設備組成為一個間隔(Bay)，則AT所的間隔劃分如圖4所示。

Communication部分，每個間隔配置一個連接點ConnectedAP，地址為 10.0.0.3～10.0.0.7，網關和子網地址均為默認的10.0.0.101和255.255.255.0，如圖5所示。圖中的OSI_PSEL、OSI_SSEL、OSI_TSEL分別為OSI七層模型中的表示層、會話層和傳輸層地址。

圖3 SCL樹形圖

圖4 Substation樹形圖

圖5 Communication樹形圖

按照間隔來劃分保護、測量和控制以及其他的輔助功能，構成對本間隔設備的保護、測控，即為間隔層IED。其樹形結構如圖6所示。依照IEC61850，IED由上至下依次為Server、LD、LN、DA以及DO，以 IED_AT1及其瓦斯保護節點PGAS為例，其結構如圖7所示，可見上述層次結構以及保護、測控功能節點的劃分。其中LDevice∶GOPRPT為保護功能邏輯設備，LDevice∶GOMMCR為測控功能邏輯設備。

圖6 間隔層IED劃分

圖7 IED樹形圖

若AT所一次主接線發生變化，或是間隔層增減IED/LN時，只需在樹形圖結構中進行操作即可，并且相應的配置文件也會對應改變項重新生成。例如，在IED_AT1/LDevice:GOMMCR中添加電壓控制邏輯節點AVCO，則IED_AT1樹形圖中增加Class:AVCO節點，SCD文件對應增加描述語句，如圖8選中部分所示。

圖8 增加IED/LN操作

3 遠動方案

IEC61850標準為電力系統自動化行業發展建立了全新的標準，雖然目前只是基于變電站的應用標準，但其面向對象的思想必定會對未來調度系統的發展產生深遠影響［7］。因此，IEC61850不應僅僅局限于變電站內部，更影響遠動系統擴展，以實現整個系統真正意義上的無縫連接［8］。

IEC61850遠動系統廣義上分為4層:控制中心層、變電站層、間隔層和過程層［9］。變電站層和間隔層之間采用TCP/IP的以太網，將ACSI映射到MMS進行服務數據的實時傳送;間隔層和過程層之間采用GOOSE和SV通信;變電站層和控制中心之間采用ACSI/MMS通信機制，2M-SDH專線連接。

本文在AT所遠動方面考慮采用ACSI/MMS遠動網關通信模型［10-11］。該模型中，原有設備無需進行更換，原有通信協議也不用進行轉換即可使用，可以大大減少工作量并能夠節省投資，是當前系統到IEC61850系統的一個平穩過渡方案。網關模型如圖9所示，遠動信息交換模型如圖10所示。

4 結語

IEC61850標準是迄今為止最完善的變電站通信網絡和系統協議［12］，并且是數字化變電站的唯一標準，在目前的電力行業應用研究較為廣泛。電氣化鐵路作為電網的用戶，未來也必須進行和電網相適應的技術改造。因此，對鐵路電站進行IEC61850的應用研究勢在必行。

本文基于 IEC61850標準，采用 SCL Manager軟件，針對某客專AT所進行了綜合自動化配置，完成了AT所建模工作，并對間隔層保護測控IED進行了配置，最后對遠動方案進行了探討，為今后 AT所的IEC61850改造工程提供了一定的借鑒。

圖9 ACSI/MMS網關模型

圖10 遠動信息交換模型

［1］ 王向東.數字化變電站及在鐵路電路供電系統中的應用研究［J］.鐵道標準設計，2012(8):90-101.

［2］ 吳在軍，胡敏強.變電站通信網絡和系統協議IEC61850標準分析［J］.電力自動化設備，2002，22(11):70-72.

［3］ 李彥哲，胡彥奎，王果，張蕊萍.電氣化鐵道供電系統與設計［M］.蘭州:蘭州大學出版社，2006.

［4］ 程波.牽引變電所綜合自動化系統［M］.北京:中國鐵道出版社，2011.

［5］ 吳在軍，胡敏強.基于IEC61850標準的變電站自動化系統研究［J］.電網技術，2003，27(10):61-65.

［6］ 顧建煒，張鐵峰，韓書娟.基于IEC61850國際標準的配電自動化系統應用研究［J］.電力科學與工程，2012，28(1):30-36.

［7］ 王祖峰.IEC61850標準在客運專線綜合SCADA系統中的應用展望［J］.中國鐵路，2012(1):62-65.

［8］ 王德文，朱永利，邸劍.利用IEC61850/MMS的電力遠動實時數據交換新方法［J］.中國電機工程學報，2008，28(1):65-70.

［9］ 王德文，張長明，李源，董濤.基于ACSI/MMS網關的電力遠動通信的研究［J］.華北電力大學學報，2008，35(4):18-22.

［10］朱永利，王德文，王艷.基于IEC61850的電力遠動通信建模方法［J］.電力系統自動化，2009，33(21):72-76.

［11］朱永利，黃敏，劉培培，任蒙興.基于IEC61850的電力遠動信息網絡化傳輸的研究［J］.繼電器，2005，33(1):45-48，67.

［12］張結.IEC61850的狹義和廣義應用［J］.電力系統自動化，2005，29(10):92-95.

Research on Integrated Automation System Configuration of AT Station of High-speed Railway Passenger-dedicated Line Based on IEC61850

LIU Geng-ran，LUO Ying-hong
(School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

The AT power supply mode has been widely used in high speed railway.As an indispensable component，the AT station is the key to the security and stability of the whole traction network.Being a user of power grid，the electrified railway must undergo corresponding technical reform because the IEC61850 standard is being more and more widely applied in electric power system.At the same time，in order to meet the requirements on traction power supply system of high speed railway，it is imperative to carry out railway substation's IEC61850 integrated automation engineering.In this paper，based on the IEC61850 standard，the information model of the AT station of a passenger dedicated line was established，the configuration of protection，measurement and control IED in the bay level was completed，and the remote control scheme was discussed，so that the problem of using IEC61850 standard in the integrated automation system of AT station was solved preliminarily.

IEC61850;AT station;passenger dedicate line;integrated automation system;configuration

U238;U223

A

1004-2954(2013)09-0096-04

2012-12-25;

2013-03-13

劉賡然(1989—)，男，碩士研究生，E-mail:liugengran@163.com。