重載鐵路廣域保護測控系統應用方案研究

張志文

0 引言

隨著信息技術、計算機技術的飛速發展，云計算、大數據、物聯網、移動通信、人工智能等新技術給各行業帶來了巨大變化，各行業都在利用新技術對傳統行業進行改造以適應社會發展的需要。鐵路的發展，尤其是我國高鐵取得的巨大成就，使我國在智能鐵路的研究和發展中走在了世界前列[1]。智能鐵路是復雜的系統工程，智能牽引供電系統是其重要組成部分，值得深入研究。

牽引供電系統由牽引變電所、接觸網、調度控制系統等組成，其中牽引變電所設有各種類型的電氣一次設備和二次設備，一次設備和二次設備的智能化推動了牽引供電系統智能化的發展[2]。另一方面，智能牽引供電系統的發展也受到了智能電網發展的影響和推動。文獻[3]介紹了智能電網的發展背景和發展歷程，對智能電網新技術、國家電網公司“堅強智能電網”的實踐進行了總結和展望；智能變電站是智能電網的重要組成環節，文獻[4]介紹了新一代智能變電站的建設背景及構成，提出了層次化保護控制體系架構，即由就地級保護、站域級保護控制和廣域級保護控制3個層次組成，提高了繼電保護整體的可靠性、選擇性、靈敏性和速動性；文獻[5～7]對電網層次化保護控制的體系架構、功能原理進行了詳細介紹。上述文獻均是圍繞電力系統智能變電站的架構、功能及實際應用進行闡述，在智能牽引供電系統和智能牽引變電所的應用中均可借鑒。

文獻[8]詳細介紹了國鐵集團對智能牽引供電的研究應用、工程實踐以及取得的技術成果；文獻[9]介紹了智能牽引供電系統架構，對系統檢測、評估進行了討論。上述文獻主要針對高速鐵路智能牽引供電系統進行討論，技術方案主要針對新建變電所，對普速鐵路、重載鐵路、既有所亭改造等方面未給出明確的方案和建議。

本文結合新朔鐵路公司重載鐵路牽引供電系統的實際情況，借鑒電力系統、國鐵集團智能牽引供電系統智能變電所技術方案，研究牽引供電廣域保護測控系統在重載鐵路的應用，提出變電所智能化技術方案，為重載鐵路智能牽引供電系統建設提供參考。

1 廣域保護測控系統方案研究

牽引供電廣域保護測控系統滿足IEC 61850標準，采用智能一次設備，或者常規一次設備通過智能組件實現數字化，實現“采樣數字化、跳閘命令化”，保護按照層次化配置，分為就地保護、站域保護、廣域保護，參考電力系統智能變電站架構，牽引變電所廣域保護測控系統結構如圖1所示。

圖1 牽引變電所廣域保護測控系統結構

圖1中一次設備采用合并單元、智能終端實現數字化；就地保護測控裝置按照傳統自動化系統進行配置并完成其功能；站域保護測控裝置完成就地保護功能的冗余和優化，并完成站域控制功能；廣域保護測控裝置完成供電臂保護、控制功能；網絡報文記錄裝置記錄全所網絡報文，監視過程層、站控層網絡；故障錄波裝置實現獨立的全所故障錄波功能。下文對牽引變電所廣域保護測控系統的架構、過程層和間隔層裝置功能配置、站域和廣域保護功能進行討論。

1.1 功能研究

牽引供電廣域保護測控系統具備層次化保護、分層閉鎖、重構自愈功能[8]。層次化保護功能中，就地保護完成現有自動化系統的全部功能，其中備自投功能通過配置專門的備自投裝置實現，在廣域保護測控系統中可將其納入重構自愈功能中統一考慮，測距功能也可納入廣域功能中。站域保護控制功能分為冗余類保護、優化后備保護類、安全自動控制類，廣域保護完成區域電網保護控制相關功能[10，11]。牽引供電系統作為電網的終端用戶，其電壓等級、供電制式、負荷特性、保護配置等與電力系統存在較多不同，導致保護功能需求也不同，按照牽引供電系統特點，表1給出了牽引供電系統站域保護功能設計方案。

牽引供電系統中，220 kV及以上電壓等級的變壓器配置了雙套保護，27.5 kV側保護均按照單套配置，因此站域保護冗余主要針對27.5 kV側的保護進行配置，以提高保護的整體可靠性。

表1 站域保護功能方案

傳統保護配置中，保護的速動性、選擇性、靈敏性通過主、后備保護的定值和時限綜合考慮，牽引供電系統未配置專門的母線保護和斷路器失靈保護。在站域保護中，可以根據全站信息實現斷路器失靈保護、母線保護、快速后備保護，在保證保護選擇性的同時實現保護的靈敏性，不再通過定值和時限去折中。牽引變電所備自投功能包括進線自投和變壓器自投，實現方式主要是通過配置專門的備自投裝置實現，也有采用變壓器測控裝置通過相互配合完成備自投功能。在智能所中，站域保護裝置可實現全所信息的采集及設備控制，備自投功能可由站域保護裝置實現，可不再配置專門的備自投裝置。另外，針對變電所其他設備故障，如某臺饋線斷路器跳閘失靈，可以通過站域保護裝置控制其他開關設備動作，隔離故障設備，實現變電所內的重構自愈，快速恢復供電[12]。

文獻[13，14]對全并聯AT供電方式繼電保護配置的問題提出了供電臂保護方案，解決保護速動性和選擇性的矛盾。文獻[15，16]對樞紐地區牽引變電所-開閉所多級級聯供電的繼電保護問題進行了分析，傳統保護配置通過本所信息、變電所-分區所間通過保護的定值和時限實現保護方案，很難解決樞紐地區保護存在的難題，可通過供電臂保護解決。廣域保護的配置方案見表2。

表2 廣域保護功能方案

供電臂重構自愈功能可參考文獻[12]。廣域保護已實現了變電所-AT所-分區所信息的統一采集，可集成AT測距功能，取消專門配置的AT測距系統，同時可取消AT測距通道。廣域保護測控系統是一個功能集成創新的平臺，其能夠收集全所、全供電臂的信息用于保護、測控功能的現實，表1、表2列出了一些集成創新的功能。隨著國內外牽引供電技術的不斷發展[17]，廣域保護測控技術也將得到不斷提升，以解決傳統保護中的技術難題，獲得更多的應用。

文獻[18]介紹了智能變電站開關防誤操作的具體方案，提出智能牽引供電系統的分層閉鎖構建調度層-變電所層-間隔層-過程層的閉鎖層次結構，結合牽引供電系統的特點，可通過在調度層-變電所層-間隔層均采用邏輯閉鎖，過程層保留必要的硬節點閉鎖的層次化閉鎖模式，來保證操作的安全。需要說明的是，在重構自愈功能中，隔離故障設備的操作與傳統的防誤操作可能存在矛盾，如斷路器和隔開存在閉鎖關系，當斷路器失靈時，通過隔離開關來隔離失靈的斷路器，則必須取消傳統的硬節點閉鎖，此時必須設置相應的重構自愈操作邏輯閉鎖條件，以保證其操作的安全性。因此，正常遙控操作和重構自愈控制，兩者的閉鎖邏輯條件是不同的，在現有的閉鎖規程下，為實現重構自愈功能，必須去除某些既有設計中的硬節點閉鎖。

1.2 裝置優化研究

文獻[19，20]對新一代智能變電站站控層、間隔層、過程層設備從配置優化、網絡優化、功能優化集成等方面結合電網的工程實踐進行了討論，對牽引供電廣域保護測控系統的二次設備配置優化具有很好的借鑒意義。

目前牽引供電系統中，牽引變壓器采用保護、測控裝置分開配置的模式，27.5 kV側采用保護、測控合一裝置，在廣域保護測控系統中，就地保護可沿用該模式。站域保護和廣域保護均需采集各個間隔的信息并完成控制功能，牽引變電所的規模及供電臂廣域規模也較電力系統小，因此站域保護測控裝置和廣域保護測控裝置可合并，由一臺裝置完成表1、表2中的全部功能。牽引供電系統中未配置專門的故障錄波裝置，而智能所中配置的網絡報文記錄裝置記錄全所通信報文，可在報文記錄的基礎上增加故障錄波功能[21]，為故障分析、故障查找提供數據支持。

合并單元、智能終端分開設置以及GOOSE、SV分別組網傳輸，存在經濟性差、光口多等諸多缺點。國家電網公司在新一代智能電網建設中對過程層設備提出了新的配置原則[22]，220 kV及以上優先采用合并單元、智能終端分開配置，110 kV及以下采用合并單元、智能終端一體化配置，同時采用GOOSE、SV共網傳輸的模式。智能牽引變電所的建設可以借鑒采用這種配置方式。

1.3 系統方案研究

智能變電站采用“三層兩網”結構[3]，“三層”指站控層、間隔層、過程層，“兩網”指過程層網絡和站控層網絡，過程層網絡分為SV網和GOOSE網。在智能變電站的發展過程中有“三網合一”（過程層網絡、站控層網絡、時鐘同步網絡合一）、“四網合一”（GOOSE網、SV網、站控層MMS網、時鐘同步網絡合一）[4]網絡方案，變電站二次設備就地化方案中有MMS、GOOSE、SV“三網合一”的技術方案[23]。由于電網就地化保護多處于掛網試運行、只出口不跳閘方式[24]，結合智能牽引供電系統實踐與前述分析，牽引供電廣域保護測控系統優化后的配置及網絡結構如圖2所示。

圖2 牽引供電廣域保護測控系統網絡結構

牽引供電廣域保護測控系統采用“三層兩網”網絡架構，過程層220 kV側采用合并單元、智能終端分開配置，27.5 kV側采用合并單元智能終端集成裝置，GOOSE和SV共網傳輸以減少光口。間隔層網絡報文記錄與故障錄波裝置集成，站域保護與廣域保護裝置集成，站域保護測控裝置具備廣域保護功能。站控層采用一體化監控系統設計，具備智能告警、智能輔助分析等應用功能。時鐘同步系統采用北斗+GPS時鐘源，北斗優先，兩種模式自動切換。根據對時精度的要求，采用不同的時鐘同步方式，站控層采用SNTP方式，間隔層和過程層采用IRIG-B碼同步方式，也可采用IEC 61588網絡同步方式。供電臂內的變電所、AT所、分區所/開閉所通過廣域保護通道連接，廣域保護通道可冗余配置以提高可靠性，取消測距專用通道。

2 重載鐵路廣域保護測控系統應用研究

牽引供電廣域保護測控系統目前主要用于新建鐵路中[1，8]，在變電所改造，尤其重載鐵路變電所改造工程中還未有應用報道。以新朔鐵路公司為例，公司轄內準池、大準、巴準鐵路均屬于重載鐵路，有AT供電方式和直接供電方式，一次開關設備有采用戶外布置、戶內網柵式布置、開關柜等形式，采用何種廣域保護測控系統實施方案對既有變電所進行改造，以適應智慧鐵路及智能牽引供電系統的建設，值得研究。

根據層次化保護配置原則，就地保護按照間隔配置，配置站域保護測控裝置完成站域保護控制、廣域保護控制功能。站域保護測控裝置具備備自投功能、所內設備隔離重構自愈功能，取消專門的備自投裝置；AT供電模式下具備故障測距功能，取消專門的AT故障測距裝置和測距通道；具備供電臂保護功能、供電臂重構自愈功能；對直供方式，根據需求確定是否需要配置供電臂保護功能和供電臂重構自愈功能。具體而言，準池鐵路為AT供電方式，采用就地-站域-廣域的層次化保護配置，大準、巴準鐵路為直接供電方式，采用就地-站域的層次化保護配置，預留廣域保護實施條件。

對于110 kV牽引變壓器，一般采用主、后備保護分開配置，不采用雙重化配置模式。準池、大準、巴準鐵路均采用110 kV外部電源，相比普速鐵路，重載鐵路對牽引供電的可靠性要求更高，因此廣域保護測控系統的合并單元智能終端集成裝置均采用雙重化配置，保護配置采用主、后備合一的裝置[25]。可采用兩種配置方式以提高保護的可靠性：第一種方式，由主后合一的就地變壓器保護裝置、站域保護裝置分別對應第一、二套合并智能單元集成裝置完成保護功能，實現變壓器保護的冗余；第二種方式，由2套主后合一的就地變壓器保護裝置分別對應第一、二套合并智能單元集成裝置完成保護功能，站域保護裝置不再配置變壓器保護。建議采用第二種方式，系統配置見圖3。

對于110 kV電源接入，牽引變壓器高、低壓側均采用合并單元智能終端集成裝置，雙套配置，分別對應主后合一保護裝置，保護裝置與合并單元智能終端集成裝置采用光纖直連模式，測控、網絡報文記錄及故障錄波、站域保護裝置采用網絡連接方式，過程層網絡采用單網、SV和GOOSE共網傳輸。變壓器非電量保護及本體信號通過配置本體智能終端完成，非電量跳閘按照可靠性原則采用電纜直接跳閘，跳閘信號接入第一套合并單元智能終端跳閘回路，同時發送相關GOOSE信號到過程層網絡供其他裝置使用（圖3中本體智能終端連接間隔層、過程層網絡未表示）。過程層的合并單元、智能終端等智能組件具備MMS接口，過程層智能組件的相關信息不再由間隔層保護測控裝置接收GOOSE信號后再轉換為MMS報文上送，使信息來源清晰化，也可減少裝置之間的虛端子連接，減少工作量，簡化系統配置。27.5 kV側的保護采用合并單元智能終端單套配置，就地保護測控裝置單套配置，站域保護測控裝置實現保護功能的冗余和優化，就地保護與合并單元智能終端采用光纖直接連接，站域保護裝置可采用網絡連接方式，也可采用光纖直接連接方式。

圖3 變壓器保護配置及網絡連接示意圖

既有變電所按照廣域保護測控系統要求進行改造，對于一次設備未到更換年限的，可采用常規一次設備就地數字化模式，對于需要更換一次設備的情況，可采用智能一次設備或常規一次設備就地數字化加必要在線監測模式，增加的智能組件根據設備形式確定安裝方式。取消一次設備端子箱[26]，GIS設備，合并單元、智能終端、監測智能組件安裝在GIS匯控柜中；對開關柜設備，合并單元、智能終端就地安裝在開關柜二次室；網柵式設備、戶外設備采用智能組件柜安裝方式，合并單元、智能終端、監測智能組件按照間隔配置原則安裝在智能組件柜中。戶外安裝的智能組件柜必須采取溫、濕度控制措施，保證設備安全運行；對于戶內安裝的情況，采取室內整體溫、濕度控制措施，簡化智能柜相關配置，降低建設成本。變壓器保護采用在控制室集中組屏的模式，對于27.5 kV側保護，對全戶外設備采用控制室集中組屏模式，提高系統的可靠性，高壓室內一次設備采用保護就地安裝模式，減少光纜用量。

3 結語

牽引供電廣域保護測控系統是智能牽引供電系統的重要組成部分，本文通過對電力系統智能變電站、智能牽引供電的發展歷程、現狀、關鍵技術的介紹，研究了牽引供電廣域保護測控系統的主要關鍵技術，給出了具體的實施方案，并結合新朔重載鐵路的實際情況，討論分析了廣域保護測控系統在重載鐵路的應用。

牽引供電與電力系統對站域保護、廣域保護的功能需求區別較大，本文詳細分析了牽引供電站域保護及廣域保護功能，對系統裝置優化集成方案進行了研究，提出了優化集成方案。目前，牽引供電廣域保護測控系統主要應用于高鐵新建變電所，對既有變電所及重載鐵路的應用還缺乏研究，本文研究成果具有一定的參考和應用價值。