浅谈智能化牵引变电所集中保护设计

陈佳

摘 要：随着我国高速铁路行业的不断发展，智能牵引变电所作为高速铁路动力提供者，弥补了牵引变电所保护装置单一控制的缺点。本文基于智能牵引变电所的工作原理，分析了智能牵引变电所的特点，针对现有变电所保护装置的不足，提出了完善智能牵引变电所集中保护的设计方案。

关键词：牵引变电所；集中保护；设计方案

中图分类号： ：U224 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）04-173-2

0 引言

随着铁路行业的快速发展，我国已经成为世界铁路运营里程最长的国家。牵引变电的主要任务是为高速铁路提供动力，随着通讯技术和计算机技术的不断发展，智能牵引变电开始投入到我国的高速铁路中。为确保牵引供电系统及相关设备正常运行，就需使用变电所等二次设备协调配合。然而，目前使用的牵引变电所保护装置均是采用一对一的方式配置，这种保护存在一定的缺陷，如何设计安全性更高的智能化牵引变电所，是我们需要进一步解决的问题。

1 智能牵引变电所集中保护原理

智能化牵引变电所集中保护是采用光纤以太网技术、执行IEC61850标准，基于数值通信的一种新型变电所计算机保护，将变电所内的所有设备信息综合到一台中心计算机上，形成灵活、可靠、相互协调的一种自动化保护系统。较传统的变电所保护裝置，就有反应速度快，可靠性高等优点。通过对电气元件的电流、电压进行判断该元件是否出现故障，并能根据设定的程序进行检修、维护，完成自动化的控制过程。

2 智能牵引变电所特点

智能牵引变电所之所以被称为智能化，主要是因为它改变了传统的牵引化变电所系统一次设备与二次设备之间的独立性，将二者有机的结合起来。

2.1 智能化的一次设备

在智能型牵引变电所技术中，几乎所有的一次设备（包括电压传感器、电流传感器、变压器、避雷设备以及合并单元等高压设备）之间都是相互联系的，组成一个完整的系统。在系统中，各个设备承担着不同的功能，通过信号采集、传输和处理，形成了智能性的断路器、变压器等，采用数值信息转化设备，将高电压、电流的数值信号转化为网络信号，并通过光纤进行数据传递。整个过程紧密联系在一起，完全不需要人为参与，实现设备运行及信息传递的智能化。

2.2 网络化的二次设备

智能牵引变电所是通过网络平台实现数据共享的，并遵循标准为IEC61850通信协议，该标准系统性和完整性好，并具有开发性，确保了智能变电所各设备之间信息传递的可靠性，实现了设备冗余到信息冗余的转化。IEC61850标准不再是一个简单的通讯协议，而是一个统一的数字化平台，并建立了统一的数据模型和通讯模式，完成了一次设备和二次设备之间的信号传递，实现设备的互相控制和操作。

2.3 智能化的运行管理系统

智能变电所最主要的功能就是监视电气及设备的运行状况，例如：发生电气故障时，可以进行故障诊断分析，并及时修复；发生火灾、地震等突发情况时，可以迅速启动相应措施。智能化牵引变电所所具备的全方位数据分析能力，实现了设备运行的自动化，任何突发状况的发生，都可以按照人为设定的程序自行处理。智能化变电所强大的数据处理能力确保了运行管理系统的智能化，保障了电气设备的可靠运行。

3 智能化牵引变电所集中保护设计方案

3.1 集中保护整体设计

传统的牵引变电所一般是采用单个系统保护的方式，这样很难实现对复杂故障进行快速有效的解决。智能牵引变电所集中保护整体设计采取方案如下：一是建立保护模块。集中保护通过接受全部合并单元发送的信息，进而对整个变电所的运行情况、出现故障进行分析，可以确保多个保护之间相互配合，并将集中保护分为馈线间隔和主变间隔。当馈线保护发生故障时，可以通过馈线间隔和主变间隔组成的保护配合后备保护进行控制，从而避免对动作时限设定。二是建立后备保护模块，通过对变电所的开关量信息和保护模块电气量的判断，对失灵断路器实施保护。

3.2 集中保护通信设计

在变电所网络通信设计中，经常使用的网络拓扑类型分为总线型结构、环形结构以及星形结构，其中星形拓扑架构是选用一台交换机为中心节点，与其它交换机连成星形结构，具有结构简单、传输速度快、稳定性好、可靠性高的特点。智能牵引变电所常用的集中保护通信设计方案有两种：

一是冗余双星形组网方案，采用双星形链接方式，使交换机之间的链接也是采用星形方式进行链接。在设计时，变电所配置两台集中保护，第一台处于运行状态，用于变电所的保护，将另一台设置为监视模式，作为备用。这样可以确保在第一台出现故障时，另一台可以及时的投入运行，承担变电所的保护任务。这两台集中保护之间相互联系、实时通信，确保集中保护的可靠性。

二是冗余双星形组网方案，该方案是基于GOOSE、SMV、IEEE1588三网合一的模式下设计的。此种组网方式集中保护具有网络结构简单、清晰的特点，并且可以最大程度的实现数据共享，节省部分光缆投资。

3.3 集中保护硬件设计

智能化牵引变电所集中保护不仅需要接受采样值、开关量，以及保护功能之间的相互协调，这基于性能较好的硬件设备。

3.3.1 CPU处理器

智能牵引变电所集中保护涉及多种保护功能，需要具有较高运算能力的处理器。一般来说，集中保护装置所配置的处理器在一秒内需要完成50.08Mbit的数据量，再加上集中保护中一些其它的需要处理的数据量。拟定集中保护采用“ALL IN ON”处理器模块，配置一个频率为1.4GHz的Inter 处理器，片内集成64KB一级缓存，2MB的二级缓存，能够满足集中保护装置数据的处理。

3.3.2 合并单元配置

合并单元是指对一次互感器传输的电气量进行合并处理转化为数字信号，并转发给集中保护设备，用于解决互感器与二次保护设备的接口问题。以110KV的智能牵引变电所为例，合并单元配置如图1所示，合并单元MU1配置在主变高压侧，合并单元MU2配置在主变低压侧，四条馈线分别配置合并单元MU3、MU4、MU7、MU8，用于测量电压电流；两个并补配置合并单元MU5、MU6；并配置两台变压器合并单元备用。

3.3.3 智能单元

智能单元作为一次侧的接口设备，使用电缆与一次设备进行连接，使用光纤连接保护、测控设备，将二次设备的信息通过GOOSE报文的形式传输给保护设备，并接受保护命令。为满足需求，可以采用PSIU600智能终端，支持双100M太网口。

3.3.4 电压（电流）互感器

互感器的作用是采集一次设备的电气量，拟选用CYECVT1—10N性电压、电流互感器，采样系统选用双A/D系统，可满足智能化牵引变电集中保护需求。

3.4 集中保护功能软件设计

智能牵引变电所保护软件可分为三个模块，采样模块、保护模块和通信模块。任何一个模块软件设计是否完善都会影响变电所的集中保护，此外，各模块软件之间相互影响，如何设计保护软件是确保智能牵引变电所集中保护的一个重要方面。以数据采集模块为例，可以通过程序设计对无用的数据包进行过滤，只获取有用数据，并存入到相应的缓冲区内，为确保数据传递过程的安全性，可设置双缓冲区进行有用数据的存放。

4 结论

智能牵引变电所集中保护是一种新型计算机技术，弥补了牵引变电所保护程序一对一的独立式保护，而是采用一台中央计算机实现对整个变电所的保护。本文先是对智能变电所的特点进行了分析，通过智能化的运行管理系统，有效的将智能化的一次设备和网络化的二次设备联系起来，实现智能化。并进一步分析了智能化牵引变电站所集中保护设计方案，包括集中保护整体设计、集中保护通讯设计、集中保护硬件设计以及集中保护功能软件设计。随着计算机和网络技术的不断发展以及人们的不断研究，智能牵引变电所的集中保护设计将会逐渐趋于完善。

参 考 文 献

[1] 王籾.高速铁路牵引供电自动化网络通信系统研究[D]. 成都：西南交通大学，2007.

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[3] 陈力，孙嘉，牛强等.智能变电站集成一体化方案的应用研究[J].电气技术，2010，8（20）：89-92.