CN203166626U - 智能牵引变电站 - Google Patents

Abstract

一种智能牵引变电站，其结构上分为变电站层、间隔层和过程层；变电站层中包括一次设备在线监测专家系统、变电站监控和录波及网络分析子系统；间隔层设备连接变电站层和过程层，间隔层包括线路保护、变压器保护和电容器保护；过程层中包括光电式电流/电压互感器、合并单元、智能操作箱等智能设备。本实用新型的智能牵引变电站，遵循国际IEC61850标准体系，以智能化一次设备和网络化二次设备为特征，强调一、二次设备的协调，采用全数字化的信息采集、信息传输和信息处理设备，提高对高速铁路牵引供电系统的智能监控和管理能力。

Description

智能牵引变电站

技术领域

本实用新型涉及电气化铁路的技术领域，具体说是一种具备高可靠性和稳定性，能够充分保护环境，智能设备之间互动感知，从而实现智能化高速牵引供电功能的智能牵引变电站。

背景技术

随着我国轨道交通建设特别是高速客运专线和城市地铁轻轨建设的蓬勃发展，牵引供电系统发展非常迅速。强大而可靠的供电是保证高速铁路正常运输的基本条件，电气化铁路牵引负荷的特殊性和供电系统的复杂性，对供电技术提出了更高标准，高速铁路客观上要求供电电源具有安全、稳定、可靠等特点。近年来，在电网建设方面，智能电网是国际电力业界的热门话题，被认为是改变未来电力系统面貌的电网发展模式。

变电站自动化技术发展到今天，分层分布式的系统结构和面向间隔(Buy)设计已成为主流。通信技术是变电站自动化的关键，现场总线和工业以太网的应用提升了变电站自动化技术水平。以实现互操作性为首要目标的IEC61850是迄今为止最为完善的变电站自动化的通信标准，它代表了变电站自动化的未来发展方向，在高速铁路智能供电系统中推广应用必将给变电站自动化水平带来巨大的推动作用。按照IEC61850标准构建的智能牵引变电站分为站控层、间隔层和设备层，采用IEC61850数据建模和通信服务协议，过程层采用电子式互感器等具有数字化接口的智能一次设备，以网络通信平台为基础，实现了变电站设备监测、开关控制、保护跳闸的数字化采集、传输、处理和数据共享，可实现网络化二次功能、程序化操作、智能化功能等的变电站。

随着二次设备技术水平和制造工艺的进步，继电保护装置的可靠性也大幅提高，由于继电保护装置本身原因造成的继电保护不正确动作呈下降趋势，而二次回路原因造成继电保护不正确动作就变得十分突出。通过控制电缆耦合而造成的变电站运行电磁干扰一直是困扰继电保护工作者的问题，各种干扰源通过控制电缆耦合进入二次设备，造成设备的损坏或保护装置的不正确动作时有发生。直流接地或交流混进直流造成的继电保护不正确动作随着光隔及快速中间继电器的采用也变得日益突出。智能牵引变电站的本质特点在于就地数字化和光缆传输，光缆是一二次设备间信息传输最为合适的载体，具有带宽高、不受电磁骚扰的显著优点。在智能牵引变电站条件下，用通信光缆代替控制电缆硬连接，由于同一根光纤介质可以传输的信息种类不受限制，完全取决于报文的内容，用一根光纤可以传递很多根电缆表达的信息。所以，可以将二次回路大为简化。避免电缆带来的电磁兼容、传输过电压、交直流误碰、两点接地等问题。变电站的各种功能可共享统一的信息平台 。通过光纤传输，使用通信校验和自检技术，可提高信号的可靠性。电子式互感器杜绝了传统互感器的TA断线导致高压危险、TA饱和影响差动饱和、CVT暂态过程影响距离保护、铁磁谐振、绝缘油爆炸、SF6泄漏等问题；解决了传统电流互感器当电压等级越高，短路电流越大时，必然将增大体积，使设备变得更加笨重，导致安装及运输都不方便的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种具备高可靠性和稳定性，能够充分保护环境，智能设备之间互动感知，实现对高速铁路牵引供电的最优配置和利用的智能牵引变电站。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:

其结构上分为变电站层、间隔层和过程层；变电站层中包括一次设备在线监测专家系统、变电站监控和录波及网络分析子系统，通过对全站信息进行监视和控制完成站级功能；间隔层设备分别连接变电站层和过程层，站控层网络连接变电站层和间隔层设备，采用IEC61850/MMS标准协议模型，过程层网络连接间隔层和过程层设备，采用IEC61850/GOOSE接入智能操作箱、IEC61850/SMV合并单元设备，间隔层包括线路保护、变压器保护、电容器保护，通过过程层通信网络采集实时数据，实现保护、测量、计量、控制和监测功能；过程层设备包括光电式电流/电压互感器、合并单元、智能操作箱等智能电子设备，其中合并单元与光电式电流/电压互感器相连接，而智能操作箱连接电气开关设备，过程层面向一次设备，实现网络开关量、模拟量的采集和控制命令的发送。

本实用新型还可以采用如下技术措施:

所述的合并单元同时与一次设备和二次设备相连接，合并单元连接多路光电式电流/电压互感器，将光电式电流/电压传感器采集的数据进行处理，并按照IEC61850-9-2以太网标准将信息组帧发送给二次设备。

所述的智能操作箱具备IEC61850 GOOSE网络通信接口，接受网络跳合闸命令，并把跳闸命令向断路器输出以完成对一次设备的控制，实时在线监测变压器和一次设备的运行状态并通过网络传输给上级系统。

所述的智能牵引变电站中还包括集成化的IED装置，上述集成化的IED装置中由CPU、61850/MMS网络处理器、GOOSE/SMV网络处理器、数字量采集单元、显示单元、通讯单元、存储单元、时钟单元、供电单元等部件组成；61850/MMS网络处理器、GOOSE/SMV网络处理器、数字量采集单元分别与CPU相连接，处理CPU的数据输入和输出；显示单元、通讯单元、存储单元、时钟单元分别与CPU相连接，接受CPU的控制；供电单元为集成化的IED装置提供工作电源。

所述的录波及网络分析系统包括：智能录波主站分析系统，由一台或者多台计算机组成，完成对全站录波单元的管理及故障分析；智能录波主控单元，完成对录波采集模块的管理和控制，实现对多个数字机模拟通道板的交互；GPS时钟，与智能录波主控单元相连接，根据接收的时钟信号转换为内部对钟报文，对全站采集板进行时钟同步；数字通道采集板，设置在二次设备之间，通过通信网络进行数据和信息交换；模拟通道采集板和DSP采样/开出，使用互感器模式，模拟量信号经过模拟量变换器箱进行隔离变换，对电流互感器CT和电压互感器PT从二次设备一侧得到的交流电流和电压信号采用隔离变换器作为变换器件。

本实用新型具有的优点和积极效果是:

本实用新型的智能牵引变电站，遵循国际IEC61850标准体系，以智能化一次设备和网络化二次设备为特征，强调一、二次设备的协调，采用全数字化的信息采集、信息传输和信息处理设备，提高对电网的智能监控和管理能力，具有更加灵活的结构、更好的支持自愈功能和设备自我管理功能。智能牵引变电站的实施可以节省投资和占地空间、具备卓越的互操作能力、测量精度高、安装实施容易、设备智能维护、自适应协调控制等巨大的潜在利益。另外本实用新型的智能牵引变电站可实现铁路牵引供电系统信息的批量实时采集，通过对区域电气设备状态的可靠、有效监控及大容量全景式数字化信息实现对区域智能联动功能，推动牵引供电的柔性控制和区域协同自治，支撑由相邻供电臂区域供电的自治和自愈功能，维持自身稳定运行，评估薄弱环节和应对紧急状态的能力，具备系统化的自我管理和自我恢复能力。通过在实际带电工况下实时跟踪采集设备状态数据，可对设备状态进行预测，避免导致恶性故障的发生，给智能维修决策系统提供数据支撑，从而实现对设备更好的管理和维护延长设备寿命。

附图说明

图1是本实用新型的智能牵引变电站的系统结构示意图；

图2是本实用新型的智能牵引变电站中合并单元的连接结构示意图；

图3是本实用新型的智能牵引变电站中集成化的IED装置的示意图；

图4是本实用新型的智能牵引变电站中录波及网络分析系统的示意图。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本实用新型进行详细的说明。

图1是本实用新型的智能牵引变电站的系统结构示意图；图2是本实用新型的智能牵引变电站中合并单元的连接结构示意图；图3是本实用新型的智能牵引变电站中集成化的IED装置的示意图；图4是本实用新型的智能牵引变电站中录波及网络分析系统的示意图。

如图1至图4所示，本实用新型的智能牵引变电站，其结构上分为变电站层、间隔层和过程层；变电站层中包括在线监控专家系统、变电站监控和录波及网络分析子系统，通过对全站信息进行监视和控制完成站级功能；间隔层设置连接在变电站层和过程层之间，间隔层通过IEC61850标准的MMS网络与变电站层相连接，同时通过IEC61850 GOOSE标准和IEC61850/SMV网络与过程层相连接，间隔层包括线路保护、变压器保护、电容器保护，通过过程层网络数据完成保护、测量、计量、控制和监测等功能；过程层设备包括光电式电流/电压互感器、合并单元、智能操作箱，其中光电式电流/电压互感器与合并单元相连接，而智能操作箱与断路器和变压器相连接，过程层针对一次设备，实现开关量I/0、模拟量采用和控制命令的发送功能。

合并单元（Merging Unit）同时与一次设备和二次设备相连接，合并单元连接多路光电式电流/电压互感器，将光电式电流/电压传感器采集的数据进行处理，并按照IEC61850-9-2以太网标准将信息组帧发送给二次设备。图中的合并单元同时接收7个电流互感器和5个电压互感器传输的信号，其中包括A相电流（测量）、B相电流（测量）、C相电流（测量）、A相电流（保护）、B相电流（保护）、C相电流（保护）、中性点电流、A相电压、B相电压、C相电压、中性点电压、母线电压；合并单元同时设置电源输入和时钟输入，并把处理后的数据通过网络向外输出。

嵌入式技术是近几年发展起来的新型技术，它可以解决电子系统小型化和低功耗、高可靠性等问题。系统采用高性能POWER PC处理器，采用模块化设计的思想，分为数据采集模块、通信处理模块、时钟同步模块。硬件设计上，采用灵活的插件配置方式，根据工程应用可以实现光电式CT/PT的IEC61850-9-2网络报文的方式接入和传统CT/PT模拟信号的接入方式。系统提供最多8路100M光纤以太网。

合并单元在处理采样值传输中具有多任务同时处理，高可靠性和强实时性，通信流量大，通信速度高四大特点。其对应为合并单元需要同时接收多路A/D转换数据，并对其进行检验是否在传输过程中发生畸变;对于检验后正确的电流/电压信息传输给二次保护/控制设备，同时设备的工作环境还要求设备具有抗干扰性;合并单元采集的电压/电流信息的采样频率高，同时还有部分状态信息也需要通信;一般情况下采用光纤通信处理大量的信息。合并单元的实现主要分为三个方面的研究:输入信号的还原模块、数据处理模块、数据输出模块。、电子电压/电流互感器在高压侧实现数据采集和采样调整，采集的数字信息以曼彻斯特编码方式，通过光纤传输至二次侧的合并单元，合并单元在完成数据解码校验后，将数据以IEC61850-9-2的协议格式发送至二次保护/测控设备。因此本模块主要对光纤传输来的信号转换为电信号，然后把数据还原。该模块可在连接在主控制器通用I/0口的FPGA中进行实现。数据处理模块。电子电流/电压互感器传输来的数据流经合并单元的数据还原后，要进行一系列的数据处理，包括数据的标定、根据二次侧保护和测量等不同需要而进行的数据处理等。此外，合并单元的同步也非常重要。在IEC61850规范的合并单元的同步包括两层含义：一是由GPS接收机输出的同步信号如何被合并单元正确的识别；二是利用正确识别后的同步信号保证前端A/D采样的同步性。

智能操作箱具备IEC61850 GOOSE网络通信接口，接受网络跳合闸命令，并把跳闸命令向断路器输出以完成对一次设备的控制，实时在线监测重要电气设备的运行状态并通过网络传输给上级系统。监测信息量最大化、判定方式多样化、综合监控手段和专家人工智能方法等可使故障的判定更加准确和及时。采用网络连接技术，整体信息共享，在开关与开关、开关与间隔层、变电站层的设备之间建立标准化的通信网络，是改善和提高故障诊断和状态监测性能的重要途径之一。智能操作箱具备以下功能：测量、控制、监测；与一次设备机构箱光纤连接；实现操作机构回路的网络化、逻辑化；减少继电器等硬回路数量、提高响应时间等指标；融合一次设备状态量监测；实现自诊断、自预警甚至自愈合；智能操控；接收保护动作信息/分合闸/控制信号，接收各种对一次设备的操作命令；智能控制功能，在系统故障时快速断开，其它情况下低速开断，提高一次设备寿命；具有状态监视和状态检修功能。

智能牵引变电站中还包括集成化的IED装置，上述集成化的IED装置由CPU、61850/MMS网络处理器、GOOSE/SMV网络处理器、数字量采集单元、显示单元、通讯单元、存储单元、时钟单元、供电单元等部件组成；61850/MMS网络处理器、GOOSE/SMV网络处理器、数字量采集单元分别与CPU相连接，处理CPU的数据输入和输出；显示单元、通讯单元、存储单元、时钟单元分别与CPU相连接，接受CPU的控制；供电单元为集成化的IED装置的工作供电。61850/MMS网络处理器和GOOSE/SMV网络处理器与100M以太网相连，DI输入数字量采集单元。供电单元的输入电压为AC220V或DC110V，输出3.3V、5V和隔离5V。

集成化的IED装置并不只是简单地在一个装置中集成多个传统保护装置的功能，如线路三段式过电流保护，距离保护，母线差动保护，变压器差动保护等。由于它集成了全站各个设备的信息，从原理上讲，将能大大提高保护动作的选择性、灵敏性和可靠性，并且能够克服过渡电阻等等的影响。如根据相邻线路的故障信息，实现本线路保护的可靠闭锁或者快速动作；根据相邻设备如变压器的信息，判断线路的故障情况，实现保护动作的绝对可靠性，防止保护误动。另一方面基于全站信息的网络保护模块，可自适应地建立变电站的拓扑结构图，根据拓扑图中各个断路器之间的位置关系，以及它们检测到的状态量信息，判断是哪一个元件发生了故障，并控制其动作。网络保护模块在集中式保护的体系中实际上可以看作是后备保护。网络保护模块的计算速度较快，在单元保护拒动的情况下，能够比传统后备保护具有更短的动作时间和更可靠的动作特性。

在线监测智能专家系统通过IEC61850通信网络获取设备状态自诊断的数据，根据参数设置和自学习的模式可实现对一次设备的自动监测功能，通过在传统检测仪器仪表基础上增设实时检测和数据采集装置，提取设备自身故障模式的典型特征参量并进行智能化处理、分析，给出设备的运行状态、可靠性水平、典型故障风险水平、寿命曲线等信息。为牵引变电站的智能调度和设备的运行管理等提供优化和决策依据。根据自诊断结果对设备的运行方式给出建议，如满负荷运行、减负荷运行、立即停止运行等。

录波及网络分析子系统由一台或者多台计算机组成，完成对全站录波单元的管理及故障分析；智能录波主控单元，完成对录波采集模块的管理和控制，实现对多个数字及模拟通道板的交互；智能录波主控单元连接GPS时钟，根据接收的时钟信号转换为内部对钟报文，对全站采集板进行时钟同步；数字通道采集板，与合并单元和智能操作箱相连接通过通信网络进行数据和信息交换，，而合并单元连接到ECT/EVT；模拟通道采集板采用DSP采样与传统互感器连接，，对电流互感器CT和电压互感器PT信号进行隔离变换。

智能录波主站分析系统具备如下主要功能：

波形分析功能，主要用于显示波形、分析波形和对波形进行编辑。能任意选取某次故障录波记录，使波形放大、缩小、移动及改变颜色等，读出任意时刻该模拟量的瞬时值和有效值;能通过开关量的动作时序图，正确的检验继电保护与安全自动装置的动作行为；

谐波分析功能，采用快速傅立叶变换（FFT），能对各模拟量及其由它们组合而成的模拟量，计算出基波分量、直流分量及各次谐波分量；

故障分析功能，根据录波数据，计算出有效值、测量阻抗、有功、无功、两模拟量之间的相角差以及正序、负序、零序分量，提供较详细的定量分析手段；

故障测距功能，采用两种测距算法，包括双端测距算法（是基于在GPS统一绝对时钟下进行）和单端测距算法，保证在各种故障情况下，测距结果有较高的精度；

故障诊断功能，充分利用故障录波数据所记录的信息，结合专家系统理论，对故障发生后的事故紧急处理过程进行分析、评价，对因继电保护及安全自动装置而导致的事故给出较为明确的说明；

除此之外，还具备报表、打印、存储及与故障管理信息系统的交互功能。

智能录波主控单元主要功能如下：

定值参数设置功能，实现对智能录波系统的参数配置，通过设置不同的配置方式，系统可以较好的满足不同的用户需求。包括采集路数、启动方式、采样频率、通道类型、存储方式、压缩算法、通道参数等等；

对时功能，主控单元具备接入GPS/北斗双时钟源的能力，具备接入其它时钟源的能力，接口方式可以是IRIG-B格式或者秒脉冲格式，根据接收的时钟信号可以转换为内部高精度对钟报文，实现对全站采集板的同步功能，同步精度小于1ms；

通信管理功能，通过FPGA接口实现对各个采集板的高速通信，收集各个采集板的数据，分发对各个采集板的控制命令。对存储的录波数据传输到录波主站，接收录波主站的控制命令；

数据存储功能，对于接收的海量录波数据进行压缩存储，存储方式可以通过参数配置，文件格式采用国际标准的COMTRADE格式；

运行日志记录功能，记录系统运行期间系统工作状态，网络流量传输情况，参数配置修改情况，安全运行统计等信息，提高故障的事故追忆功能。

在基于IEC61850的数字化变电站中，二次设备与设备之间通过高速通信网络进行数据和信息交换，为全站录波带来了极大的方便，节省了大量二次电压互感器和电流互感器电缆的投资，减小了施工难度。

数字通道采集板采用高速PowerPC硬件平台，具备强大的网络通信和数据处理能力，丰富的外围接口，伸缩性好。板件具备准确的录波启动算法，包括对采样值数据进行实时运算和根据不同的启动定值对应不同的启动算法进行启动判别，当满足录波条件时进行故障前和故障后分时段变速录波，做到故障“重现”的精细准确。。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，然而，并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内,当然会利用揭示的技术内容作出些许改动或修饰，成为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种智能牵引变电站，其特征在于:其结构上分为变电站层、间隔层和过程层；变电站层中包括一次设备在线监测专家系统、变电站监控和录波及网络分析子系统，通过对全站信息进行监视和控制完成站级功能；间隔层设备分别连接变电站层和过程层，站控层网络连接变电站层和间隔层设备，采用IEC61850/MMS标准协议模型，过程层网络连接间隔层和过程层设备，采用IEC61850/GOOSE接入智能操作箱、IEC61850/SMV合并单元设备，间隔层包括线路保护、变压器保护、电容器保护，通过过程层通信网络采集实时数据，实现保护、测量、计量、控制和监测功能；过程层设备包括光电式电流/电压互感器、合并单元、智能操作箱智能电子设备，其中合并单元与光电式电流/电压互感器相连接，而智能操作箱连接电气开关设备，过程层面向一次设备，实现网络开关量、模拟量的采集和控制命令的发送。

2.根据权利要求1所述的智能牵引变电站，其特征在于：合并单元同时与一次设备和二次设备相连接，合并单元连接多路光电式电流/电压互感器，将光电式电流/电压传感器采集的数据进行处理，并按照IEC61850-9-2以太网标准将信息组帧发送给二次设备。

3.根据权利要求1所述的智能牵引变电站，其特征在于：智能操作箱具备IEC61850 GOOSE网络通信接口，接收网络跳合闸命令，并把跳闸命令向断路器输出以完成对一次设备的控制，在线实时监测变压器和一次设备的运行状态并通过网络传输给上级系统。

4.根据权利要求1所述的智能牵引变电站，其特征在于：智能牵引变电站中还包括集成化的IED装置，上述集成化的IED装置中由CPU、61850/MMS网络处理器、goose/SMV网络处理器、数字量采集单元、显示单元、通讯单元、存储单元、时钟单元、供电单元等部件组成；IEC61850/MMS网络处理器、GOOSE/SMV网络处理器、数字量采集单元分别与CPU相连接，处理CPU的数据输入和输出；显示单元、通讯单元、存储单元、时钟单元分别与CPU相连接，接受CPU的控制；供电单元为集成化的IED装置提高工作电源。

5.根据权利要求1所述的智能牵引变电站，其特征在于：录波及网络分析系统包括：智能录波主站分析系统，由一台或者多台计算机组成，完成对全站录波单元的管理及故障分析；智能录波主控单元，完成对录波采集模块的管理和控制，实现对多个数字及模拟通道板的交互；GPS时钟，与智能录波主控单元相连接，根据接收的时钟信号转换为内部对钟报文，对全站采集板进行时钟同步；数字通道采集板，设置在二次设备之间，通过通信网络进行数据和信息交换；模拟通道采集板和DSP采样/开出，使用互感器模式，模拟量信号经过模拟量变换器箱进行隔离变换，对电流互感器CT和电压互感器PT从二次设备一侧得到的交流电流和电压信号采用隔离变换器作为变换器件。

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