1、數字化牽引變電所技術交流陳 德 明電話箱：西南交通大學電氣工程學院數字化是智能牽引供電的基礎牽引供電系統還停留在綜自階段，需要奮起直追電力系統的發展趨勢智能電網2015年國家電網公司智能電網工作目標： 完成6類41項智能電網創新示范工程建設任務 建成50座新一代智能變電站 新建1400座智能變電站1） 繼電器保護RTU繼電器完成保護功能，保護動作后給出節點信息RTU完成測量、控制功能等傳統四遙功能（遙測、遙信、遙控、遙調）2） 微機保護RTU微機保護裝置完成保護功能 RTU完成測量、控制功能等傳統四遙功能（遙測、遙信、遙控、遙調）RTU采集保護動作節點信息或與保護裝置

2、通信獲取保護動作報告3） 變電站綜合自動化系統保護、測量、控制功能綜合考慮，功能分布式配置，通過網絡組成整體傳統RTU轉變為通信單元，通過通信而不是節點采集來收集變電所的運行狀態，四遙功能下放到微機裝置利用計算機的強大功能取代中央信號盤實現當地監控功能故障記錄功能，記錄保護動作前、后的有關故障信息，以利于分析故障過程層： 設備復雜電纜連接的問題 數據共享問題 一次設備智能化提出了新需求間隔層： 通信技術和網絡五花八門 通信規約不統一 多系統互聯（保護雙重化）困難傳統自動化系統存在的問題二次系統防雷問題供電臂功能的提升-以供電臂為單元的網絡化保護電子互感器合并單元智能開關過程層網絡2001 UC

3、A（北美推廣）1994 德國（SAS標準）1995 IEC TC57（WG10/11/12）1998 IEC WG10/11/12（標準草案）2000 IEC TC57 SPAG（國際標準）2003.9-2005.6（1.0Ed正式頒布）1998-2000 德國 OCIS（基本測試、驗證標準）2001 互操作實驗 （開入、跳閘、重合閘）2002 互操作實驗 （ECT/EVT、IED、電能表）2002 互操作實驗（完整的過流保護）2004 工程化實踐 A A S GEKEMA2005.5 互操作實驗（軟件模擬）2005.10 互操作實驗（遙控、報告、數據集）2006.1 互操作實驗（更多功能）2

4、006.4 互操作實驗(增加監控系統）2006.8 互操作試驗（繼續試驗）2006.12 增加國外公司工程化實踐系統方面系統方面Part 1: 介紹和概述Part 2: 術語Part 3: 總體要求Part 4: 系統和項目管理Part 5: 功能通信要求和設備模型測試測試Part 10:一致性測試數據模型數據模型變電站和線路（饋線）設備的基本通信結構Part 7-4: 兼容邏輯節點和數據類Part 7-3: 公共數據類抽象通信服務抽象通信服務變電站和線路（饋線）設備的基本通信結構Part 7-2: 抽象通信服務接口(ACSI)Part 7-1: 原理和模型特殊通信服務映射特殊通信服務映射 (

5、SCSM)(SCSM)Part 8-1: 映射到制造商報文 MMSPart 9-1: 通過單向多路點對點串行通信連接模擬采樣值Part 9-2: IEEE 802.3 之上的模擬采樣值配置配置Part 6:變電站中智能電子設備通信配置描述語言 Communication Networks and Systems in Substations(變電站通信網絡和系統)”-“Communication Networks and Systems for Power Utility Automation(公用電力事業自動化的通信網絡和系統)”。數據屬性邏輯節點數據對象邏輯設備物理設備PHD（Server

6、）LDLNDODA實際的保護裝置公用/保護/測量/控制/錄波StrOp保護動作保護啟動generalphsAphsBphsC是否動作（總）A相是否動作B相是否動作C相是否動作接地距離I段：PDIS1接地距離II段：PDIS2接地距離III段：PDIS31100分層模型面向對象建模（ACSI-數據是如何定義的） LN中的DODO中的DA樹形結構用來代表完整的語義空間數據模型由LD、LN、DO和DA四個不同層次的語義所構成的空間承載。 抽象通信服務接口（SCSM-如何實現具體通信）以數據集為通信，保證通信效率和實時性數據集GndPDIS1.Op.generalGndPDIS1.Op.PhsAGnd

7、PDIS1.Op.PhsBGndPDIS1.Op.PhsC保護程序通信程序負責刷新數據集中數據的值置1：表示動作置0：表示返回監視數據集中數據值的變化一旦發生變化就認為產生一個事件以特殊的重傳機制發送GOOSE報文面向實時的服務（如何保證實時性）-類型1（快速報文）-類型1A（跳閘報文）-類型2（中等速度報文）-類型3（低速報文）-類型4（原始數據報文）-類型5（文件傳輸功能）-類型6（時間同步報文）性能要求：P1P3（3ms500ms）對時精度：T1T5（1ms1usSV和GOOSE是IEC61850的重要創新！GOOSE的通訊機制n GOOSE采用組播方式傳輸數據 -以太網傳輸方式：單播、

8、廣播、組播n GOOSE采用連續多次傳送的方式實現可靠傳輸3）保護與合并單元模擬量合并單元智能終端SVGOOSE1）保護與監控主機保護動作信息/異常告警信息定值信息/錄波信息等2）保護與智能終端采樣值信息（SV）狀態信息（GOOSE）開關量監控主機MMSMMS三類服務模型：MMS、GOOSE和SVICD，IED Capability DescriptionSSD，System Specification DescriptionSCD，Substation Configuration DescriptionCID，Configured IED Description四種SCL文件實現了IED與S

9、AS的描述與關聯，簡化了配置工作并可以實現SAS和IED的自動更新與遠程配置。統一格式的SCL配置文件大大簡化了系統的集成和管理難度。統一建模（與用戶交互-基于電力系統統一建模）系統配置關系電子式互感器相對于電磁式互感器的優點：絕緣性能好無磁飽和、無鐵磁諧振、無磁滯和剩磁體積小重量輕動態范圍大、可測交、直流頻帶寬抗干擾能力強電壓等級越高，電子互感器優勢越明顯。羅可夫斯基空心線圈電流互感器空心線圈的感應電壓與被測電流的導數成正比（ Rogowski，1912年）( )()ddIe tkdtdt 被測電流線圈感應電壓B空心線圈電流 ( )e t分壓型電壓互感器（有源）阻容分壓電容分壓電阻分壓R1R

10、2Usr與常規電容式電壓互感器原理相同，輸出電壓不超過5V普通光起偏器偏振光磁光材料磁場 B檢偏器Faraday旋光角光學電流互感器光學電流互感器法拉第磁旋光效應（1846年）LlVHdlVN I入射光出射光電流旋轉角與電流I成正比關系載流導體光纖電流傳感器復合絕緣子光纖光纜光纖耦合器光纖偏振器光纖調制器光源驅動及信號解調保護測控計量合并單元激光器驅動電路PIN數據處理合并單元保護測控計量LPCT空芯線圈遠端模塊復合絕緣子光纖光纜整體結構：開關設備本體整體結構：開關設備本體+ +智能智能組件，如組件，如右右圖所示。圖所示。基本功能：測量，控制和監測，基本功能：測量，控制和監測，可集成保護和計量

11、。可集成保護和計量。技術技術特征特征：測量數字化，控制網：測量數字化，控制網絡化，狀態可視化，功能一體化，絡化，狀態可視化，功能一體化，信息互動化。信息互動化。智能組件分類：智能組件分類： 監測功能智能組件監測功能智能組件 合并單元合并單元 智能終端（智能操作箱、智能單元）智能終端（智能操作箱、智能單元） 合并智能單元合并智能單元智能設備發展示意圖目前的主要實現形式是智能操作箱（智能IO單元）就地安裝在AIS附近的端子箱中，將控制電纜、信號電纜限制在AIS和智能操作箱之間；通過過程層網絡，按IEC61850向間隔層設備輸入輸出I/O 信息，并支持遠方配置參數和調試。實現了傳統操作箱的所有功能，

12、并具備簡單的保護、測控功能；AISGIS目前的主要實現形式是智能匯控柜1.節約了電纜等設備投資以及相應的施工投資；2.節約了保護小室及主控室等的占地面積和投資；3.GIS智能控制柜優化了二次回路和結構；4.智能控制裝置提供了系統的交互性；5.聯調在出廠前完成，現場調試工作量減少；6.一次二次聯合設計，減輕了設計院的負擔；7.基于通信和組態軟件的聯鎖功能比傳統硬接點聯鎖方便；8.縮小了與互感器的電氣距離，減輕了互感器的負載。對原有的GIS開關柜做智能化改造，把模擬量采集、保護、測控與GIS控制功能整合在一起。中低壓一體化開關柜含保護測控功能智能單元合并單元智能變電站二次系統的三層架構智能變電站二

13、次系統的三層架構組網方案站控層通信方式過程層通信方式總線SV點對點+GOOSE點對點 總線SV點對點+GOOSE總線 總線SV總線+GOOSE總線（分別組網） 總線SV總線+GOOSE總線（統一組網） 站控層與過程層合并統一組網 概念：三網合一、四網合一(1)(1)排隊問題排隊問題IEEE 802.1pIEEE 802.1p優先級優先級(2)(2)流量控制問題流量控制問題IEEE 802.1qVLANIEEE 802.1qVLAN 數字化變電站是由智能化一次設備和網絡化二次設備分層構建，并遵循IEC61850標準實現了變電站內各種信息采集、傳輸、處理、共享全程數字化的現代化變電站。關鍵技術：I

14、EC61850電子互感器智能開關技術主要特征：一次設備智能化二次設備網絡化設備狀態可視化 數字化變電站的技術要點可以歸納為：智能化一次設備：電子式互感器、智能開關過程層網絡：三層體系、GOOSE、SMV報文IEC61850標準(DL/T860)數字化變電站 = 智能化一次設備 + 過程層網絡 + IEC61850！指導、規范過程層網絡站控層網絡 采用智能設備，一次、二次設備通過光纖通信交互 避免雷擊對二次設備的損害 數據共享，減少電纜用量 定期檢修到狀態修 統一信息平臺，標準化建模 實現設備“互連、互換、互操作” 采用電子互感器 消除傳統互感器的缺陷 實現采樣數據共享 工廠化施工、調試 減少現

15、場施工、調試工作量 實現設備“即插即用” 保護功能的集成和優化 （1）IEC61850 數字化變電站 IEC61850協議提供了變電站自動化系統功能建模、數據建模、通信協議、通信系統的項目管理和一致性檢測等一系列標準。按照IEC61850協議建設變電站的通信網絡和系統，是建設數字化變電站的有效途徑。 IEC 61850協議從根本上來說是一個通信協議，它并不是數字化變電站，所以說數字化變電站的建設離不開設備的數字化，智能化的一次設備才是數字化變電站建設的根本。而IEC 61850協議僅僅是為了解決數字化后設備與設備間的互操作性、互換性而提供的一個統一平臺協議。（2）使用電子互感器才是數字化變電站

16、?一次設備就地數字化優點： 有利于二次設備實現優化集成 可保證采樣數據的唯一性，方便信息共享 有利于實現二次設備接口標準化 使常規互感器體積減小，集成度提高，可靠性提高 多種有效措施保證就地數字化采樣的可靠性 數字化變電站實現的程度、模式多樣性變電站層和間隔層實現變電站層和間隔層實現IEC61850IEC61850采用電子互感器采用電子互感器電子互感器智能操作箱電子互感器智能操作箱一次設備就地數字化一次設備就地數字化全數字化全數字化全數字化保護需要解決的主要問題可靠性問題大量電子設備的可靠性安全性問題公開標準的安全防護同步問題保護對時鐘同步的依賴問題實時性問題網絡延時智能變電站技術導則中對智能

17、變電站做出了如下闡述：以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能；并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級應用。智能變電站的技術要點技術要點：p1.1.基于先進通信網絡技術的電網數據統一采集、傳基于先進通信網絡技術的電網數據統一采集、傳輸、共享和利用輸、共享和利用p2.2.全壽命周期管理全壽命周期管理（狀態監測狀態監測-故障診斷故障診斷-狀態檢修狀態檢修）p3.3.高級應用高級應用（自動控制、智能調節、協同操作自動控制、智能調節、協同操作.）發展發展：數字化變電站是智能變電站建設的起點！：

18、數字化變電站是智能變電站建設的起點！1.基本功能的提升2.智能化的評估和決策功能3.站內智能協同功能（站級的優化運行）4.電網智能協同功能（系統級的優化運行）這四個層次逐級深化了“智能化”的內涵國網公司近期提出構建以“集成智能化設備+一體化業務系統”應用為特征的新一代智能變電站通過整合系統功能，優化結構布局，采用“一體化設備、一體化網絡、一體化系統”技術構架，有效提升變電站智能水平實現專業設計向整體集成設計的轉變，一次設備智能化向智能一次設備的轉變，是先進適用技術的集成應用標準化設計、工廠化加工、裝配式建設標準化設計、工廠化加工、裝配式建設現有智能站現有智能站新一代智能站新一代智能站信息共享信

19、息共享不完全不完全完全完全繼電保護繼電保護分散式分散式層次化層次化自動化自動化信息采集重復，子信息采集重復，子系統孤立系統孤立信息采集統一，站信息采集統一，站端功能整合端功能整合網絡網絡三層兩網三層兩網兩層一網兩層一網一次設備一次設備一次設備智能化一次設備智能化智能化一次設備智能化一次設備系統集成系統集成不充分不充分優化優化2011年鐵道部重點課題（2011J017-B）智能牽引供電系統架構研究2013年鐵路總公司重點課題（2013J003-A）鐵路牽引變電所智能化技術研究2011年四川省科技支撐計劃(2011GZ0079)高速鐵路數字化變電站集成保護技術研究與設備研制國家自然科學基金重點項目

20、（U1134205）高速鐵路電力牽引系統的安全性預測與控制支撐課題：理論研究2013.3 開始平臺研制2013.8.15 通過技術方案評審2013.12.27 廠內調試完成2014.1.24 通過型式試驗2014.3.24 通過試用評審2014.4.26 王家莊一次投運成功IEC61850標準研究IEC61850牽引供電建模數字化變電站關鍵技術研究智能牽引變電站架構研究保護控制方案研究中南通道試驗2003-20122013-2014山西中南部鐵路通道重載綜合試驗-數字化牽引變電所試驗傳統變電所連線方式虛端子連線方式一對一光纖電纜發布、訂閱 基于基于GOOSEGOOSE的母線快速保護的母線快速保

21、護 基于基于GOOSEGOOSE的斷路器失靈保護的斷路器失靈保護第I套二次諧波閉鎖的比率差動保護差動電流速斷保護低壓啟動的過流保護第II套波形對稱閉鎖的比率差動保護差動電流速斷保護低壓啟動的過流保護 變壓器雙重化保護方案 基于模式匹配的故障測距原理基于模式匹配的故障測距原理 基于基于GOOSEGOOSE的供電系統重組的供電系統重組快快速速跳跳閘閘故故障障切切除除供供電電重重組組失失靈靈切換定值區避免避免供電系統停電，提高了牽引供電的可靠性供電系統停電，提高了牽引供電的可靠性！電力系統：專門的五防系統牽引供電：未配置傳統綜自：當地/遠方閉鎖就地閉鎖主要缺點：就地閉鎖主要缺點：二次接線復雜二次接線復雜復雜的閉鎖邏輯實現困難復雜的閉鎖邏輯實現困難已有的閉鎖邏輯難以修改已有的閉鎖邏輯難以修改基于基于GOOSEGOOSE的備用電源自投的備用電源自投功能的自動遷