城市軌道交通變電站一次設(shè)備智能化研究

龔曉冬

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院， 200235， 上?！喂こ處?

城市軌道交通傳統(tǒng)的設(shè)備維護保養(yǎng)模式已難以滿足快速增長的線網(wǎng)規(guī)模要求，以及運營安全和服務(wù)水平需求。打造智慧地鐵是目前城市軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)。對城市軌道交通供電系統(tǒng)而言，應(yīng)加快探索、研究如何將最新的技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計、建設(shè)和運營中，用設(shè)備代替人、用技術(shù)保障運營，實現(xiàn)變電站的智能化。本文簡要介紹智能化變電站的系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)特征，分析研究城市軌道交通變電站內(nèi)主要一次設(shè)備實現(xiàn)智能化的功能需求及架構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，以城市軌道交通典型變電站為例，初步構(gòu)建智能化變電站的系統(tǒng)架構(gòu)。

1 智能化變電站介紹

1.1 智能化變電站的定義

智能變電站是采用可靠、經(jīng)濟、集成、節(jié)能、環(huán)保的設(shè)備與設(shè)計，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)功能集成化、結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊化、高壓設(shè)備智能化和運行狀態(tài)可視化等為基本要求，能夠支持電網(wǎng)實時在線分析和控制決策，以提高整個電網(wǎng)運行可靠性及經(jīng)濟性的變電站[1]。

智能化變電站建立在全球通用系列標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850的基礎(chǔ)上，由智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層構(gòu)建而成，能實現(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備的信息共享和互操作。

1.2 智能化變電站的系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，傳統(tǒng)變電站與智能化變電站均采用“過程層+間隔層+站控層”的架構(gòu)體系，兩者的最大區(qū)別在于智能化變電站的間隔層與過程層間不用傳統(tǒng)方式連接，而采用光纖以太網(wǎng)連接。該連接方式高效簡單，其傳輸速率和可靠性更高,便于網(wǎng)絡(luò)擴展，大大提高了工作效率[2]。

兩類變電站的主要區(qū)別如表1所示。

1.3 智能化變電站的技術(shù)特征

智能化變電站主要的技術(shù)特征包括信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)化、共享標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)集成化、結(jié)構(gòu)緊湊

a) 傳統(tǒng)變電站結(jié)構(gòu)示意圖

b) 智能化變電站結(jié)構(gòu)示意圖

表1 傳統(tǒng)變電站與智能化變電站的主要區(qū)別

化、設(shè)備智能化和狀態(tài)可視化。此外，智能化變電站還可根據(jù)需要，增加如電網(wǎng)的實時自動控制和智能調(diào)節(jié)、輔助在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能，并實現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等的互動。

2 城市軌道交通變電站的類型及設(shè)備

2.1 城市軌道交通變電站的類型

城市軌道交通變電站主要分為主變電站、牽引變電站、降壓變電站及跟隨式降壓變電站，其主要功能分別為：

1) 主變電站：將來自于城市電網(wǎng)的高壓AC 110 kV電源變換為中壓AC 35 kV電源。

2) 牽引變電站：將中壓AC 35 kV電源降壓、整流后，轉(zhuǎn)化為可供城市軌道交通列車牽引使用的DC 1 500 V電源。

3) 降壓變電站和跟隨式降壓變電站：將中壓AC 35 kV電源降為低壓AC 0.4 kV后，供城市軌道交通動力、照明設(shè)備使用。

同址的牽引變電站與降壓變電站通常合設(shè)為牽引降壓混合變電站。

2.2 城市軌道交通變電站的設(shè)備

城市軌道交通各類變電站內(nèi)的主要一次設(shè)備如表2所示。

表2 城市軌道交通各類變電站內(nèi)的主要一次設(shè)備

3 變電站一次設(shè)備的智能化及其系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 變電站主要一次設(shè)備的智能化

一次設(shè)備智能化是智能化變電站的重要標(biāo)志之一。智能化的一次設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)的信息接口，集狀態(tài)監(jiān)測、測控保護、信息通信等功能于一體，可使實現(xiàn)重要參數(shù)在線監(jiān)測、故障早期征兆識別、設(shè)備自我診斷、輔助決策等高級功能。

3.1.1 一次設(shè)備智能化的結(jié)構(gòu)框架及原理

3.1.1.1 一次設(shè)備智能化的結(jié)構(gòu)框架

智能化一次設(shè)備主要由電氣部分和信息部分組成，其中：電氣部分包括一次設(shè)備本體及其操作機構(gòu)、互感器及傳感器；信息部分為智能組件及其內(nèi)部所配置的智能單元。其結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

1) 電氣部分：與傳統(tǒng)變電站的主要一次設(shè)備相比，智能化一次設(shè)備各本體及其操作機構(gòu)具有相同的功能。將互感器和傳感器加裝在一次設(shè)備上，用以采集設(shè)備的狀態(tài)和特征信息。

注:雙向箭頭表示數(shù)據(jù)流方向。

2) 智能組件：是智能設(shè)備的重要組成部分，為智能單元提供信息處理、通信和執(zhí)行等基礎(chǔ)性服務(wù)。由設(shè)備本體的測量、控制、監(jiān)測、保護(非電量)、計量的部分或全部IED集合而成，通過電纜或光纜與設(shè)備本體的傳感器或控制機構(gòu)連接成有機整體，用以實現(xiàn)對設(shè)備的狀態(tài)檢修。

3) 設(shè)備接口：網(wǎng)絡(luò)接口接至站控層網(wǎng)絡(luò)，用于智能一次設(shè)備相互間及和站控層主機的通信；專項接口直接連接智能單元，用于特殊智能單元的快速信息通信。

4) 智能單元：是智能化技術(shù)的應(yīng)用終端，具有計算處理、分析和決策的能力。

3.1.1.2 智能組件的工作過程

1) 信息采集：傳感器將反映一次設(shè)備狀態(tài)信息(如在線監(jiān)測信息、操作機構(gòu)位置和動作信息等)的物理量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電氣量數(shù)據(jù)，通過狀態(tài)接口傳輸至智能組件。

2) 分析處理：智能組件對收集到的各接口信息進行處理，得到分析所需的數(shù)據(jù)。再由智能組件里配置的智能單元進行計算分析，將分析結(jié)果送至輸出部分。

3) 動作操作和信息發(fā)布：根據(jù)各智能單元的分析結(jié)果，智能組件進行相應(yīng)的決策動作和信息發(fā)布。智能單元的決策產(chǎn)生或來自于上層的動作命令，通過控制接口對一次設(shè)備的操作機構(gòu)進行操作；隨后，智能組件通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)布自動上傳和上層提取的信息。

3.1.2 電子式互感器

如圖3所示，電子式互感器通過轉(zhuǎn)換器將一次CT/PT的數(shù)據(jù)傳輸給二次轉(zhuǎn)換器，通過MU進行數(shù)據(jù)合并后傳送至保護測控裝置。與傳統(tǒng)互感器對比，電子式互感器結(jié)構(gòu)更簡單，極大地降低了二次接線的復(fù)雜程度。

注：P1、P2分別為CT、PT接線引出端子。

目前，電子式CT主要采用羅氏線圈，電子式PT主要采用分壓電容。表3為傳統(tǒng)互感器與電子式互感器性能對比分析列表。

表3 傳統(tǒng)互感器與電子式互感器性能對比分析

3.1.3 110 kV主變壓器

城市軌道交通110 kV主變壓器選用三相雙繞組、有載調(diào)壓、自冷油浸式變壓器。主變壓器的智能化應(yīng)具備自我檢測和診斷的功能，包括本體監(jiān)測和輔助設(shè)備監(jiān)測兩部分。

1) 本體監(jiān)測：包含局部放電監(jiān)測、油中溶解氣體監(jiān)測、油中含水量監(jiān)測、繞組光纖測溫監(jiān)測、氣體聚集量監(jiān)測等。

2) 輔助設(shè)備監(jiān)測：包含保護功能器件監(jiān)測、冷卻器監(jiān)測、有載分接開關(guān)監(jiān)測等。

主變壓器的智能組件架構(gòu)如圖4所示。測控裝置A為可集成于智能組件。合并單元B為可集成于智能組件，如設(shè)備集成了電子式互感器，則合并單元宜集成于智能組件。圖4中：虛線框及虛線均為可選配內(nèi)容，當(dāng)至少有1個監(jiān)測IED時，應(yīng)配置主IED；a、b均表示可集成于智能組件，如設(shè)備集成了電子式互感器，則MU宜集成于智能組件。

注：OLTC為有載調(diào)壓開關(guān)；①為繼電保護裝置。

3.1.4 GIS的智能架構(gòu)

在城市軌道交通供電系統(tǒng)中，110 kV開關(guān)柜、35 kV開關(guān)柜均采用SF6(六氟化硫)氣體絕緣的金屬封閉式開關(guān)柜。

智能化的GIS由設(shè)備本體、傳感器及智能組件組成，通過電纜或光纖與傳感器、執(zhí)行器連接，可自動完成信息的采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可支持實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能。其智能組件架構(gòu)如圖5所示。

注：①、②均為繼電保護裝置。

智能化的GIS包含以下功能：

1) SF6在線監(jiān)測：采用數(shù)字式氣體壓力和溫度傳感器檢測SF6氣體的壓力、溫度、微水含量、密度，并具有就地和遠方顯示的功能。

2) 斷路器在線監(jiān)測：監(jiān)測分、合閘線圈電流；監(jiān)測斷路器的振動波形、動觸頭行程、開斷電流、分合狀態(tài)；診斷電氣壽命和常規(guī)機械故障；在線監(jiān)測儲能電機的電流波形、儲能狀態(tài)、儲能時間、頻率等參量。

3) 局部放電在線監(jiān)測：采用UHF(特高頻)無線電波外置式或內(nèi)置式傳感器，利用二維波形及三維相位圖譜技術(shù)，通過對信息模式的識別及故障類型的診斷，實現(xiàn)局部放電故障點準(zhǔn)確的定位診斷。

4) 視頻監(jiān)視：視頻監(jiān)視三工位隔離開關(guān)操作過程，直接觀察隔離開關(guān)斷口情況。

3.1.5 電力變壓器

城市軌道交通供電系統(tǒng)中牽引變壓器、配電變壓器均選用空氣自冷環(huán)氧樹脂真空澆注干式變壓器。智能化電力變壓器就地安裝智能組件，將光電數(shù)字信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)的強電模擬信號，用光纖代替控制電纜，通過光纜接入過程層網(wǎng)絡(luò)。智能化電力變壓器可實現(xiàn)的采集、控制功能如表4所示。

表4 智能化電力變壓器的采集、控制功能

3.1.6 低壓開關(guān)柜

以1座典型城市軌道交通地下車站為例，0.4 kV低壓開關(guān)柜約有20～24面，實際出線回路約有70～90回。其中，約有1/3的回路為動力照明一級負荷，部分回路甚至是一級負荷中特別重要的負荷。

可采取以下措施實現(xiàn)低壓開關(guān)柜的智能化，實時監(jiān)測重要的配電回路，提高供電系統(tǒng)的可靠性。

1) 對進、出線一次插件等關(guān)鍵部件進行溫度監(jiān)測、超溫報警，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障點。溫度傳感器采用嵌入插拔式結(jié)構(gòu)，以便于維護。

2) 采用以太網(wǎng)集成，增強數(shù)據(jù)的處理能力，完善故障診斷功能。超大數(shù)據(jù)傳輸量可實現(xiàn)對開關(guān)柜運行狀態(tài)的大數(shù)據(jù)分析。

3.1.7 電力電纜

對35 kV中壓環(huán)網(wǎng)電纜、DC 1 500 V電纜進行局部放電量、介質(zhì)損耗因數(shù)、直流分量等參量的監(jiān)測，掌握其絕緣特性。

3.2 城市軌道交通智能化變電站的系統(tǒng)架構(gòu)

城市軌道交通變電站一次設(shè)備的種類眾多、供貨商技術(shù)水平參差不齊。因此，智能化變電站在城市軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展、應(yīng)用仍相對滯后。本文結(jié)合智能化變電站系統(tǒng)架構(gòu)以及城市軌道交通變電站主要一次設(shè)備智能化，以牽引降壓混合變電站為例，初步構(gòu)建了城市軌道交通智能化變電站的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖6所示。

圖6 城市軌道交通智能化變電站架構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

城市軌道交通變電站的智能化發(fā)展是必然趨勢，是實現(xiàn)全面、主動、精準(zhǔn)、高效的智能化運維模式的重要基礎(chǔ)，也是適應(yīng)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的客觀需求，對于更好地保障其運營安全，提高效率、節(jié)約資源等方面具有重要意義。