图1 电子式电流互感器结构图
王红军
(呼和浩特铁路局供电处, 呼和浩特 010050)
摘 要：铁路牵引变电所是电气化铁路的重要组成部分，代表了铁路供电新技术的发展方向,也是我国未来高速铁路技术发展的重点。本文阐述了铁路智能牵引变电所的功能特点,并与传统牵引变电所进行功能对比，分析研究了铁路智能牵引变电所的系统设计架构，针对电流互感器一次设备智能化技术与应用方面存在的问题，提出了基于离散时间傅里叶变换(DFT)算法的采样分析模式，针对设备特点研究了适合现阶段的工程实施方案,同时分析了智能断路器的功能及其应用前景。本文确定了基于IEC61850标准的铁路智能牵引变电所的总体设计原则和优化采样算法,智能牵引变电所的应用将变革传统的变电所运行、巡检模式，为被监测设备进行在线监测和评估分析健康状态打下基础。
关键词：铁路智能牵引变电所； 电子式互感器； 采样频率； 智能断路器； 智能终端
铁路牵引变电所是电气化铁路的重要组成部分，铁路智能牵引变电所代表了铁路牵引变电所新技术的发展方向,也是我国未来高速铁路技术发展重点。我国铁路跨越大量无人区、高海拔、大风区，在这些特殊地区保持铁路牵引供电的安全稳定，给传统人员巡视检查及牵引变电站运营管理带来很大困难。
传统变电站中存在常规传感器复合绝缘、电磁饱和、电磁共振、对智能电子设备缺乏统一的信息模型等问题制约了变电站及其保护系统的进一步发展。
牵引供电设计和工程的发展依托智能变电所标准和推广新的硬件、软件技术，智能变电所提供强大的数据感知功能和强大的通信机构，能更有效地提高变电所操作的灵活性，并保护变电所的关键基础设施。基于IEC61850标准的铁路智能牵引变电所将变革传统的变电所运行、巡检模式。铁路智能牵引变电所技术环节之一是智能化的电气一次设备，即互感器、断路器开关等。通过研究智能牵引变电所的总体设计原则和具体采样算法，分析铁路智能牵引变电所一次设备智能化技术。
1.1 智能牵引变电所基本概念
智能牵引变电所实现总体原则是由变电所数字化一次设备、数字化二次设备, 高速网络通信平台共同组成的，通过标准化的数字信息在线采集，实现牵引变电所数据共享和设备互操作, 实时在线监测、数据管理、运行状态评估等功能，较传统牵引变电所综合自动化技术有着深入的发展。从体系架构上一般将智能牵引变电所分为三层，即过程层、间隔层、站控层。过程层主要包括互感器、断路器开关等一次设备；间隔层主要包括继电保护装置、故障录波器、系统测控装置等二次设备；站控层主要包括主机、工作站、远动通信装置和其他功能设备。
1.2 智能牵引变电所主要特点
传统的牵引变电所设计涉及变电部分、数据采集和SCADA监控系统等不同部分。智能牵引变电所基于IEC61850标准，具有全息化在线控制、智能化故障指示，实时化接口数据共享等特点。采用分布式控制技术的牵引变电所接线逐步被过渡淘汰，取而代之的是一个本地网络化智能牵引变电所。如何最大化地将智能变电所技术应用在电气化铁路供电系统中，提高其运行性能，增加可靠性，确保操作性，简化维护性，解决行车安全问题和控制成本是需要重点解决的问题。
IEC61850标准的实施加快了变电站保护及自动化技术的发展，此外基于光电技术传感器检测电压和电流，光纤网络通信、高速以太网和主设备的智能化技术为新型智能化变电站的继电保护及自动化系统的实现奠定了基础。因此，包括信息共享、设备互联和智能运行的技术优势必将对供电系统的保护和控制起到实质性的变化影响。目前，基于IEC61850协议的智能变电站已在供电系统逐步推广，但其中部分细节仍需完善。具体是：(1)虽然光学或电子式互感器已被用于获得保护自动化设备所需的电流和电压信号，但变电站保护大数据处理系统的高级应用功能仍需提高。(2)智能变电站新技术的应用尚属起步阶段，新的设备和控制系统的兼容性、耐用性有一定提升空间。
总体构建和实施基于IEC61850的变电站保护和自动化系统，应该利用新的技术来获得比综合微机保护及自动化系统可靠性更高。因此，有必要研究提高变电站新型保护自动化系统可靠性的方法。在分析传统保护系统的基础上，提出了两种基于信息共享备份保护单元和基于信息共享的信号备份的可靠性方案。
研究铁路智能牵引变电所的一次设备智能化关键技术的组成构架，通过智能电子设备的组合与集成，实现了增强化的控制和维护智能变电所的网络及软件功能。基于IEC61850协议的智能牵引变电所，实现电子式互感器数字化采样、断路器及隔离开关合分闸状态的网络传输、多功能继电保护、电源管理、设备状态监测等一次设备状态的在线监测主要包括电子式互感器、智能断路器及智能终端。
智能变电站一次设备智能化的主要标志是采用数字化电气测量系统，如光学电流互感器(OCT)、光学电压互感器(OVT)和电子式电流互感器(ECT)、电子式电压互感器(EVT)，获得电力系统的电参数，可以实现主系统和辅助系统之间的有效隔离、放大电参数的动态测量范围和提高精度。从而实现常规变电站的设备信息冗余转换，以及信息的综合应用奠定了基础。
2.1 光学电流互感器
无源电子式电流互感器也被称为光学电流互感器(OCT)，应用法拉第磁光效应原理。法拉第效应是一种磁光现象，即在介质中的光和磁场之间存在相互作用。法拉第效应引起的磁偏振和传播方向上的分量成线性比例。在无源电子式电流互感器中，可以通过光纤直接将光信号从高压侧直接传送到低压侧的二次转换器，然后将处理的信号被发送到合并单元。线性偏振光通过法拉第磁光材料，偏振面发生偏转，偏转角度θ和磁场强度的关系如公式(1)所示。
θ=V∫lHdl
(1)
式中：V——磁光材料的维尔德常数；H——磁场强度；l——偏振光光学路径长度。
若光路为一个封闭的循环，根据全电流定律，公式(1)可转化为公式(2)。
θ=V∫lHdl=Vi(t)
(2)
因此，通过θ值的测量，结合式(1)可推出磁场强度H，通过式(2)可推出具体电流值。
光学电流互感器(OCT)具有抗干扰能力强的特点，但加工难度大、稳定性差、对测量位置敏感等方面的问题，目前可实施技术还不能很好的应用于铁路复杂环境下智能化牵引变电所。
2.2 电子式互感器
作为智能牵引变电所的关键一次设备，电子式互感器分为电子式电流互感器(ECT)、电子式电压互感器(EVT)，其又分为有源和无源。电子式互感器具有良好的测量精度高、暂态响应快等特点，在牵引供电系统中的推广是智能化技术发展的必然趋势。
由于技术难题的存在无源电子式互感器动态性和安全性还未达到实际工程应用水平，所以，目前电气化铁路智能牵引变电所设计多采用有源电子式互感器。电子式电流互感器的结构如图1所示。
图1 电子式电流互感器结构图
电子式电流互感器的主要特点是利用Rogowski罗氏线圈作为传感器，电气设备的高压部分的电势相等，由传感器转换成数字信号，由合并单元接收并处理电子模块的数据，对其电流、电压信号进行协同处理，并按规定的协议将监测数据输出供二次设备使用。
载流导体穿过线圈的中心。当电流通过导体时，将有一个感应电动势E在线圈的两端。感应电动势e和电流i之间的算法如公式(3)所示。
(3)
式中：μ0——真空磁导率；N——线圈匝数；S——每匝线圈的横截面面积；R——线圈中心和导通杆中心之间的距离。
通过对输出电流积分运算，得到感应电动势，即Rogowski罗氏线圈的感应信号与监测电流变化率成正比。
其中，合并单元接收来自电子式电流互感器的数字输出信号。不过合并单元的采样频率具有固定性，如40 fr，80 fr和200 fr(fr-额定频率)，其保护和监测装置的采样频率的算法条件如公式(4)所示。
N=2V
(4)
式中：V——正整数的周期采样数。
因此传统算法中，如快速傅里叶变换算法(FFT)，由于采样数变化性将不适用于分析智能变电所三相电流、电压信号进行同步，因此研究利用离散时间傅里叶变换(DFT)算法进行采样分析，通过计算机软件仿真模拟技术，利用相位差法优化计算，保证三相电流、电压信号进过采样实时同步，具体算法如公式(5)、公式(6)所示。
Δf=(Φ2-Φ1) / (2πNΔt)
(5)
Φ2=2πNΔtΔf+Φ1
(6)
式中：Φ1、Φ2——基波每周期的相位变化；N——采样数期； Δt——采样间隔； Δf——频率偏移。
为使一次设备智能化，如断路器、隔离开关等，设计实施方式主要分为两种：(1)通过断路器与智能控制模块相互嵌套，使其成为一体化智能断路器，其接口兼容TCP/IP等网络通信协议；(2)是将智能控制模块独立化，形成智能终端，并安装在断路器、隔离开关等一次设备旁，通过传统一次设备与智能终端连通，实现一次设备的智能化。
智能终端安装在断路器、隔离开关等一次设备旁，在线监测一次设备运行状态并采集信息，如保护短路、过压、欠压、过载、接地等数据，并对其进行控制操作，在一个间隔内即可实现智能保护和控制功能。过程层中通过智能终端为非智能的一次设备提供了标准化的智能接口，通过增加采用嵌入式系统和TCP/IP协议的智能控制模块，实现网络通讯和监控功能的，利用光纤连接，实现数据实时上传，通过此方案取消了间隔层与过程层之间的电缆。目前，这种方式比较容易实现，国内智能化牵引变电所建设基本采用常规断路器与智能终端结合的方案。
铁路牵引变电所是电气化铁路的重要组成部分，基于IEC61850标准的铁路智能牵引变电所将变革传统的变电所运行、巡检模式，智能牵引变电所代表了铁路牵引变电所新技术的发展方向。通过研究铁路智能牵引变电所的功能特点,分析研究了铁路智能牵引变电所的系统设计架构，针对电子式互感器提出了基于离散时间傅里叶变换(DFT)算法采样分析的模式，研究适合现阶段工程实施方案,同时分析了智能断路器的功能及其应用前景。通过对一次设备智能化关键技术研究，为被监测设备进行在线监测、评估分析和健康状态预判打下基础，在我国牵引变电所技术发展中发挥着十分重要的作用。
参考文献：
[1] 高翔.智能变电所技术[M].北京:中国电力出版社,2013. GAO Xiang. Intelligent Substation Technology[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2013.
[2] 冯军.智能变电所原理及测试技术[M].北京:中国电力出版社,2011. FENG Jun. Principle and test Technology of Smart Substation[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2011.
[3] 黄文华,庹善德.IEC61850标准中ACSI映射实现研究[J].现代电子技术,2011，34(15)：63-66. HUANG Wenhua, TUO Shande. IEC61850 Standard ACSI Mapping Research[J]. Modern Electronic Technology, 2011，34(15)：63-66.
[4] 刘延冰，李红斌，余春雨.电子式互感器原理、技术及应用[M].北京:科学出版社,2009. LIU Yanbing,LIU Hongbin,YU Chunyu. Principle, Technology and Application of Electronic Mutual Inductor[M]. Beijing: Science Press, 2009.
[5] 王昊,薄纯全.IEC 61850标准研究[J].装备制造技术,2008，36(12)：155-157. WANG Hao, BO Chunquan. IEC 61850 Standard Research[J]. Equipment Manufacturing Technology, 2008，36(12)：155-157.
[6] IEC.IEC 61850-8-1, communication networks and systemic substations [S] .London:IEC,2008.
[7] Communication Networks and Systems for Power Utility Automation: Part 7-420 Basic Communication Structure Distributed Energy Resources Logical Nodes. IEC 61850-7-420， 2009.
[8] 郭津汝.浅谈电力设备智能化[J].信息通信,2016，30(3)：279-280. GUO Jinru. Discussion on Intelligent Electric Power Equipment[J]. Information Communication, 2016，30(3)：279-280.
[9] 谢齐家,阮羚,杜枝叶.高压设备智能化的现状和研究方向[J].湖北电力， 2011，35(S1)：107-109. XIE Qijia, RUAN Ling, DU Zhiye. Present Situation and Research Direction of Intelligent High Voltage Equipment[J]. Hubei Electric Power， 2011，35(S1)：107-109.
[10]周晓龙.智能变电所保护测控装置[J].电力自动化设备， 2010，30(8)：128-133. ZHOU Xiaolong. Protection and Monitoring Device of Intelligent Substation [J]. Electric Power Automation Equipment， 2010，30(8)：128-133.
[11]张平.数字化牵引变电所关键技术分析及实现方案探讨[J].高速铁路技术,2014:5(1)：31-34. ZHANG Ping. Discussion of Key Technology and Scheme for Digital Traction Substation[J]. High Speed Railway Technology，2014:5(1)：31-34.
(编辑：赵立红 白雪)
Research on the Key Technology of Primary Equipment in Intelligent Traction Substation
WANG Hongjun
(Power supply division of Hohhot Railway Bureau, Hohhot 010050， China)
Abstract：Railway traction substation is an important part of the electrified railway, which represents the development direction of the new technology of railway power supply, and is also the key point of China’s high-speed railway technology development in the future. In this paper, the features of intelligent railway traction substation are expounded, by comparison of the function with the traditional traction substation, system design architecture of intelligent railway traction substation is analyzed and studied. aiming at the existing problems of the intelligent technology and applications electronic transformer is a device of CT primary equipment, the sampling analysis model based on discrete time the Fourier transform (DFT) algorithm is proposed. Engineering implementation scheme that is suitable for the current stage is studied in line with the equipment characteristics, while the function and application prospect of intelligent circuit breaker are analyzed. General design principles and optimized sampling algorithm of railway intelligent traction substation based on IEC61850 standards are determined. on the application of intelligent traction substation will change the operation and inspection modes of traditional substation, which lays foundation for the on-line monitoring and analysis and assessment of the health state of the monitored equipment.
Key words：railway Intelligent traction substation; electronic transformer; sampling frequency; intelligent circuit breaker; intelligent terminal
收稿日期：2016-10-11
作者简介：王红军(1978-)，男，工程师。
引文格式：王红军. 智能牵引变电所一次设备智能化技术研究[J].高速铁路技术，2017,8(1)：68-71. WANG Hongjun. Research on the Key Technology of Primary Equipment in Intelligent Traction Substation [J]. High Speed Railway Technology,2017,8(1):68-71.
文章编号：1674—8247(2017)01—0068—04
中图分类号：U224.8
文献标志码：A