基于CIM的牽引供電故障信息管理主站系統(tǒng)的研究

劉子英，沈劍云，張運(yùn)運(yùn)

（1.華東交通大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司 電氣化公司，北京 100036）

目前，大部分電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)都只有以監(jiān)控為目的的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，缺乏對(duì)故障信息統(tǒng)一管理的平臺(tái)。隨著牽引變電所自動(dòng)化水平的不斷提高，故障錄波裝置和變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)也廣泛運(yùn)用于牽引供電系統(tǒng)中，但無(wú)論是遠(yuǎn)動(dòng)終端采集的系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，還是故障錄波器記錄的系統(tǒng)故障信息都未得到有效利用，牽引供電故障信息存在數(shù)據(jù)冗余、管理混亂、信息模型私有等問(wèn)題，可以用“數(shù)據(jù)多，信息少、管理亂、利用少”來(lái)概括[1-2]。為此，提出建立基于 IEC61970公共信息模型(Common Information Model，CIM)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的牽引供電故障信息數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信息的統(tǒng)一建模與管理。結(jié)合南昌鐵路局供電段的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)故障信息主站的功能，并進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

1 牽引供電故障信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

牽引供電故障信息系統(tǒng)包括主站系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和子站系統(tǒng)[2-3]，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 牽引供電故障信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 主站系統(tǒng)的功能示意圖

（1）主站系統(tǒng)。主站的硬件系統(tǒng)包括高性能服務(wù)器、通信接口和外設(shè)，如顯示器、打印機(jī)等。主站服務(wù)器擁有足夠的硬盤容量和處理速度，能夠處理大量來(lái)自子站系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)。

（2）通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)作為主站系統(tǒng)和子站系統(tǒng)間的通信媒介，采用的方案是與現(xiàn)有牽引遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)共用一套通道，但是與遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)采用分離的通信軟件，這樣既可以保證故障信息系統(tǒng)與遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)信息的一致性，又能達(dá)到為故障管理與分析提供所需信息的目的。

（3）子站系統(tǒng)。子站系統(tǒng)是故障信息采集系統(tǒng)，在硬件上與牽引遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)共用一套子站系統(tǒng)，但在子站軟件方面可以根據(jù)故障信息系統(tǒng)實(shí)際情況進(jìn)行自由裁剪。子站系統(tǒng)包括對(duì)各種實(shí)時(shí)故障信息的采集、本地存儲(chǔ)和通信模塊。

2 牽引供電故障信息系統(tǒng)主站的功能

主站系統(tǒng)的主要目的是收集與管理故障數(shù)據(jù)，為故障分析專家系統(tǒng)等高級(jí)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持，并且在故障數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行故障信息管理和分類統(tǒng)計(jì)等工作[4]。圖2是采用 Rational Rose 繪制的主站系統(tǒng)功能圖。

（1）實(shí)時(shí)故障信息管理。實(shí)時(shí)故障信息管理實(shí)現(xiàn)牽引供電故障信息的快速采集，及時(shí)傳送到調(diào)度端，提供給故障分析人員。

（2）歷史故障信息管理。經(jīng)過(guò)分析后的故障信息以一定的格式存入到歷史故障信息庫(kù)中，一方面進(jìn)行故障信息匯總，作為運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；另一方面為今后發(fā)生類似故障提供相應(yīng)參考，為故障預(yù)防或處理提供經(jīng)驗(yàn)。

（3）保護(hù)投運(yùn)及定值管理。系統(tǒng)記錄各牽引變電所保護(hù)裝置的投運(yùn)情況及定值情況，當(dāng)保護(hù)情況變動(dòng)時(shí)，需要在本系統(tǒng)中進(jìn)行更新。該功能主要是為繼電保護(hù)分析人員提供參考。

（4）設(shè)備履歷信息管理。設(shè)備履歷信息管理提供牽引供電一、二次設(shè)備的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)和使用情況信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)管理。同時(shí)，對(duì)故障分析時(shí)可以快速查詢故障設(shè)備的詳細(xì)信息。

（5）故障信息分類統(tǒng)計(jì)。歷史故障分類統(tǒng)計(jì)對(duì)于指定區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障事件的次數(shù)，能夠按時(shí)間，按段、車間、工區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并提供各種查詢、檢索功能；能方便地進(jìn)行不同條件的查詢，可以變電所名、設(shè)備名稱、線別編號(hào)和時(shí)間為關(guān)鍵字查詢相關(guān)故障信息，以及對(duì)應(yīng)的錄波信息，并且實(shí)現(xiàn)查詢后的轉(zhuǎn)存?zhèn)浞荨⒔y(tǒng)計(jì)分析、打印等工作，還可以統(tǒng)計(jì)保護(hù)正確動(dòng)作率，用于上報(bào)和存檔。

（6）安全管理。利用鐵路信息專用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與外網(wǎng)的隔離，進(jìn)行嚴(yán)格的安全管理，包括病毒防護(hù)、數(shù)據(jù)熱備份措施，以保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

（7）系統(tǒng)管理。根據(jù)用戶權(quán)限和工作性質(zhì)實(shí)現(xiàn)不同的功能，如管理員完成安全管理和用戶管理；系統(tǒng)維護(hù)人員完成對(duì)數(shù)據(jù)字典和故障信息的整理與發(fā)布；其余的故障分析和運(yùn)營(yíng)人員完成對(duì)故障瀏覽和綜合查詢的功能。

（8）智能數(shù)據(jù)接口。實(shí)現(xiàn)與牽引供電其他管理系統(tǒng)智能數(shù)據(jù)接口，同時(shí)也為基于故障信息的高級(jí)應(yīng)用預(yù)留接口。

3 牽引供電故障信息系統(tǒng)主站設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 主站系統(tǒng)構(gòu)成

（1）故障信息CIM模型設(shè)計(jì)。該模型設(shè)計(jì)主要包括基于 CIM 故障信息建模和故障信息模型映射到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）故障信息綜合管理。其主要包括實(shí)時(shí)故障信息管理模塊、歷史故障信息管理模塊、保護(hù)投運(yùn)及定值管理模塊、設(shè)備履歷信息管理模塊、故障信息分類統(tǒng)計(jì)模塊、安全管理模塊、智能數(shù)據(jù)接口模塊和系統(tǒng)管理模塊。

3.2 牽引供電CIM故障信息模型設(shè)計(jì)

牽引供電故障信息主站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)建模包括對(duì)一次設(shè)備建模，對(duì)二次設(shè)備建模和一、二次設(shè)備整合建模[4-5]。根據(jù) CIM 建模思想和方法，采用 UML 建模語(yǔ)言和 Rational Rose 建模工具，建立了牽引供電故障信息數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)例模型，即 CIM_GUZHANG。模型分成6個(gè)包：Core 包、Domain包、Equipment包、Protection包、Meas包和Data包，如圖3所示。圖4是CIM_GUZHANG數(shù)據(jù)模型的主要類。

圖3 CIM_GUZHANG 包圖

在本主站系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)表分為以下兩大類[4]。

（1）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)表。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)表包括牽引供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)庫(kù)和故障信息庫(kù)，主要是從CIM_GUZHANG數(shù)據(jù)模型映射到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)生成的表。

（2）系統(tǒng)管理表。系統(tǒng)管理表的主要功能是確保系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，完成系統(tǒng)功能所必需的管理系統(tǒng)表。

圖4 CIM_GUZHANG故障模型主要類

3.3 故障信息管理功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

故障信息管理功能架構(gòu)設(shè)計(jì)采用 B/S三層架構(gòu)：Web 表現(xiàn)層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。Web 表現(xiàn)層是Web 瀏覽器接受用戶信息輸入、返回處理結(jié)果，提供人機(jī)交互界面。應(yīng)用層包含大量的管理、統(tǒng)計(jì)組件，主要是故障綜合管理業(yè)務(wù)和邏輯組件的實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)層采用 CIM 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)牽引供電故障信息建模，同時(shí)在數(shù)據(jù)層封裝了對(duì)底層數(shù)據(jù)庫(kù)的存取操作和數(shù)據(jù)采集操作[2,6]。下面以實(shí)時(shí)故障信息管理為例，說(shuō)明系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

實(shí)時(shí)故障信息管理包括兩個(gè)方面：故障信息的實(shí)時(shí)傳輸模塊和故障信息復(fù)合查詢模塊。

（1）故障信息的實(shí)時(shí)傳輸模塊。該模塊頁(yè)面采用 Javascript 定時(shí)詢問(wèn)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取實(shí)時(shí)故障信息，當(dāng)有故障信息存入數(shù)據(jù)時(shí)，刷新頁(yè)面報(bào)警提醒。

（2）故障信息復(fù)合查詢模塊。該模塊能對(duì)故障信息進(jìn)行簡(jiǎn)單查詢。查詢的主要類包括查詢接口類(DivQueryDao)、查詢實(shí)現(xiàn)類(DivQueryDaoImpl)、查詢條件類(Search)、查詢信息返回類(Eventrecord)、數(shù)據(jù)庫(kù)連接類(DBConn)等。首先用戶在前臺(tái)界面 JSP 中選擇查詢條件，傳遞給Search 類的實(shí)例化對(duì)象 sh。對(duì)象 sh 作為類 DivQueryDaoImpl 中 DivQuery 方法的參數(shù)調(diào)用，DivQuery 的返回值為 List 類型的列表，此列表存儲(chǔ)查詢后的數(shù)據(jù)集 Eventrecord 對(duì)象，然后再傳遞給 JSP 頁(yè)面作為查詢返回信息，通過(guò) HTML顯示。其流程如圖5所示。

3.4 故障信息管理功能測(cè)試

牽引供電故障信息主站系統(tǒng)的測(cè)試得到南昌供電段牽引供電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)的支持，測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足供電段對(duì)故障信息管理的需要。

圖5 故障信息復(fù)合查詢時(shí)序圖

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合鐵路牽引供電系統(tǒng)故障管理的實(shí)際需求，建立了基于 CIM 標(biāo)準(zhǔn)的牽引供電故障信息管理主站系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 IEC61970CIM 作為故障信息建模標(biāo)準(zhǔn)，解決了接口不開(kāi)放、系統(tǒng)集成困難等問(wèn)題，并且采用 B/S 三層架構(gòu)實(shí)現(xiàn)故障信息管理，使調(diào)度端能在第一時(shí)間掌握變電所及供電區(qū)間的故障情況，提高故障信息管理的效率，提高了牽引供電管理自動(dòng)化水平，具有一定的工程實(shí)際意義。

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