高速鐵路電力遠動技術(shù)的應(yīng)用研究

周興

（中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司西安分公司，陜西 西安 710000）

高速鐵路的運行安全受諸多因素的影響，其中電力系統(tǒng)是高速鐵路的基礎(chǔ)，由分布在鐵路沿線的變配電所、自動閉塞電力線路和變配電裝置組成。電力系統(tǒng)沿線供電網(wǎng)絡(luò)向高速鐵路沿線負荷供電。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，我國高速鐵路遠動技術(shù)基本實現(xiàn)了數(shù)字化信息化。但電力系統(tǒng)建設(shè)面臨網(wǎng)絡(luò)化運行程度偏低等問題，電力系統(tǒng)倒閘作業(yè)、故障搶修、供電恢復(fù)均依賴于沿線工區(qū)人員現(xiàn)場作業(yè)，這導(dǎo)致高速鐵路電力系統(tǒng)低效運行。隨著信息技術(shù)和現(xiàn)代化電力裝備建設(shè)的發(fā)展，高速鐵路電力遠動系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用和推廣。

1 高速鐵路電力遠動系統(tǒng)概述

高速鐵路電力遠動系統(tǒng)以計算機、網(wǎng)絡(luò)通信為載體，結(jié)合鐵路電力系統(tǒng)遠程控制需求，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)沿線配電所、車站變配電設(shè)施和電力線路的系統(tǒng)化自動化監(jiān)控。電力遠動系統(tǒng)可實現(xiàn)遠端電力系統(tǒng)電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)等運行參數(shù)的動態(tài)實時監(jiān)測，可對遠端電力系統(tǒng)運行狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)測，并能夠?qū)崿F(xiàn)電力設(shè)備的遠程控制。

電力遠動系統(tǒng)由調(diào)度主站、被控站和遠動通道組成。被控站主要實現(xiàn)電力系統(tǒng)狀態(tài)信息測量與收集，接收調(diào)度主站操作指令并完成相應(yīng)的電力系統(tǒng)操作。調(diào)度主站主要實現(xiàn)遠端電力系統(tǒng)監(jiān)控、故障判斷和下達調(diào)度操作指令，遠動通道是調(diào)度主站和被控站之間的網(wǎng)絡(luò)通道和服務(wù)器等設(shè)備。

通過電力系統(tǒng)遠動系統(tǒng)的應(yīng)用，可實現(xiàn)高速鐵路沿線電力系統(tǒng)集中化管理與控制，可降低高速鐵路電力系統(tǒng)操作強度，可減輕沿線工區(qū)人員工作量，可提高電力系統(tǒng)操作的安全性，可減少因人為誤操作而造成的高速鐵路沿線電力系統(tǒng)故障風(fēng)險[1]。同時，通過遠端電力系統(tǒng)可實時收集狀態(tài)信息，可快速查找和判斷遠端自動閉塞線路、貫通線路和電力設(shè)備故障點，可實現(xiàn)故障線路、故障設(shè)備的及時切除，可縮小電力系統(tǒng)故障影響范圍，可確保電力系統(tǒng)故障后及時恢復(fù)正常供電，可縮短故障處理時間，并可有效提高高速鐵路系統(tǒng)供電的可靠性。

2 高速鐵路電力系統(tǒng)遠動技術(shù)應(yīng)用研究

以某高速鐵路電力遠動系統(tǒng)改造工程為例，涉及20個車站電力系統(tǒng)遠動系統(tǒng)改造，改造后列車時速可達到200km/h。線路改造后，用電負荷大量增加，供電可靠性要求不斷提高，實現(xiàn)電力系統(tǒng)遠動控制顯得尤為關(guān)鍵。根據(jù)遠動系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃，該工程配套建設(shè)1個調(diào)度站、5座10kV配電站、15個開關(guān)站、5個低壓監(jiān)控站，并同步建設(shè)遠動系統(tǒng)通道。

2.1 調(diào)度主站建設(shè)

調(diào)度主站建設(shè)時，采用典型局域網(wǎng)架構(gòu)，控制系統(tǒng)采用雙機熱備模式，構(gòu)建以功能模塊為核心、以節(jié)點為單元的電力遠動系統(tǒng)架構(gòu)。電力遠動系統(tǒng)由主服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WEB服務(wù)器和接口工作站等組成。主服務(wù)器采用負載均衡模式，正常狀態(tài)下服務(wù)器動態(tài)分配負載，當(dāng)單臺服務(wù)器故障時通過故障轉(zhuǎn)移保障業(yè)務(wù)正常運行。

調(diào)度工作站主要用于調(diào)度員監(jiān)控電力系統(tǒng)狀態(tài)和實施操作控制，并完成相應(yīng)的變配電調(diào)度管理工作。高速鐵路電力系統(tǒng)遠動主站系統(tǒng)圖如圖1所示。系統(tǒng)維護工作站主要用于遠動系統(tǒng)維護，由維護工程師進行系統(tǒng)維護與調(diào)試、報表修改與生成、系統(tǒng)開發(fā)等操作。接口機服務(wù)器運行接口程序，接收和預(yù)處理配電所、開關(guān)站等數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)通信監(jiān)視和控制功能。主服務(wù)器由2臺及以上的服務(wù)器組成，主要根據(jù)報表要求對接口機預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中。WEB服務(wù)器主要用于報表的發(fā)布。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要用于歷史數(shù)據(jù)存儲、查詢和調(diào)用[2]。

圖1 高速鐵路電力系統(tǒng)遠動主站系統(tǒng)圖

為確保遠動系統(tǒng)可靠運行、防止因調(diào)度站配電故障而造成系統(tǒng)中斷，遠動系統(tǒng)配備兩路外部供電線路，均接入UPS電源，兩路供電故障后可自動或手動切換供電。UPS電源電池容量可滿足系統(tǒng)運行1小時的要求。此外，為保障配電站、調(diào)度站、開關(guān)站、低壓監(jiān)控站的時間精度，該系統(tǒng)在調(diào)度主站上設(shè)置GPS系統(tǒng)作為各被動站NTP服務(wù)器，以確保被動站各電力系統(tǒng)時鐘與調(diào)度站一致[3]。

2.2 被動站

被動站包括配電所、開關(guān)站、低壓監(jiān)控站。被動站遠動系統(tǒng)收集設(shè)備狀態(tài)信息并通過遠動通道發(fā)送至調(diào)度站，接收調(diào)度站調(diào)度指令并完成相應(yīng)的指令動作。配電所對電力系統(tǒng)高低壓設(shè)備和線路進行信息采集、處理與上傳，并執(zhí)行調(diào)度站下達的操作指令[4]。開關(guān)站對站內(nèi)高低壓設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)控。低壓監(jiān)控站對站內(nèi)低壓設(shè)備進行監(jiān)控。

（1）配電所遠動控制

配電所遠動功能實現(xiàn)配電所內(nèi)高低壓設(shè)備各種信息的采集與處理，并通過遠動通道發(fā)送至調(diào)度中心，實現(xiàn)配電所內(nèi)配電設(shè)備的監(jiān)控與管理。遠動對象為配電所內(nèi)各回路斷路器、調(diào)壓器等，采集信號包括回路斷路器等電力設(shè)備位置信號、故障信號、進出饋線故障信號、電容補償裝置故障信號、調(diào)壓器故障信號、斷路器回路斷線信號、交直流系統(tǒng)故障信號、電力裝置動作信號等。根據(jù)調(diào)度要求和配電所電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測情況，調(diào)度站可對配電所進線電壓、母線電壓、電源進線電流、饋出回路電流、有功功率、有功電能、功率因數(shù)、電容補償裝置電流、調(diào)壓器電流、直流母線電壓等進行遠動控制。

（2）開關(guān)站遠動控制

開關(guān)站內(nèi)設(shè)有高低壓開關(guān)、變壓器和遠動終端單元RTU等設(shè)備，可實現(xiàn)開關(guān)站內(nèi)高低壓供電系統(tǒng)實時信息上傳至調(diào)度站，并接收和執(zhí)行調(diào)度指令，實現(xiàn)開關(guān)站內(nèi)電力設(shè)備監(jiān)控管理與遠動控制。為確保故障信息的全面準確收集，為故障點判斷提供精準信息，開關(guān)站遠動設(shè)備具備故障錄波功能，其可作為開關(guān)站故障監(jiān)測和判斷的依據(jù)。開關(guān)站遠動控制對象主要包括自閉、貫通線路高壓開關(guān)和自閉、貫通信號低壓開關(guān)等。狀態(tài)監(jiān)測對象包括遙控對象狀態(tài)信息、高低壓電力設(shè)備事故信號、低壓避雷器報警信號、UPS電源狀態(tài)信息等。測量對象包括自閉、貫通線路電流、電壓、回路電流和有功電能等信息。

為確保開關(guān)站遠動系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行，該系統(tǒng)采用16位微處理器RTU控制，能夠滿足多任務(wù)執(zhí)行要求。RTU設(shè)備采用模塊化設(shè)計，雙重通信線路，可靠性高，抗干擾性能強，能夠滿足高速鐵路電力系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行要求。RTU設(shè)備預(yù)留多路通信接入接口，為后續(xù)電力系統(tǒng)遠動管理擴容預(yù)留了條件。

結(jié)合開關(guān)站高低壓設(shè)備運行環(huán)境處于室內(nèi)的實際情況，該工程開關(guān)站遠動設(shè)備設(shè)置在室內(nèi)運行，降低了外界環(huán)境因素對遠動設(shè)備的影響，大大提高了控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。同時，工程部分采用了XGN34型免維護固定式高壓開關(guān)柜，其安裝體積?。▋H為傳統(tǒng)高壓柜的1/5），占地面積小，集成化程度高。其他開關(guān)柜采用具有永磁操作機構(gòu)和彈簧操作機構(gòu)的固定柜，由于省去了高壓開關(guān)分合閘功能，改用交流操作，這提高了開關(guān)柜自動化控制水平。

此外，開關(guān)站接線同時引入兩路供電線路，借助具有自動閉塞和貫通線路的高壓隔離開關(guān)。一方面能夠保障開關(guān)站供電故障快速恢復(fù)，減少因電力線路和電力設(shè)備故障產(chǎn)生的電力供應(yīng)中斷風(fēng)險。另一方面，當(dāng)開關(guān)站高低壓設(shè)備檢修維護時，可通過自動控制高壓隔離開關(guān)實現(xiàn)開關(guān)站與外部供電電路的隔離，實現(xiàn)全線自動閉塞，并維持電力貫通線路可靠穩(wěn)定供電。高壓隔離開關(guān)的應(yīng)用為開關(guān)站快速搶修和壓縮維修維護時間提供了有利條件。

（3）低壓監(jiān)控站

低壓監(jiān)控站的主要監(jiān)控和測量對象為低壓開關(guān)和STU設(shè)備，其將低壓監(jiān)控站內(nèi)自閉、貫通線路的實時采集信息上傳至調(diào)度站并接收調(diào)度站下達的調(diào)度指令，實現(xiàn)對低壓監(jiān)控站內(nèi)電力設(shè)備的實時監(jiān)控與自動化控制。為確保遠動系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行，低壓監(jiān)控站遠動設(shè)備STU同時具有故障錄波功能。STU與RTU結(jié)構(gòu)類似，但不具備高壓監(jiān)控功能。

該工程中，低壓監(jiān)控站遠動設(shè)備設(shè)置在室內(nèi)運行，通過通信線路與STU設(shè)備連接，有效保障了遠動設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

2.3 遠動通道

考慮到高速鐵路對電力系統(tǒng)的安全性可靠性要求。電力系統(tǒng)遠動通道以鐵路生產(chǎn)網(wǎng)通道為載體。被動站采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)配電站生產(chǎn)網(wǎng)接入，通過高速鐵路配電所生產(chǎn)網(wǎng)匯入調(diào)度站通信網(wǎng)絡(luò)，與調(diào)度站接口機連接，由接口機接收并預(yù)處理數(shù)據(jù)后存儲于數(shù)據(jù)庫中。為實現(xiàn)遠動通道統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)，被動站終端設(shè)備的IP地址按調(diào)度站規(guī)定的統(tǒng)一標準分配網(wǎng)段，并加強網(wǎng)絡(luò)通信隔離，以防止因網(wǎng)絡(luò)通信故障而影響全線電力系統(tǒng)。

通過遠動通道建設(shè)，被動站與調(diào)度站之間的通信能力顯著增強，通信網(wǎng)絡(luò)可滿足電力遠動實時監(jiān)測和控制的要求，且遠動數(shù)據(jù)接入生產(chǎn)網(wǎng)后對現(xiàn)有的生產(chǎn)網(wǎng)承載業(yè)務(wù)無影響，這也降低了遠動系統(tǒng)組網(wǎng)和維護的建設(shè)成本，避免了重復(fù)建設(shè)，縮減了項目建設(shè)周期。

2.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為實現(xiàn)高速鐵路電力系統(tǒng)直觀化管理和動態(tài)監(jiān)測，遠動系統(tǒng)配套建設(shè)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)。其主要實現(xiàn)現(xiàn)場狀態(tài)實時監(jiān)測，配合遠動系統(tǒng)采集狀態(tài)信息，為故障分析、指令下達、反饋確認提供依據(jù)，并為高速鐵路電力系統(tǒng)被動站無人值守創(chuàng)造有利條件，大大提高了電力系統(tǒng)的運營管理水平。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用“1+N”建設(shè)模式?！?”為調(diào)度站大屏，可按需放大配電所、開關(guān)站、低壓監(jiān)控站監(jiān)控畫面。“N”為各被動站監(jiān)控設(shè)備，由配電所、開關(guān)站、低壓監(jiān)控站視頻監(jiān)控設(shè)備、云臺等組成。各被動站現(xiàn)場監(jiān)控畫面由本地采集存儲并實時上傳至調(diào)度站，調(diào)度站內(nèi)設(shè)有監(jiān)控錄像存儲硬盤陣列，用于存儲各被動站歷史監(jiān)控錄像。視頻監(jiān)控系統(tǒng)具備遠程云臺操作、語音對講等功能，可配合遠動系統(tǒng)進行電力系統(tǒng)操作、故障排查和恢復(fù)等。

隨著高速鐵路線路的不斷增加，生產(chǎn)網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不斷增多，而線路擴容成本偏高，不能滿足電力視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)要求。根據(jù)視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)帶寬測算，單個視頻監(jiān)控系統(tǒng)所需的帶寬至少要1.5M才能滿足穩(wěn)定傳輸要求。但當(dāng)監(jiān)控設(shè)備增加時，視頻質(zhì)量將受到顯著影響，并將影響其他生產(chǎn)網(wǎng)的業(yè)務(wù)通信。考慮到該問題，可合并入高速鐵路牽引供電遠動視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)通信線路，與牽引供電遠動視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)一同接入，這也能有效降低通信線路重復(fù)建設(shè)的費用。

2.5 抗干擾設(shè)計

電力系統(tǒng)遠動裝置受回路內(nèi)電氣設(shè)備操作、雷電引起的浪涌電流、電氣設(shè)備周圍電場、電磁波敷設(shè)和配電線路等因素影響會產(chǎn)生電磁干擾作用，主要包括電容性耦合干擾、電感性耦合干擾、共組抗耦合干擾、輻射耦合干擾等，這可能會造成遠動設(shè)備運行不穩(wěn)定、采集數(shù)據(jù)精度下降、元器件損壞、輸入通道干擾誤動、死機等問題，可能會影響高速鐵路電力系統(tǒng)遠動裝置的穩(wěn)定可靠運行，并可能直接威脅到電力系統(tǒng)的安全運行。針對這一問題，可采取屏蔽措施、系統(tǒng)接地設(shè)計、采用低通濾波器和數(shù)據(jù)收集抗干擾設(shè)計等措施，以確保遠動裝置安全穩(wěn)定運行。

（1）屏蔽措施。高壓設(shè)備與遠動設(shè)備之間采用帶有屏蔽層的電纜，電纜鋼鎧兩端接地，減少高壓設(shè)備耦合感應(yīng)電壓對遠動設(shè)備的影響。配電所、開關(guān)站和低壓監(jiān)控站電力設(shè)備選擇時，優(yōu)先選擇帶有屏蔽層的互感器，有利于防止高頻干擾影響遠動設(shè)備。遠動設(shè)備在輸出端接耐高壓電容，可有效抑制外部高頻干擾。

（2）系統(tǒng)接地。系統(tǒng)接地是降低外部環(huán)境干擾的重要措施。開關(guān)柜一次系統(tǒng)接地和二次接地應(yīng)可靠牢固。電力設(shè)備接地線路與接地母線通過接地扁鐵和接地極連接，以降低接地網(wǎng)中瞬變電位差并降低對遠動設(shè)備的干擾。遠動設(shè)備接地時，STU、RTU設(shè)備電源接地和數(shù)字接地不與設(shè)備外殼相連，以減少電源線與設(shè)備外殼的分布電容并提高設(shè)備抗干擾能力。

（3）采用低通濾波器。電力系統(tǒng)遠動數(shù)據(jù)采集精度是遠動控制的基礎(chǔ)，在受到干擾信號的情況下，數(shù)據(jù)采集信號可能出現(xiàn)誤差增大、失真、控制狀態(tài)失靈、數(shù)據(jù)變化等異常。為降低干擾作用，可采用低通濾波去掉高次諧波。當(dāng)濾波電路出現(xiàn)較大電流時，可采用小電容和允許最大電感等措施構(gòu)成濾波網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)電磁干擾嚴重時，可采用電容和非線性電阻組成并聯(lián)浪涌吸收器抑制暫態(tài)干擾。

（4）數(shù)據(jù)收集抗干擾設(shè)計。數(shù)據(jù)采集抗干擾設(shè)計時，RTU、STU應(yīng)優(yōu)先選擇抗干擾性能強的設(shè)備，采用直流電源供電，以提高終端設(shè)備的抗干擾能力。合閘回路電源采用110V或220V供電，并加入適當(dāng)?shù)南蘖麟娮?，可有效防止遙信回路產(chǎn)生干擾信號的影響。

3 高速鐵路電力系統(tǒng)遠動技術(shù)具體應(yīng)用

通過電力系統(tǒng)遠動技術(shù)應(yīng)用，可實現(xiàn)電力系統(tǒng)監(jiān)控、指令操作、視頻監(jiān)控等基本功能，并能夠為故障分析和判斷預(yù)測提供依據(jù)。

3.1 基本功能

在高速鐵路電力系統(tǒng)中，遠動技術(shù)應(yīng)用可實現(xiàn)的主要功能和作用如下：

（1）監(jiān)控與控制功能。主要包括被動站電力線路和電力設(shè)備狀態(tài)信息采集、事件記錄（如斷路器跳合閘和保護動作順序記錄等）、故障記錄、故障錄波、故障測距等。能夠根據(jù)調(diào)度管理要求，對沿線電力線路斷路器和中繼站負荷開關(guān)進行分合閘控制。待操作指令下達后，調(diào)度站操作人員可根據(jù)設(shè)備狀態(tài)信息判斷指令是否成功并對設(shè)備本身狀態(tài)進行監(jiān)控。

（2）借助視頻監(jiān)控系統(tǒng)和人機交互，增強了調(diào)度站和被動站之間的聯(lián)系，提高了信息傳遞的準確性、及時性。

（3）數(shù)據(jù)處理和記錄功能。電力系統(tǒng)運行操作記錄均實時采集，存儲于調(diào)度站數(shù)據(jù)庫內(nèi)，可根據(jù)需求查詢、調(diào)用、分析和處理歷史數(shù)據(jù)，可為電力系統(tǒng)管理優(yōu)化和故障分析提供可靠依據(jù)。

（4）諧波分析和監(jiān)視功能。針對諧波污染較為嚴重的配電所電源采取了適當(dāng)?shù)囊种拼胧?，降低了諧波含量，保障了高速鐵路電力系統(tǒng)變配電供給質(zhì)量，確保了電力系統(tǒng)和信號設(shè)備的安全運行。

3.2 故障分析定位功能

長期以來，受限于電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)收集不全面、不完整等因素，數(shù)據(jù)的分析利用價值偏低。借助遠動技術(shù)，將配電所、開關(guān)站、低壓監(jiān)控站數(shù)據(jù)匯總于調(diào)度站，在提高電力系統(tǒng)自動化控制水平的同時，為電力系統(tǒng)故障診斷和預(yù)測提供可靠依據(jù)。

（1）故障診斷。通過采用行波故障測距技術(shù)，當(dāng)線路出現(xiàn)故障時，根據(jù)故障點線路兩端運動電壓和電流行波的虛擬電源，通過測算行波傳播速度和行波達到對端的時間差，可計算得出故障點的位置，以此為高速鐵路故障判斷提供依據(jù)。

（2）故障預(yù)測?；诟哞F電力系統(tǒng)遠動歷史數(shù)據(jù)和常見故障問題及故障原因，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行故障預(yù)測及分析，建立電力設(shè)備線路故障分析模型。通過分析電力設(shè)備故障類型、故障周期等因素，制定電力系統(tǒng)電力設(shè)備預(yù)防性維護計劃和檢修維護計劃，能夠有效提高高速鐵路電力系統(tǒng)維護檢修決策的科學(xué)性，也能夠有效提高高速鐵路電力系統(tǒng)運行的可靠性。

4 結(jié)論

在新時期背景下，隨著我國高速鐵路基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行要求不斷提高，遠動技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了信息技術(shù)與電力系統(tǒng)的有機結(jié)合，提高了電力系統(tǒng)的自動化智能化控制水平，有力保障了我國高速鐵路的安全運行。