基于高速鐵路牽引變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行安全防護(hù)研究

中鐵建華南建設(shè)有限公司 邵 翔

高鐵主要以電能為動(dòng)力，具有速度快、牽引力強(qiáng)等特點(diǎn)。高速鐵路牽引變電站是高速鐵路供電與供電之間的紐帶與轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，是高速鐵路最大的供電功率源泉，其對于確保高速鐵路的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是變電站運(yùn)行期間的神經(jīng)和控制中心。鐵路牽引變電所作為一種封閉式工業(yè)控制系統(tǒng)，其對供電可靠性和穩(wěn)定性的要求也使得監(jiān)控系統(tǒng)的安全防護(hù)技術(shù)難以廣泛應(yīng)用，存在著安全隱患。鐵路牽引變電所一旦受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，不僅會(huì)造成供電中斷，而且會(huì)影響到鐵路交通的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)安全事故。

1 安全防護(hù)現(xiàn)狀

近年來，隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，大量的電力牽引變電所應(yīng)運(yùn)而生。截至2018年年底，國內(nèi)牽引變電站數(shù)量已經(jīng)超過1300座，主要分布在華中地區(qū)、華北地區(qū)及西北地區(qū)，約占總數(shù)量的70%。高速鐵路牽引變電所的電壓等級(jí)覆蓋35～500kV，構(gòu)成了以110～220kV為骨干的鐵路供電力系統(tǒng)絡(luò)。

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

高速鐵路牽引變電所承擔(dān)著高壓27.5kV/55kV的變換工作，并承擔(dān)著高鐵上下兩根饋線的供電工作。監(jiān)控系統(tǒng)通常采用計(jì)算機(jī)、通信、控制、繼電保護(hù)等技術(shù)，利用數(shù)字采集和網(wǎng)絡(luò)通信的方法，來完成對重要的電氣設(shè)備的保護(hù)、控制、計(jì)量、監(jiān)測等功能。目前，我國鐵路客運(yùn)專線的調(diào)度控制體系主要是由調(diào)度層、通信層、間隔層三個(gè)層次組成。

在這些設(shè)施當(dāng)中，站控層的設(shè)備是按照工程的需要來進(jìn)行配置的，其可幫助運(yùn)行值班人員對變電站進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理。所述通訊層由遠(yuǎn)動(dòng)通訊設(shè)備、維管通訊設(shè)備、通用通訊設(shè)備等組成，并為通訊設(shè)備內(nèi)部和外部的聯(lián)接，其還是各種保護(hù)設(shè)備、測控設(shè)備和其他智能設(shè)備的通訊與數(shù)據(jù)處理的重要組成部分；間隔層主要完成了變壓器、饋線等現(xiàn)場高壓設(shè)備的保護(hù)、測量、監(jiān)視、控制和通信功能，還可實(shí)現(xiàn)重合閘、故障定位、故障錄波等功能[1]，其包括保護(hù)設(shè)備、測控設(shè)備、安全自動(dòng)設(shè)備、故障記錄設(shè)備、電能采集設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換設(shè)備等。

1.2 通信連接

按照《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定，牽引變電站一般都是與城市軌道運(yùn)輸和當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)進(jìn)行通信連接的，所以有必要對牽引變電站的建設(shè)進(jìn)行深入地探討。鐵路牽引變電所和電力供應(yīng)、調(diào)度系統(tǒng)之間，一般都是通過鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。按照其之間的相互聯(lián)系，鐵路電力供應(yīng)管理系統(tǒng)可以劃分為鐵路總線、鐵路局和區(qū)線三個(gè)層級(jí)。

從牽引變電所發(fā)出的遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)經(jīng)鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)借F路總公司及上級(jí)鐵路局。其中，我國鐵路總公司承擔(dān)著對全國各地牽引變電站的監(jiān)督管理，對其所轄各鐵路局的電力供應(yīng)計(jì)劃進(jìn)行統(tǒng)籌、指揮。鐵道部門負(fù)責(zé)對轄區(qū)內(nèi)的全部牽引變電站實(shí)施遠(yuǎn)距離監(jiān)測、控制與管理。鐵路局在其管轄范圍內(nèi)的每個(gè)供電區(qū)段都設(shè)立了監(jiān)控站，主要是為了監(jiān)控牽引變電所的運(yùn)行狀況。

在一般情況下，鐵路牽引變電站和地方電力系統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)是一種單向的通訊方式，在地方電力系統(tǒng)調(diào)度部門的要求下，鐵路牽引變電站將遙測、遙信信號(hào)上載，而電力系統(tǒng)調(diào)度部門一般不會(huì)向鐵路牽引變電站發(fā)送遠(yuǎn)程指令[2]。

其通信模式一般有三種模式。在電力系統(tǒng)調(diào)度的基礎(chǔ)上，利用基站中的通訊管理設(shè)備，利用交換設(shè)備和路由器對電力系統(tǒng)進(jìn)行接入；在供電線路上，通訊管理器利用串行接口對PCM進(jìn)行存取，并把PCM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為光纖光傳輸給調(diào)度主站；利用無線通信技術(shù)，經(jīng)過一個(gè)安全的接入?yún)^(qū)與電力系統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)相連接。在牽引變電所中，通過對變電所進(jìn)行的無線通信，通過對變電所中的變電所進(jìn)行的逆向隔離，使變電所中的變電所與變電所中的變電所連接。在具體的實(shí)施過程中，以調(diào)度型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)為主，而無線接入模式還處在設(shè)計(jì)階段。

2 高速鐵路牽引變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題

2.1 專業(yè)接口問題

綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接口：當(dāng)前，國內(nèi)對鐵路旅客運(yùn)輸安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究，均圍繞著通訊方面進(jìn)行的。但是，通訊專業(yè)在挑選攝像頭時(shí)，往往會(huì)因?yàn)閿z像頭型號(hào)的不同而不能較好地適應(yīng)現(xiàn)場的環(huán)境，所以工作人員并不能通過攝像頭準(zhǔn)確地判斷出這臺(tái)機(jī)器的狀態(tài)[3]。除此之外，就算是在安全區(qū)內(nèi)，也有一些盲區(qū)，再加上視頻監(jiān)控和安全監(jiān)控?zé)o法與防盜門和火警系統(tǒng)相連，所以很難在第一時(shí)間得到預(yù)警。

氣體滅火控制系統(tǒng)的接口：一般來說，牽引變電站的燃?xì)鉁缁鹧b置是暖通專業(yè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其相關(guān)的控制工作是由電氣部分來完成的，因而有必要在牽引變電所的主控室內(nèi)安裝火警探測器。目前，消防安全監(jiān)測與消防安全監(jiān)測各自獨(dú)立，不能構(gòu)成統(tǒng)一的系統(tǒng)，該現(xiàn)狀不符合變電設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定的。這在變電設(shè)計(jì)規(guī)范和火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范中均有闡述，但在實(shí)際應(yīng)用中存在一些問題。

2.2 設(shè)備選型問題

近年來，伴隨著高鐵的快速發(fā)展，部分牽引變電站由于土地利用等因素，已經(jīng)出現(xiàn)了全室內(nèi)布局的情況，使得電纜夾層、豎井等平常交少使用的布局方式得以大量使用。但目前火力發(fā)電廠和變電站設(shè)計(jì)防火規(guī)范對火警檢測器的選用，常規(guī)的溫度檢測和煙霧檢測方法已不能滿足要求。而且，近年來一些大型變電站的建設(shè)，對消防探測器的需求也是越來越大，但以當(dāng)前的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備水平，開路接口的供應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。這也導(dǎo)致了一旦發(fā)生火災(zāi)，這就很難找到準(zhǔn)確的位置。

3 高速鐵路的負(fù)序電流對電力系統(tǒng)的影響

對發(fā)電機(jī)的影響：高速列車在運(yùn)行過程中可能會(huì)引起機(jī)組的額外損失、提高機(jī)組的溫度、增大機(jī)組的振動(dòng)。當(dāng)負(fù)序電流流經(jīng)定子繞組時(shí)，就形成了負(fù)序轉(zhuǎn)動(dòng)磁場，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同，會(huì)在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈、阻尼線圈及轉(zhuǎn)子本體中感應(yīng)出2FO的電動(dòng)勢，進(jìn)而導(dǎo)致渦流發(fā)熱和損耗。由于負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電流頻率較高，而且趨膚效應(yīng)也較為嚴(yán)重，因此有可能會(huì)造成局部的高溫，從而使金屬的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能下降，這在需要牽引應(yīng)力較大的護(hù)環(huán)部位，會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

對電動(dòng)機(jī)的影響：在異步電機(jī)中，正序電壓產(chǎn)生正序電流，順序電磁轉(zhuǎn)矩；負(fù)序電壓產(chǎn)生負(fù)序電流，逆序電磁轉(zhuǎn)矩。在異步電動(dòng)機(jī)上施加較小的負(fù)序電壓，將會(huì)造成較大的負(fù)序電流和負(fù)序逆轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩，這會(huì)對異步電動(dòng)機(jī)的效率和安全可靠運(yùn)行造成影響，還會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的額外發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)把電動(dòng)機(jī)燒毀。

對送電線路的影響：負(fù)序電流在輸變電線路上運(yùn)行時(shí)，其負(fù)序功率基本不做功，使得輸變電線路上出現(xiàn)了大量的有損，造成了網(wǎng)損的增加，并進(jìn)一步降低了輸變電線路的運(yùn)量；對電力變壓器的影響：負(fù)序電流會(huì)引起三相間電流的不均衡，使其中一個(gè)相間的電流達(dá)到最大，從而使變壓器的額定功率得不到最大，從而使變壓器的容量下降。另外，在鐵心磁路中也會(huì)引起額外的電磁損失和額外的發(fā)熱。

對繼電保護(hù)裝置的影響：在電力系統(tǒng)中，由于所使用的是負(fù)序的繼電保護(hù)，因而容易出現(xiàn)故障。例如，當(dāng)負(fù)序電流較大時(shí)，傳統(tǒng)的距離保護(hù)就會(huì)進(jìn)入閉鎖，并在一定的時(shí)間將其迅速地退出。在鐵負(fù)序出現(xiàn)后，若在該時(shí)刻出現(xiàn)振蕩，將導(dǎo)致距離保護(hù)誤動(dòng)。因此，要解決這一問題，必須提高繼電器設(shè)備的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，并降低其可靠性。

4 高速鐵路牽引變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行安全防護(hù)對策

4.1 網(wǎng)絡(luò)專用與安全加密

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)“網(wǎng)絡(luò)專用”的原則，將牽引變電站與鐵路及地方供電調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了通信聯(lián)接，牽引變電所應(yīng)當(dāng)進(jìn)行獨(dú)立的配置，并將遙測遙信等信息分別傳輸給鐵路、電力兩個(gè)部門，從而避免因共用同一遠(yuǎn)程通訊管理裝置而受到“串網(wǎng)病毒”等病毒的攻擊。為避免因傳輸通信信息被外部監(jiān)聽或被修改，導(dǎo)致牽引變電所一次裝置的權(quán)限被濫用，在與外部網(wǎng)絡(luò)的垂直通信中，添加了密碼、身份驗(yàn)證、存取控制等多項(xiàng)功能。在與鐵路供配電系統(tǒng)通信時(shí)，可對其端口及IP地址進(jìn)行安全保護(hù)。經(jīng)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入電力調(diào)度系統(tǒng)時(shí)，需配置專門的電源縱長密碼驗(yàn)證設(shè)備，這樣，傳輸數(shù)據(jù)就可以被更好地進(jìn)行加密。

4.2 基于白名單的訪問控制策略

“白名單”存取控制則是指在“白名單”之內(nèi)的信息可以被默認(rèn)。這種“白名單”的管理方法能夠有效地阻止非法使用者的訪問。在站控層的網(wǎng)絡(luò)通訊中，常見的一種方法是將終端的IP地址和主機(jī)地址之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行綁定，將源主機(jī)地址、源IP地址、目標(biāo)IP地址和目標(biāo)端口號(hào)碼設(shè)定為白名單。當(dāng)這些條件都符合時(shí)，數(shù)據(jù)包就會(huì)被成功地傳輸出去，并進(jìn)入下一階段。然后，給出了一種以IP地址、源IP地址、目標(biāo)IP地址，以及目標(biāo)端口號(hào)碼為核心的“白名單”接入機(jī)制。

4.3 牽引變電所的換相連接

在電氣化鐵道、城市軌道交通和軌道交通三個(gè)區(qū)段中，當(dāng)多個(gè)牽引變電所同時(shí)供電時(shí)，多個(gè)牽引變電所產(chǎn)生的總負(fù)序電流與多個(gè)牽引變電所之間的相序關(guān)系密切。為降低電力系統(tǒng)非對稱性，常采用相序輪換接線方式，即換相接線方式。換相連接指的是將各個(gè)牽引變電所的變壓器與電力系統(tǒng)的不同相進(jìn)行輪換，其目標(biāo)是將電鐵單相負(fù)載反映到電力系統(tǒng)中，盡量達(dá)到三相負(fù)載對稱。無論對單相接線，還是v/v接線及Y/△三相接線的牽引變電所，均可采用這種方法。

4.4 網(wǎng)絡(luò)安全加固

網(wǎng)絡(luò)安全是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全的主要組成部分。在網(wǎng)絡(luò)層、主機(jī)層和應(yīng)用層三個(gè)方面，進(jìn)行了安全加固，進(jìn)而有效滿足業(yè)務(wù)需要。電力監(jiān)控系統(tǒng)的安全強(qiáng)化主要有以下兩方面：一是加強(qiáng)安全配置，二是修補(bǔ)安全漏洞。安全漏洞加固一般利用專門的工控系統(tǒng)漏洞掃描工具，對業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行漏洞掃描，并對其中的中高危漏洞，并對漏洞進(jìn)行了補(bǔ)丁的升級(jí)和相應(yīng)的端口的關(guān)閉。

4.5 采用三相/兩相平衡牽引變壓器

均衡牽引變壓器的特征是：在牽引變電所兩端的牽引負(fù)載相等時(shí)，在電網(wǎng)中體現(xiàn)為三相對稱，在理想條件下，利用這兩種類型的牽引變壓器，可以極大地降低電網(wǎng)中的電氣負(fù)載對電網(wǎng)的負(fù)序作用。

4.6 對諧波電流和無功電力加強(qiáng)就地補(bǔ)償

無功補(bǔ)償可以根據(jù)機(jī)車負(fù)載的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，使機(jī)車始終處于高功率因數(shù)狀態(tài)；通過對接觸網(wǎng)損耗的分析，降低了接觸網(wǎng)電流。接觸網(wǎng)電壓損失相應(yīng)降低，機(jī)車電壓質(zhì)量得到改善；流入接觸網(wǎng)的諧波電流很少，從而降低了系統(tǒng)諧波的影響。

4.7 增強(qiáng)運(yùn)行過程監(jiān)控力度

要加強(qiáng)對員工的管理以及監(jiān)督，如果高速鐵路牽引變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)了問題，要及時(shí)改正，避免以后在相同的事情上再犯錯(cuò)誤，從而造成不必要的損失。同時(shí)，加大考核力度，定期或不定期地對員工進(jìn)行考核，確保工作人員在工作中不會(huì)懈怠，以嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求自己。在出現(xiàn)問題的時(shí)候，要保證問題的順利解決，要盡可能地將損失降到最低，要對問題的責(zé)任人進(jìn)行問責(zé)，提高技術(shù)人員的警覺性和工作的嚴(yán)肅性，這些都是保證安全防護(hù)的重要措施。

5 結(jié)語

綜上所述，高速鐵路綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)可以對現(xiàn)場的運(yùn)行狀況進(jìn)行及時(shí)、有效地監(jiān)控，從而達(dá)到提前預(yù)警和精確地定位報(bào)警的目的，并與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，同時(shí)可將告警信息及時(shí)發(fā)送給相關(guān)專職管理人員，從而提升檢修效率，防止安全隱患和安全事故的發(fā)生，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。將一體化安全監(jiān)測和自動(dòng)化控制進(jìn)行相互補(bǔ)充，這樣才能更好地服務(wù)于變電所的安全生產(chǎn)。