電氣化鐵道牽引供電故障信息系統的研究

黃淑君

0 引言

牽引供電系統是電氣化鐵道的重要組成部分，為電力機車提供電能。目前大部分電氣化鐵道的牽引供電系統都只是以監控為目的的遠動系統。

牽引供電故障信息系統的提出為牽引供電故障信息管理提供了統一的分析平臺，通過對牽引供電變電所和接觸網故障信息的有效獲取與管理，有利于調度端快速、簡便、全面獲取故障信息，快速提出事故處理方案，同時為故障定位提供更準確的信息。該系統優化了生產調度和管理決策，防止誤判斷可能造成的事故擴大，而且能夠及時地掌握管內牽引供電設備的健康狀態，由原來的周期修逐漸轉變為狀態修，實現供電設備的完善管理，提高設備的有效利用率和壽命，減少牽引供電的事故損失，為牽引供電系統的安全穩定運行提供保障[1]。

1 系統概述

牽引供電故障信息系統主要作為牽引供電系統事故分析和繼電保護動作行為分析的手段。因此，作為事故分析的基礎信息內容必須包含斷路器跳閘信息、保護動作信息、故障錄波器記錄的模擬量信息等，同時實現與保護整定值信息的有機關聯，以判斷保護動作行為是否與預期的保護離線設置值相符。

該系統的價值主要體現在故障信息獲取的全面性、及時性和準確性上，系統的作用體現在能夠根據故障信息準確判斷事故的性質，并根據所掌握的信息確定事故處理方案。

該系統主要完成廣泛的故障信息接入和基于故障信息的綜合應用。系統的功能主要體現在以下方面：一是事故決策支持；二是保護動作系統性分析；三是設備異常及時報警；四是基于故障信息的高級應用（如專家分析功能、保護動作行為分析等）[2]。

2 系統總體設計

2.1 系統總體結構

牽引供電故障信息系統由主站、子站和聯系兩者的通信網絡組成。主站系統的主要作用是對故障信息規范化管理與存儲，并且以恰當的方式將故障信息展示給供電運行分析人員，同時還包括其它的高級應用，如故障分析、專家系統等[2]。子站系統獲取故障信息來源包括牽引變電所信息和部分接觸網信息（電壓突變、電流突變信息等），主要作用是收集故障信息，因此子站系統必須具備較強的信息采集、存儲、處理、傳輸等功能。通信網絡主要實現將子站采集的數據實時傳送到主站系統中，實現故障信息的實時傳輸功能。

整個系統采用層次架構體系設計，見圖1。

圖1 故障信息系統層次架構圖

2.2 子站系統與通信系統

該故障信息系統的子站建設采取與遠動系統子站共建的方式來完成，即與遠動系統共用一套子站系統。可針對故障信息系統需要的信息，實現對子站數據采集功能模塊自由裁剪設計，從而達到豐富故障信息采集的目的。

通信網絡負責主站與子站的連接。一般以光纖或專線為主，電話線為輔的廣域網通信方式。通信規約采用標準化建設，目前采用電力通用的103規約來進行信息傳輸，遠期規劃與變電所綜合自動化無縫接軌，在此預留IEC 61850規約接口，完成故障信息的統一建模。

2.3 與變電所綜合自動化系統的信息交互

牽引供電故障信息系統的開發目標是為了使供電運行管理人員及時、全面地獲取牽引供電系統故障信息，為分析解決故障提供技術支持和決策依據（包括變電所故障和接觸網系統故障信息）。

要實現上述目標需要各種實時故障信息的支持，牽引變電所綜合自動化的信息支持是很重要的一個方面。故障信息主站系統與變電所綜合自動化系統的通信采用電力通用的103規約來進行傳輸，通信網絡采用環形網絡結構。

故障信息系統與綜合自動化系統通信可以獲得牽引供電系統設備運行狀況、實時電量和保護動作等信息，在發生事故故障情況下可以為運行人員提供相關信息和決策依據。同時故障信息系統可以利用上述信息構造故障分析專家系統，實現故障的專家分析功能。

綜合自動化系統與管理信息系統的信息交互主要包括實時電量信息、實時狀態信息、故障錄波和保護動作信息等。

3 主站系統的設計與關鍵技術

主站系統的設計采用分層分布，實現數據與功能分離。在故障信息建模上，采用IEC 61970公共信息模型（Common Information Model，簡稱CIM）進行數據結構的統一設計，并設計基于CIM標準的故障信息數據庫。在圖形界面上，采用W3C推薦的標準化圖形格式—可縮放矢量圖形（Scalable Vector Graphic，簡稱SVG），用于結構化信息的交換和顯示。

3.1 主站系統軟件層次架構

主站系統軟件設計采用瀏覽器/服務器（Browser/Server，簡稱B/S）3層架構：Web表現層、應用層和數據層。如圖2所示。

3.2 IEC 61970 CIM數據標準化

故障信息數據模型建立的基本思路：遵循國際標準IEC 61970，采用公共信息模型（CIM）/組件接口規范（CIS）作為數據交換的模型和接口規范，以牽引供電故障信息綜合管理主站功能為主線，整合數據采集及監視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，簡稱SCADA）系統中與故障分析有關的資源，建立基于開放數據接口的牽引供電故障信息CIM數據模型[3]。

圖2 故障信息主站系統層次結構

主站數據庫實現與CIM映射，描述主站數據庫總體上可以簡單分為2部分：

（1）描述變電所系統結構和配置相關表部分。

（2）與各設備相關的量測量（定值、遙測、遙信、故障報告、自檢報告等）部分。

采用基于IEC 61970 CIM標準來對牽引供電故障信息進行系統建模，建立一個通用的故障信息數據模型，解決牽引供電故障信息的通用性問題，有利于第三方開發基于故障信息的高級應用軟件。

3.3 圖形標準化SVG

SVG是一個標準開放的矢量圖像格式，具有任意縮放，文件尺寸較小，適合網絡傳輸，超強的顯示效果和色彩控制等特性。另外，由于SVG是基于XML的應用，符合IEC 61970標準中數據交互的標準，基于SVG的種種優勢，國際電力標準委員會推薦SVG作為監控畫面的標準圖形格式。

在該系統中，采用SVG制作了牽引供電網地理接線圖和變電站一次、二次連接圖，同時還采用SVG在故障報告中嵌入了故障波形圖。

4 主站功能

鐵路牽引供電故障信息主站系統是對牽引供電系統故障信息管理的基礎數據平臺，運行于供電段牽引供電調度中心，屬于鐵路牽引供電管理系統的應用功能軟件，該系統具有實時監控、數據管理、統計分析、故障分析、安全管理等功能[4]。而數據管理功能包括：靜態庫管理、動態庫管理、歷史庫管理、故障模型管理等功能；統計分析功能包括：報表管理、故障信息分析統計、保護動作統計分析、設備安全狀況分析等功能；故障分析功能包括：人工分析和專家系統分析功能；安全管理功能包括：數據安全和用戶訪問安全功能。

5 結束語

目前電氣化鐵道牽引供電故障信息系統已經完成了初期的基本建設，并且已在運行站段進行了模擬現場測試，取得了比較好的效果。實現了故障信息在調度端的迅速收集，避免了過去依靠電話匯報或者在海量數據中尋找有效信息的局面，并且已經具有一定的故障信息采集和管理分析平臺，提高了故障分析的效率，為故障搶修爭取了寶貴的時間。但是該系統還存在一些不足，例如子站信息采集不夠豐富，造成主站分析故障時信息缺失以及故障信息專家系統建設不足等問題，這些問題尚需進一步完善和改進。

[1]孫昕，江濤.衢州電網故障信息系統的設計與實現[J].繼電器，2007，（35）：315-318.

[2]高翔，張沛超，章堅民.電網故障信息系統應用技術[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]毛鵬，魏晉雁，茹鋒.基于IEC 61970的電力系統二次設備CIM建模初探[J].繼電器，2007，35（11）：65-68.

[4]翁芳芳.基于CIM的電網故障信息主站系統的研究[D].北京：華北電力大學，2004.