高鐵供電自動化集成系統應用及研究

陳敬鋒 劉偉 李永征

（南京國電南自軌道交通工程有限公司，南京 210000）

十一五以來，我國迎來了客運專線、高速鐵路和城市軌道交通的建設高峰。根據《鐵路中長期規劃》，到2020年我國將建成16000km高速鐵路，其中“十一五”期間建成7000km。大規模的高速鐵路建設，為電力牽引供電、電力供電、通信、信號系統（簡稱四電系統）提供了難得的發展機遇。同時，也對四電系統中各個系統的發展，各個系統間的協調，與列車、土建、外部系統的匹配，及其安全可靠性提出了更高的要求。如何將四電系統及其相關的系統集約在一起，克服短板效應，實現整體最優、滿足高速鐵路對四電系統的要求，是四電系統首先要解決的問題。

高速鐵路供電自動化集成多學科、多領域的先進技術于一體，是一個既相互獨立又密切相關且與外部系統有著復雜聯系的巨型系統。通過系統集成與創新，將各個自動化系統有機地結合起來，實現綜合監控管理；提供各系統間業務關聯和觸發聯動，提高對事件的應急處理能力和快速反應，并充分實現資源共享，降低工程造價。因此，高鐵供電自動化集成是我國高速鐵路建設的必然產物，它為四電系統建設提供了相應的技術、管理平臺。

高鐵供電自動化集成系統完成高鐵建設項目中“四電集成”項目內容，該集成系統內容涵蓋了高鐵牽引變電站自動化系統、電力變配電站自動化系統、安防系統、電能質量分析及故障錄波系統、自耦變壓器保護測控功能、接觸網開關控制等軟件產品，其中牽引變電所自動化系統采用了自主研發的高配置性能優越的NDT650+高速鐵路和軌道交通供電自動化系統；電力變配電所采用自主創新并且技術含量很高的PS6000U系列保護裝置。

該集成系統在總結多年來變電站自動化技術的成功經驗，特別是近年來基于網絡化結構下的分層分布式系統的實踐，使“四電集成”系統的結構和性能發生了重大的變化。在強化分層分布概念的基礎上，本系統不但強化間隔層設備及功能配置的合理分布，同時也強調變電站層功能及配置的可組態、可移動性，通過采用高起點、大資源的硬件平臺及多種運行維護分析工具，強化供電自動化設備運行信息的透明化程度，消除了不明原因的事故，進一步提高產品設計的技術水平，從而實現了以往離散子系統無法實現的一整套快速響應系統。

1 方案實施

高鐵供電自動化集成系統完成高鐵建設項目中牽引供電、通信、信號、電力“四電集成”項目內容，其中牽引變電所自動化系統采用了自主研發的高配置性能優越的NDT650+高速鐵路和軌道交通供電自動化系統；電力變配電所采用自主創新并且技術含量很高的PS6000U系列電力自動化系統。本集成系統主要技術內容如下。

1.1 NDT650+高速鐵路和軌道交通供電自動化系統

NDT650+高速鐵路和軌道交通供電自動化系統是國電南自集在SCADA系統、綜合自動化等方面的多年研究開發經驗，充分考慮當前高速鐵路、軌道交通綜合自動化監控系統的用戶需求，總結和鑒以往監控系統產品優點而開發的綜合自動化系統，本系統包括裝置及軟件有：監控系統軟件、微機通信管理裝置、微機故障測距裝置、微機備自投裝置、電能質量分析及故障錄波裝置、微機單相變壓器保護測控、饋線保護測控、自耦變保護測控等，完成多種保護、控制及其它自動化功能。系統中的部分保護測控裝置基于公司的EDP02通用保護測控平臺，平臺主CPU采用高性能的MCU芯片為主處理器，主頻達到 400M，配以大容量存儲器和RAM，大大提高了CPU處理性能。平臺采用前沿的軟硬件技術，可用性高，性能優越，維護方便，新項目從基礎軟硬件、產品平臺開發和應用集成技術3個方面全面提升系列產品的功能和性能。系統構成如圖1所示。

圖1 牽引供電自動化系統

主要子系統介紹：

1）微機故障測系統。適用于采用并聯自耦變壓器（AT）供電方式的電氣化鐵道牽引變電所、AT所、開閉所及分區所，實現接觸網各種類型故障的定位、類型判別和方向判別的功能。本障測系統測距原理的選擇旨在保證能夠適用于單復線AT的故障測距，且測距原理簡單可靠。當線路沿線通信通道具備的情況下，在AT自耦變未解列的情況下出現T-R，F-R故障時，采用“AT中性點吸上電流比原理”；T-F故障或者AT自耦變解列時，采用“線性電抗法”進行測距。如此可以確保線路出現不同類型故障時，微機故障測系統都能采用相應的原理來測距。如果沿線通道不具備，可以考慮采用“上下行電流比”原理來做為后備的測距原理。

2）單相變壓器的單相變壓器保護系統。功能涵

了單相變壓器差動、后備、非電量等相關保護功能，簡潔完整，不僅適用于常規V/V接線單相變壓器保護模式而且適用于高速鐵路牽引所AT供電方式下單相變壓器接線模式。是一種簡單、方便、適用性強單相變壓器保護方案。

3）適用于AT運行模式的自耦變壓器保護測控系統。實現了AT變壓器差動速斷保護、差動保護、電流速斷保護、過電流保護、外殼過電流保護、失壓保護、失靈保護、AT自投功能、一次自動重合閘、故障再現等。

4）電能質量分析及故障錄波系統。裝置采用保護測控通用硬件平臺裝置，實現模擬量、開關量數據的采集，通過分析數據判斷是否啟動故障錄波，具有交流量、開入量、遙控多種啟動方式；裝置交流采樣頻率為6400Hz，具有諧波分析、不平衡度分析等電能質量分析功能。裝置可配置后臺機實現大容量歷史數據存儲、圖形顯示、故障錄波分析和報告輸出等功能，后臺機可用一體化工控機、筆記本電腦或臺式機電腦，可組屏也可以放在控制臺上，裝置和后臺機之間的通信由以太網接口實現。

5）監控系統軟件。監控系統軟件是基于嵌入式操作系統的綜合自動化應用平臺，適用于鐵路、軌道交通的供電實時監控系統。監控系統不僅具備基本的監控和數據采集（SCADA）功能[1]，還包括微機保護設備的信息采集及分析功能。監控系統軟件采用通信、監控合一設計，運行于嵌入式系統中。采用了嵌入式數據庫替代常規的商用數據庫，精簡、優化了原有監控系統軟件，提高運行效率，使其能夠適應嵌入式環境的有限資源。同時優化了雙機冗余功能，配置簡單易用。

1.2 PS 6000U電力配電自動化系統

本系統提供完備的產品系列、各功能及子系統間優化的協作機制、靈活的系統配置方案，完成電力變配電所各種保護測控功能，系統中采用的新技術。

1）嵌入式實時多任務系統。

2）以太網及TCP/IP技術。

3）嵌入式WEB Sever技術。

4）組件對象模型（CORBA）的系統構架。

5）系統功能及組件的“即插即用”技術。

6）過程的全息再現技術。

7）智能調校的高精度量測技術。

8）多CPU共享AD的高精度模數轉換技術。

9）背插式結構的電磁兼容方案。

10）基于能量原理的方向元件（線路保護）。

1.3 通信子系統

整個遠動通道由多個調度中心（或維管段）、多個變配電所，以及處于其間的MSTP傳輸網絡構成[2]。

變電所（或調度中心）的設備配置必須嚴格遵循以下原則：

1）內外網分離：縮小網絡規模，避免產生IP沖突，減少廣播風暴。對變電所或調度中心來說，外網設備數量一般遠小于內網設備數量，如果把內網和外網聯通，則一下子會把整個網絡規模擴大數倍，不可避免的產生地址沖突、廣播風暴等問題。

2）主備網分離：避免環路的產生。如果廠家為了節省設備成本，將主備網連接在一臺交換機上，則不僅把網絡規模一下擴大了一倍，從整個MSTP網絡來看，還會產生不正常的以太網環路，嚴重時導致網絡癱瘓。

整個遠動通道由多個調度中心（或維管段）、多個變配電所，以及處于其間的MSTP傳輸網絡構成，如圖2所示。

圖2 MSTP遠動通道

1.4 網絡型測控終端系統（RTU）應用

網絡型測控終端裝置（RTU）適用于：電力系統各級變電站中實時數據采集和監控；各級發電廠中實時數據采集和監控；鐵路電氣自動化系統中實時數據采集和監控；其他工業控制領域中動力網的實時數據采集和監控。系統特點如下。

1）采用無破壞優先級仲裁的CAN網絡作為內部通訊網，采用多主非平衡方式運行，各I/O節點均可主動發起信息傳輸，以此來保證開關變位等重要信息傳輸的實時性。內部網絡在接口及總線上可配置成主從熱備份方式工作以提高可靠性。

2）內部網絡通信協議上進行分層，在傳輸層提供不面向連接的數據報服務以提高效率，在必要時在應用層上對部分信息采用確認和重傳機制以保證可靠性。

3）中心節點作為服務器對系統的所有數據以及全網唯一的時間系統進行管理，所有 I/O模塊可以向服務器傳輸和請求數據。

4）服務器可雙機備份式工作，平時備用服務器被動的從網上取得數據以維護自己的實時庫，在主服務器發生故障時備用服務器將自動接替工作。

5）為了實現網絡環境下復雜的管理并方便編程，所有節點將配備實時多任務操作系統軟件，所有網絡接口軟件將進行標準化的統一編制。

1.5 環境安全監控系統

防災監控系統是架構于通信傳輸系統之上的一套集災害信息采集、分析、處理和指導、輔助安全行車的平臺，主要是對危及鐵路運輸安全的自然災害及異物侵限等突發危害進行監測，并提供經處理后的災害預警信息、限速信息或停運信息等，為運營調度中心運行計劃調整、下達行車管制、搶險救援、維修提供依據，以保證列車安全正點、高效、舒適。

1）防災安全監控系統采用統一的處理平臺，由調度所設備、監控數據處理設備、監控單元、現場各監測設備及通信網絡設備構成。

2）在各現場監測點設置風、雨以及異物侵限現場監測設備。

3）在鄰近現場監測設備的GSM-R基站、車站等的機房內設置現場監控單元，根據所接入的現場監測傳感器種類的不同，分別配置風、雨以及異物侵限監測的監控單元主機。

4）在工務段機房設置監控數據處理設備，在路局工務處設置工務終端。

5）在調度所設置調度所設備，在調度所行調臺設置防災監控終端。

6）各監控單元與綜合工區、調度所間通過傳輸網絡設備構成傳輸網絡，在局界處的傳輸網絡冗余覆蓋至臨界基站。

7）防災監控系統在完成異物侵限功能的現場監控單元處通過繼電接口直接與列控系統連接。

2 本方案的有益效果

高鐵供電自動化集成系統已經成功應用于京滬高鐵項目建設中，該系統的成功應用，使得公司軌道交通產業以卓越而又領先的綜合實力脫穎而出，公司的自主產品經受住了中國高鐵高標準的考驗，為京滬高鐵創造世界奇跡提供了強有力的技術支撐和動力保障，公司自動化專業集成系統水平日臻成熟，在京滬、滬寧、寧杭等高鐵工程、杭甬客運專線工程、盤營客專四電集成工程、哈大客運專線“四電”系統集成總承包工程、新建合蚌客專及合肥樞紐電力與牽引供電系統集成施工總承包工程中，都有著本集成系統產品的卓越貢獻。

高鐵供電自動化集成系統是公司軌道交通專業目前的主導產品，隨著高鐵建設和城市軌道交通建設的發展，隨著公司的銷售業績不斷提高，本擁有良好的市場前景。

3 結論

高鐵供電自動化集成系統集多學科、多領域的先進技術于一體，是一個既相互獨立又密切相關且與外部系統有著復雜聯系的巨型系統。本集成系統為高速鐵路四電系統建設形成一個標準先進、統一，系統開放、共享，調試手段先進、有效的技術平臺提供方法和動力。本集成系統的應用，對快速擴充鐵路運輸能力，快速提升技術裝備水平具有重大現實意義，對促進國家軌道交通專業結構優化升級，對振興民族自動化項目集成產業，保證國民經濟又快又好發展具有極其深遠的現實和歷史意義。我國的高速鐵路正在迎來大發展，市場前景廣闊。

[1]于海生,等.微型計算機控制技術[M].北京:清華大學出版社,1999.

[2]王子淵.淺談MSTP對高速鐵路數據業務的承載方式[J].鐵道勘測與設計,2010(1):95-98,104.