高速鐵路智能牽引供電系統研究

董文哲，郭晨曦，楊斯泐

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081）

牽引供電系統作為高速列車的唯一動力來源，是保障高速鐵路安全、 可靠、 高效運行的關鍵。隨著我國高速鐵路的迅速發展，對牽引供電系統也提出了信息化、自動化、智能化的技術要求。我國電氣化鐵路牽引供電系統智能化研究在多年前已經展開，在綜合自動化、智能化方面，對電氣設備和運營管理平臺等開展了相應的研究。如文獻[1]圍繞智能牽引變電站的自動化關鍵技術展開理論分析和應用研究，文獻[2]提出將故障預測與健康管理與主動維護的理論及技術應用于高速鐵路牽引供電系統，文獻[3]對傳統牽引變電所的智能化改造提出思路，文獻[4]研究了數字化供電管理信息系統，實現了供電資產、生產、物資數據的實時共享。目前，國內智能牽引供電系統的建設依舊處于起步階段，尚未得到大面積推廣應用。很多研究借鑒于智能電網的相關技術而忽略了牽引供電系統本身的架構和特點，對于智能牽引供電系統建成后的測試評估和運營維護的研究更是極少。因此，本文從智能牽引供電系統的特點出發，研究智能牽引供電系統和智能牽引變電所的原理、架構和相關設施的關鍵技術及方案，并提出智能牽引供電系統建成后的測試與評估方法，對智能牽引供電系統的建設具有一定的意義。

1 智能牽引供電系統組成及特點

1.1 智能牽引供電系統特點

智能牽引供電系統是以智能化牽引供電設施和高速雙向通信網絡為基礎，以信息化、網絡化、自動化、互動化為特征，具備全息感知、多維融合、重構自愈、智慧運維特性，運用先進的測量、傳感、控制、通信、信息、人工智能等技術，為鐵路提供安全可靠、高效優質牽引動力的系統。在智能牽引供電系統中，可以設置以供電臂為單元的智能化、網絡化、標準化的信息處理平臺，通過測控保護系統實現實時保護和監控等功能[5]。實時采集和監測牽引供電設施運行信息并上網，能夠解決傳統供電系統信息不暢和缺乏交互的弊端。智能牽引供電系統也能夠更全面更及時的根據運行檢修的各類監測數據，實現對牽引供電系統的不斷優化和調整。

1.2 智能牽引供電系統組成及架構

智能牽引供電系統按照功能設施構成劃分，主要由智能牽引供電設施、智能供電調度系統、智能供電運行檢修管理系統及通信網絡4部分組成。智能牽引供電系統采用四級框架，如圖1所示。

圖1 智能牽引供電系統層級架構圖

1.2.1 智能牽引供電設施

建立在IEC 61850通信技術規范基礎上，按分層分布式來實現智能牽引供電設施間的信息共享和互操作性，其主要由智能高壓設備和分布于牽引變電所、分區所、AT所的測控保護系統等組成。

1.2.2 智能供電調度系統

在既有供電SCADA系統的基礎上，結合智能牽引供電設施的功能特點，實現運行監測全景化、報警分析綜合化、調度作業自動化、調度決策精細化。智能供電調度系統采用總公司、鐵路局二級架構，其中，總公司系統實現對全國范圍牽引供電設施的運行狀態監視以及對各鐵路局供電調度作業的協調指導，鐵路局系統實現對鐵路局管轄范圍內的牽引供電設施的遠程監視、測量、控制及調度作業管理。

1.2.3 智能供電運行檢修管理系統

對智能牽引供電設施等設備進行基礎數據、檢測監測、運行檢修作業、設備狀態評估與預測等全壽命周期管理。

1.2.4 智能牽引供電系統通信網絡

采用工作可靠、結構簡單和易于維護的架構，并采用鐵路通信網專用通道，滿足實時性和可靠性的要求。通信通道主要由遠動通道、復示通道、運行檢修維護通道、廣域測控保護通道、故障測距通道及供電運行檢修管理通道構成。

2 智能牽引變電所

智能牽引變電所是智能牽引供電系統的重要組成部分，其建立在先進的網絡通信協議基礎之上，智能化設備模型可以映射到不同的通信協議，通過分層、分布的通信網絡體系，面向對象建模，提供對象的自我描述和配置以及信息傳輸服務，實現智能牽引供電系統的網絡聯系[6]。智能通信網絡構建為3層結構：過程層、間隔層、站控層，具體結構，如圖2所示。

2.1 過程層

過程層包括牽引變壓器、斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器等智能高壓設備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子裝置，承擔一次設備信息數字化、智能化的重要功能，主要完成電氣量檢測和設備運行狀態參數檢測以及控制命令的發送和執行，是整個智能牽引變電所的基礎。

2.2 間隔層

間隔層主要匯總站內本間隔的過程層實時數據信息，實施對該間隔的一次設備保護控制。間隔層包括繼電保護裝置、系統測控裝置、監測功能組的智能電子裝置（IED，Intelligent Electronic Device）等二次設備[7]。智能牽引變電所內二次設備也變成數字化功能模塊，如繼電保護、防誤閉鎖、測量控制、故障錄波等全部基于標準化、模塊化的微處理設計，模塊之間的連接全部采用高速的網絡通信，真正實現數據共享、資源共享。按照應用功能合理配置邏輯節點，實現或支持實現測量、控制、保護、計量和監測等功能。

圖2 智能牽引變電所結構示意圖

2.3 站控層

站控層包括當地監控主機、測距管理機、遠動管理機、對時系統、智能輔助系統監控主機和綜合運用服務器等，實現面向全站設備的監視、控制、告警及信息交互功能，完成數據采集、數據處理、狀態監視、設備控制和運行管理等功能。

3 智能化一次設備

一次設備智能化是智能牽引供電系統的重要標志之一，主要實現信息采集和數據共享功能。智能牽引變電所一次設備主要包括：智能斷路器、電子式互感器和智能牽引變壓器等。

3.1 智能斷路器

斷路器是牽引供電系統中非常重要的一次設備。設計并完成斷路器智能化方案，實現斷路器數字化通信與控制，使斷路器具有狀態在線監測功能，這對于提高牽引供電智能化水平和提高供電可靠性都具有積極的意義。目前，實現斷路器智能化主要通過兩種方式。

（1）在制作過程中將智能控制、通信傳輸等模塊嵌入斷路器內部，實現智能斷路器的一體化。

（2）在斷路器上單獨加裝智能組件，通過智能組件與傳統1次設備聯通，在線采集信息和監測一次設備運行狀態，并對其進行控制操作，在一個間隔內即可實現智能保護和控制功能。

考慮到因為第1種方式工藝復雜且難以實現，并參考電力系統智能變電站對智能一次設備的標準規范，智能牽引變電所中的智能斷路器宜采用添加智能組件的方式實現智能化。

智能組件主要包括開關設備控制器和監測功能組件。其中，監測功能組件將檢測信息通過網絡報文傳遞給站控層。開關設備控制器利用光纖與測控保護設備進行網絡通信，且符合IEC61850標準規范，采用GOOSE報文進行通信，在斷路器間隔內采集和傳輸開關狀態，并接受控制信息[8]。

斷路器的智能組件可以根據不同的功能需求，添加不同的智能組件模塊，如繼電保護模塊等，從而實現高度集成，提高智能斷路器的可靠性。

3.2 互感器

互感器是牽引供電系統中進行電氣信息采集的重要設備，也是連接一次和二次設備的重要紐帶。互感器的精度和可靠性與牽引供電系統安全、高效、經濟運行密切相關。傳統的電磁式互感器體積龐大、絕緣結構復雜、固有磁飽和、鐵磁諧振等缺點，難以滿足智能牽引變電所的發展需求。目前，智能牽引變電所一般采用電子互感器或者常規互感器數字化的方式。

3.2.1 電子式互感器

電子式互感器采用新型光電技術，具有體積小、精度高、抗電磁干擾能力強等優點，在智能電網建設中得到推廣。電子式互感器通過一次傳感器對電氣信息進行采集，經過一次轉換器對信號進行處理以及模數轉換后，由光纖通信傳輸給二次轉換器，對信號處理后再輸出給二次設備。

電子互感器分為電子式電流互感器和電子式電壓互感器，其又分為有源和無源兩種類型[9]。對于電子式電流互感器，無源型存在一些難以突破的技術，比如磁光效應會隨環境因素而變化等，暫時難以在智能牽引變電所進行大規模推廣應用。而對于無源電子式電壓互感器，由于光學傳感材料的可靠性和靈敏度、微弱信號檢測技術及穩定性等方面還需要進一步改進，同樣不能夠達到實用化。

3.2.2 電磁式互感器數字化

電磁式互感器數字化，是將電磁式互感器采集到的模擬信號傳輸給合并單元，經合并單元進行模數轉換，并按照IEC61850-9-1或IEC61850-9-2通信協議將處理后的信息傳輸給二次設備。合并電源對模擬信號的處理過程，如圖3所示。

圖3 合并單元模擬信號處理示意圖

目前，上述兩種方式的互感器均有應用，但考慮到與電力系統相配合且方便原有牽引變電所智能化改造，優先選用電磁式互感器數字化的方案。

3.3 智能牽引變壓器

與智能斷路器類似，牽引變壓器的智能化主要依靠“常規變壓器+傳感器+智能組件”的方式，通過配置智能組件，使得牽引變壓器各類信息通過光纖與控制室相連接，從而實現牽引變壓器的測量、監測和保護功能，如圖4所示。

圖4 牽引變壓器智能組件

圖4中可以看出，智能組件可以完成對變壓器繞組溫度、局部放電、油中溶解氣體、有載分接開關控制等進行檢測，并將監測到的信息傳遞給過程層網絡和站控層網絡，為實現牽引變壓器高級應用功能提供了信息支撐，提高了牽引變壓器的智能化和穩定性。

4 智能牽引供電系統檢測與評估

以智能牽引變電所為基礎的智能牽引供電系統在信號采集和傳輸方式上的變革，使得變電所內控制、保護以及電流、電壓信號均以數字信號方式在網絡中傳遞, 傳統的檢測與評估手段都不再適用,也無法滿足智能供電系統的要求。隨著智能牽引供電技術的推廣和應用，有必要對適應智能牽引供電系統的檢測與評估技術進行研究。

4.1 智能牽引供電系統試驗評估原理

智能通信網絡3層結構：

（1）過程層是連接一次設備的通道，主要完成電氣參數和設備運行狀態參數檢測以及控制命令的發送與執行。

（2）間隔層歸總面向通用對象的變電站事件報文（ GOOSE 報文）、實時傳輸數字采樣信息的通信服務報文（ SMV 報文） 等過程層傳輸的實時數據信息[10]，通過間隔層設備進行保護、測控、計量、錄波等功能，分析并完成一次設備保護控制，并把數據信息傳輸給站控層。

（3）站控層得到信息后完成數據存儲、顯示，并實時完成操作、打印、圖像等多媒體功能[11]。

智能牽引供電系統試驗評估的數據信息主要來源于過程層采樣信息數據和間隔層實時數據信息。試驗評估技術的關鍵在于對SMV、GOOSE 報文進行實時采集捕獲和解析。

根據目前智能牽引供電系統執行的相關規范和標準，在智能牽引供電系統試驗評估周期內，應對智能牽引變壓器、斷路器、隔離開關、GIS 開關柜等一些關鍵智能一次設備運行狀況進行監測和數據交換，通過過程層獲取試驗數據，并采用基于IEC61850標準的測試儀對間隔層智能裝置進行性能測試[12-13]。除傳統的測試項目外，間隔層還需要增加對過程層信息的檢測功能，在線收集來自過程層的采樣值報文和過程層的 GOOSE 報文，對來自過程層的數據完備性進行評估，對可能發生的丟包、積錯、誤碼，延時、同步性等問題及時進行告警和記錄。

4.2 智能牽引供電系統試驗內容

4.2.1 智能牽引供電系統基礎數據源測試

監測接觸網系統動態、靜態運行質量、疲勞損傷，并監測牽引變壓器、互感器、GIS柜、饋線電纜等牽引變電所關鍵設備的數據特征。

（1）根據智能牽引供電系統運行參數測試，考核動車組運行工況下供變電系統性能，驗證牽引網內電流分配是否符合要求，同時檢驗牽引網內是否存在諧振過電壓，考核智能牽引變電所引入電源的電能質量。

（2）通過測試，驗證智能牽引供電系統在越區供電、分開供電等緊急供電方式下設備動作邏輯準確性并評估其運行狀態。

需要通過在線收集和解析來自過程層的GOOSE報文以及站內智能組件發出的GOOSE和MMS報文，對智能牽引變電所主變壓器相關數據、220 kV側母線電壓電流、27.5 kV側母線電壓、饋線電流、分區所接觸網末端電壓、供電臂上、下行穿越電流、AT所兩側吸上電流等參數進行實時記錄和測試。對采樣結果進行相關計算和分析，統計歸納出各項被測數據，進而指導智能牽引供電系統進行調整和優化。

4.2.2 智能牽引供電系統保護裝置測試

通過對接觸網進行人工短路，測試智能牽引供電系統在發生短路故障時，系統保護裝置保護動作的正確性，同時對智能牽引供電系統故障測距的準確性進行檢驗。在進行接觸網短路時，在線收集過程層和間隔層的采樣報文，對來自過程層數據的完備性進行評估，并對短路期間采樣時可能發生的誤碼、丟包、同步性等問題進行記錄和告警。對于收集到的采樣值報文和GOOSE報文進行解析和重構，并記錄短路電壓及不同饋線電流波形，分析不同所亭的故障報告數據，從而檢驗保護動作的正確性并對故障測距的準確性進行評判。

5 結束語

目前，已在京沈客運專線阜新牽引變電所至黑山北牽引變電所之間約50 km范圍內搭建了智能牽引供電系統，實現多系統整合、多信源數據共享，并完善了故障預警機制和系統健康評估體系。

本文分析智能牽引供電系統的原理及特點，從功能設施結構方面對智能牽引供電系統架構進行研究，并分析了智能牽引變電所的過程層、間隔層、站控層，研究了智能斷路器、互感器、智能牽引變壓器的工作原理及方案選擇。此外，針對智能牽引供電系統的特點及原理，提出了智能牽引供電系統基礎數據源及保護裝置的測試與評估方法。隨著智能牽引供電系統的逐步推廣，研究人員未來應加大對智能牽引供電技術的系統性研究，推進智能牽引供電相關標準與規范的建立，不斷促進智能牽引供電系統進一步的發展。