電氣化鐵路智能牽引變電所的應用淺析

陳鵬元

0 引言

隨著物聯網及5G通信技術的快速發展，兩者結合應用于高速鐵路，加快推進了中國高鐵向智能化方向發展的速度。牽引供電系統是高速鐵路實現智能化運行的重要組成部分之一，而智能化牽引變電所又是牽引供電系統實現智能化運行的核心。我國目前智能化牽引變電所的應用仍處于起步階段，當前運行的電氣化鐵路絕大部分以普通型的牽引變電所為主，設備不夠智能，運行狀態以人工判斷檢修為主，整個供電系統故障判斷及故障后恢復仍然以人工為主。隨著中國電氣化鐵路的快速發展，人工成本逐年增加，智能化鐵路是鐵路發展的必然趨勢，要實現鐵路智能化運行，智能化牽引變電所的應用是必不可少的環節。

1 我國鐵路智能變電所技術現狀

當前，我國電氣化鐵路牽引供電系統運行方式雖然包含直供加回流、AT供電等，但每種供電方式所采用的供電設備、綜合自動化保護系統大致相同，設備組成仍然是以傳統形式為主，變電所設備運行狀態以人工定期檢測試驗為主；綜合自動化保護系統只是通過對供電系統的電流、電壓等運行數據進行檢測，實現對供電系統運行故障區段的及時切斷，但系統故障判斷和恢復供電方案的確定仍以人工為主；變電所日常值班或值守需配備人力，還不能實現無人化監測，變電所內設備運行狀態通過值班人員進行定時巡查，記錄各種表計運行數據，通過聽、聞、觀、測來判斷；變電所倒閘作業需要供電調度中心操作和變電所值守人員確認共同完成。變電所二次保護系統通過控制電纜及信號電纜采集設備運行狀態及數據，變電所線纜數量眾多，出現故障后排查困難。

隨著中國鐵路的快速發展，鐵路運行的安全性、可靠性要求越來越高，運營維護的工作量快速增加，智能化高速鐵路是發展必然趨勢，智能建造、智能裝備、智能運維將有效解決建設和運維人員需求量大的問題。

2 智能牽引變電所的主要技術特點

智能牽引供電系統具有健康診斷、故障隔離、重構自愈、運行自律、經濟高效等特點。其主要技術特點如下：

（1）將信息技術、傳感器技術、自動控制技術與牽引供電基礎設施有機融合，實時獲取牽引供電系統監測、監控和運行信息，實現牽引供電系統的信息化，具有全息感知能力。

（2）實現了所內及所間設備的通信和信息交互，通過廣域測控保護系統實現了層次化保護，使牽引供電系統繼電保護具有全速動、全冗余和選擇性的特點。

（3）構建了網絡保護，綜合分析牽引變電所與分區所、AT所信息，精確判斷故障位置，快速定位切除故障區段；同時實現故障時的重構自愈功能，快速恢復供電。

（4）建立一體化監控平臺，融合全所數據信息，實現全部信息以IEC 61850協議標準接入、標準傳輸，除正常監視運行狀態外，實現智能告警、數據綜合分析、視頻聯動等功能。

（5）實現對綜合動力環境監控、安全監控、設備在線監測等各系統和信息進行多平臺信息融合，實現平臺間信息告警、智能聯動等功能。

（6）智能化牽引變電所基于模型化、標準化等理念，實現鐵路供電調度源端維護，并通過供電設備監控與供電調度運行管理系統的協調，實現運行信息智能統計、作業計劃智能審核流轉、應急處置智能決策等功能，提升了供電調度自動化程度和作業效率。

Abemaciclib已獲得美國FDA優先評審資格，擬申請2個適應證。（1）既往接受過化療和內分泌治療的HR＋和HER2-的晚期轉移性乳腺癌單藥abemaciclib治療；（2）abemaciclib與氟維司群聯合應用于既往接受內分泌治療出現疾病進展的HR＋和HER2-的晚期轉移性乳腺癌患者，其抑制CDK4和CDK6活性的IC50值分別為2 nmol/L和10 nmol/L[3]。研究顯示，abemaciclib可以進入中樞神經系統，因此增加了治療原發性或轉移性腦癌的可能性[9]。

（7）通過采集牽引供電系統關鍵設備實時運行、監測數據，綜合在線、離線、運行等數據信息，實現故障預測與健康管理，對關鍵設備實現早期故障預警和快速診斷，對設備及系統進行健康評估、可靠性分析，提出維修輔助決策，實現主動運維。

智能牽引供電系統與國內傳統牽引供電系統技術對比如表1所示。

表1 智能牽引供電系統與國內傳統牽引供電系統技術對比

3 智能牽引變電所組成及功能分析

智能牽引供電系統由智能牽引供電設施、智能牽引供電調度系統、智能牽引供電運行檢修管理系統及通信網絡組成（圖1），以信息化、網絡化、自動化為手段，運用現代先進的測量、傳感、控制、人工智能等技術，具備“全息感知、多維融合、重構自愈、智能運維”特征，為鐵路提供安全可靠、高效優質的動力來源。

圖1 智能牽引供電系統構成

鐵路智能牽引變電所主要由智能一次電氣設備、廣域保護測控系統和智能輔助監控系統組成。

3.1 智能一次電氣設備

智能一次電氣設備由一次設備本體、合并單元、智能終端、在線監測智能組件組成。合并單元、智能終端、監測智能組件放置在智能組件柜中，取消傳統端子箱。

3.2 廣域測控保護系統

廣域測控保護系統將保護功能按照就地、站域、廣域進行層次化配置。就地保護利用被保護對象自身信息獨立決策，實現可靠、快速切除故障。廣域保護基于牽引變電所、AT所、分區所的信息共享，綜合決策，同時在數字化牽引變電所自動化系統基礎上，以供電臂為單元設計保護測控裝置。廣域測控系統可提升保護的選擇性和速動性，系統分為3層，分別為過程層、間隔層、站控層。

（1）過程層：采用電氣硬節點實現本間隔內開關的硬連線閉鎖，同時通過光纜連接一次設備和二次設備，使二次設備防雷效果有較大提升。

（2）間隔層：間隔保護測控裝置利用本裝置接收的開關量及模擬量信息，通過邏輯編輯設定開關的閉鎖邏輯，在執行遙控命令、供電臂自愈、主變或進線自投時，只有滿足設定的閉鎖邏輯才能開出節點信號到開關設備。

（3）站控層：變電所監控后臺根據全所的遙信、遙測信息設定開關的閉鎖邏輯，遙控操作時，只有滿足閉鎖邏輯才下發遙控命令到間隔層裝置。

廣域保護測控系統分層布置，各層獨立決策又相互配合，充分利用系統各高壓設備的運行狀況信息，適時生成閉鎖狀態，大大提高了開關操作的安全性。

3.3 智能輔助監控系統

輔助監控系統是牽引供電系統中牽引變電所、分區所、AT所的重要支撐部分，其承擔著為變電所安全、可靠運維保駕護航的重任，與生產系統（綜自系統）同等重要。智能輔助監控系統能有效提高變電所運維的安全性、可靠性，其作用被實踐充分肯定，已成為變電所不可或缺的重要組成部分。

根據牽引供電維管系統的組織架構，輔助監控系統采用分層、分區的分布式架構。系統分布式安裝在電氣化鐵路沿線各個變電所，完成所內的綜合輔助監控功能，并通過鐵路電力通信綜合數據網與上級視頻監控系統或其他管理系統通信，組成一個完整的多級聯網系統，如圖2所示。

圖2 智能輔助監控系統結構

輔助監控系統包含視頻監控及巡檢、環境監控、安全防范、動力照明控制、火災報警、門禁和在線監測7個子系統，經過對各子系統的集中整合、統一管理，實現對變電所視頻、環境量、安全報警信息、火災報警信息、在線監測數據等輔助信息進行統一采集、編碼、存儲、上傳，由監控平臺完成整個系統的全面監控、一體展示、統一管理和維護功能，并通過系統預置的規則進行各子系統間的自動化聯動。

智能輔助監控系統可以分為3層，分別為站控層、間隔層、過程層，每層都有重要的功能作用。

3.3.1 站控層功能

智能輔助監控系統站控層按照一體化原則進行設計，不僅具有常規監控系統的全部功能，同時還增加了許多高級功能。站控層使用軟件總線技術，提升了系統的擴展性；通過站控層可以監測一次設備的實時運行狀態，而站控層具有自動推導功能，在自動推導功能下，可以更清晰地掌握供電的狀態；對于保護裝置而言，站控層能夠起到維護的作用；在顯示故障動作信息的同時，能夠較為詳細地顯示故障參數、故障發生情況等。

3.3.2 間隔層功能

間隔層按照測量和控制的模式進行設計。在間隔層中，對測控單元具有保護功能的插件可相互交換，通過仿真工具軟件，間隔層可以對故障進行遠程診斷。間隔層測量故障距離的能力非常強，能夠在極短時間內精確定位故障，降低了檢修的難度。

3.3.3 過程層功能

智能輔助監控系統過程層所使用的體系為DSP+FPGA體系，這一較為先進體系的應用使數據通信的實時性得到了大幅提升。過程層主要具備兩大功能，一是自恢復功能，二是自檢功能，在這兩大功能的支持下，一些工具軟件可以經過接口應用于變電所中[3]。

4 智能化牽引變電所的應用

通過以上分析，智能化牽引變電所可以節約大量的人力及設備資源，減少設備維護工作量，同時提高牽引供電系統的運行可靠性，實現了供電系統的智能化運行。我國高速鐵路將快速走向智能化發展道路，但是當前智能化牽引變電所需要從設計標準、建設標準及試驗檢測標準入手規范智能化牽引變電所的運用，制定相應的運維檢修標準提高運行的可靠性，真正實現無人化值守運行，還需要大量的運營經驗積累和成熟的技術支撐。

5 結語

目前國內電力系統已經有上千座智能變電站投入運行，現有智能變電站基本實現了全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化、高級應用互動化，全面提升了變電站運行維護水平和安全可靠性，在技術創新、設備研制、標準制定、工程建設等領域取得了階段性成果。在鐵路系統，傳統的牽引變電所具有較大的提升空間，智能牽引變電所的廣泛應用將是中國智能高鐵發展的方向。智能牽引供電系統以先進的信息化、網絡化技術突破牽引變電所亭間的信息孤島瓶頸，進行系統整合、多信源數據共享，建立廣域測控保護、故障自愈重構、故障報警預警機制和系統健康評估體系，對提高牽引供電系統的安全可靠性和可維護性意義重大。

當前電氣化鐵路智能牽引供電系統剛剛起步，雖然技術層面已經可以實現智能化變電所的功能需求，但是運行的可靠性和各項智能化指標還有待進一步驗證，要實現全智能化變電所，真正實現無人值守，還有許多技術問題需要攻關解決，有待在未來鐵路智能牽引變電所建設應用中進一步深入研究。