基于物聯網技術的鐵路通信供電監控系統

戴 明，陳軍波，程奕凌，鐘 濱，張騰飛

（1.南京恒星自動化股份有限公司，江蘇 南京 210042；2.西成鐵路客運專線陜西有限責任公司，陜西 西安 710045；3.南京郵電大學 自動化學院、人工智能學院，江蘇 南京 210023）

0 引 言

我國鐵路正處于高速發展時期，鐵路的電氣化進程也在不斷推進，鐵路的日常運作都以電能為運輸動力，鐵路的供電水平直接影響鐵路系統的穩定運行。但電氣化鐵路的供電系統是一個龐大又復雜的系統，電氣設備布局分散，并且部分鐵路段位于偏僻的地區，與電力監控中心相距較遠，無法實現有效的供電監控，導致鐵路沿線供電監控任務變得異常艱巨[1]。此外，鐵路沿線的一些非電氣設備也會對鐵路的供電產生諸多影響。有學者提出分布式供電策略，即對鐵路進行分段供電，每段鐵路節點配置專用的分布式電源和監控裝置，但該模式下的供電系統相互獨立，且需配置大量電源和監控裝置，耗費了大量不必要的人力、物力，因此研發一套專業設備一體化智能管理系統實屬必需。

50多年來，電力系統監控技術在我國不斷發展，已融合了計算機技術、通信技術。物聯網技術的發展為電力信號監測提供了強有力的技術支持[2-4]。物聯網可分為終端層、網絡層和系統層：

（1）終端層包括供電、攝像頭、位置傳感器等感知終端，負責采集信息；

（2）網絡層負責傳輸終端層采集的信息；

（3）系統層是用戶和物聯網的交互終端。

雖然物聯網技術為鐵路供電監控提供了新的解決辦法，但鐵路監測數據采集量大，范圍廣，涵蓋諸多專業，且各監控系統獨立運行，缺乏一體化的綜合管控平臺。

文獻[5]主要研究了紅外熱像儀監控系統在鐵路供電系統接觸網中的應用，紅外熱像測溫速度快，可以日夜監控，安全方便，能被廣泛應用到鐵路系統中。文獻[6]將虛擬化技術引入高鐵供電監控系統的調度端（PSCADA主站系統）。通過虛擬化技術對服務器進行整合，提高服務器資源的使用率與業務的連續性，同時還能提供一個靈活的資源使用平臺。上述文獻都針對鐵路中的供電系統提出了有效的監控方案，但并未考慮多種專業設備的供電情況。計算機技術、通信技術和人工智能技術的快速發展為鐵路物聯網的應用提供了支撐。為了更好地進行鐵路供電監測，本文給出一種鐵路通信供電監控系統，該系統具備實時監測鐵路各專業關鍵設備供電信息、遠程操作供電設備、故障分析以及各類信息查詢等功能，能夠被大量應用到鐵路供電管理過程中。

1 系統總體結構

基于鐵路物聯的通信供電監控系統的總體結構如圖1所示。系統主要包括可信智能終端、基于IEC61850的通信網絡和大數據分析管理系統。

圖1 系統總體結構

本系統設計研發了融合可信計算和邊緣計算的智能終端，設計了基于IEC61850的縱向加密、橫向隔離通信網絡架構，開發了基于大數據分析技術的高鐵電力自動化管理系統，大幅提高了高鐵電力自動化、智能化的程度，有效保障了高鐵通信供電的可靠、穩定。

1.1 融合可信計算和邊緣計算的智能終端

設備運行時，智能終端實時采集各項數據，系統利用這些數據完成對設備的監測及維護等工作。終端采用可信計算技術[7-8]，每次開機自動檢查終端的軟件版本和后臺進程，保障終端計算環境穩定可信，有效防止終端被惡意劫持而造成安全事故。同時，終端作為一個獨立的智能計算單元，可與其他終端設備互聯協同，在終端與系統通信中斷時，采用邊緣計算技術[9-10]調用本地存儲的控制策略，保障電力供應。

智能終端采用高密度高精度的錄波采集系統，以真實反應運行狀態下電壓、電流的變化趨勢。另外，通過精確記錄故障時的電流、電壓變化，分析線路產生故障的原因，如用電設備故障，供電線路失電、相間短路、斷線、接地等，可為快速故障處理提供可靠的數據。完成有效值錄波功能需要一整套復雜嚴謹的流程，包括交流信號的數據采集、高密度無縫掃描、高精度實時算法、海量數據存儲、高效壓縮算法，以及遠動主站應用軟件的快速查詢、定位、分層顯示等。采用專用電能芯片（ADI公司7878）采樣，當前每周錄波80點，可實現1～39次諧波計算，分別計算電流和電壓的諧波總含量，并計算基波電能等電能質量數據，作為諧波分析依據。為保證監控系統的準確性，將所有設備信息輸入監控系統。

另外作為監測終端，對于設備的運行環境、供電電源、防雷部件的運行工況等都可以實時監控。

1.2 基于IEC61850協議的縱向加密、橫向隔離的通信網絡

網絡通信架構如圖2所示。隨著我國高鐵里程數的增加，高鐵電力自動化管理智能終端將更多地暴露在公眾視野，因此終端的信息安全問題不可回避。基于泛在電力物聯網的高鐵電力自動化管理系統研發了融合可信計算的智能終端，可有效防止終端被惡意劫持或篡改，并基于現有電力調度網絡構建了縱向加密、橫向隔離的通信網絡架構[11]，保障智能終端與管理系統之間通道的安全。

圖2 網絡通信架構

1.3 高鐵電力網絡一體化實時監控與智能分析大數據中心

大數據中心的結構示意如圖3所示。平臺依托調度主站監控中心，實現多個系統的一體化管理，數據平臺在符合綠色理念的同時也滿足鐵路系統的各項需求，可為軌道交通供電管理提供最詳實的基礎數據，實現數據互通以及智能化管理，提升系統的運行效率[12]。在此基礎上研發鐵路中的數據云分析平臺以及防災救援系統，將網絡安全技術引入鐵路數據中心建設中，讓鐵路與互聯網相互交融，在保障數據傳輸安全的同時，為軌道交通運輸的安全運營、科學決策、減員增效提供有力保障[13]。考慮在系統通信過程中增加加密算法，并采用電力系統通用的信息加密套件，保證電能信息傳輸過程的安全。著重加強系統的數據分析能力，確保系統最大程度利用數據資源，提升系統下發指令的科學性，將電力資源合理配置到各個模塊，推進各個模塊間的信息共享及綜合集成應用。

圖3 高鐵電力網絡一體化實時監控與智能分析大數據中心

1.4 基于大數據分析技術的高鐵電力自動化管理系統

基于泛在電力物聯的高鐵自動化管理系統對全線的變電設備進行監控，利用大數據技術（如信息粒計算、聚類分析等技術）分析設備的運行數據[14]，并基于分析結果及時下發控制策略（如投切無功補償設備、投切備用電源等），保障電能質量和供電可靠性。同時，系統基于多元數據集成，并采用神經網絡分析失效判定和故障預測，通過深度自學習進行知識拓撲的故障溯源，評估變電設備的運行狀態，及時發現設備的狀態變化和可能存在的安全隱患，從而為供電系統的電能分配、故障定位提供準確的指標，為鐵路的供電系統和其他變配電系統的安全、經濟運行提供重要保障。

高鐵自動化管理系統包括：電力調度系統、變電所綜合自動化系統、通信網絡。

（1）電力調度系統設置在調度中心，主要由硬件平臺、系統軟件、數據庫系統、信息收集系統等組成，完成對遠方遠動對象的監控、數據統計及管理。

（2）變電所綜合自動化系統對設備進行監測，采集設備的各項信息并記錄時間節點。變電所的數據處理、電能分配控制、自我保護等動作均由變電所綜合自動化系統完成。

（3）變電所與電力調度系統之間的數據傳輸由通信網絡承擔。

將基于時間維度的檢修理念調整為基于狀態監測的檢維修模式，將失效預警、異常識別分為不同等級，并對應不同的處理模式，以最大限度縮短排除故障所用時間。

2 系統網絡架構

系統網絡架構如圖4所示。系統可分為三層，即間隔層、網絡通信層和業務層。

圖4 系統網絡架構

間隔層包含變電所安裝的多功能儀表、浪涌及UPS監測儀、配電箱、電能質量檢測儀等。

網絡通信層包含現場網關、遠動機和交換機等設備。網關采集現場設備層的數據，并可進行規約轉換與數據存儲，通過有線或無線傳輸方式上傳至后臺。網絡故障時數據可存儲在本地，待網絡恢復后從中斷位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

業務層包含繼保工程師站、SCADA操作員站服務器、前置服務器和工作站，一般應用服務器和前置服務器可以合一配置，如果預計接入設備數量較多，則建議分開配置。

3 系統功能設計

3.1 數據傳輸、存儲和處理

本系統利用數據采集器和上位機軟件系統進行數據傳輸（通過有線網絡或GPRS/CDMA/4G無線網絡）。

把監控系統采集的實時數據存儲在實時數據庫中，對于需要長期保存的數據存放在歷史數據庫中，對于狀態量變位、模擬量越限等信息，按時間順序保存在歷史事件庫中。

數據處理包括定時采集、越限報警、追憶記錄、設備異常報警、事件順序記錄（SOE）和操作記錄。

3.2 控制操作

為防止監控系統發生誤操作，既可以依靠系統內部的防誤軟件，也可以與專用微機防誤系統配合完成全站的防誤閉鎖功能。

站內各項設備都有站內控制、調度中心遠方控制、就地手動控制三種控制方式。

監控系統在間隔層可以通過在測控裝置上設置間隔互鎖邏輯實現間隔層操作閉鎖。

3.3 報警處理及報表功能

發生變位故障時，在運行工作站顯示的畫面中，變位設備的顏色會改變，并且以燈光閃爍的方式提示，同時顯示報警條文。預告報警的動作方式與事故報警大致相同，通過不同的顏色變化可以與事故報警區分。

報表功能提供各種設備的年報表、月報表、日報表及小時報表。

4 結 語

本文通過集成傳感器技術以及現代通信技術，提出一種基于鐵路物聯網的通信供電監控系統。本系統具備實時顯示、運算、記錄鐵路各專業關鍵設備供電信息的功能，供電設備可遠程操作，也可根據數據進行故障分析、定位，還可以提供各類信息查詢、統計分析、報表和圖件制作等功能，對鐵路供電系統的發展具有重要意義。