高速鐵路電力遠動技術的應用研究

周興

（中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司西安分公司，陜西 西安 710000）

高速鐵路的運行安全受諸多因素的影響，其中電力系統是高速鐵路的基礎，由分布在鐵路沿線的變配電所、自動閉塞電力線路和變配電裝置組成。電力系統沿線供電網絡向高速鐵路沿線負荷供電。隨著信息技術的不斷發展，我國高速鐵路遠動技術基本實現了數字化信息化。但電力系統建設面臨網絡化運行程度偏低等問題，電力系統倒閘作業、故障搶修、供電恢復均依賴于沿線工區人員現場作業，這導致高速鐵路電力系統低效運行。隨著信息技術和現代化電力裝備建設的發展，高速鐵路電力遠動系統得到了廣泛應用和推廣。

1 高速鐵路電力遠動系統概述

高速鐵路電力遠動系統以計算機、網絡通信為載體，結合鐵路電力系統遠程控制需求，實現對電力系統沿線配電所、車站變配電設施和電力線路的系統化自動化監控。電力遠動系統可實現遠端電力系統電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數等運行參數的動態實時監測，可對遠端電力系統運行狀態進行動態監測，并能夠實現電力設備的遠程控制。

電力遠動系統由調度主站、被控站和遠動通道組成。被控站主要實現電力系統狀態信息測量與收集，接收調度主站操作指令并完成相應的電力系統操作。調度主站主要實現遠端電力系統監控、故障判斷和下達調度操作指令，遠動通道是調度主站和被控站之間的網絡通道和服務器等設備。

通過電力系統遠動系統的應用，可實現高速鐵路沿線電力系統集中化管理與控制，可降低高速鐵路電力系統操作強度，可減輕沿線工區人員工作量，可提高電力系統操作的安全性，可減少因人為誤操作而造成的高速鐵路沿線電力系統故障風險[1]。同時，通過遠端電力系統可實時收集狀態信息，可快速查找和判斷遠端自動閉塞線路、貫通線路和電力設備故障點，可實現故障線路、故障設備的及時切除，可縮小電力系統故障影響范圍，可確保電力系統故障后及時恢復正常供電，可縮短故障處理時間，并可有效提高高速鐵路系統供電的可靠性。

2 高速鐵路電力系統遠動技術應用研究

以某高速鐵路電力遠動系統改造工程為例，涉及20個車站電力系統遠動系統改造，改造后列車時速可達到200km/h。線路改造后，用電負荷大量增加，供電可靠性要求不斷提高，實現電力系統遠動控制顯得尤為關鍵。根據遠動系統建設規劃，該工程配套建設1個調度站、5座10kV配電站、15個開關站、5個低壓監控站，并同步建設遠動系統通道。

2.1 調度主站建設

調度主站建設時，采用典型局域網架構，控制系統采用雙機熱備模式，構建以功能模塊為核心、以節點為單元的電力遠動系統架構。電力遠動系統由主服務器、數據庫服務器、WEB服務器和接口工作站等組成。主服務器采用負載均衡模式，正常狀態下服務器動態分配負載，當單臺服務器故障時通過故障轉移保障業務正常運行。

調度工作站主要用于調度員監控電力系統狀態和實施操作控制，并完成相應的變配電調度管理工作。高速鐵路電力系統遠動主站系統圖如圖1所示。系統維護工作站主要用于遠動系統維護，由維護工程師進行系統維護與調試、報表修改與生成、系統開發等操作。接口機服務器運行接口程序，接收和預處理配電所、開關站等數據，并實現通信監視和控制功能。主服務器由2臺及以上的服務器組成，主要根據報表要求對接口機預處理后的數據進行處理，并將處理后的數據存儲于數據庫中。WEB服務器主要用于報表的發布。數據庫服務器主要用于歷史數據存儲、查詢和調用[2]。

圖1 高速鐵路電力系統遠動主站系統圖

為確保遠動系統可靠運行、防止因調度站配電故障而造成系統中斷，遠動系統配備兩路外部供電線路，均接入UPS電源，兩路供電故障后可自動或手動切換供電。UPS電源電池容量可滿足系統運行1小時的要求。此外，為保障配電站、調度站、開關站、低壓監控站的時間精度，該系統在調度主站上設置GPS系統作為各被動站NTP服務器，以確保被動站各電力系統時鐘與調度站一致[3]。

2.2 被動站

被動站包括配電所、開關站、低壓監控站。被動站遠動系統收集設備狀態信息并通過遠動通道發送至調度站，接收調度站調度指令并完成相應的指令動作。配電所對電力系統高低壓設備和線路進行信息采集、處理與上傳，并執行調度站下達的操作指令[4]。開關站對站內高低壓設備進行狀態監控。低壓監控站對站內低壓設備進行監控。

（1）配電所遠動控制

配電所遠動功能實現配電所內高低壓設備各種信息的采集與處理，并通過遠動通道發送至調度中心，實現配電所內配電設備的監控與管理。遠動對象為配電所內各回路斷路器、調壓器等，采集信號包括回路斷路器等電力設備位置信號、故障信號、進出饋線故障信號、電容補償裝置故障信號、調壓器故障信號、斷路器回路斷線信號、交直流系統故障信號、電力裝置動作信號等。根據調度要求和配電所電力設備狀態監測情況，調度站可對配電所進線電壓、母線電壓、電源進線電流、饋出回路電流、有功功率、有功電能、功率因數、電容補償裝置電流、調壓器電流、直流母線電壓等進行遠動控制。

（2）開關站遠動控制

開關站內設有高低壓開關、變壓器和遠動終端單元RTU等設備，可實現開關站內高低壓供電系統實時信息上傳至調度站，并接收和執行調度指令，實現開關站內電力設備監控管理與遠動控制。為確保故障信息的全面準確收集，為故障點判斷提供精準信息，開關站遠動設備具備故障錄波功能，其可作為開關站故障監測和判斷的依據。開關站遠動控制對象主要包括自閉、貫通線路高壓開關和自閉、貫通信號低壓開關等。狀態監測對象包括遙控對象狀態信息、高低壓電力設備事故信號、低壓避雷器報警信號、UPS電源狀態信息等。測量對象包括自閉、貫通線路電流、電壓、回路電流和有功電能等信息。

為確保開關站遠動系統可靠穩定運行，該系統采用16位微處理器RTU控制，能夠滿足多任務執行要求。RTU設備采用模塊化設計，雙重通信線路，可靠性高，抗干擾性能強，能夠滿足高速鐵路電力系統長周期穩定運行要求。RTU設備預留多路通信接入接口，為后續電力系統遠動管理擴容預留了條件。

結合開關站高低壓設備運行環境處于室內的實際情況，該工程開關站遠動設備設置在室內運行，降低了外界環境因素對遠動設備的影響，大大提高了控制系統運行的穩定性。同時，工程部分采用了XGN34型免維護固定式高壓開關柜，其安裝體積小（僅為傳統高壓柜的1/5），占地面積小，集成化程度高。其他開關柜采用具有永磁操作機構和彈簧操作機構的固定柜，由于省去了高壓開關分合閘功能，改用交流操作，這提高了開關柜自動化控制水平。

此外，開關站接線同時引入兩路供電線路，借助具有自動閉塞和貫通線路的高壓隔離開關。一方面能夠保障開關站供電故障快速恢復，減少因電力線路和電力設備故障產生的電力供應中斷風險。另一方面，當開關站高低壓設備檢修維護時，可通過自動控制高壓隔離開關實現開關站與外部供電電路的隔離，實現全線自動閉塞，并維持電力貫通線路可靠穩定供電。高壓隔離開關的應用為開關站快速搶修和壓縮維修維護時間提供了有利條件。

（3）低壓監控站

低壓監控站的主要監控和測量對象為低壓開關和STU設備，其將低壓監控站內自閉、貫通線路的實時采集信息上傳至調度站并接收調度站下達的調度指令，實現對低壓監控站內電力設備的實時監控與自動化控制。為確保遠動系統可靠穩定運行，低壓監控站遠動設備STU同時具有故障錄波功能。STU與RTU結構類似，但不具備高壓監控功能。

該工程中，低壓監控站遠動設備設置在室內運行，通過通信線路與STU設備連接，有效保障了遠動設備運行的穩定性。

2.3 遠動通道

考慮到高速鐵路對電力系統的安全性可靠性要求。電力系統遠動通道以鐵路生產網通道為載體。被動站采集的狀態數據經配電站生產網接入，通過高速鐵路配電所生產網匯入調度站通信網絡，與調度站接口機連接，由接口機接收并預處理數據后存儲于數據庫中。為實現遠動通道統一規劃建設，被動站終端設備的IP地址按調度站規定的統一標準分配網段，并加強網絡通信隔離，以防止因網絡通信故障而影響全線電力系統。

通過遠動通道建設，被動站與調度站之間的通信能力顯著增強，通信網絡可滿足電力遠動實時監測和控制的要求，且遠動數據接入生產網后對現有的生產網承載業務無影響，這也降低了遠動系統組網和維護的建設成本，避免了重復建設，縮減了項目建設周期。

2.4 視頻監控系統

為實現高速鐵路電力系統直觀化管理和動態監測，遠動系統配套建設了視頻監控系統。其主要實現現場狀態實時監測，配合遠動系統采集狀態信息，為故障分析、指令下達、反饋確認提供依據，并為高速鐵路電力系統被動站無人值守創造有利條件，大大提高了電力系統的運營管理水平。

視頻監控系統采用“1+N”建設模式。“1”為調度站大屏，可按需放大配電所、開關站、低壓監控站監控畫面。“N”為各被動站監控設備，由配電所、開關站、低壓監控站視頻監控設備、云臺等組成。各被動站現場監控畫面由本地采集存儲并實時上傳至調度站，調度站內設有監控錄像存儲硬盤陣列，用于存儲各被動站歷史監控錄像。視頻監控系統具備遠程云臺操作、語音對講等功能，可配合遠動系統進行電力系統操作、故障排查和恢復等。

隨著高速鐵路線路的不斷增加，生產網承載的業務數據不斷增多，而線路擴容成本偏高，不能滿足電力視頻監控系統的建設要求。根據視頻監控數據帶寬測算，單個視頻監控系統所需的帶寬至少要1.5M才能滿足穩定傳輸要求。但當監控設備增加時，視頻質量將受到顯著影響，并將影響其他生產網的業務通信。考慮到該問題，可合并入高速鐵路牽引供電遠動視頻監控數據通信線路，與牽引供電遠動視頻監控數據一同接入，這也能有效降低通信線路重復建設的費用。

2.5 抗干擾設計

電力系統遠動裝置受回路內電氣設備操作、雷電引起的浪涌電流、電氣設備周圍電場、電磁波敷設和配電線路等因素影響會產生電磁干擾作用，主要包括電容性耦合干擾、電感性耦合干擾、共組抗耦合干擾、輻射耦合干擾等，這可能會造成遠動設備運行不穩定、采集數據精度下降、元器件損壞、輸入通道干擾誤動、死機等問題，可能會影響高速鐵路電力系統遠動裝置的穩定可靠運行，并可能直接威脅到電力系統的安全運行。針對這一問題，可采取屏蔽措施、系統接地設計、采用低通濾波器和數據收集抗干擾設計等措施，以確保遠動裝置安全穩定運行。

（1）屏蔽措施。高壓設備與遠動設備之間采用帶有屏蔽層的電纜，電纜鋼鎧兩端接地，減少高壓設備耦合感應電壓對遠動設備的影響。配電所、開關站和低壓監控站電力設備選擇時，優先選擇帶有屏蔽層的互感器，有利于防止高頻干擾影響遠動設備。遠動設備在輸出端接耐高壓電容，可有效抑制外部高頻干擾。

（2）系統接地。系統接地是降低外部環境干擾的重要措施。開關柜一次系統接地和二次接地應可靠牢固。電力設備接地線路與接地母線通過接地扁鐵和接地極連接，以降低接地網中瞬變電位差并降低對遠動設備的干擾。遠動設備接地時，STU、RTU設備電源接地和數字接地不與設備外殼相連，以減少電源線與設備外殼的分布電容并提高設備抗干擾能力。

（3）采用低通濾波器。電力系統遠動數據采集精度是遠動控制的基礎，在受到干擾信號的情況下，數據采集信號可能出現誤差增大、失真、控制狀態失靈、數據變化等異常。為降低干擾作用，可采用低通濾波去掉高次諧波。當濾波電路出現較大電流時，可采用小電容和允許最大電感等措施構成濾波網絡。當電磁干擾嚴重時，可采用電容和非線性電阻組成并聯浪涌吸收器抑制暫態干擾。

（4）數據收集抗干擾設計。數據采集抗干擾設計時，RTU、STU應優先選擇抗干擾性能強的設備，采用直流電源供電，以提高終端設備的抗干擾能力。合閘回路電源采用110V或220V供電，并加入適當的限流電阻，可有效防止遙信回路產生干擾信號的影響。

3 高速鐵路電力系統遠動技術具體應用

通過電力系統遠動技術應用，可實現電力系統監控、指令操作、視頻監控等基本功能，并能夠為故障分析和判斷預測提供依據。

3.1 基本功能

在高速鐵路電力系統中，遠動技術應用可實現的主要功能和作用如下：

（1）監控與控制功能。主要包括被動站電力線路和電力設備狀態信息采集、事件記錄（如斷路器跳合閘和保護動作順序記錄等）、故障記錄、故障錄波、故障測距等。能夠根據調度管理要求，對沿線電力線路斷路器和中繼站負荷開關進行分合閘控制。待操作指令下達后，調度站操作人員可根據設備狀態信息判斷指令是否成功并對設備本身狀態進行監控。

（2）借助視頻監控系統和人機交互，增強了調度站和被動站之間的聯系，提高了信息傳遞的準確性、及時性。

（3）數據處理和記錄功能。電力系統運行操作記錄均實時采集，存儲于調度站數據庫內，可根據需求查詢、調用、分析和處理歷史數據，可為電力系統管理優化和故障分析提供可靠依據。

（4）諧波分析和監視功能。針對諧波污染較為嚴重的配電所電源采取了適當的抑制措施，降低了諧波含量，保障了高速鐵路電力系統變配電供給質量，確保了電力系統和信號設備的安全運行。

3.2 故障分析定位功能

長期以來，受限于電力系統設備狀態數據收集不全面、不完整等因素，數據的分析利用價值偏低。借助遠動技術，將配電所、開關站、低壓監控站數據匯總于調度站，在提高電力系統自動化控制水平的同時，為電力系統故障診斷和預測提供可靠依據。

（1）故障診斷。通過采用行波故障測距技術，當線路出現故障時，根據故障點線路兩端運動電壓和電流行波的虛擬電源，通過測算行波傳播速度和行波達到對端的時間差，可計算得出故障點的位置，以此為高速鐵路故障判斷提供依據。

（2）故障預測。基于高鐵電力系統遠動歷史數據和常見故障問題及故障原因，采用神經網絡算法進行故障預測及分析，建立電力設備線路故障分析模型。通過分析電力設備故障類型、故障周期等因素，制定電力系統電力設備預防性維護計劃和檢修維護計劃，能夠有效提高高速鐵路電力系統維護檢修決策的科學性，也能夠有效提高高速鐵路電力系統運行的可靠性。

4 結論

在新時期背景下，隨著我國高速鐵路基礎建設快速發展，電力系統的穩定可靠運行要求不斷提高，遠動技術的應用實現了信息技術與電力系統的有機結合，提高了電力系統的自動化智能化控制水平，有力保障了我國高速鐵路的安全運行。