基于高速鐵路牽引變電站電力監控系統運行安全防護研究

中鐵建華南建設有限公司 邵 翔

高鐵主要以電能為動力，具有速度快、牽引力強等特點。高速鐵路牽引變電站是高速鐵路供電與供電之間的紐帶與轉換節點，是高速鐵路最大的供電功率源泉，其對于確保高速鐵路的安全、可靠、經濟運行具有重要意義。電力網絡監控系統是變電站運行期間的神經和控制中心。鐵路牽引變電所作為一種封閉式工業控制系統，其對供電可靠性和穩定性的要求也使得監控系統的安全防護技術難以廣泛應用，存在著安全隱患。鐵路牽引變電所一旦受到網絡攻擊，不僅會造成供電中斷，而且會影響到鐵路交通的正常運行，嚴重時還會引發安全事故。

1 安全防護現狀

近年來，隨著高速鐵路的迅速發展，大量的電力牽引變電所應運而生。截至2018年年底，國內牽引變電站數量已經超過1300座，主要分布在華中地區、華北地區及西北地區，約占總數量的70%。高速鐵路牽引變電所的電壓等級覆蓋35～500kV，構成了以110～220kV為骨干的鐵路供電力系統絡。

1.1 監控系統構成

高速鐵路牽引變電所承擔著高壓27.5kV/55kV的變換工作，并承擔著高鐵上下兩根饋線的供電工作。監控系統通常采用計算機、通信、控制、繼電保護等技術，利用數字采集和網絡通信的方法，來完成對重要的電氣設備的保護、控制、計量、監測等功能。目前，我國鐵路客運專線的調度控制體系主要是由調度層、通信層、間隔層三個層次組成。

在這些設施當中，站控層的設備是按照工程的需要來進行配置的，其可幫助運行值班人員對變電站進行監視、控制和管理。所述通訊層由遠動通訊設備、維管通訊設備、通用通訊設備等組成，并為通訊設備內部和外部的聯接，其還是各種保護設備、測控設備和其他智能設備的通訊與數據處理的重要組成部分；間隔層主要完成了變壓器、饋線等現場高壓設備的保護、測量、監視、控制和通信功能，還可實現重合閘、故障定位、故障錄波等功能[1]，其包括保護設備、測控設備、安全自動設備、故障記錄設備、電能采集設備和標準轉換設備等。

1.2 通信連接

按照《鐵路電力牽引供電設計規范》等相關規定，牽引變電站一般都是與城市軌道運輸和當地電力系統進行通信連接的，所以有必要對牽引變電站的建設進行深入地探討。鐵路牽引變電所和電力供應、調度系統之間，一般都是通過鐵路專用通信網絡進行數據通訊。按照其之間的相互聯系，鐵路電力供應管理系統可以劃分為鐵路總線、鐵路局和區線三個層級。

從牽引變電所發出的遠動信號經鐵路專用通信網絡傳輸到鐵路總公司及上級鐵路局。其中，我國鐵路總公司承擔著對全國各地牽引變電站的監督管理，對其所轄各鐵路局的電力供應計劃進行統籌、指揮。鐵道部門負責對轄區內的全部牽引變電站實施遠距離監測、控制與管理。鐵路局在其管轄范圍內的每個供電區段都設立了監控站，主要是為了監控牽引變電所的運行狀況。

在一般情況下，鐵路牽引變電站和地方電力系統調度系統是一種單向的通訊方式，在地方電力系統調度部門的要求下，鐵路牽引變電站將遙測、遙信信號上載，而電力系統調度部門一般不會向鐵路牽引變電站發送遠程指令[2]。

其通信模式一般有三種模式。在電力系統調度的基礎上，利用基站中的通訊管理設備，利用交換設備和路由器對電力系統進行接入；在供電線路上，通訊管理器利用串行接口對PCM進行存取，并把PCM數據轉化為光纖光傳輸給調度主站；利用無線通信技術，經過一個安全的接入區與電力系統的調度系統相連接。在牽引變電所中，通過對變電所進行的無線通信，通過對變電所中的變電所進行的逆向隔離，使變電所中的變電所與變電所中的變電所連接。在具體的實施過程中，以調度型數據網絡為主，而無線接入模式還處在設計階段。

2 高速鐵路牽引變電站電力監控系統設計中存在的問題

2.1 專業接口問題

綜合視頻監控系統的接口：當前，國內對鐵路旅客運輸安全監控系統的研究，均圍繞著通訊方面進行的。但是，通訊專業在挑選攝像頭時，往往會因為攝像頭型號的不同而不能較好地適應現場的環境，所以工作人員并不能通過攝像頭準確地判斷出這臺機器的狀態[3]。除此之外，就算是在安全區內，也有一些盲區，再加上視頻監控和安全監控無法與防盜門和火警系統相連，所以很難在第一時間得到預警。

氣體滅火控制系統的接口：一般來說，牽引變電站的燃氣滅火裝置是暖通專業設計的重點，其相關的控制工作是由電氣部分來完成的，因而有必要在牽引變電所的主控室內安裝火警探測器。目前，消防安全監測與消防安全監測各自獨立，不能構成統一的系統，該現狀不符合變電設計規范中的規定的。這在變電設計規范和火災自動報警設計規范中均有闡述，但在實際應用中存在一些問題。

2.2 設備選型問題

近年來，伴隨著高鐵的快速發展，部分牽引變電站由于土地利用等因素，已經出現了全室內布局的情況，使得電纜夾層、豎井等平常交少使用的布局方式得以大量使用。但目前火力發電廠和變電站設計防火規范對火警檢測器的選用，常規的溫度檢測和煙霧檢測方法已不能滿足要求。而且，近年來一些大型變電站的建設，對消防探測器的需求也是越來越大，但以當前的環境監測設備水平，開路接口的供應遠遠不夠。這也導致了一旦發生火災，這就很難找到準確的位置。

3 高速鐵路的負序電流對電力系統的影響

對發電機的影響：高速列車在運行過程中可能會引起機組的額外損失、提高機組的溫度、增大機組的振動。當負序電流流經定子繞組時，就形成了負序轉動磁場，其轉速和轉子轉速相同，會在轉子勵磁線圈、阻尼線圈及轉子本體中感應出2FO的電動勢，進而導致渦流發熱和損耗。由于負序旋轉磁場產生的電流頻率較高，而且趨膚效應也較為嚴重，因此有可能會造成局部的高溫，從而使金屬的機械強度和絕緣性能下降，這在需要牽引應力較大的護環部位，會造成嚴重的后果。

對電動機的影響：在異步電機中，正序電壓產生正序電流，順序電磁轉矩；負序電壓產生負序電流，逆序電磁轉矩。在異步電動機上施加較小的負序電壓，將會造成較大的負序電流和負序逆轉電磁轉矩，這會對異步電動機的效率和安全可靠運行造成影響，還會引起電動機的額外發熱，嚴重時還會把電動機燒毀。

對送電線路的影響：負序電流在輸變電線路上運行時，其負序功率基本不做功，使得輸變電線路上出現了大量的有損，造成了網損的增加，并進一步降低了輸變電線路的運量；對電力變壓器的影響：負序電流會引起三相間電流的不均衡，使其中一個相間的電流達到最大，從而使變壓器的額定功率得不到最大，從而使變壓器的容量下降。另外，在鐵心磁路中也會引起額外的電磁損失和額外的發熱。

對繼電保護裝置的影響：在電力系統中，由于所使用的是負序的繼電保護，因而容易出現故障。例如，當負序電流較大時，傳統的距離保護就會進入閉鎖，并在一定的時間將其迅速地退出。在鐵負序出現后，若在該時刻出現振蕩，將導致距離保護誤動。因此，要解決這一問題，必須提高繼電器設備的設計復雜性，并降低其可靠性。

4 高速鐵路牽引變電站電力監控系統運行安全防護對策

4.1 網絡專用與安全加密

在此基礎上，根據“網絡專用”的原則，將牽引變電站與鐵路及地方供電調度系統進行了通信聯接，牽引變電所應當進行獨立的配置，并將遙測遙信等信息分別傳輸給鐵路、電力兩個部門，從而避免因共用同一遠程通訊管理裝置而受到“串網病毒”等病毒的攻擊。為避免因傳輸通信信息被外部監聽或被修改，導致牽引變電所一次裝置的權限被濫用，在與外部網絡的垂直通信中，添加了密碼、身份驗證、存取控制等多項功能。在與鐵路供配電系統通信時，可對其端口及IP地址進行安全保護。經調度數據網絡接入電力調度系統時，需配置專門的電源縱長密碼驗證設備，這樣，傳輸數據就可以被更好地進行加密。

4.2 基于白名單的訪問控制策略

“白名單”存取控制則是指在“白名單”之內的信息可以被默認。這種“白名單”的管理方法能夠有效地阻止非法使用者的訪問。在站控層的網絡通訊中，常見的一種方法是將終端的IP地址和主機地址之間的對應關系進行綁定，將源主機地址、源IP地址、目標IP地址和目標端口號碼設定為白名單。當這些條件都符合時，數據包就會被成功地傳輸出去，并進入下一階段。然后，給出了一種以IP地址、源IP地址、目標IP地址，以及目標端口號碼為核心的“白名單”接入機制。

4.3 牽引變電所的換相連接

在電氣化鐵道、城市軌道交通和軌道交通三個區段中，當多個牽引變電所同時供電時，多個牽引變電所產生的總負序電流與多個牽引變電所之間的相序關系密切。為降低電力系統非對稱性，常采用相序輪換接線方式，即換相接線方式。換相連接指的是將各個牽引變電所的變壓器與電力系統的不同相進行輪換，其目標是將電鐵單相負載反映到電力系統中，盡量達到三相負載對稱。無論對單相接線，還是v/v接線及Y/△三相接線的牽引變電所，均可采用這種方法。

4.4 網絡安全加固

網絡安全是計算機網絡安全的主要組成部分。在網絡層、主機層和應用層三個方面，進行了安全加固，進而有效滿足業務需要。電力監控系統的安全強化主要有以下兩方面：一是加強安全配置，二是修補安全漏洞。安全漏洞加固一般利用專門的工控系統漏洞掃描工具，對業務系統進行漏洞掃描，并對其中的中高危漏洞，并對漏洞進行了補丁的升級和相應的端口的關閉。

4.5 采用三相/兩相平衡牽引變壓器

均衡牽引變壓器的特征是：在牽引變電所兩端的牽引負載相等時，在電網中體現為三相對稱，在理想條件下，利用這兩種類型的牽引變壓器，可以極大地降低電網中的電氣負載對電網的負序作用。

4.6 對諧波電流和無功電力加強就地補償

無功補償可以根據機車負載的變化進行調節，使機車始終處于高功率因數狀態；通過對接觸網損耗的分析，降低了接觸網電流。接觸網電壓損失相應降低，機車電壓質量得到改善；流入接觸網的諧波電流很少，從而降低了系統諧波的影響。

4.7 增強運行過程監控力度

要加強對員工的管理以及監督，如果高速鐵路牽引變電站電力監控系統運行出現了問題，要及時改正，避免以后在相同的事情上再犯錯誤，從而造成不必要的損失。同時，加大考核力度，定期或不定期地對員工進行考核，確保工作人員在工作中不會懈怠，以嚴格的標準要求自己。在出現問題的時候，要保證問題的順利解決，要盡可能地將損失降到最低，要對問題的責任人進行問責，提高技術人員的警覺性和工作的嚴肅性，這些都是保證安全防護的重要措施。

5 結語

綜上所述，高速鐵路綜合安全監控系統可以對現場的運行狀況進行及時、有效地監控，從而達到提前預警和精確地定位報警的目的，并與移動網絡相結合，同時可將告警信息及時發送給相關專職管理人員，從而提升檢修效率，防止安全隱患和安全事故的發生，確保系統的安全運行。將一體化安全監測和自動化控制進行相互補充，這樣才能更好地服務于變電所的安全生產。