智能化控制技術在鐵路電力工程建設中的應用研究

李 楊

（中鐵二十五局集團電務工程有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

鐵路電力工程建設是鐵路建設的重要組成部分，直接關乎到鐵路運營的安全性與可靠性，主要包括變電所、配電所、電力遠動系統、架空電力線路、電纜線路、低壓配電、電氣照明、機電設備監控、防雷接地等方面。隨著鐵路運能的不斷提升，對鐵路電氣化水平也提出了更高的要求。傳統的鐵路電氣化建設存在一定的問題，如配電系統結構復雜、遠動系統對線路狀態監測不足、照明系統缺乏精細化智能控制等。這些問題的存在限制了鐵路電氣化水平的進一步提升。應用智能化控制技術對鐵路電氣化系統進行升級是當前鐵路電氣化建設面臨的重要課題。

1 智能化控制的關鍵技術

1.1 人工智能技術

人工智能技術是實現智能化控制的核心技術之一。它通過模擬、延伸和擴展人的智能，使機器具有獨立分析和解決問題的能力。當前，人工智能技術在智能識別、語音處理、專家系統、機器學習等方面取得了長足發展，為智能化控制提供了算法支持。例如，計算機視覺技術可以對圖像和視頻進行高效識別與處理，實現對物體、人臉、場景等的智能識別，可用于鐵路電力設備的狀況監測；語音識別和合成技術可實現人機交互，輔助運維工作；專家系統可以聯網獲取大量知識，進行智能決策；而神經網絡、支持向量機等機器學習算法可以從大數據中自動提取知識模型，實現對系統狀態的預測和評估。這些技術為鐵路電力系統的狀態檢測、故障預測、輔助決策提供了可能。計算機視覺技術中的卷積神經網絡在圖像處理方面展現出色的特征提取和分類能力。如YOLO V3 模型的圖像處理速度可達45 張/s，準確率高達78.6%。而循環神經網絡和注意力機制在語音識別領域也取得長足進展，識別準確率達到90%以上，可實現人機自然交互。另外，基于深度學習的強化學習算法實現了連續空間中復雜控制任務的自動學習，如無人駕駛技術，為智能化設備的閉環控制提供了可能[1]。在預測方面，使用長短期記憶（Long Short-Term Memory，LSTM）等網絡的時間序列分析可實現對設備健康狀態的預測，準確率達到80%以上。當前人工智能技術的能力已經足以支撐鐵路電力領域智能化控制的實現，但也需要考慮算法的解釋性和可靠性等問題，以實現安全可控的智能化。

1.2 PLC 控制技術

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）由中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、存儲器、輸入/輸出接口模塊、電源模塊等組成，通過輸入/輸出接口與被控對象連接，按照用戶編寫的控制邏輯程序，實時采集現場數據并對過程實現閉環控制。相比傳統的繼電器控制，PLC 控制具有編程靈活、抗干擾能力強、可靠性高等優點，原理如圖1所示。

圖1 PLC 控制技術的原理

PLC 系統的核心是CPU，它的處理能力直接決定了系統的控制性能。目前的高端PLC 處理器運算速度可以達到納秒級，并配備32 位或64 位的高速處理器，支持多任務多線程處理，充分保證控制和通信的實時性。存儲系統采用非易失性存儲器，即斷電后也不丟失用戶程序，有利于長期穩定運行。PLC 的模擬量輸入分辨率可以達到16 位，精度高達0.025%；數字量輸入響應時間僅有幾毫秒，完全滿足對快速變化信號的捕捉要求。PLC 輸出端支持脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）控制，可以對交流負載進行平滑調節。通信接口多采用以太網或現場總線等工業通信協議，實時的數據交換確保各控制單元的協調運作。PLC 編程語言經歷了梯形圖到功能塊再到面向對象的發展，編程效率大幅提高。用戶可以利用集成的開發環境，通過簡單的圖形編程實現復雜的邏輯和算法。程序在線修改功能實現了對控制邏輯的動態調整。利用順序功能圖（Sequential Function Chart，SFC）編程，可直觀表達步驟控制流程。面向對象的編程方式支持代碼模塊化和重用，大幅提高了開發和維護的效率。開放式PLC 使各種智能終端能夠接入控制系統，實現信息的數據采集、統計、分析和遠程控制。PLC 技術在鐵路電力工程中的應用十分廣泛，高速鐵路牽引變電所、受電弓控制、無人值守變電所等對控制可靠性的要求極高，都需要利用PLC 實現關鍵控制功能。與分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）或遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）等其他控制系統相比，PLC 價格經濟，編程靈活，能更好地滿足鐵路電氣化系統的分散控制需求。智能化PLC 控制技術的發展，將大大提升鐵路電氣化控制的自動化水平[2]。

1.3 物聯網技術

物聯網是指各種傳感設備、執行設備以及計算處理設備通過網絡實現連接和通信，實現對各種物理對象感知、監控與管理的技術。物聯網的核心要素包括感知層、網絡層、應用層3 層架構。感知層通過各類傳感器、二維碼、全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、攝像頭、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）等設備收集對象和環境的信息；網絡層實現將各種終端節點與計算平臺連接在一起，通常采用無線網絡技術，如4G、5G、基于蜂窩的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、ZigBee 等；應用層則在感知層和網絡層之上實現對數據的處理與應用服務。物聯網技術的優勢在于實時性、可擴展性以及智能化決策。隨著5G 和互聯網協議第6 版（Internet Protocol Version 6，IPv6）的應用，到2025 年，全球物聯網連接數有望達到500 億。物聯網技術可廣泛應用于智慧城市、工業制造、精準農業、智能家居、智能醫療等領域。在鐵路電力工程中，物聯網可用于電力設施的狀態監測，實現對電網運行狀態的實時掌握，并進行故障預測和智能化維護，大大提高電網的安全性和可靠性[3]。例如，通過在電線桿上安裝溫度、濕度傳感器，并通過NBIoT 網絡實現遠程連接，就可以實時監測電線桿的運行狀態，預測故障風險。

1.4 大數據分析技術

大數據通常指數據量巨大且類型多樣，在一定時間范圍內捕獲、管理和處理的數據集合。大數據具有容量大、種類多樣、價值密度低等特征。鐵路運營會產生海量的結構化和非結構化數據，包括列車運行數據、設備狀態監測數據、視頻監控數據等。利用大數據分析技術可以深入挖掘這些數據的價值，實現對鐵路系統的精細化管理。大數據的獲取主要依賴物聯網傳感設備。這些設備將監測數據實時傳輸給中央數據服務器。數據收集后，需要依靠大數據存儲和管理系統實現數據的持久化存儲，常用的存儲方案包括分布式文件系統（Hadoop Distributed File System，HDFS）、HBase 等。以HDFS 為例，它采用分布式文件系統，通過數據塊備份實現高容錯性，單集群節點數量可達數千個，單文件最大可支持數PB 容量。存儲完畢后，需要使用大數據計算引擎對數據集進行分析處理。如MapReduce 可實現分布式并行計算，Spark 則支持實時流計算。常用的分析算法有支持向量機（Support Vector Machine，SVM）、隨機森林等機器學習算法，可以實現故障預測、態勢評估等。通過數據可視化工具將分析結果用報表、圖表等直觀的方式展示給業務人員或決策者。大數據分析在鐵路智能化監控方面發揮著重要作用，能實現對系統的全面洞察，進行風險評估和事故預警，助力鐵路部門實施精細化、智能化的維護保養，以確保鐵路系統安全、可靠、高效運行。

1.5 無線通信技術

在鐵路電力工程領域，新一代無線通信技術以其高速率、低時延和高可靠性，為實現設備和系統之間的無線互聯提供了可能。例如，采用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）調制、時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）模式和先進編碼調制技術的長期演進（Long Term Evolution，LTE）在高鐵無線通信系統中得到成功應用。與3G 相比，基于LTE 的高鐵通信系統最大下行速率可達100 Mb/s，峰值數據速率更高達300 Mb/s，可為高鐵無線通信提供穩定的大容量傳輸。隨著5G 新空口技術的推出，其在高鐵和城市軌道交通領域的部署將大幅提升無線通信性能。例如，基于5G 新空口的鐵路專網可實現1 Gb/s 的高峰值速率、小于1 ms 的超低時延，有望支持軌道交通的自動遙控和智能調度等應用。這些技術支持網絡自組織、時隙同步、頻跳隨機化等機制，使無線設備組網更加方便，也增強了抗干擾能力。

2 智能化控制技術在鐵路電力工程建設中的應用

2.1 智能化控制技術在變電所中的應用

變電所作為鐵路電力供應的核心環節，其智能化水平直接影響著電力系統的經濟性和可靠性。變電所智能化主要包括二次設備的自動監控、變壓器的智能控制、開關設備的遙控遙調、保護裝置的數字化、無人值守運行等方面[4]。在變電所建設中廣泛應用數字化繼電保護、微機保護裝置以及標準化開閉操作機構，可以實現對主要設備的智能監測和保護，大大提高了變電所的可靠性和安全性。采用分布式計算機監控系統，構建站域網絡，實現了對變電所內所有二次設備的集中監控。操作人員可以在主站監視各種參數，并可以遠程控制開關設備，實現無人值守運行。變壓器作為變電所的核心設備，其安全穩定運行對電力系統至關重要。應用智能電器傳感器，可以在線監測變壓器的溫度、質量、振動、噪音等參數。一旦監測到異常，可以快速定位故障部位，進行狀態評估，并通過專家系統得出處理建議。這可以實現變壓器的線上監測與智能診斷，預測變壓器故障，進行科學維護，提高運行可靠性。例如，在超高壓變電所中廣泛使用了光纖傳感器，實時監測1 000 MVA 級主變的各項運行參數。變電所的遙控系統采用國際標準化的通信協議，實現了對開關設備的遠程遙控。配電室值班人員可以在遠端通過人機界面下達操作指令，完成閉鎖操作，不僅提高了操作的靈活性，也有效減少了人為操作錯誤。

2.2 智能化控制技術在遠動系統中的應用

鐵路電力遠動系統由現場信息轉換與控制機構、遠動終端RTU、通信信道和調度端等組成。智能化控制技術的應用，極大提高了鐵路電力遠動系統的可靠性、實時性以及經濟性。在現場信息采集方面，傳統的電壓互感器和電流互感器逐漸被電子互感器替代，測量精度由0.2 級提高到0.1 級，同時還實現了數字輸出；RTU 端的采樣從軟件采樣發展到硬件采樣，采樣速率達到了每路20 000 次/s，大大提高了測量精度。通信方面，現場總線技術實現了現場數據高速、高可靠的采集，傳輸距離達到10 km，速率高達10 Mb/s；遠程通信在普通電話線的基礎上發展到微波、光纖通信，甚至衛星通信和移動通信，通信距離不再受限制，通信速率達到了Mb/s 級別。與此同時，遠動終端的處理能力也在不斷提高，從早期的8 位單片機發展到現在的32 位數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）和ARM 處理器，大幅提升了遠動系統的智能化水平。在遠動智能化控制方面，傳統的單項控制逐步向系統集中聯鎖控制發展，實現了子站間的相互制約和保護，避免了誤操作。另外，變電站智能化水平不斷提高，開關設備帶動諸如距離保護、自動調壓和故障指示等自動裝置的動作，做到無人值守運行。精確的狀態檢測技術可以實現對電力設備的在線監測，預測設備故障。

2.3 智能化控制技術在照明系統中的應用

智能化控制可以實現鐵路電力照明系統的智能控制和遠程監控，不僅提高了鐵路運營的安全性和可靠性，也極大提升了鐵路電力照明系統的經濟性和環境適應性。應用智能化控制技術的智能照明控制系統，能夠根據環境光線變化和時間變化，自動調節照明燈具的亮度或進行照明模式切換，實現節能控制[5]。系統通過分布于關鍵位置的智能照明探測器，可以檢測環境光照強度和鐵路運行狀態信息，并將數據反饋到車站控制中心或變電所的照明控制設備，根據預設的控制邏輯和算法，自動輸出控制命令，驅動發光二極管（Light Emitting Diode，LED）等節能燈具按需調光或開關。這樣不僅可以保證場站及線路具有符合標準和需求的照度水平，還可以實現30%以上的節能效果。與傳統的簡單定時或手動控制相比，智能照明控制系統可以精確匹配鐵路運營的實際需求情況，大幅提高鐵路電力照明的經濟效益。同時，車站控制中心和變電所可以通過廣域網遠程監控各個照明探測器的參數和運行狀態，實現對全網照明設備和系統的集中監控管理，及時發現設備故障并快速響應。此外，還可以通過照度采集裝置獲取車站或區間的實時照度數據，輔助系統優化控制策略。

3 結 論

隨著鐵路電氣化和智能化的不斷發展，智能化控制技術在鐵路電力工程建設中的應用越來越廣泛。智能化控制可以實現設備和系統的精確控制、實時監測以及故障預警，大大提高了鐵路供電系統的可靠性、安全性以及經濟性。為進一步發揮智能化控制技術的優勢，鐵路部門應該繼續加大技術研發和系統應用力度，開發適用于鐵路環境的關鍵技術與裝備，建立智能化的監測、控制和管理體系。這將極大地推動我國鐵路電氣化水平的提升，使鐵路運輸更加安全便捷。