鐵路智能電力供電系統設計與應用

蘆未末，王林濤，楊翰超

0 引言

鐵路電力供電系統是鐵路正常運行的重要保障，其運行品質直接關系鐵路運行的可靠性、安全性[1]。目前的鐵路電力供配電系統的供電網絡模式已經較為成熟可靠，但尚未形成系統性的運營維護管理體系模式，僅有零散的一些智能化監測技術在一些項目上進行應用和創新，無法實現標準統一和數據共享[2]，鐵路電力系統的智能運維的發展仍處于起步階段。除此之外，傳統的鐵路電力運營維護還存在著在故障發生后切除故障、人工排除故障，不能在事故發生前提前感知，故障分析過于依賴人工經驗等問題。通過智能化監測技術和分析判斷解決電力系統運行過程中的各類故障，以便高效實時處理故障并及時恢復電力供電，保證鐵路安全運行的需求日益迫切[3]。

隨著科技的進步和技術的不斷發展，鐵路電力供電系統現場無人化、智能化的運行維護管理模式是必然的發展方向[4]。本文以靖邊至神木集運鐵路（以下簡稱靖神鐵路）為例，對鐵路智能電力供電系統的設計方案進行介紹，為智能技術在鐵路電力供電系統中的推廣應用提供思路和借鑒。

1 系統概況

1.1 線路情況

靖神鐵路西起蒙華鐵路靖邊北站，東至包西鐵路神木西站，正線全長232 km，本線為單線鐵路，局部雙線。線路所在區域屬中溫帶大陸性干旱、半干旱氣候區，冬季漫長嚴寒，夏季短暫干熱，春秋多風沙，具有干燥少雨、多風、晝夜溫差變化較大、降雨量少、空氣干燥等特點。

1.2 電力系統設計

靖神鐵路電力系統供電電壓為35 kV，全線共設有小保當、孟家灣、大海則、白城河、古水、黃蒿界6座35 kV配電所。全線正線設1條35 kV綜合負荷電力貫通線路，局部區段設第2路35 kV電力貫通線路，采用架空和電纜混合設置方式，為沿線各車站及區間負荷提供電源。

各車站信號樓設35/0.4 kV通信信號專用箱變，電源由35 kV電力貫通線接引。車站內的綜合負荷由室內變電所或箱變供電，電源引自配電所35 kV站饋線或電力貫通線。區間負荷由貫通線接引一路電源，設桿架式變電臺供電。

1.3 智能技術方案

針對靖神鐵路電力高壓設備多、區間架空線路長、運營維護難度高等特點，全線采用智能電力供電系統設計：在配電所、變電所、箱式變電站、區間貫通線、區間變電臺等重要電力設施處安裝故障在線測量終端，在線采集各類電氣運行參數，并將監測信息實時發送到云服務平臺，通過Internet和3G/4G移動通信技術，將故障信息和分析信息實時推送到運維人員的桌面電腦、智能移動終端上。同時，通過對智能保護系統、智能開關柜技術、高級應用軟件的研究，實現對配電所開關設備的全方位監測和保護。

1.4 技術原理

鐵路智能電力供電系統研究從電力智能運維管理系統技術、智能化配電所技術入手。一方面，利用物聯網、大數據、云平臺等技術，將各監測子系統實現一體化集成，形成新一代全生命周期鐵路電力運營維護管理信息化系統，可以實現對鐵路貫通線路及沿線變配電所電力設備的全覆蓋監測，利用 GPRS移動網絡通道將各類監測數據送至云平臺數據中心進行實時分析；另一方面，利用先進成熟的真空斷路器技術和傳感器技術，將測量、控制、監測、顯示等功能統一規劃和集成，通過DL/T 860標準數據傳輸，實現在線監測、實時診斷及告警等功能。

2 鐵路電力智能運維管理系統

2.1 研究背景

鐵路電力供配電系統的設備監測手段較多，大量的監測數據為鐵路的運營維護管理提供了有效的決策支撐，也提升了電力設備的智能化和自動化水平。但由于沒有統一的信息化建設標準、一體化共享的信息平臺，以及信息化實現技術先進性不同等原因，存在許多智能化的監測設備重復配置、標準不統一且不能數據共享，各智能監測子系統相互孤立形成信息孤島等問題，進而造成鐵路運維服務的數據綜合應用難以展開，在信息化技術高速發展的環境下，已無法滿足鐵路快速發展的需要[5]。

2.2 系統方案

2.2.1 系統結構

鐵路電力智能運維管理系統包括變電所數據采集系統、移動物聯網通信系統和云平臺軟件系統、WEB應用和移動APP等子系統，主要由站端、云端、終端三部分組成。系統構成詳見圖1。

圖1 系統構成

2.2.2 站端設備

站端設備主要為硬件設備，由就地設置于變、配電所，箱式變電站，區間貫通線，區間變電臺等重要電力設施處的電氣監測模塊和配套的通信管理單元組成。

各監測模塊的測量單元采集各類電氣運行參數，并通過 RS485總線接入到通信管理單元。通信管理單元提供GPRS和WIFI通信接口，可上送采集數據到云端。本項目的站端設備包含以下幾類監測裝置：

（1）架空線故障監測裝置：在區間架空線路上安裝的架空暫態特征型遠傳故障指示器，由采集單元和匯集單元組成。當線路發生接地故障時，具有較為準確的故障定位功能，縮短故障查找時間。

（2）智能變臺監測裝置：設置于全線區間桿式變電臺處，實現各低壓出線開關單/三相電壓、電流、功率實時監測與控制，可與電流互感器配套使用，實現單/三相電壓、電流及功率的全面監測功能。該裝置包括監控模塊和通信模塊，集測量、通信功能于一體，同時具備電能質量監測、有效值錄波、數據轉發等功能。

（3）開關柜局部放電監測裝置：設置于配電所高壓開關柜，可監測主絕緣材料故障、絕緣材料表面及空氣介質故障所激發的超聲波信號；監測接觸不良或過載引起的溫度過高；監測絕緣材料污穢引起的表面爬電、閃絡等。

（4）接地電阻在線監測系統：設置于信號樓、配電所等接地要求較高的場所，采用多點監測， 在線監測接地裝置、接地點的接地電阻值大小，實時傳送接地電阻值至監控終端，確保接地系統良好、設備安全運行。

（5）開關柜電氣接點測溫裝置：設置于變、配電所和箱變的高壓柜，利用光纖測溫原理，將發射模塊固定在母排等部位的中心線上，用于開關柜斷路器動/靜觸頭、電纜接頭、隔離刀閘連接處、母排連接處等部位的溫度監測。

2.2.3 云端平臺

系統的云端為部署在云服務器上的系統應用服務和數據服務軟件，提供了整套應用和數據分析平臺，包括數據采集存儲、監視告警、運行分析、設備管理、運維管理等一系列功能。云平臺配置了WEB服務器作為終端用戶的訪問入口，采用基于阿里云ECS云服務器和RDS云數據庫系統，具有安全可靠的基礎硬件、軟件設施保障。

本項目在孟家灣電力調度中心設置電力智能運維主站，硬件設備包括并行運行的2套運維管理工作站，管理和調度整個系統運行；2套系統服務器及1臺web服務器；1套文檔管理工作站，用于調度員日常工作報表及文檔的制作及管理；1套打印機；1套GPS，接收衛星的精確對時；1套不間斷電源UPS，為計算機系統供電。

2.2.4 終端服務

終端服務提供了基于PC WEB、移動WEB、移動APP、SNS（微信）在內的應用界面，可通過云平臺的訪問接口接入。云端和終端的軟件平臺架構詳見圖2。

圖2 系統軟件平臺架構

2.3 系統成效

鐵路電力智能運維管理系統是對鐵路電力調度系統的進一步補充和完善，通過集成網關，共享通信傳輸設備，利用移動網絡通道將各類監測數據傳送至運維管理平臺數據中心進行實時分析，可實現鐵路全線電力在線監測、智能化預報警及故障的智能化判斷定位，對電力設施建立全生命周期管理體系，為電力調度和運行檢修管理提供強有力的輔助決策依據。

3 智能化電力配電所

3.1 研究背景

國際電工委員會（IEC）第 57技術委員會于2004年頒布了應用于變電站通信網絡和系統的IEC 61850標準，該標準為基于通用網絡通信平臺的變電站自動化系統唯一國際標準，并被我國對應轉化為DL/T 860系列標準[6]。

該標準定義了變電站內的各種智能電子裝置（IED）之間的通信標準以及相關的系統要求，著力于解決變電站內部不同廠家設備之間的互操作性和信息共享等問題，成為了我國電力部門、科研院所及企業的研究熱點之一[7]。2016年，國家電網公司發布了企業標準Q/GDW 11603—2016《35 kV智能變電站設計規范》[8]，對35 kV和10 kV變電站具有較高的借鑒價值。

3.2 系統方案

3.2.1 組網模式

對靖神鐵路的6座35 kV配電所進行了智能化的功能模塊設計，監控系統采用符合DL/T 860標準的三層兩網結構[9]，系統結構詳見圖3。

圖3 智能化配電所系統結構

其中：站控層包括配電所后臺監控系統主機及打印機等周邊設備；間隔層采用保護裝置+合并單元二合一設計，直接通過互感器進行模擬量采樣；過程層為斷路器的智能終端，與間隔層保護裝置之間采用光纖GOOSE網絡，負責傳輸開關柜內的開關量和控制信號。

3.2.2 智能開關柜技術

智能開關柜的組成一般包括：智能監測裝置，為智能開關柜的核心部件，負責完成一鍵順控的驅動操作，采集各類傳感器的數據，完成對開關柜的智能監測；人機交互裝置，可以顯示開關狀態位置信息、運行電氣信息、柜內視頻等，也可對開關柜進行操作和參數設置；電動接地刀及電動底盤車，實現一鍵式順序控制操作的主要單元；各類傳感器，包括紅外位移傳感器、無線測溫元件、霍爾元件等，用于監測斷路器的機械特性、溫度特性、電氣特性等；視頻裝置，對柜內斷路器底盤車及接地刀的運動軌跡進行遠方查看。

由于傳統 35 kV成套開關柜已經是成熟的結構，考慮到設備的兼容性，為保證項目實施周期，項目采用了不改變傳統開關柜結構尺寸的智能開關柜技術，實際應用了以下內容：

（1）在斷路器中植入紅外位移傳感器，用于監測觸頭的分合閘位移量，并通過專家系統軟件分析斷路器分合閘時間、分合閘速度、主輔觸頭分合閘的同期性、合閘彈跳等機械特性。

（2）采用電動底盤車和電動接地刀，不僅可對斷路器、底盤車和接地刀進行單獨遙控操作，還可以實現“一鍵順控”，通過后臺或面板發送一次命令，即可自動執行“分斷路器-底盤車到試驗位-合接地刀”等順序操作，各操作步驟之間通過開關信息反饋，自動確認上個操作已經完成的情況下才執行下個操作，避免了因人工操作不當造成事故。

（3）在智能終端中植入霍爾傳感器，監測斷路器的分合閘線圈電流，并對儲能電機、電動底盤車電機、電動接地刀電機進行保護，一旦電機出現行進不暢立即切斷電機電源，避免電機燒毀，并向系統發出報警信息。

（4）在斷路器6個觸臂上加裝無線測溫裝置，實時監測觸臂溫度，可提前發現梅花觸頭的接觸不良狀態。

（5）在開關柜的斷路器室和電纜室安裝網絡攝像頭，能夠實時觀察兩室的工作狀態，實現遠程操作的可視化。

3.2.3 高級應用軟件

高級應用軟件是智能電力配電所的核心，所有底層數據只有通過高級應用軟件的分析處理，才能最終得出真正能為用戶解決問題的方案和數據。

針對目前鐵路配電所無人值班、無人值守、狀態檢修的實際需求，軟件以一、二次設備和各類在線監測設備的數據為平臺，開發出了下列高級應用功能模塊，實現變電所內各類設備的全生命周期管理及變電所全天候監控。

（1）設備健康狀態評估。利用每個設備的分析模型，將設備狀態劃分為健康、隱患、告警、故障4個類型，并制定相應的應對策略：對存在安全隱患的設備給出復檢建議；對處于告警狀態的設備給出保養、維護建議；對處于故障狀態的設備給出維修、更換建議。

（2）輔助狀態檢修及故障預測。對設備狀態監測的歷史數據進行分析，觀察設備狀態變化趨勢，根據對供電設備狀態評估的結論，在計劃檢修的基礎上提出有針對性的狀態檢修建議，形成計劃檢修與狀態檢修相結合的新型檢修模式。

3.3 系統成效

智能化電力配電所采用基于DL/T 860標準的語言配置和功能分層的結構，實現了對全所設備的統一建模和自我描述，增強了設備之間的互操作性，可以在不同廠家的設備之間實現無縫鏈接。通過對智能開關柜技術和高級應用軟件的應用，實現對配電所開關設備的全方位監測和保護，真正達到無人值班的要求[10]。同時，改變了運維單位定期檢修的運維習慣，形成定期檢修與狀態檢修結合的運維方式，契合減員增效的改革路線。

4 結語

我國西北地區鐵路往往需要穿越沙漠、戈壁等條件惡劣、交通不便地區，鐵路電力系統運營維護難度大且對供電可靠性、安全性的要求較高。針對以上特點，靖神鐵路以提高電力設施運營維護水平為目的，設計了適合本項目特點的，由鐵路電力智能運維管理系統和智能化電力配電所組成的智能電力供電系統。

其中，鐵路電力智能運維管理系統通過就地設置的故障在線監測終端、移動物聯網通信、云平臺數據采集、移動終端APP來實現電力設施故障在線監測的一整套系統應用方案，作為鐵路電力調度系統的進一步補充和完善，有效提高了電力系統的運營維護效率；另一方面，通過對適用于35 kV智能電力配電所的相關技術標準，以及智能開關柜、高級應用軟件等技術的實際應用，實現了配電所設備自身運行狀態的實時監測和判斷，有助于及時發現設備故障并進行處理，保證設備安全運行，實現了真正意義上的變配電所無人值班和無人值守。