自動化視域下鐵路供電系統配電自動化技術應用研究

關鍵詞： 鐵路 供電系統 配電自動化 自動化技術應用

鐵路供電系統供電質量關系到高速列車的正常運行，直接與鐵路職工、旅客的生命財產安全產生關聯。在鐵路供電系統執行調度指揮、信號、通信與服務等關鍵的運行任務時，一旦產生運行故障，將造成鐵路運輸系統發生不可挽回的重大損失。基于此，在自動化視域下，鐵路供電系統應用配電自動化技術十分必要，通過該優化鏈路的延伸轉化配電自動化技術，保障鐵路運輸的安全性和連續性。文章在簡要討論配電自動化的內容，以及SCADA、故障定位與隔離、高級軟件應用、負荷控制、地理信息系統應用等功能的同時，明確配電自動化技術在鐵路供電系統中的應用效果，重點分析配電自動化技術在鐵路供電系統中的應用路徑[1]。

1 配電自動化功能

1.1 SCADA 功能

配電自動化的SCADA 功能較為成熟，以計算機為基礎，應用在鐵路供電系統的數據采集與監視控制、過程控制中，能夠實現對高速列車設備控制、測量、參數調節及信號報警等各項功能，是RTU遠程終端控制系統、FTU饋線終端裝置、TTU配電變壓器監測終端的重要組成部分。配電自動化的SCADA 功能涉及組態軟件、數傳電臺與GPRS等，功能應用能夠保證供電可靠、安全。

1.2 故障定位與隔離功能

配電自動化能夠監視線路或饋線系統的運行方式、負荷情況，一旦鐵路供電系統產生故障，能夠一次性、準確地對故障區段進行自動定位，可以利用RTU“四遙”數智化檢測功能連接調度中心計算機信道，配合開關設施完成對故障區段的隔離、對非故障區段的供電進行恢復，這種遠程功能主要分為遠程測量、遠程信號、遠程命令、遠程調節[2]。

1.3 高級軟件應用功能

配電自動化能夠更好地掌握鐵路供電系統的運行狀態，利用SCADA 斷路器變化和量側數據，補充母線負荷預報偽量側數據，通過高級軟件進行負荷預測、網絡拓撲分析、狀態估計、線損計算分析、潮流計算、電壓無功優化等，檢測和辨識不良數據，估計出完整、一致、可信的鐵路供電系統網絡狀態安全運行方式。

1.4 負荷控制功能

預測精度對供電系統運行的可靠程度、安全程度來講意義較為重要。為保障鐵路設施安全供電，鐵路電力負荷控制主要針對鐵路用電負荷實施負控技術，在計量管理與配送過程中，根據鐵路供電系統調度自動化需求進行短期負荷預測、短期預測、中期預測和長期預測。

1.5 地理信息系統應用功能

在計算機軟件、硬件系統的支持下，配電自動化通過引入GIS 技術，成功將配電自動化系統與GIS 技術融合，以GIS 為技術平臺，實現SCADA 動態著色、配電網帶電安全狀況分析、潮流算法和電壓分布，自動提供變壓器全自動控制和線路安裝清單[3]。

2 配電自動化技術在鐵路供電系統中的應用效果

2.1 鐵路供電系統的自動化需求

電力供電系統借助計算機網絡技術、監控技術、自動檢測、計算機軟硬件等多重技術聯結鐵路供電系統，實現貫通電路、變電所、鐵路沿線配電所在內的系統自動化監控與控制。鐵路電力供電系統電壓相對等級較低，結構相對簡單，所需高壓設施較少，低壓配網絡通過傳輸0.4 kV 交流電既能滿足鐵路運輸系統的供電需求。通過高質量應用配電自動化系統，從鐵路供電系統電壓、電力線路角度分析，鐵路供電系統的布置、處理較為簡便，能夠實現對功率因數、有功、無功功率、電流、高低壓電壓等參數進行檢測，在此過程中，需要重點控制鐵路供電系統所用材料、設施及技術，對鐵路供電系統實際運行過程中出現的故障引起足夠重視，持續保證供電系統的穩定與安全，降低故障造成的運行問題[4]。

2.2 配電自動化技術在鐵路供電系統中的應用效果

配電自動化技術在鐵路供電系統中應用最為關鍵的原因在于，能夠保證供電系統連續、穩定、有序、安全地運行。在應用配電自動化技術的同時，鐵路供電系統能夠在自動化視域下實時進行自動化調控和控制，促使供電系統的配電工作高效、通暢落實，對諸多不良風險產生良好的規避效果。同時，配電自動化在鐵路供電系統中的應用能夠顯著降低人工工作壓力，針對復雜程度高、處理難度大的工作，可以利用配電自動化技術進行優化處理，避免人工失誤產生的危害。例如：在一些偏遠地區，鐵路供電系統涉及的供電范圍較為龐大，直接增加人工工作難度，如果單純依地賴人工進行管理和控制，較容易產生檢修滯后性問題。在應用配電自動化技術的過程中，人工參與管理和控制的占比迅速降低，能夠產生更加高效、有序的檢修、調控效果[5]。

3 自動化視域下鐵路供電系統配電自動化技術的應用路徑

3.1 自動化控制方式的選擇

分布式控制技術借助自動化終端、開關設施全面監管鐵路供電系統，利用配電自動化系統數據，結合后端大數據分析平臺的模型規則，對全部智能終端設備狀態發起實時監測，由傳統集成電路保護、電磁保護轉化為計算機自動化、網絡化、智能化保護，通過可視化報表呈現智能終端設備的分布、運行態勢，保障鐵路供電系統的安全性、穩定性，實現數據通信、測量、監控與保護一體化，具體見表1。配電自動化分布式控制技術在應用過程中主要指FTU 通過系統配合完成鐵路供電系統重組，實施分段控制，容易產生偏差，此方式僅適用于接線方式簡單的鐵路供電系統。

集中式控制技術主要以FTU 為載體，針對鐵路供電系統中的線路電流與電力行為相關的參數做以整合，通過遠程測控全部智能終端，將采集信息上傳后了解故障成因，經由主系統進行信息反饋，對終端供電系統的電力開關和參數進行調整，滿足鐵路供電系統故障動態化處理，實現鐵路供電系統穩定運行。配電自動化集中式控制技術在應用過程中需要確保主站、自動化終端穩定、可靠在線，主站控制中心通過對信息進行處理、計算與分析，找出故障點，鐵路供電系統能夠提供高速度信息指令、命令，通過專用模塊進行復雜網絡結構的控制，完成故障隔離、處理，為避免鐵路供電系統運行受到干擾，要求予以精細化控制。

3.2 變配電所的自動化轉變

在變配電所自動化運行過程中，需要圍繞后臺管理層、通信層、電氣間隔層進行優化，維護自動化調控過程中數據采集與處理、監視、控制，以及AVR、UPS、DCS、SIS 接口、報警等功能的實現[6]。

后臺管理層主要通過集成監控計算機、人機交互設備、現實設備及軟件，實現對變配電所實施監控、測量、控制、管理、記錄和報警的功能，實施智能化分析間隔層設備所上傳的模擬量、開關量、脈沖量和數據量等信息。通過分析相應數據后制訂鐵路供電系統調控方案，由間隔層發送至相應的設備執行。通信層經由通信管理主機、通信網絡構成，在收集側空單元、保護設備、綜合自動化設備上傳的信息后傳遞至上級調度中心，通過下達控制、修正命令進行規約轉換，支持各種通信協議、以太網協議。間隔層需要根據變配電所設備進行配置，通過保護、監控、電量采集，將信息通過通信接口傳遞至配電自動化系統，間隔層的各裝置運行不需要依賴網絡、后臺管理層設備。

3.3 網絡通信環節的自動化

網絡通信環節的自動化需要以數據傳輸、數據交換做出設置，具體情況如表2 所示。

與此同時，在應用網絡通信自動化的過程中，鐵路供電系統能夠在提供可靠性強、抗干擾能力高的人機交互界面基礎上，通過規則庫對支持IOS、Android、Web、PC 的密碼管理軟件、time 模塊、配備北斗GPS 網絡授時衛星信號接收模塊的網絡時間服務器、模擬仿真技術進行組合，實現防誤閉鎖邏輯，確保數據傳輸可靠，規避違約傳輸，提高傳輸效率，保證信息資料的優化運用[7]。為滿足網絡通信的自動化，鐵路供電系統應當通過主站的控制中心針對光纖直放站、信號中繼站、現場總線、牽引變電所、NDLC 通信中的數據轉發等多種通信方式配置大型數字處理機，構成智能化控制系統，通過主站控制中心的傳輸通道與各個系統的配電自動化終端進行信息交流，促使數據及時轉換、處理。與此同時，鐵路供電系統各個系統的配電自動化終端將各單元所收集的實時數據和信息，準確地反饋至主站的控制中心，實現鐵路供電系統的配電自動化系統，在自動化視域下產生的有效控制[8]。

3.4 鐵路電力供電系統的配電自動化

現階段，鐵路電力供電系統電壓等級相對較低、供電連接線形式單一，對供電穩定性、連續性和安全性要求較為嚴格等特征上來看，調度中心的配電自動化，需要對配電自動化所涉及的硬件設施進行優化整合，通過自動化技術的加入，促使云服務器、分布式SCADA前置機、室內外恒溫5G 基站ETC 門架通信柜與可視化調度站等，接受可視化指揮調度系統的互通聯動，形成良好的自動化調控效果。

MACS-SCADA 系統是現階段鐵路電力供電系統調度中心實施自動化配置過程中重要的控制系統，能夠提供統一、開放、基于標準、易于擴充的應用和開發接口，可以基于底層服務為鐵路電力供電系統自動化控制平臺創造理想中的運行條件，通用應用功能、整合應用、擴展專業應用及為特定項目定制應用，解決調度中心在軟件系統方面存在的限制問題。MACS-SCADA系統提供開放的結構對鐵路電力供電系統進行訪問，在配電自動化過程中提供大量標準功能基礎上集成額外功能，可以在跨平臺Windows、UNIX、LINUX 等工業標準操作系統上運行，應用功能可以無縫地嵌入系統實時數據庫，能夠處理更多的信號和事件，高效地與其他軟件系統集成。在配電自動化網絡、經濟效益和安全性的綜合兼顧上，MACS-SCADA 系統使用隊列和壓縮這些技術對網絡通信進行優化，利用安全傳輸協議保證數據安全傳輸，一旦網絡連接產生故障，鐵路電力供電系統可以進行快速切換，轉而使用其他備用網絡路由，靈活調整相關硬件設施，便于供電調度中心自動化配置和運行控制，體現出理想的針對性，更好地實現供電調度中心的優化運用[9]。

3.5 自動化系統故障分析及處理

通常，一臺RTU 能夠處理幾十個、上百個遙測量，可將采集的主要參數按規約傳輸至調度中心，主要參數涉及故障總信號、開關位置信號、保護動作信號等，調度中心發出改變設備運行狀態的命令，如“合”“分”，完成自動調節周期內平均功率、遙控、AGC 功能模塊的命令有效、AGC命令發電控制退出和變壓器分接開關頭位置調整等。在IEC870-5-101 通信規約向CDT 互轉過程中，無線數傳測控模塊通過對現場數據進行采集和處理，完成遠程數據實時傳輸，實現主控數據的點對點和點對多傳輸交互。同時，為保障大型處理機運行效果，無線數傳測控模塊將現場接受的主控信號進行高速處理，完成對開關動作的控制和操作。這種方式在具體的發展過程中，通過應用在鐵路供電系統中，集成使用性能良好的硬件實施載體，通過系統動態化檢測信息，向主站發送指令后由通信系統自動化進行分合閘處理，以此處理貫通與自閉供電模式的故障，保障備用類功能在傳遞網絡信號、信息的過程中快速鏈接主站系統，精準識別故障，消除通信“瓶頸”現象[10]。

在鐵路電力供電系統落實配電自動化的過程中，需要通過集中控制，以饋線終端設備作為載體，對系統中線路電流等參數做出整合，通過對遠程測控終端對故障性問題表現出的信息進行高度關注，要求自動化系統進一步對故障進行分析與處理，能夠在最短時間內分析故障產生原因，通過同步應對措施將問題控制在最小損害程度，最終形成對故障損失的科學控制，促使大量繁瑣工作自動化完成。在此過程中需要階段性融入AI、5G 等新生代信息技術，要求系統不存在判斷性偏差，保持對后續故障進行自動化處理的精度和實效性[11]。

4 結語

綜上所述，配電自動化技術在鐵路供電系統中的應用能夠產生十分穩定的運行效果，針對供電系統的關鍵構成單元需要予以重點優化，自動化控制方式的選擇、變配電所的自動化轉變、網絡通信環節的自動化、鐵路電力供電系統的配電自動化、自動化系統故障分析及處理等方向上，通過科學配置，降低鐵路供電系統的故障發生率，實現工業現場穩定可靠的配電自動化控制，保證電力供應。