電氣化鐵道牽引供電故障信息系統(tǒng)的研究

黃淑君

0 引言

牽引供電系統(tǒng)是電氣化鐵道的重要組成部分，為電力機(jī)車提供電能。目前大部分電氣化鐵道的牽引供電系統(tǒng)都只是以監(jiān)控為目的的遠(yuǎn)動系統(tǒng)。

牽引供電故障信息系統(tǒng)的提出為牽引供電故障信息管理提供了統(tǒng)一的分析平臺，通過對牽引供電變電所和接觸網(wǎng)故障信息的有效獲取與管理，有利于調(diào)度端快速、簡便、全面獲取故障信息，快速提出事故處理方案，同時為故障定位提供更準(zhǔn)確的信息。該系統(tǒng)優(yōu)化了生產(chǎn)調(diào)度和管理決策，防止誤判斷可能造成的事故擴(kuò)大，而且能夠及時地掌握管內(nèi)牽引供電設(shè)備的健康狀態(tài)，由原來的周期修逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)修，實現(xiàn)供電設(shè)備的完善管理，提高設(shè)備的有效利用率和壽命，減少牽引供電的事故損失，為牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供保障[1]。

1 系統(tǒng)概述

牽引供電故障信息系統(tǒng)主要作為牽引供電系統(tǒng)事故分析和繼電保護(hù)動作行為分析的手段。因此，作為事故分析的基礎(chǔ)信息內(nèi)容必須包含斷路器跳閘信息、保護(hù)動作信息、故障錄波器記錄的模擬量信息等，同時實現(xiàn)與保護(hù)整定值信息的有機(jī)關(guān)聯(lián)，以判斷保護(hù)動作行為是否與預(yù)期的保護(hù)離線設(shè)置值相符。

該系統(tǒng)的價值主要體現(xiàn)在故障信息獲取的全面性、及時性和準(zhǔn)確性上，系統(tǒng)的作用體現(xiàn)在能夠根據(jù)故障信息準(zhǔn)確判斷事故的性質(zhì)，并根據(jù)所掌握的信息確定事故處理方案。

該系統(tǒng)主要完成廣泛的故障信息接入和基于故障信息的綜合應(yīng)用。系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)在以下方面：一是事故決策支持；二是保護(hù)動作系統(tǒng)性分析；三是設(shè)備異常及時報警；四是基于故障信息的高級應(yīng)用（如專家分析功能、保護(hù)動作行為分析等）[2]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

牽引供電故障信息系統(tǒng)由主站、子站和聯(lián)系兩者的通信網(wǎng)絡(luò)組成。主站系統(tǒng)的主要作用是對故障信息規(guī)范化管理與存儲，并且以恰當(dāng)?shù)姆绞綄⒐收闲畔⒄故窘o供電運行分析人員，同時還包括其它的高級應(yīng)用，如故障分析、專家系統(tǒng)等[2]。子站系統(tǒng)獲取故障信息來源包括牽引變電所信息和部分接觸網(wǎng)信息（電壓突變、電流突變信息等），主要作用是收集故障信息，因此子站系統(tǒng)必須具備較強的信息采集、存儲、處理、傳輸?shù)裙δ堋Ｍㄐ啪W(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)將子站采集的數(shù)據(jù)實時傳送到主站系統(tǒng)中，實現(xiàn)故障信息的實時傳輸功能。

整個系統(tǒng)采用層次架構(gòu)體系設(shè)計，見圖1。

圖1 故障信息系統(tǒng)層次架構(gòu)圖

2.2 子站系統(tǒng)與通信系統(tǒng)

該故障信息系統(tǒng)的子站建設(shè)采取與遠(yuǎn)動系統(tǒng)子站共建的方式來完成，即與遠(yuǎn)動系統(tǒng)共用一套子站系統(tǒng)?？舍槍收闲畔⑾到y(tǒng)需要的信息，實現(xiàn)對子站數(shù)據(jù)采集功能模塊自由裁剪設(shè)計，從而達(dá)到豐富故障信息采集的目的。

通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)主站與子站的連接。一般以光纖或?qū)＞€為主，電話線為輔的廣域網(wǎng)通信方式。通信規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，目前采用電力通用的103規(guī)約來進(jìn)行信息傳輸，遠(yuǎn)期規(guī)劃與變電所綜合自動化無縫接軌，在此預(yù)留IEC 61850規(guī)約接口，完成故障信息的統(tǒng)一建模。

2.3 與變電所綜合自動化系統(tǒng)的信息交互

牽引供電故障信息系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)是為了使供電運行管理人員及時、全面地獲取牽引供電系統(tǒng)故障信息，為分析解決故障提供技術(shù)支持和決策依據(jù)（包括變電所故障和接觸網(wǎng)系統(tǒng)故障信息）。

要實現(xiàn)上述目標(biāo)需要各種實時故障信息的支持，牽引變電所綜合自動化的信息支持是很重要的一個方面。故障信息主站系統(tǒng)與變電所綜合自動化系統(tǒng)的通信采用電力通用的103規(guī)約來進(jìn)行傳輸，通信網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

故障信息系統(tǒng)與綜合自動化系統(tǒng)通信可以獲得牽引供電系統(tǒng)設(shè)備運行狀況、實時電量和保護(hù)動作等信息，在發(fā)生事故故障情況下可以為運行人員提供相關(guān)信息和決策依據(jù)。同時故障信息系統(tǒng)可以利用上述信息構(gòu)造故障分析專家系統(tǒng)，實現(xiàn)故障的專家分析功能。

綜合自動化系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)的信息交互主要包括實時電量信息、實時狀態(tài)信息、故障錄波和保護(hù)動作信息等。

3 主站系統(tǒng)的設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)

主站系統(tǒng)的設(shè)計采用分層分布，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與功能分離。在故障信息建模上，采用IEC 61970公共信息模型（Common Information Model，簡稱CIM）進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一設(shè)計，并設(shè)計基于CIM標(biāo)準(zhǔn)的故障信息數(shù)據(jù)庫。在圖形界面上，采用W3C推薦的標(biāo)準(zhǔn)化圖形格式—可縮放矢量圖形（Scalable Vector Graphic，簡稱SVG），用于結(jié)構(gòu)化信息的交換和顯示。

3.1 主站系統(tǒng)軟件層次架構(gòu)

主站系統(tǒng)軟件設(shè)計采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，簡稱B/S）3層架構(gòu)：Web表現(xiàn)層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。如圖2所示。

3.2 IEC 61970 CIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

故障信息數(shù)據(jù)模型建立的基本思路：遵循國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61970，采用公共信息模型（CIM）/組件接口規(guī)范（CIS）作為數(shù)據(jù)交換的模型和接口規(guī)范，以牽引供電故障信息綜合管理主站功能為主線，整合數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，簡稱SCADA）系統(tǒng)中與故障分析有關(guān)的資源，建立基于開放數(shù)據(jù)接口的牽引供電故障信息CIM數(shù)據(jù)模型[3]。

圖2 故障信息主站系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

主站數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)與CIM映射，描述主站數(shù)據(jù)庫總體上可以簡單分為2部分：

（1）描述變電所系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置相關(guān)表部分。

（2）與各設(shè)備相關(guān)的量測量（定值、遙測、遙信、故障報告、自檢報告等）部分。

采用基于IEC 61970 CIM標(biāo)準(zhǔn)來對牽引供電故障信息進(jìn)行系統(tǒng)建模，建立一個通用的故障信息數(shù)據(jù)模型，解決牽引供電故障信息的通用性問題，有利于第三方開發(fā)基于故障信息的高級應(yīng)用軟件。

3.3 圖形標(biāo)準(zhǔn)化SVG

SVG是一個標(biāo)準(zhǔn)開放的矢量圖像格式，具有任意縮放，文件尺寸較小，適合網(wǎng)絡(luò)傳輸，超強的顯示效果和色彩控制等特性。另外，由于SVG是基于XML的應(yīng)用，符合IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)交互的標(biāo)準(zhǔn)，基于SVG的種種優(yōu)勢，國際電力標(biāo)準(zhǔn)委員會推薦SVG作為監(jiān)控畫面的標(biāo)準(zhǔn)圖形格式。

在該系統(tǒng)中，采用SVG制作了牽引供電網(wǎng)地理接線圖和變電站一次、二次連接圖，同時還采用SVG在故障報告中嵌入了故障波形圖。

4 主站功能

鐵路牽引供電故障信息主站系統(tǒng)是對牽引供電系統(tǒng)故障信息管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，運行于供電段牽引供電調(diào)度中心，屬于鐵路牽引供電管理系統(tǒng)的應(yīng)用功能軟件，該系統(tǒng)具有實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計分析、故障分析、安全管理等功能[4]。而數(shù)據(jù)管理功能包括：靜態(tài)庫管理、動態(tài)庫管理、歷史庫管理、故障模型管理等功能；統(tǒng)計分析功能包括：報表管理、故障信息分析統(tǒng)計、保護(hù)動作統(tǒng)計分析、設(shè)備安全狀況分析等功能；故障分析功能包括：人工分析和專家系統(tǒng)分析功能；安全管理功能包括：數(shù)據(jù)安全和用戶訪問安全功能。

5 結(jié)束語

目前電氣化鐵道牽引供電故障信息系統(tǒng)已經(jīng)完成了初期的基本建設(shè)，并且已在運行站段進(jìn)行了模擬現(xiàn)場測試，取得了比較好的效果。實現(xiàn)了故障信息在調(diào)度端的迅速收集，避免了過去依靠電話匯報或者在海量數(shù)據(jù)中尋找有效信息的局面，并且已經(jīng)具有一定的故障信息采集和管理分析平臺，提高了故障分析的效率，為故障搶修爭取了寶貴的時間。但是該系統(tǒng)還存在一些不足，例如子站信息采集不夠豐富，造成主站分析故障時信息缺失以及故障信息專家系統(tǒng)建設(shè)不足等問題，這些問題尚需進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

[1]孫昕，江濤.衢州電網(wǎng)故障信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].繼電器，2007，（35）：315-318.

[2]高翔，張沛超，章堅民.電網(wǎng)故障信息系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]毛鵬，魏晉雁，茹鋒.基于IEC 61970的電力系統(tǒng)二次設(shè)備CIM建模初探[J].繼電器，2007，35（11）：65-68.

[4]翁芳芳.基于CIM的電網(wǎng)故障信息主站系統(tǒng)的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2004.