高鐵供電自動化集成系統(tǒng)應(yīng)用及研究

陳敬鋒 劉偉 李永征

（南京國電南自軌道交通工程有限公司，南京 210000）

十一五以來，我國迎來了客運專線、高速鐵路和城市軌道交通的建設(shè)高峰。根據(jù)《鐵路中長期規(guī)劃》，到2020年我國將建成16000km高速鐵路，其中“十一五”期間建成7000km。大規(guī)模的高速鐵路建設(shè)，為電力牽引供電、電力供電、通信、信號系統(tǒng)（簡稱四電系統(tǒng)）提供了難得的發(fā)展機遇。同時，也對四電系統(tǒng)中各個系統(tǒng)的發(fā)展，各個系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)，與列車、土建、外部系統(tǒng)的匹配，及其安全可靠性提出了更高的要求。如何將四電系統(tǒng)及其相關(guān)的系統(tǒng)集約在一起，克服短板效應(yīng)，實現(xiàn)整體最優(yōu)、滿足高速鐵路對四電系統(tǒng)的要求，是四電系統(tǒng)首先要解決的問題。

高速鐵路供電自動化集成多學(xué)科、多領(lǐng)域的先進技術(shù)于一體，是一個既相互獨立又密切相關(guān)且與外部系統(tǒng)有著復(fù)雜聯(lián)系的巨型系統(tǒng)。通過系統(tǒng)集成與創(chuàng)新，將各個自動化系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)綜合監(jiān)控管理；提供各系統(tǒng)間業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)和觸發(fā)聯(lián)動，提高對事件的應(yīng)急處理能力和快速反應(yīng)，并充分實現(xiàn)資源共享，降低工程造價。因此，高鐵供電自動化集成是我國高速鐵路建設(shè)的必然產(chǎn)物，它為四電系統(tǒng)建設(shè)提供了相應(yīng)的技術(shù)、管理平臺。

高鐵供電自動化集成系統(tǒng)完成高鐵建設(shè)項目中“四電集成”項目內(nèi)容，該集成系統(tǒng)內(nèi)容涵蓋了高鐵牽引變電站自動化系統(tǒng)、電力變配電站自動化系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、電能質(zhì)量分析及故障錄波系統(tǒng)、自耦變壓器保護測控功能、接觸網(wǎng)開關(guān)控制等軟件產(chǎn)品，其中牽引變電所自動化系統(tǒng)采用了自主研發(fā)的高配置性能優(yōu)越的NDT650+高速鐵路和軌道交通供電自動化系統(tǒng)；電力變配電所采用自主創(chuàng)新并且技術(shù)含量很高的PS6000U系列保護裝置。

該集成系統(tǒng)在總結(jié)多年來變電站自動化技術(shù)的成功經(jīng)驗，特別是近年來基于網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)下的分層分布式系統(tǒng)的實踐，使“四電集成”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生了重大的變化。在強化分層分布概念的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)不但強化間隔層設(shè)備及功能配置的合理分布，同時也強調(diào)變電站層功能及配置的可組態(tài)、可移動性，通過采用高起點、大資源的硬件平臺及多種運行維護分析工具，強化供電自動化設(shè)備運行信息的透明化程度，消除了不明原因的事故，進一步提高產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)水平，從而實現(xiàn)了以往離散子系統(tǒng)無法實現(xiàn)的一整套快速響應(yīng)系統(tǒng)。

1 方案實施

高鐵供電自動化集成系統(tǒng)完成高鐵建設(shè)項目中牽引供電、通信、信號、電力“四電集成”項目內(nèi)容，其中牽引變電所自動化系統(tǒng)采用了自主研發(fā)的高配置性能優(yōu)越的NDT650+高速鐵路和軌道交通供電自動化系統(tǒng)；電力變配電所采用自主創(chuàng)新并且技術(shù)含量很高的PS6000U系列電力自動化系統(tǒng)。本集成系統(tǒng)主要技術(shù)內(nèi)容如下。

1.1 NDT650+高速鐵路和軌道交通供電自動化系統(tǒng)

NDT650+高速鐵路和軌道交通供電自動化系統(tǒng)是國電南自集在SCADA系統(tǒng)、綜合自動化等方面的多年研究開發(fā)經(jīng)驗，充分考慮當(dāng)前高速鐵路、軌道交通綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)的用戶需求，總結(jié)和鑒以往監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品優(yōu)點而開發(fā)的綜合自動化系統(tǒng)，本系統(tǒng)包括裝置及軟件有：監(jiān)控系統(tǒng)軟件、微機通信管理裝置、微機故障測距裝置、微機備自投裝置、電能質(zhì)量分析及故障錄波裝置、微機單相變壓器保護測控、饋線保護測控、自耦變保護測控等，完成多種保護、控制及其它自動化功能。系統(tǒng)中的部分保護測控裝置基于公司的EDP02通用保護測控平臺，平臺主CPU采用高性能的MCU芯片為主處理器，主頻達到 400M，配以大容量存儲器和RAM，大大提高了CPU處理性能。平臺采用前沿的軟硬件技術(shù)，可用性高，性能優(yōu)越，維護方便，新項目從基礎(chǔ)軟硬件、產(chǎn)品平臺開發(fā)和應(yīng)用集成技術(shù)3個方面全面提升系列產(chǎn)品的功能和性能。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 牽引供電自動化系統(tǒng)

主要子系統(tǒng)介紹：

1）微機故障測系統(tǒng)。適用于采用并聯(lián)自耦變壓器（AT）供電方式的電氣化鐵道牽引變電所、AT所、開閉所及分區(qū)所，實現(xiàn)接觸網(wǎng)各種類型故障的定位、類型判別和方向判別的功能。本障測系統(tǒng)測距原理的選擇旨在保證能夠適用于單復(fù)線AT的故障測距，且測距原理簡單可靠。當(dāng)線路沿線通信通道具備的情況下，在AT自耦變未解列的情況下出現(xiàn)T-R，F(xiàn)-R故障時，采用“AT中性點吸上電流比原理”；T-F故障或者AT自耦變解列時，采用“線性電抗法”進行測距。如此可以確保線路出現(xiàn)不同類型故障時，微機故障測系統(tǒng)都能采用相應(yīng)的原理來測距。如果沿線通道不具備，可以考慮采用“上下行電流比”原理來做為后備的測距原理。

2）單相變壓器的單相變壓器保護系統(tǒng)。功能涵

了單相變壓器差動、后備、非電量等相關(guān)保護功能，簡潔完整，不僅適用于常規(guī)V/V接線單相變壓器保護模式而且適用于高速鐵路牽引所AT供電方式下單相變壓器接線模式。是一種簡單、方便、適用性強單相變壓器保護方案。

3）適用于AT運行模式的自耦變壓器保護測控系統(tǒng)。實現(xiàn)了AT變壓器差動速斷保護、差動保護、電流速斷保護、過電流保護、外殼過電流保護、失壓保護、失靈保護、AT自投功能、一次自動重合閘、故障再現(xiàn)等。

4）電能質(zhì)量分析及故障錄波系統(tǒng)。裝置采用保護測控通用硬件平臺裝置，實現(xiàn)模擬量、開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集，通過分析數(shù)據(jù)判斷是否啟動故障錄波，具有交流量、開入量、遙控多種啟動方式；裝置交流采樣頻率為6400Hz，具有諧波分析、不平衡度分析等電能質(zhì)量分析功能。裝置可配置后臺機實現(xiàn)大容量歷史數(shù)據(jù)存儲、圖形顯示、故障錄波分析和報告輸出等功能，后臺機可用一體化工控機、筆記本電腦或臺式機電腦，可組屏也可以放在控制臺上，裝置和后臺機之間的通信由以太網(wǎng)接口實現(xiàn)。

5）監(jiān)控系統(tǒng)軟件。監(jiān)控系統(tǒng)軟件是基于嵌入式操作系統(tǒng)的綜合自動化應(yīng)用平臺，適用于鐵路、軌道交通的供電實時監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)不僅具備基本的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）功能[1]，還包括微機保護設(shè)備的信息采集及分析功能。監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用通信、監(jiān)控合一設(shè)計，運行于嵌入式系統(tǒng)中。采用了嵌入式數(shù)據(jù)庫替代常規(guī)的商用數(shù)據(jù)庫，精簡、優(yōu)化了原有監(jiān)控系統(tǒng)軟件，提高運行效率，使其能夠適應(yīng)嵌入式環(huán)境的有限資源。同時優(yōu)化了雙機冗余功能，配置簡單易用。

1.2 PS 6000U電力配電自動化系統(tǒng)

本系統(tǒng)提供完備的產(chǎn)品系列、各功能及子系統(tǒng)間優(yōu)化的協(xié)作機制、靈活的系統(tǒng)配置方案，完成電力變配電所各種保護測控功能，系統(tǒng)中采用的新技術(shù)。

1）嵌入式實時多任務(wù)系統(tǒng)。

2）以太網(wǎng)及TCP/IP技術(shù)。

3）嵌入式WEB Sever技術(shù)。

4）組件對象模型（CORBA）的系統(tǒng)構(gòu)架。

5）系統(tǒng)功能及組件的“即插即用”技術(shù)。

6）過程的全息再現(xiàn)技術(shù)。

7）智能調(diào)校的高精度量測技術(shù)。

8）多CPU共享AD的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。

9）背插式結(jié)構(gòu)的電磁兼容方案。

10）基于能量原理的方向元件（線路保護）。

1.3 通信子系統(tǒng)

整個遠動通道由多個調(diào)度中心（或維管段）、多個變配電所，以及處于其間的MSTP傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[2]。

變電所（或調(diào)度中心）的設(shè)備配置必須嚴格遵循以下原則：

1）內(nèi)外網(wǎng)分離：縮小網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，避免產(chǎn)生IP沖突，減少廣播風(fēng)暴。對變電所或調(diào)度中心來說，外網(wǎng)設(shè)備數(shù)量一般遠小于內(nèi)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量，如果把內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)聯(lián)通，則一下子會把整個網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大數(shù)倍，不可避免的產(chǎn)生地址沖突、廣播風(fēng)暴等問題。

2）主備網(wǎng)分離：避免環(huán)路的產(chǎn)生。如果廠家為了節(jié)省設(shè)備成本，將主備網(wǎng)連接在一臺交換機上，則不僅把網(wǎng)絡(luò)規(guī)模一下擴大了一倍，從整個MSTP網(wǎng)絡(luò)來看，還會產(chǎn)生不正常的以太網(wǎng)環(huán)路，嚴重時導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

整個遠動通道由多個調(diào)度中心（或維管段）、多個變配電所，以及處于其間的MSTP傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 MSTP遠動通道

1.4 網(wǎng)絡(luò)型測控終端系統(tǒng)（RTU）應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)型測控終端裝置（RTU）適用于：電力系統(tǒng)各級變電站中實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控；各級發(fā)電廠中實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控；鐵路電氣自動化系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控；其他工業(yè)控制領(lǐng)域中動力網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。系統(tǒng)特點如下。

1）采用無破壞優(yōu)先級仲裁的CAN網(wǎng)絡(luò)作為內(nèi)部通訊網(wǎng)，采用多主非平衡方式運行，各I/O節(jié)點均可主動發(fā)起信息傳輸，以此來保證開關(guān)變位等重要信息傳輸?shù)膶崟r性。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)在接口及總線上可配置成主從熱備份方式工作以提高可靠性。

2）內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議上進行分層，在傳輸層提供不面向連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)以提高效率，在必要時在應(yīng)用層上對部分信息采用確認和重傳機制以保證可靠性。

3）中心節(jié)點作為服務(wù)器對系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)以及全網(wǎng)唯一的時間系統(tǒng)進行管理，所有 I/O模塊可以向服務(wù)器傳輸和請求數(shù)據(jù)。

4）服務(wù)器可雙機備份式工作，平時備用服務(wù)器被動的從網(wǎng)上取得數(shù)據(jù)以維護自己的實時庫，在主服務(wù)器發(fā)生故障時備用服務(wù)器將自動接替工作。

5）為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下復(fù)雜的管理并方便編程，所有節(jié)點將配備實時多任務(wù)操作系統(tǒng)軟件，所有網(wǎng)絡(luò)接口軟件將進行標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一編制。

1.5 環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)

防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是架構(gòu)于通信傳輸系統(tǒng)之上的一套集災(zāi)害信息采集、分析、處理和指導(dǎo)、輔助安全行車的平臺，主要是對危及鐵路運輸安全的自然災(zāi)害及異物侵限等突發(fā)危害進行監(jiān)測，并提供經(jīng)處理后的災(zāi)害預(yù)警信息、限速信息或停運信息等，為運營調(diào)度中心運行計劃調(diào)整、下達行車管制、搶險救援、維修提供依據(jù)，以保證列車安全正點、高效、舒適。

1）防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)采用統(tǒng)一的處理平臺，由調(diào)度所設(shè)備、監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備、監(jiān)控單元、現(xiàn)場各監(jiān)測設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。

2）在各現(xiàn)場監(jiān)測點設(shè)置風(fēng)、雨以及異物侵限現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備。

3）在鄰近現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的GSM-R基站、車站等的機房內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場監(jiān)控單元，根據(jù)所接入的現(xiàn)場監(jiān)測傳感器種類的不同，分別配置風(fēng)、雨以及異物侵限監(jiān)測的監(jiān)控單元主機。

4）在工務(wù)段機房設(shè)置監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備，在路局工務(wù)處設(shè)置工務(wù)終端。

5）在調(diào)度所設(shè)置調(diào)度所設(shè)備，在調(diào)度所行調(diào)臺設(shè)置防災(zāi)監(jiān)控終端。

6）各監(jiān)控單元與綜合工區(qū)、調(diào)度所間通過傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成傳輸網(wǎng)絡(luò)，在局界處的傳輸網(wǎng)絡(luò)冗余覆蓋至臨界基站。

7）防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在完成異物侵限功能的現(xiàn)場監(jiān)控單元處通過繼電接口直接與列控系統(tǒng)連接。

2 本方案的有益效果

高鐵供電自動化集成系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于京滬高鐵項目建設(shè)中，該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，使得公司軌道交通產(chǎn)業(yè)以卓越而又領(lǐng)先的綜合實力脫穎而出，公司的自主產(chǎn)品經(jīng)受住了中國高鐵高標(biāo)準(zhǔn)的考驗，為京滬高鐵創(chuàng)造世界奇跡提供了強有力的技術(shù)支撐和動力保障，公司自動化專業(yè)集成系統(tǒng)水平日臻成熟，在京滬、滬寧、寧杭等高鐵工程、杭甬客運專線工程、盤營客專四電集成工程、哈大客運專線“四電”系統(tǒng)集成總承包工程、新建合蚌客專及合肥樞紐電力與牽引供電系統(tǒng)集成施工總承包工程中，都有著本集成系統(tǒng)產(chǎn)品的卓越貢獻。

高鐵供電自動化集成系統(tǒng)是公司軌道交通專業(yè)目前的主導(dǎo)產(chǎn)品，隨著高鐵建設(shè)和城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展，隨著公司的銷售業(yè)績不斷提高，本擁有良好的市場前景。

3 結(jié)論

高鐵供電自動化集成系統(tǒng)集多學(xué)科、多領(lǐng)域的先進技術(shù)于一體，是一個既相互獨立又密切相關(guān)且與外部系統(tǒng)有著復(fù)雜聯(lián)系的巨型系統(tǒng)。本集成系統(tǒng)為高速鐵路四電系統(tǒng)建設(shè)形成一個標(biāo)準(zhǔn)先進、統(tǒng)一，系統(tǒng)開放、共享，調(diào)試手段先進、有效的技術(shù)平臺提供方法和動力。本集成系統(tǒng)的應(yīng)用，對快速擴充鐵路運輸能力，快速提升技術(shù)裝備水平具有重大現(xiàn)實意義，對促進國家軌道交通專業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，對振興民族自動化項目集成產(chǎn)業(yè)，保證國民經(jīng)濟又快又好發(fā)展具有極其深遠的現(xiàn)實和歷史意義。我國的高速鐵路正在迎來大發(fā)展，市場前景廣闊。

[1]于海生,等.微型計算機控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[2]王子淵.淺談MSTP對高速鐵路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載方式[J].鐵道勘測與設(shè)計,2010(1):95-98,104.