電氣化鐵路智能牽引變電所的應(yīng)用淺析

陳鵬元

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)及5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，兩者結(jié)合應(yīng)用于高速鐵路，加快推進(jìn)了中國高鐵向智能化方向發(fā)展的速度。牽引供電系統(tǒng)是高速鐵路實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行的重要組成部分之一，而智能化牽引變電所又是牽引供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行的核心。我國目前智能化牽引變電所的應(yīng)用仍處于起步階段，當(dāng)前運(yùn)行的電氣化鐵路絕大部分以普通型的牽引變電所為主，設(shè)備不夠智能，運(yùn)行狀態(tài)以人工判斷檢修為主，整個(gè)供電系統(tǒng)故障判斷及故障后恢復(fù)仍然以人工為主。隨著中國電氣化鐵路的快速發(fā)展，人工成本逐年增加，智能化鐵路是鐵路發(fā)展的必然趨勢，要實(shí)現(xiàn)鐵路智能化運(yùn)行，智能化牽引變電所的應(yīng)用是必不可少的環(huán)節(jié)。

1 我國鐵路智能變電所技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前，我國電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行方式雖然包含直供加回流、AT供電等，但每種供電方式所采用的供電設(shè)備、綜合自動(dòng)化保護(hù)系統(tǒng)大致相同，設(shè)備組成仍然是以傳統(tǒng)形式為主，變電所設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以人工定期檢測試驗(yàn)為主；綜合自動(dòng)化保護(hù)系統(tǒng)只是通過對供電系統(tǒng)的電流、電壓等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)運(yùn)行故障區(qū)段的及時(shí)切斷，但系統(tǒng)故障判斷和恢復(fù)供電方案的確定仍以人工為主；變電所日常值班或值守需配備人力，還不能實(shí)現(xiàn)無人化監(jiān)測，變電所內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)通過值班人員進(jìn)行定時(shí)巡查，記錄各種表計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過聽、聞、觀、測來判斷；變電所倒閘作業(yè)需要供電調(diào)度中心操作和變電所值守人員確認(rèn)共同完成。變電所二次保護(hù)系統(tǒng)通過控制電纜及信號電纜采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，變電所線纜數(shù)量眾多，出現(xiàn)故障后排查困難。

隨著中國鐵路的快速發(fā)展，鐵路運(yùn)行的安全性、可靠性要求越來越高，運(yùn)營維護(hù)的工作量快速增加，智能化高速鐵路是發(fā)展必然趨勢，智能建造、智能裝備、智能運(yùn)維將有效解決建設(shè)和運(yùn)維人員需求量大的問題。

2 智能牽引變電所的主要技術(shù)特點(diǎn)

智能牽引供電系統(tǒng)具有健康診斷、故障隔離、重構(gòu)自愈、運(yùn)行自律、經(jīng)濟(jì)高效等特點(diǎn)。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）將信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)與牽引供電基礎(chǔ)設(shè)施有機(jī)融合，實(shí)時(shí)獲取牽引供電系統(tǒng)監(jiān)測、監(jiān)控和運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)的信息化，具有全息感知能力。

（2）實(shí)現(xiàn)了所內(nèi)及所間設(shè)備的通信和信息交互，通過廣域測控保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了層次化保護(hù)，使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)繼電保護(hù)具有全速動(dòng)、全冗余和選擇性的特點(diǎn)。

（3）構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)保護(hù)，綜合分析牽引變電所與分區(qū)所、AT所信息，精確判斷故障位置，快速定位切除故障區(qū)段；同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障時(shí)的重構(gòu)自愈功能，快速恢復(fù)供電。

（4）建立一體化監(jiān)控平臺(tái)，融合全所數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)全部信息以IEC 61850協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)接入、標(biāo)準(zhǔn)傳輸，除正常監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)外，實(shí)現(xiàn)智能告警、數(shù)據(jù)綜合分析、視頻聯(lián)動(dòng)等功能。

（5）實(shí)現(xiàn)對綜合動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控、安全監(jiān)控、設(shè)備在線監(jiān)測等各系統(tǒng)和信息進(jìn)行多平臺(tái)信息融合，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間信息告警、智能聯(lián)動(dòng)等功能。

（6）智能化牽引變電所基于模型化、標(biāo)準(zhǔn)化等理念，實(shí)現(xiàn)鐵路供電調(diào)度源端維護(hù)，并通過供電設(shè)備監(jiān)控與供電調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行信息智能統(tǒng)計(jì)、作業(yè)計(jì)劃智能審核流轉(zhuǎn)、應(yīng)急處置智能決策等功能，提升了供電調(diào)度自動(dòng)化程度和作業(yè)效率。

Abemaciclib已獲得美國FDA優(yōu)先評審資格，擬申請2個(gè)適應(yīng)證。（1）既往接受過化療和內(nèi)分泌治療的HR＋和HER2-的晚期轉(zhuǎn)移性乳腺癌單藥abemaciclib治療；（2）abemaciclib與氟維司群聯(lián)合應(yīng)用于既往接受內(nèi)分泌治療出現(xiàn)疾病進(jìn)展的HR＋和HER2-的晚期轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者，其抑制CDK4和CDK6活性的IC50值分別為2 nmol/L和10 nmol/L[3]。研究顯示，abemaciclib可以進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，因此增加了治療原發(fā)性或轉(zhuǎn)移性腦癌的可能性[9]。

（7）通過采集牽引供電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行、監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合在線、離線、運(yùn)行等數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測與健康管理，對關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)早期故障預(yù)警和快速診斷，對設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行健康評估、可靠性分析，提出維修輔助決策，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)運(yùn)維。

智能牽引供電系統(tǒng)與國內(nèi)傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)技術(shù)對比如表1所示。

表1 智能牽引供電系統(tǒng)與國內(nèi)傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)技術(shù)對比

3 智能牽引變電所組成及功能分析

智能牽引供電系統(tǒng)由智能牽引供電設(shè)施、智能牽引供電調(diào)度系統(tǒng)、智能牽引供電運(yùn)行檢修管理系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)組成（圖1），以信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化為手段，運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)的測量、傳感、控制、人工智能等技術(shù)，具備“全息感知、多維融合、重構(gòu)自愈、智能運(yùn)維”特征，為鐵路提供安全可靠、高效優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力來源。

圖1 智能牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成

鐵路智能牽引變電所主要由智能一次電氣設(shè)備、廣域保護(hù)測控系統(tǒng)和智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)組成。

3.1 智能一次電氣設(shè)備

智能一次電氣設(shè)備由一次設(shè)備本體、合并單元、智能終端、在線監(jiān)測智能組件組成。合并單元、智能終端、監(jiān)測智能組件放置在智能組件柜中，取消傳統(tǒng)端子箱。

3.2 廣域測控保護(hù)系統(tǒng)

廣域測控保護(hù)系統(tǒng)將保護(hù)功能按照就地、站域、廣域進(jìn)行層次化配置。就地保護(hù)利用被保護(hù)對象自身信息獨(dú)立決策，實(shí)現(xiàn)可靠、快速切除故障。廣域保護(hù)基于牽引變電所、AT所、分區(qū)所的信息共享，綜合決策，同時(shí)在數(shù)字化牽引變電所自動(dòng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)上，以供電臂為單元設(shè)計(jì)保護(hù)測控裝置。廣域測控系統(tǒng)可提升保護(hù)的選擇性和速動(dòng)性，系統(tǒng)分為3層，分別為過程層、間隔層、站控層。

（1）過程層：采用電氣硬節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)本間隔內(nèi)開關(guān)的硬連線閉鎖，同時(shí)通過光纜連接一次設(shè)備和二次設(shè)備，使二次設(shè)備防雷效果有較大提升。

（2）間隔層：間隔保護(hù)測控裝置利用本裝置接收的開關(guān)量及模擬量信息，通過邏輯編輯設(shè)定開關(guān)的閉鎖邏輯，在執(zhí)行遙控命令、供電臂自愈、主變或進(jìn)線自投時(shí)，只有滿足設(shè)定的閉鎖邏輯才能開出節(jié)點(diǎn)信號到開關(guān)設(shè)備。

（3）站控層：變電所監(jiān)控后臺(tái)根據(jù)全所的遙信、遙測信息設(shè)定開關(guān)的閉鎖邏輯，遙控操作時(shí)，只有滿足閉鎖邏輯才下發(fā)遙控命令到間隔層裝置。

廣域保護(hù)測控系統(tǒng)分層布置，各層獨(dú)立決策又相互配合，充分利用系統(tǒng)各高壓設(shè)備的運(yùn)行狀況信息，適時(shí)生成閉鎖狀態(tài)，大大提高了開關(guān)操作的安全性。

3.3 智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)

輔助監(jiān)控系統(tǒng)是牽引供電系統(tǒng)中牽引變電所、分區(qū)所、AT所的重要支撐部分，其承擔(dān)著為變電所安全、可靠運(yùn)維保駕護(hù)航的重任，與生產(chǎn)系統(tǒng)（綜自系統(tǒng)）同等重要。智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)能有效提高變電所運(yùn)維的安全性、可靠性，其作用被實(shí)踐充分肯定，已成為變電所不可或缺的重要組成部分。

根據(jù)牽引供電維管系統(tǒng)的組織架構(gòu)，輔助監(jiān)控系統(tǒng)采用分層、分區(qū)的分布式架構(gòu)。系統(tǒng)分布式安裝在電氣化鐵路沿線各個(gè)變電所，完成所內(nèi)的綜合輔助監(jiān)控功能，并通過鐵路電力通信綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)與上級視頻監(jiān)控系統(tǒng)或其他管理系統(tǒng)通信，組成一個(gè)完整的多級聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輔助監(jiān)控系統(tǒng)包含視頻監(jiān)控及巡檢、環(huán)境監(jiān)控、安全防范、動(dòng)力照明控制、火災(zāi)報(bào)警、門禁和在線監(jiān)測7個(gè)子系統(tǒng)，經(jīng)過對各子系統(tǒng)的集中整合、統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)對變電所視頻、環(huán)境量、安全報(bào)警信息、火災(zāi)報(bào)警信息、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)等輔助信息進(jìn)行統(tǒng)一采集、編碼、存儲(chǔ)、上傳，由監(jiān)控平臺(tái)完成整個(gè)系統(tǒng)的全面監(jiān)控、一體展示、統(tǒng)一管理和維護(hù)功能，并通過系統(tǒng)預(yù)置的規(guī)則進(jìn)行各子系統(tǒng)間的自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)。

智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)可以分為3層，分別為站控層、間隔層、過程層，每層都有重要的功能作用。

3.3.1 站控層功能

智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)站控層按照一體化原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅具有常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)的全部功能，同時(shí)還增加了許多高級功能。站控層使用軟件總線技術(shù)，提升了系統(tǒng)的擴(kuò)展性；通過站控層可以監(jiān)測一次設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，而站控層具有自動(dòng)推導(dǎo)功能，在自動(dòng)推導(dǎo)功能下，可以更清晰地掌握供電的狀態(tài)；對于保護(hù)裝置而言，站控層能夠起到維護(hù)的作用；在顯示故障動(dòng)作信息的同時(shí)，能夠較為詳細(xì)地顯示故障參數(shù)、故障發(fā)生情況等。

3.3.2 間隔層功能

間隔層按照測量和控制的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在間隔層中，對測控單元具有保護(hù)功能的插件可相互交換，通過仿真工具軟件，間隔層可以對故障進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。間隔層測量故障距離的能力非常強(qiáng)，能夠在極短時(shí)間內(nèi)精確定位故障，降低了檢修的難度。

3.3.3 過程層功能

智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)過程層所使用的體系為DSP+FPGA體系，這一較為先進(jìn)體系的應(yīng)用使數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性得到了大幅提升。過程層主要具備兩大功能，一是自恢復(fù)功能，二是自檢功能，在這兩大功能的支持下，一些工具軟件可以經(jīng)過接口應(yīng)用于變電所中[3]。

4 智能化牽引變電所的應(yīng)用

通過以上分析，智能化牽引變電所可以節(jié)約大量的人力及設(shè)備資源，減少設(shè)備維護(hù)工作量，同時(shí)提高牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，實(shí)現(xiàn)了供電系統(tǒng)的智能化運(yùn)行。我國高速鐵路將快速走向智能化發(fā)展道路，但是當(dāng)前智能化牽引變電所需要從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)入手規(guī)范智能化牽引變電所的運(yùn)用，制定相應(yīng)的運(yùn)維檢修標(biāo)準(zhǔn)提高運(yùn)行的可靠性，真正實(shí)現(xiàn)無人化值守運(yùn)行，還需要大量的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)積累和成熟的技術(shù)支撐。

5 結(jié)語

目前國內(nèi)電力系統(tǒng)已經(jīng)有上千座智能變電站投入運(yùn)行，現(xiàn)有智能變電站基本實(shí)現(xiàn)了全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、高級應(yīng)用互動(dòng)化，全面提升了變電站運(yùn)行維護(hù)水平和安全可靠性，在技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備研制、標(biāo)準(zhǔn)制定、工程建設(shè)等領(lǐng)域取得了階段性成果。在鐵路系統(tǒng)，傳統(tǒng)的牽引變電所具有較大的提升空間，智能牽引變電所的廣泛應(yīng)用將是中國智能高鐵發(fā)展的方向。智能牽引供電系統(tǒng)以先進(jìn)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)突破牽引變電所亭間的信息孤島瓶頸，進(jìn)行系統(tǒng)整合、多信源數(shù)據(jù)共享，建立廣域測控保護(hù)、故障自愈重構(gòu)、故障報(bào)警預(yù)警機(jī)制和系統(tǒng)健康評估體系，對提高牽引供電系統(tǒng)的安全可靠性和可維護(hù)性意義重大。

當(dāng)前電氣化鐵路智能牽引供電系統(tǒng)剛剛起步，雖然技術(shù)層面已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)智能化變電所的功能需求，但是運(yùn)行的可靠性和各項(xiàng)智能化指標(biāo)還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，要實(shí)現(xiàn)全智能化變電所，真正實(shí)現(xiàn)無人值守，還有許多技術(shù)問題需要攻關(guān)解決，有待在未來鐵路智能牽引變電所建設(shè)應(yīng)用中進(jìn)一步深入研究。