基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鐵路通信供電監(jiān)控系統(tǒng)

戴 明，陳軍波，程奕凌，鐘 濱，張騰飛

（1.南京恒星自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210042；2.西成鐵路客運(yùn)專線陜西有限責(zé)任公司，陜西 西安 710045；3.南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引 言

我國鐵路正處于高速發(fā)展時(shí)期，鐵路的電氣化進(jìn)程也在不斷推進(jìn)，鐵路的日常運(yùn)作都以電能為運(yùn)輸動(dòng)力，鐵路的供電水平直接影響鐵路系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但電氣化鐵路的供電系統(tǒng)是一個(gè)龐大又復(fù)雜的系統(tǒng)，電氣設(shè)備布局分散，并且部分鐵路段位于偏僻的地區(qū)，與電力監(jiān)控中心相距較遠(yuǎn)，無法實(shí)現(xiàn)有效的供電監(jiān)控，導(dǎo)致鐵路沿線供電監(jiān)控任務(wù)變得異常艱巨[1]。此外，鐵路沿線的一些非電氣設(shè)備也會(huì)對(duì)鐵路的供電產(chǎn)生諸多影響。有學(xué)者提出分布式供電策略，即對(duì)鐵路進(jìn)行分段供電，每段鐵路節(jié)點(diǎn)配置專用的分布式電源和監(jiān)控裝置，但該模式下的供電系統(tǒng)相互獨(dú)立，且需配置大量電源和監(jiān)控裝置，耗費(fèi)了大量不必要的人力、物力，因此研發(fā)一套專業(yè)設(shè)備一體化智能管理系統(tǒng)實(shí)屬必需。

50多年來，電力系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)在我國不斷發(fā)展，已融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為電力信號(hào)監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持[2-4]。物聯(lián)網(wǎng)可分為終端層、網(wǎng)絡(luò)層和系統(tǒng)層：

（1）終端層包括供電、攝像頭、位置傳感器等感知終端，負(fù)責(zé)采集信息；

（2）網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳輸終端層采集的信息；

（3）系統(tǒng)層是用戶和物聯(lián)網(wǎng)的交互終端。

雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為鐵路供電監(jiān)控提供了新的解決辦法，但鐵路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集量大，范圍廣，涵蓋諸多專業(yè)，且各監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，缺乏一體化的綜合管控平臺(tái)。

文獻(xiàn)[5]主要研究了紅外熱像儀監(jiān)控系統(tǒng)在鐵路供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)中的應(yīng)用，紅外熱像測(cè)溫速度快，可以日夜監(jiān)控，安全方便，能被廣泛應(yīng)用到鐵路系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[6]將虛擬化技術(shù)引入高鐵供電監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度端（PSCADA主站系統(tǒng)）。通過虛擬化技術(shù)對(duì)服務(wù)器進(jìn)行整合，提高服務(wù)器資源的使用率與業(yè)務(wù)的連續(xù)性，同時(shí)還能提供一個(gè)靈活的資源使用平臺(tái)。上述文獻(xiàn)都針對(duì)鐵路中的供電系統(tǒng)提出了有效的監(jiān)控方案，但并未考慮多種專業(yè)設(shè)備的供電情況。計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展為鐵路物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供了支撐。為了更好地進(jìn)行鐵路供電監(jiān)測(cè)，本文給出一種鐵路通信供電監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵路各專業(yè)關(guān)鍵設(shè)備供電信息、遠(yuǎn)程操作供電設(shè)備、故障分析以及各類信息查詢等功能，能夠被大量應(yīng)用到鐵路供電管理過程中。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于鐵路物聯(lián)的通信供電監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括可信智能終端、基于IEC61850的通信網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)了融合可信計(jì)算和邊緣計(jì)算的智能終端，設(shè)計(jì)了基于IEC61850的縱向加密、橫向隔離通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，開發(fā)了基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的高鐵電力自動(dòng)化管理系統(tǒng)，大幅提高了高鐵電力自動(dòng)化、智能化的程度，有效保障了高鐵通信供電的可靠、穩(wěn)定。

1.1 融合可信計(jì)算和邊緣計(jì)算的智能終端

設(shè)備運(yùn)行時(shí)，智能終端實(shí)時(shí)采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)利用這些數(shù)據(jù)完成對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)及維護(hù)等工作。終端采用可信計(jì)算技術(shù)[7-8]，每次開機(jī)自動(dòng)檢查終端的軟件版本和后臺(tái)進(jìn)程，保障終端計(jì)算環(huán)境穩(wěn)定可信，有效防止終端被惡意劫持而造成安全事故。同時(shí)，終端作為一個(gè)獨(dú)立的智能計(jì)算單元，可與其他終端設(shè)備互聯(lián)協(xié)同，在終端與系統(tǒng)通信中斷時(shí)，采用邊緣計(jì)算技術(shù)[9-10]調(diào)用本地存儲(chǔ)的控制策略，保障電力供應(yīng)。

智能終端采用高密度高精度的錄波采集系統(tǒng)，以真實(shí)反應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)下電壓、電流的變化趨勢(shì)。另外，通過精確記錄故障時(shí)的電流、電壓變化，分析線路產(chǎn)生故障的原因，如用電設(shè)備故障，供電線路失電、相間短路、斷線、接地等，可為快速故障處理提供可靠的數(shù)據(jù)。完成有效值錄波功能需要一整套復(fù)雜嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧鞒蹋ń涣餍盘?hào)的數(shù)據(jù)采集、高密度無縫掃描、高精度實(shí)時(shí)算法、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高效壓縮算法，以及遠(yuǎn)動(dòng)主站應(yīng)用軟件的快速查詢、定位、分層顯示等。采用專用電能芯片（ADI公司7878）采樣，當(dāng)前每周錄波80點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)1～39次諧波計(jì)算，分別計(jì)算電流和電壓的諧波總含量，并計(jì)算基波電能等電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，作為諧波分析依據(jù)。為保證監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，將所有設(shè)備信息輸入監(jiān)控系統(tǒng)。

另外作為監(jiān)測(cè)終端，對(duì)于設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境、供電電源、防雷部件的運(yùn)行工況等都可以實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2 基于IEC61850協(xié)議的縱向加密、橫向隔離的通信網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)如圖2所示。隨著我國高鐵里程數(shù)的增加，高鐵電力自動(dòng)化管理智能終端將更多地暴露在公眾視野，因此終端的信息安全問題不可回避。基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的高鐵電力自動(dòng)化管理系統(tǒng)研發(fā)了融合可信計(jì)算的智能終端，可有效防止終端被惡意劫持或篡改，并基于現(xiàn)有電力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了縱向加密、橫向隔離的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[11]，保障智能終端與管理系統(tǒng)之間通道的安全。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)

1.3 高鐵電力網(wǎng)絡(luò)一體化實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能分析大數(shù)據(jù)中心

大數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。平臺(tái)依托調(diào)度主站監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)的一體化管理，數(shù)據(jù)平臺(tái)在符合綠色理念的同時(shí)也滿足鐵路系統(tǒng)的各項(xiàng)需求，可為軌道交通供電管理提供最詳實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通以及智能化管理，提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率[12]。在此基礎(chǔ)上研發(fā)鐵路中的數(shù)據(jù)云分析平臺(tái)以及防災(zāi)救援系統(tǒng)，將網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)引入鐵路數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，讓鐵路與互聯(lián)網(wǎng)相互交融，在保障數(shù)據(jù)傳輸安全的同時(shí)，為軌道交通運(yùn)輸?shù)陌踩\(yùn)營、科學(xué)決策、減員增效提供有力保障[13]?？紤]在系統(tǒng)通信過程中增加加密算法，并采用電力系統(tǒng)通用的信息加密套件，保證電能信息傳輸過程的安全。著重加強(qiáng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析能力，確保系統(tǒng)最大程度利用數(shù)據(jù)資源，提升系統(tǒng)下發(fā)指令的科學(xué)性，將電力資源合理配置到各個(gè)模塊，推進(jìn)各個(gè)模塊間的信息共享及綜合集成應(yīng)用。

圖3 高鐵電力網(wǎng)絡(luò)一體化實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能分析大數(shù)據(jù)中心

1.4 基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的高鐵電力自動(dòng)化管理系統(tǒng)

基于泛在電力物聯(lián)的高鐵自動(dòng)化管理系統(tǒng)對(duì)全線的變電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)（如信息粒計(jì)算、聚類分析等技術(shù)）分析設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)[14]，并基于分析結(jié)果及時(shí)下發(fā)控制策略（如投切無功補(bǔ)償設(shè)備、投切備用電源等），保障電能質(zhì)量和供電可靠性。同時(shí)，系統(tǒng)基于多元數(shù)據(jù)集成，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析失效判定和故障預(yù)測(cè)，通過深度自學(xué)習(xí)進(jìn)行知識(shí)拓?fù)涞墓收纤菰?，評(píng)估變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)變化和可能存在的安全隱患，從而為供電系統(tǒng)的電能分配、故障定位提供準(zhǔn)確的指標(biāo)，為鐵路的供電系統(tǒng)和其他變配電系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供重要保障。

高鐵自動(dòng)化管理系統(tǒng)包括：電力調(diào)度系統(tǒng)、變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)。

（1）電力調(diào)度系統(tǒng)設(shè)置在調(diào)度中心，主要由硬件平臺(tái)、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、信息收集系統(tǒng)等組成，完成對(duì)遠(yuǎn)方遠(yuǎn)動(dòng)對(duì)象的監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及管理。

（2）變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集設(shè)備的各項(xiàng)信息并記錄時(shí)間節(jié)點(diǎn)。變電所的數(shù)據(jù)處理、電能分配控制、自我保護(hù)等動(dòng)作均由變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)完成。

（3）變電所與電力調(diào)度系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸由通信網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)。

將基于時(shí)間維度的檢修理念調(diào)整為基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的檢維修模式，將失效預(yù)警、異常識(shí)別分為不同等級(jí)，并對(duì)應(yīng)不同的處理模式，以最大限度縮短排除故障所用時(shí)間。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)可分為三層，即間隔層、網(wǎng)絡(luò)通信層和業(yè)務(wù)層。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

間隔層包含變電所安裝的多功能儀表、浪涌及UPS監(jiān)測(cè)儀、配電箱、電能質(zhì)量檢測(cè)儀等。

網(wǎng)絡(luò)通信層包含現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)和交換機(jī)等設(shè)備。網(wǎng)關(guān)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過有線或無線傳輸方式上傳至后臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后從中斷位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。

業(yè)務(wù)層包含繼保工程師站、SCADA操作員站服務(wù)器、前置服務(wù)器和工作站，一般應(yīng)用服務(wù)器和前置服務(wù)器可以合一配置，如果預(yù)計(jì)接入設(shè)備數(shù)量較多，則建議分開配置。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和處理

本系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集器和上位機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（通過有線網(wǎng)絡(luò)或GPRS/CDMA/4G無線網(wǎng)絡(luò)）。

把監(jiān)控系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，對(duì)于需要長期保存的數(shù)據(jù)存放在歷史數(shù)據(jù)庫中，對(duì)于狀態(tài)量變位、模擬量越限等信息，按時(shí)間順序保存在歷史事件庫中。

數(shù)據(jù)處理包括定時(shí)采集、越限報(bào)警、追憶記錄、設(shè)備異常報(bào)警、事件順序記錄（SOE）和操作記錄。

3.2 控制操作

為防止監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生誤操作，既可以依靠系統(tǒng)內(nèi)部的防誤軟件，也可以與專用微機(jī)防誤系統(tǒng)配合完成全站的防誤閉鎖功能。

站內(nèi)各項(xiàng)設(shè)備都有站內(nèi)控制、調(diào)度中心遠(yuǎn)方控制、就地手動(dòng)控制三種控制方式。

監(jiān)控系統(tǒng)在間隔層可以通過在測(cè)控裝置上設(shè)置間隔互鎖邏輯實(shí)現(xiàn)間隔層操作閉鎖。

3.3 報(bào)警處理及報(bào)表功能

發(fā)生變位故障時(shí)，在運(yùn)行工作站顯示的畫面中，變位設(shè)備的顏色會(huì)改變，并且以燈光閃爍的方式提示，同時(shí)顯示報(bào)警條文。預(yù)告報(bào)警的動(dòng)作方式與事故報(bào)警大致相同，通過不同的顏色變化可以與事故報(bào)警區(qū)分。

報(bào)表功能提供各種設(shè)備的年報(bào)表、月報(bào)表、日?qǐng)?bào)表及小時(shí)報(bào)表。

4 結(jié) 語

本文通過集成傳感器技術(shù)以及現(xiàn)代通信技術(shù)，提出一種基于鐵路物聯(lián)網(wǎng)的通信供電監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)顯示、運(yùn)算、記錄鐵路各專業(yè)關(guān)鍵設(shè)備供電信息的功能，供電設(shè)備可遠(yuǎn)程操作，也可根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析、定位，還可以提供各類信息查詢、統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表和圖件制作等功能，對(duì)鐵路供電系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。