高速鐵路遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用

張蒙蒙

中鐵十六局集團(tuán)電氣化工程有限公司，北京 100018

0 引言

高速鐵路的運(yùn)行受多種因素的影響，如電力基礎(chǔ)、電力系統(tǒng)為高速鐵路沿線的負(fù)載提供一定的電力。得益于信息技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)高速鐵路運(yùn)行的信息化。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和能源的建設(shè)，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的使用性能，改善故障排除工作。因此，需要加強(qiáng)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用及系統(tǒng)故障分析，確保高速鐵路的高效運(yùn)行[2]。

1 高速鐵路遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的組成和作用

高速鐵路遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行主要以計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)為載體，可以結(jié)合電力系統(tǒng)的控制要求，對配電站、配電設(shè)施和線路進(jìn)行系統(tǒng)性的監(jiān)控[3]。遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)可以監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測供電電壓、功率和功率因數(shù)等[4]。

1.1 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的組成

高速鐵路遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)由主控站、被控站和通道組成[5]。以太崇鐵路項(xiàng)目為例，太崇鐵路項(xiàng)目遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)由15處被控站和1處主控站組成；通道有主用、備用通道，通道由通信專業(yè)建立，建立基礎(chǔ)是主控站和被控站的網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器。項(xiàng)目主控站位于北京鐵路局調(diào)度中心；被控站主要由RTU、微機(jī)保護(hù)、通信管理機(jī)等裝置組成，可以通過遠(yuǎn)動(dòng)通道監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)，接收主控站的指令，完成系統(tǒng)的相關(guān)操作。

1.1.1 主控站

主控站由主服務(wù)器、WEB服務(wù)器和接口站組成[6]。主服務(wù)器由多臺(tái)服務(wù)器組成，可以處理接口的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中；主服務(wù)器要負(fù)載均衡，以此動(dòng)態(tài)分配負(fù)載，確保當(dāng)某一臺(tái)服務(wù)器故障時(shí)，業(yè)務(wù)運(yùn)行不受影響。接口站可以執(zhí)行程序，并預(yù)處理配電站和交換站的相關(guān)數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。WEB服務(wù)器可以發(fā)布報(bào)表和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1.2 被控站

被控站包括配電站和低壓監(jiān)測站，如車站的10/0.4 kV變電所、箱變、10 kV配電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等[7]。其中，配電站可以采集設(shè)備的運(yùn)行、故障、輸入輸出故障、電容補(bǔ)償故障信號(hào)，以及開關(guān)量、功率單元信號(hào)等，并根據(jù)設(shè)備的調(diào)度和監(jiān)控要求，控制輸入線的電壓和母線的輸入電流、回路電流、有功功率、功率因數(shù)等。遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)可以收集設(shè)備狀態(tài)，如站內(nèi)高低壓設(shè)備的信息，信息處理后通過通道發(fā)送給控制站，控制站也可以通過通道接收控制指令，并根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的命令，控制相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行。

1.1.3 監(jiān)控系統(tǒng)和通道

高速鐵路遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)包括輸變電監(jiān)控系統(tǒng)和通信通道。其中，輸變電監(jiān)控系統(tǒng)可以利用設(shè)備監(jiān)控沿線的變壓器，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備和線路運(yùn)行中的問題和缺陷，控制、分析系統(tǒng)的運(yùn)行；通信通道作為信息的傳輸媒介，負(fù)責(zé)連接控制站和終端信息。

1.2 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的作用

1.2.1 提高電力系統(tǒng)的安全性

遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用具有自動(dòng)化程度高和自動(dòng)化測試的特點(diǎn)[8]。采用遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)對沿線的電力系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制，可以降低電力系統(tǒng)的運(yùn)行強(qiáng)度，減少沿線施工的數(shù)量，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和減少故障風(fēng)險(xiǎn)。通過遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)可以采集狀態(tài)信息，監(jiān)控線路的運(yùn)行，判斷線路是否正常。通過遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)還可以及時(shí)監(jiān)測沿線的信號(hào)，如果檢測到故障或異常，將發(fā)出警報(bào)，并通過電力設(shè)備快速定位遠(yuǎn)程線路故障點(diǎn)，及時(shí)排除故障線路和設(shè)備，保證高速鐵路的正常運(yùn)行，以及保證停電后及時(shí)恢復(fù)供電，減少故障處理時(shí)間，提高系統(tǒng)供電的可靠性。

1.2.2 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制

遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)可以監(jiān)控電力運(yùn)行，遠(yuǎn)程發(fā)送指令，保證列車按指令運(yùn)行；系統(tǒng)可以連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通暢的通信功能；系統(tǒng)收集的信息將發(fā)送到控制中心，可以節(jié)省信息的溝通成本。如今，大部分鐵路系統(tǒng)使用多種技術(shù)，如計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和傳輸技術(shù)等，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可監(jiān)測和測量列車運(yùn)行中的參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制。

2 高速鐵路遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 遙測和遙控技術(shù)

（1）遙測技術(shù)。在電力系統(tǒng)中，遙測和遙控技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛。其中，遙測技術(shù)可以監(jiān)測變電站的電力和功率的相位，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)分析結(jié)果了解工作情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。遙測技術(shù)可以根據(jù)故障信號(hào)完成信號(hào)的采集，保證鐵路信號(hào)監(jiān)測的準(zhǔn)確性；通過分析相關(guān)采集數(shù)據(jù)，合理地組織列車工作。

（2）遙控技術(shù)。在高速鐵路中使用遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)會(huì)不可避免地出現(xiàn)一些故障，使用遙控技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)營中的故障。遙控技術(shù)可以基于電力系統(tǒng)中的電流檢測結(jié)果和線路故障評(píng)估結(jié)果找出故障部位，并交由相關(guān)的部門處理。相關(guān)部門可以根據(jù)故障隔離故障點(diǎn)，在維修部完成維修分析后對故障區(qū)域恢復(fù)供電。結(jié)合高低壓設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的實(shí)際情況，遙控技術(shù)可以減少環(huán)境因素對設(shè)備的影響，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2 屏蔽技術(shù)

遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)在穩(wěn)定的環(huán)境中運(yùn)行，需要消除干擾。為了增強(qiáng)控制系統(tǒng)的抗干擾能力，應(yīng)采用合理的屏蔽技術(shù)抑制系統(tǒng)運(yùn)行過程中的干擾，并重點(diǎn)關(guān)注硬件和軟件屏蔽技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用。

3 高速鐵路遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 主控站

在高速鐵路中，主控站一般位于路局調(diào)度中心，采用局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用雙機(jī)熱備，以核心、節(jié)點(diǎn)等功能為系統(tǒng)架構(gòu)。主控站包括工作站、維護(hù)站等。工作站用于監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，以此控制變電、配電等工作；維護(hù)站用于維護(hù)調(diào)試、系統(tǒng)開發(fā)和操作。為了保證高速鐵路遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，避免因故障導(dǎo)致的運(yùn)行中斷，主控站需要配備外接電源線與UPS相連。UPS電源可以滿足系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行1 h的要求。

3.2 被控站

被控站可以配備可遠(yuǎn)程控制的高低壓開關(guān)和RTU遙控終端等，還可以下載高低壓系統(tǒng)信息，以及接收和執(zhí)行指令，對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和切換管理。為了保證故障信息采集的準(zhǔn)確性，并提供準(zhǔn)確的故障點(diǎn)，被控站控制設(shè)備需要具有故障分析功能，為故障評(píng)估提供依據(jù)。被控站遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)施的測量信息包括設(shè)施狀態(tài)信息、設(shè)備報(bào)警信息、避雷器報(bào)警信息、UPS電源狀態(tài)信息，以及線路電流、電壓和有功功率等信息。

為了保證系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，被控站采用16位RTU微處理器。RTU微處理器具有模塊化、高可靠性和高抗干擾等特點(diǎn)，可以滿足鐵路電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。RTU預(yù)留多個(gè)通信接口，為擴(kuò)展系統(tǒng)的控制功能提供了必要的條件。為了保證配電站、控制站和低壓監(jiān)控站等的運(yùn)行準(zhǔn)確性，要在控制站安裝GPS作為NTP服務(wù)器，確保系統(tǒng)與控制器的運(yùn)行協(xié)調(diào)。

3.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為了動(dòng)態(tài)控制電力系統(tǒng)，需要建立遠(yuǎn)程控制視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，為故障分析、反饋確認(rèn)提供必要的依據(jù)，同時(shí)為無人監(jiān)管創(chuàng)造有利條件，提高系統(tǒng)管理水平。視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用“1+N”的模式，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需要增加配電站、監(jiān)控站的監(jiān)控屏。每個(gè)被控站可以將采集的圖像存儲(chǔ)在本地，然后上傳到控制站，控制站配備陣列硬盤，可以存儲(chǔ)歷史監(jiān)控圖像。監(jiān)控系統(tǒng)具有云臺(tái)遙控、語音對講等功能，可以配合遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)操作、故障排除。

隨著線路的增加和網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的增加，線路擴(kuò)容成本也在不斷提高，一些系統(tǒng)的運(yùn)行無法滿足監(jiān)控要求。分析監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)帶寬，監(jiān)控系統(tǒng)需要至少需要1.5 MB的帶寬才能滿足傳輸要求。隨著設(shè)備的增加，視頻質(zhì)量會(huì)影響其他業(yè)務(wù)通信。在傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)，可以同時(shí)訪問視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，從而降低重建成本。

3.4 抗干擾設(shè)計(jì)

電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)受設(shè)備運(yùn)行、周圍電場和配電線路等的影響，如電磁干擾的影響。電磁干擾包括電容性干擾、通信干擾、一般群干擾和輻射干擾等，在干擾因素的影響下，可能導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)精度降低、元件損壞、故障和事故發(fā)生等。針對這一問題，需要進(jìn)行相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)、濾波器及數(shù)據(jù)的干擾保護(hù)設(shè)計(jì)，以確保電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在高壓設(shè)備與設(shè)備之間可以采用屏蔽層電纜，電纜兩端接地，以減少感應(yīng)電壓對設(shè)備的影響；在選擇配電站和監(jiān)測站的設(shè)備時(shí)，應(yīng)防止高頻干擾的影響，在設(shè)備輸出端接電容，可以抑制高頻干擾；設(shè)備的地線和母線通過接地電極連接，可以減少接地瞬態(tài)電位差，減少對設(shè)備的運(yùn)行干擾。

數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性是遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)。當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí)，信號(hào)可能會(huì)出現(xiàn)誤差、失靈等，可以使用低通濾波去除諧波。當(dāng)干擾嚴(yán)重時(shí)，采用電容和電阻抑制瞬態(tài)干擾。在對數(shù)據(jù)采集進(jìn)行干擾保護(hù)時(shí)，優(yōu)先選擇保護(hù)效率高的設(shè)備，可以提高終端設(shè)備的抗噪能力，防止電路受到干擾。

4 高速鐵路遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的故障排除

高速鐵路遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)可以處理簡單的故障。例如，對于超限電壓可以實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)，以維持供電的穩(wěn)定性和鐵路的正常運(yùn)行。遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)可以監(jiān)控線路，提供相應(yīng)的保護(hù)，并通過編程進(jìn)行應(yīng)急處理。目前，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)改變相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。線路一旦發(fā)生故障，主對象將停機(jī)并切換電纜，以此確定故障類型。

通常，基礎(chǔ)設(shè)施在發(fā)生故障后會(huì)受到保護(hù)，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)故障實(shí)際情況進(jìn)行處理。如果無法評(píng)估或糾正故障，需要重新設(shè)置重接點(diǎn)，以防止系統(tǒng)故障損壞其他正常線路。如果電纜存在永久性故障，可以通過線路中的電流來判斷故障。由于停電存在延遲，必須執(zhí)行相關(guān)的步驟來確認(rèn)故障點(diǎn)。基于電力系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)及故障原因，可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行故障，建立線路故障分析模型。然后通過分析設(shè)備故障類型、周期等，制訂電氣設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，以此提高設(shè)備維護(hù)和維修的水平，并提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。在輸電線路中，單一的故障評(píng)估無法檢測接地故障，若要確定故障位置，可以結(jié)合GPS定位實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的故障定位。

4.1 根據(jù)故障信息判斷故障位置

當(dāng)電流流過設(shè)備時(shí)，可以用備用設(shè)備設(shè)置測量值，此時(shí)監(jiān)控設(shè)備會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)。當(dāng)主控站收到錯(cuò)誤信息時(shí)，可以分析相關(guān)的運(yùn)行信息和數(shù)據(jù)，計(jì)算出故障發(fā)生的時(shí)間，以此確定系統(tǒng)故障的位置。例如，高速鐵路線路發(fā)生行波故障時(shí)，可以根據(jù)行波的傳播速度來確定斷點(diǎn)的位置，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)可以采集電流分布信息，為行波故障定位提供必要依據(jù)。

4.2 優(yōu)化設(shè)備及其維護(hù)

在設(shè)備層面，市場上有大量的設(shè)備生產(chǎn)廠家，不同廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上存在差異。因此，在應(yīng)用遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)有必要統(tǒng)一設(shè)備的規(guī)格和型號(hào)，以此確保設(shè)備的通用性，為進(jìn)一步開展維護(hù)工作提供便利。設(shè)備的使用需要大量的硬件，這也意味著大量的維護(hù)工作。從技術(shù)上講，需要不斷擴(kuò)展軟件功能，優(yōu)化軟件，使用模塊化功能，減少對硬件設(shè)備的投資，以方便后續(xù)的維護(hù)。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著高速鐵路的發(fā)展，對電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求也在提高，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)在高速鐵路的運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展為我國高速鐵路的自動(dòng)化發(fā)展提供了技術(shù)支撐，為提高高速鐵路的整體發(fā)展水平奠定了良好的基礎(chǔ)。遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信息與系統(tǒng)的結(jié)合，提高了鐵路電力系統(tǒng)運(yùn)行及管理的自動(dòng)化水平，保障了高速鐵路的安全運(yùn)行。對于遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)，需要引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)，不斷為高速鐵路的發(fā)展貢獻(xiàn)技術(shù)力量。