基于CIM的牵引供电故障信息管理主站系统的研究

刘子英，沈剑云，张运运

（1.华东交通大学 电气与电子工程学院，江西 南昌 330013；2.中铁电气化局集团有限公司 电气化公司，北京 100036）

目前，大部分电气化铁路的牵引供电系统都只有以监控为目的的远动系统，缺乏对故障信息统一管理的平台。随着牵引变电所自动化水平的不断提高，故障录波装置和变电所综合自动化系统也广泛运用于牵引供电系统中，但无论是远动终端采集的系统实时运行数据，还是故障录波器记录的系统故障信息都未得到有效利用，牵引供电故障信息存在数据冗余、管理混乱、信息模型私有等问题，可以用“数据多，信息少、管理乱、利用少”来概括[1-2]。为此，提出建立基于 IEC61970公共信息模型(Common Information Model，CIM)国际标准的牵引供电故障信息数据模型，实现对故障信息的统一建模与管理。结合南昌铁路局供电段的实际需求，设计与实现故障信息主站的功能，并进行系统测试。

1 牵引供电故障信息系统总体结构

牵引供电故障信息系统包括主站系统、通信系统和子站系统[2-3]，其整体结构如图1所示。

图1 牵引供电故障信息系统总体结构

图2 主站系统的功能示意图

（1）主站系统。主站的硬件系统包括高性能服务器、通信接口和外设，如显示器、打印机等。主站服务器拥有足够的硬盘容量和处理速度，能够处理大量来自子站系统的故障数据。

（2）通信系统。通信系统作为主站系统和子站系统间的通信媒介，采用的方案是与现有牵引远动系统共用一套通道，但是与远动系统采用分离的通信软件，这样既可以保证故障信息系统与远动系统信息的一致性，又能达到为故障管理与分析提供所需信息的目的。

（3）子站系统。子站系统是故障信息采集系统，在硬件上与牵引远动系统共用一套子站系统，但在子站软件方面可以根据故障信息系统实际情况进行自由裁剪。子站系统包括对各种实时故障信息的采集、本地存储和通信模块。

2 牵引供电故障信息系统主站的功能

主站系统的主要目的是收集与管理故障数据，为故障分析专家系统等高级应用提供数据支持，并且在故障数据的基础上进行故障信息管理和分类统计等工作[4]。图2是采用 Rational Rose 绘制的主站系统功能图。

（1）实时故障信息管理。实时故障信息管理实现牵引供电故障信息的快速采集，及时传送到调度端，提供给故障分析人员。

（2）历史故障信息管理。经过分析后的故障信息以一定的格式存入到历史故障信息库中，一方面进行故障信息汇总，作为运营统计数据；另一方面为今后发生类似故障提供相应参考，为故障预防或处理提供经验。

（3）保护投运及定值管理。系统记录各牵引变电所保护装置的投运情况及定值情况，当保护情况变动时，需要在本系统中进行更新。该功能主要是为继电保护分析人员提供参考。

（4）设备履历信息管理。设备履历信息管理提供牵引供电一、二次设备的详细技术参数和使用情况信息，实现设备状态管理。同时，对故障分析时可以快速查询故障设备的详细信息。

（5）故障信息分类统计。历史故障分类统计对于指定区域内发生故障事件的次数，能够按时间，按段、车间、工区进行统计，并提供各种查询、检索功能；能方便地进行不同条件的查询，可以变电所名、设备名称、线别编号和时间为关键字查询相关故障信息，以及对应的录波信息，并且实现查询后的转存备份、统计分析、打印等工作，还可以统计保护正确动作率，用于上报和存档。

（6）安全管理。利用铁路信息专用网络实现与外网的隔离，进行严格的安全管理，包括病毒防护、数据热备份措施，以保证系统安全可靠运行。

（7）系统管理。根据用户权限和工作性质实现不同的功能，如管理员完成安全管理和用户管理；系统维护人员完成对数据字典和故障信息的整理与发布；其余的故障分析和运营人员完成对故障浏览和综合查询的功能。

（8）智能数据接口。实现与牵引供电其他管理系统智能数据接口，同时也为基于故障信息的高级应用预留接口。

3 牵引供电故障信息系统主站设计与实现

3.1 主站系统构成

（1）故障信息CIM模型设计。该模型设计主要包括基于 CIM 故障信息建模和故障信息模型映射到关系数据库。

（2）故障信息综合管理。其主要包括实时故障信息管理模块、历史故障信息管理模块、保护投运及定值管理模块、设备履历信息管理模块、故障信息分类统计模块、安全管理模块、智能数据接口模块和系统管理模块。

3.2 牵引供电CIM故障信息模型设计

牵引供电故障信息主站系统的数据建模包括对一次设备建模，对二次设备建模和一、二次设备整合建模[4-5]。根据 CIM 建模思想和方法，采用 UML 建模语言和 Rational Rose 建模工具，建立了牵引供电故障信息数据库的实例模型，即 CIM_GUZHANG。模型分成6个包：Core 包、Domain包、Equipment包、Protection包、Meas包和Data包，如图3所示。图4是CIM_GUZHANG数据模型的主要类。

图3 CIM_GUZHANG 包图

在本主站系统中，数据库表分为以下两大类[4]。

（1）业务数据表。业务数据表包括牵引供电系统的网络库和故障信息库，主要是从CIM_GUZHANG数据模型映射到关系型数据库生成的表。

（2）系统管理表。系统管理表的主要功能是确保系统正常稳定运行，完成系统功能所必需的管理系统表。

图4 CIM_GUZHANG故障模型主要类

3.3 故障信息管理功能设计与实现

故障信息管理功能架构设计采用 B/S三层架构：Web 表现层、应用层和数据层。Web 表现层是Web 浏览器接受用户信息输入、返回处理结果，提供人机交互界面。应用层包含大量的管理、统计组件，主要是故障综合管理业务和逻辑组件的实现。数据层采用 CIM 标准对牵引供电故障信息建模，同时在数据层封装了对底层数据库的存取操作和数据采集操作[2,6]。下面以实时故障信息管理为例，说明系统功能设计与实现过程。

实时故障信息管理包括两个方面：故障信息的实时传输模块和故障信息复合查询模块。

（1）故障信息的实时传输模块。该模块页面采用 Javascript 定时询问后台数据库，获取实时故障信息，当有故障信息存入数据时，刷新页面报警提醒。

（2）故障信息复合查询模块。该模块能对故障信息进行简单查询。查询的主要类包括查询接口类(DivQueryDao)、查询实现类(DivQueryDaoImpl)、查询条件类(Search)、查询信息返回类(Eventrecord)、数据库连接类(DBConn)等。首先用户在前台界面 JSP 中选择查询条件，传递给Search 类的实例化对象 sh。对象 sh 作为类 DivQueryDaoImpl 中 DivQuery 方法的参数调用，DivQuery 的返回值为 List 类型的列表，此列表存储查询后的数据集 Eventrecord 对象，然后再传递给 JSP 页面作为查询返回信息，通过 HTML显示。其流程如图5所示。

3.4 故障信息管理功能测试

牵引供电故障信息主站系统的测试得到南昌供电段牵引供电系统现场故障数据的支持，测试结果表明，该系统能够满足供电段对故障信息管理的需要。

图5 故障信息复合查询时序图

4 结束语

结合铁路牵引供电系统故障管理的实际需求，建立了基于 CIM 标准的牵引供电故障信息管理主站系统。该系统采用 IEC61970CIM 作为故障信息建模标准，解决了接口不开放、系统集成困难等问题，并且采用 B/S 三层架构实现故障信息管理，使调度端能在第一时间掌握变电所及供电区间的故障情况，提高故障信息管理的效率，提高了牵引供电管理自动化水平，具有一定的工程实际意义。

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[1]舒 辉. 铁路配电网故障信息管理及诊断系统研究与实现[D]. 成都：西南交通大学，2008.

[2]郭 锴，李群湛，贺建闽. 电气化铁路故障信息处理系统方案研究[J]. 机车电传动，2004(2)：54-57.

[3]高 翔，张沛超，章坚民. 电网故障信息系统应用技术[M]. 北京：中国电力出版社，2007.

[4]翁芳芳. 基于CIM的电网故障信息主站系统的研究[D]. 北京：华北电力大学，2004.

[5]毛 鹏，魏晋雁，茹 锋. 基于IEC61970的电力系统二次设备CIM建模初探[J]. 继电器，2007，35(11)：65-68.

[6]任建文，周 明，李庚银. 电网故障信息综合分析及管理系统的研究[J]. 电网技术，2002，26(4)：38-41.