智能牵引变电所关键技术的探讨

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(济南铁路局供电段，山东 济南 250000)

智能牵引变电所关键技术的探讨

崔建强，牛建军

(济南铁路局供电段，山东 济南 250000)

国家提出了建设中国特色的智能电网的总体目标和实施规划，智能变电站作为其中的一个环节正在试点和推广的过程中，借鉴电力系统的建设经验和技术来构建智能牵引供电系统架构。但是，牵引供电系统和电力系统相比有很多特别的地方，需要将智能变电站的技术和牵引供电的特点相结合，建设满足铁路供电需求的智能变电所，即将智能变电站的思想引入牵引变电所，使其具有一次设备智能化、信息交换标准化、系统高度集成化、运行控制自动化、保护控制协同化、分析决策在线化等技术特征。

智能牵引变电所；牵引供电系统；一体化监控系统

1 引言

智能变电站是智能电网的核心内容之一，其发展方向主要是从数字化演变为智能化。建设的智能变电站应具备一次设备智能化、信息建模统一化、数据采集全景化、设备检修状态化、事故处理智能化和保护控制协同化等功能特征[1]。为了实现以上功能，智能变电站提出建设一体化监控系统。按照全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化的基本要求，一体化监控系统对整个系统进行集成优化，并进行对全站信息的统一接入、统一存储及统一展示，同时，有效完成操作与控制、运行监视、综合信息分析、智能警示等功能[2]。智能变电站一体化监控系统即解决了全站信息安全分区的问题，又对全站各系统的高度集成和功能进行有机的融合，以达到站内全景信息的交互与自由流通，为变电站的智能化高级应用打下坚实的基础。

为此，本文将智能化的技术应用牵引供电系统，实现牵引变电所全景信息融合，为变电所故障诊断提供信息支持。

2 智能牵引供电系统架构

根据智能电网技术的应用，将高级传感检测技术、信息技术、网络技术、智能化技术等先进技术应用到牵引供电系统，可构建覆盖牵引变电所、牵引网、AT所、分区所、自动化系统、检测维护系统、电力供电系统的全息感知系统，通过高可靠、高可信通信系统传输物理参数及状态信息，并建立与之相适应的海量数据处理及存储技术，为牵引供电智能应用决策提供完备的数据支撑，由此形成包括信息感觉、数据传输、数据处理、应用决策等组成的多层体系结构，如图1所示。

图1 智能牵引供电系统的体系结构

智能牵引供电系统需要有智能一次设备、高速以太网、IEC61850标准等多种新技术来支撑，完成一次设备智能化、信息建模统一化、数据采集全景化、设备检修状态化、控制操作自动化和保护控制协同化等功能，以实现系统运行可控、设备状态可视、运营维护可循的总体目标。智能牵引供电系统由以下几个子系统协同作用，完成智能化的功能。

(1)全景信息采集系统：面向整个牵引供电系统，建立一体化监控系统，通过全景感知网络，全面采集变电所内一次设备和二次设备的运行状态信息、接触网信息及大气环境等相关参数，实现变电所乃至整个牵引网全景数据采集、处理、监视、控制和运行管理等。

(2)智能调度系统：建立具有专家系统和决策支持的广域分布智能调度系统，完成牵引供电系统实时监测、分析与评估、调整与控制、调度计划和调度管理等功能。

(3)智慧运维系统：根据我国客运专线的特点，研究牵引供电系统维修规范，建立基于“全寿命周期化”的设备管理，实现基于全景感知的固定设备“状态修”和“故障抢修”模式，实现电气设备维修作业的标准化、流程化和精细化，达到规范设备维修流程、保证维修质量、提供维修效率的目的。

实现这几个系统的协同作用，还需进一步研究智能牵引供电系统的信息传输技术、数据处理技术、应用组态技术和系统接口技术等关键技术的应用。

3 智能牵引变电所一体化监控系统

智能牵引供电系统针对我国高速铁路速度快、跨度大、运距长的典型特征，按照“系统运行可控、设备状态可视、维护管理可知”的总体目标，采用自检测、自诊断、自决策的方式，实现牵引供电系统实时在线监测和寿命周期的服役跟踪，以及预警决策和可靠性评估能力，并进一步通过故障诊断及自愈重组技术，保障牵引供电系统的安全可靠运行，以提升运营维护效率与水平。

在智能牵引供电系统的基础上，将智能变电站一体化监控系统引用到牵引变电所中，其结构如图2所示[3]。

图2 智能牵引变电所一体化监控系统架构示意图

根据智能变电站一体化监控系统，牵引变电所一体化监控系统通过工程师工作站和监控主机采集全所电气设备运行实时数据、状态监测数据以及辅助设备的信息，经过分析和处理后进行可视化展示，并将数据存入数据服务器。综合应用服务器获取所内一次设备的在线监测数据、辅助应用和设备的基础信息等，并进行集中处理、分析和展示，同时通过防火墙将数据也存入到数据服务器中。数据服务器对大量的原始数据进行数据融合，为各类应用提供数据查询和访问服务，完成牵引变电所高级应用功能。远动通信网关机Ⅰ也可利用直采、直送的方式实现与调度(调控)中心的实时数据传输，同时接收调度(调控)中心的操作与控制命令。远动通信网关机Ⅱ通过防火墙将数据服务器获取的所内全景信息提供给牵引供电运营管理信息系统。

根据一体化监控系统的结构，设计变电所内数据和信息的流向和处理，如图3所示。一体化监控系统由主系统和各子系统组合而成，对所内的数据和信息采取分层分布式方式处理，各子系统主要完成数据采集、处理及记录等功能，同时将数据上送到一体化监控主系统。主系统对全所数据进行数据辨识与估计、数据融合与整理，形成统一的信息存储到数据服务器。

实现全所数据传送与处理，系统需配置统一的通信标准IEC618550，完成变电所内、变电所之间及变电所与调度中心之间数据和信息的传输。

图3 一体化监控系统的数据及信息流向

(1)数据服务器的数据融合

数据服务器用来实现智能变电所全景信息的集中存储，为系统高级应用功能提供统一的数据查询，同时采用数据融合的方法，以消除冗余，减少网络传输数据，从而避免了网络拥塞，提供系统更精确、全面、易理解的信息。通过数据融合完成全所信息综合处理的功能，如图4所示。

从图中可以看出，全所信息的数据融合通过数据服务器划分为数据级、特征级、融合级和表示级。数据级中的数据存储方式通过考虑节点容量限制、数据收集和分发模式、冗余备份及能耗最小化等问题来对重要的数据进行备份，制作历史记录来方便查询。通过提取不同的数据特征对采集数据按不同的需求，如数据属性、数据包长度及数据内容等规则进行分类是在特征级中进行的，为下一级的融合处理做准备。融合级的工作包含数据关联、数据变换、数据合并及数据加密四个方面，这四个方面分别对数据中隐含的联系进行找寻，对数据的最大/最小值、平均值、统计计数值等的计算，对数据项之间关系的处理。最后数据重构、数据表示及压缩编码等功能主要在表示级中实现。

图4 智能牵引变电所数据融合的功能框图

通过一体化监控系统和统一的通信标准，数据服务器能够获得牵引变压器比较全面的运行状态信息，并进行综合分析、处理与储存，提供给系统对变压器故障诊断所需的所有特征信息。

(2)一体化监控系统的高级应用功能

结合牵引变电所一体化监控系统，监控主机和综合应用服务器主要完成运行监视、操作与控制、信息综合分析与智能告警、运行管理、辅助五大应用功能，根据数据服务器的数据输出，应用于这五大高级应用功能，其功能结构如图5所示。

图5 一体化监控系统应用功能结构示意图

监控主机的运行监视功能是利用可视化技术来监控牵引供电系统运行信息，电气设备的保护、测量、控制以及运行状态等信息。

操作与控制功能主要完成智能牵引变电所内电气设备就地和远方的操作控制，其中包括调度控制、顺序控制、正常或紧急状态下的开关/刀闸操作、防误闭锁操作等。

信息综合分析与智能告警功能主要实现对牵引变电所电气设备运行状态信息、辅助应用信息、各种报警及事故信号等进行综合分析和分类管理，实现全所信息的分类告警功能，完成牵引变电所电气设备的运行状态在线实时分析与推理。该功能的主要特征应包括多维度识别、规范化描述、告警方式互动、知识库及推理方法等。

故障信息综合分析决策功能是在故障发生情况下将故障关联数据分类、管理形成完整的故障信息，并进行数据挖掘、多专业综合分析，并将牵引变电所故障分析的结果以简洁明了的可视化界面综合展示。

电气设备在线监测与状态检修功能是通过对电气设备的运行状态信息、保护信息以及环境温度进行在线实时监测，完成电气设备的在线信息分析和诊断、状态监测，提供变电所内电气设备准确的状态评估和故障诊断。

在牵引变电所一体化的监控系统中，数据服务器融合变电所全景信息，而监控主机和综合应用服务器对获取的变电所全景信息进行综合分析和处理，完成相应的高级应用功能。

4 牵引变压器信息融合的实现

牵引变电所一体化监控系统采用IEC61850统一数据模型，将各种数据统一接入、统一存储、统一处理，建立统一的变电所全景信息处理平台，实现综合自动化系统和在线监测系统有效融合为一体。

通过一体化监控系统，牵引变压器的保护、测控装置集成为一体，将保护、测量数据按IEC61850模型组织，并通过报告服务将数据上送到一体化信息平台，存储到数据服务器；同时，变压器的各在线监测单元组合成的智能组件(Intelligent Electronic Device，IED)采集到各种状态信息，进行综合分析与处理，并上送到一体化监控系统的综合应用服务器统一展示，最后也存储到数据服务器中。根据高压设备智能化技术，变压器实现信息融合的智能化结构，如图6所示[4]。

图6 油浸式牵引变压器智能化示意图

数据服务器将牵引变压器的全部信息进行数据融合，提取特征信息，为实现变压器的高级应用功能提供信息支撑。由图6可知，牵引变压器的状态监测智能组件汇集了DGA、油中微水、套管绝缘、铁芯接地电流、局部放电等特征量，实现多参数综合监测。为了实现牵引变压器信息融合，本文根据IEC61850标准设计牵引变压器状态监测智能组件的结构，如图7所示。

图7 牵引变压器状态监测智能组件结构

图7中，通信接口模块能够接入不同通信接口、不同厂家的变压器常规在线监测装置以及符合IEC61850标准的状态监测子IED，映射规则编辑器能够建立常规在线监测装置传统协议与IEC61850之间的映射规则，而协议转换器根据映射规则完成传统协议的点数据与IEC61850数据对象之间的转换，并更新IEC61850模型库。IEC61850模型库通过IED配置工具实现IEC61850模型的导入、解析、编辑与生成。同时，IEC61850服务器将综合信息传送到站控层的综合应用服务器，进行统一处理、展示。

5 总结

本文借鉴智能电网的建设经验，建立了智能牵引供电系统体系结构。在此体系结构中，本文重点研究智能牵引变电所一体化监控系统的结构、功能特征和关键技术以及高级应用功能的组成部分。一体化监控系统融合了变电所综合自动化系统和在线监测系统，可获取变电所全景信息，为变压器故障智能诊断提供了信息支持。

[1] 刘振亚.智能电网技术[M].北京:中国电力出版社,2010.

[2] 樊陈，倪益民，窦仁晖，等.智能变电站一体化监控系统有关规范解读[J].电力系统自动化,2012(19):1-5.

[3] 国家电网公司企业标准.智能变电站一体化监控系统建设技术规范[R].Q/GDW_679-2011 国家电网公司,2011.

[4] 国家电网公司指导性技术标准.高压设备智能化技术导则[R].Q/GDWZ 410-2010 国家电网公司,2010.

DiscussionontheKeyTechnologyofIntelligentTractionSubstation

CUIJian-qiang,NIUJian-jun

(Jinan Power Supply Department of Railway Bureau,Jinan 250000,China)

Itelligent substations are used as a link of them which is being done in the process of experiment point and spread, but traction power supply systems have many special places with electric power system.The technology for the intelligent substation needs to combine with the characteristics of the traction power supply,setting up the intelligent substation that meeets railway power supply requirements,that is,lead the in telligent substation thought to the traction substation,making its have primary equipment intelligence,information exchange standardization,system height integration,operation coutrol automatization,protected control coordination and technology charactistics of analytical decision online and so on.

intelligent traction substation;traction power supply system; integral monitored control system

1004-289X(2017)02-0007-05

TM63

B

2016-01-16

崔建强(1983-)，男，助理工程师。