智能牵引供电系统现状与发展

蒋先国，陈兴强

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

0 引言

2017年，新时期铁路信息化总体规划发布，提出建设智能高铁的战略目标，智能高铁以智能高铁大脑平台为核心，包含智能建造、智能装备和智能运营三大部分，实现高铁移动装备、固定基础设施及内外部环境信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策[1]。智能高铁要求通过不同业务领域，集成融合高铁全生命周期不同阶段信息系统，形成功能更强、效率更高、稳定性更好的统一智能高铁系统[2]。

在电力系统方面，2001年美国电力科学院（EPRI）提出“智能电网（Intelligrid）”概念。2005年欧洲提出类似的“智能电网（smartgrid）”概念。2009年5月，我国国家电网公司在“2009特高压输电技术国际会议”上提出建设坚强智能电网的方案。同年8月，确定了坚强智能电网第1批试点项目，标志着坚强智能电网试点工作全面启动[3]。2011年9月，建成我国功能最齐全的中新天津生态城智能电网综合示范工程[4]。目前，我国智能电网从标准制定、方案设计、设备研制、工程建设和运行维护等领域均取得了很大进展。

智能牵引供电系统属于智能装备的重要组成部分。通过总结行业和专业自身特点，借鉴智能电网建设经验，原中国铁路总公司组织开展一系列课题研究，2015年立项研究《智能牵引供电系统关键技术》，2016年立项研究《智能牵引供电设备状态监测与故障预警技术研究》，形成了《智能牵引供电系统总体技术方案》《智能一次设备技术条件》《广域测控保护系统技术条件》《牵引变电所辅助监控系统技术条件》《供电调度运行管理系统技术条件》等相关技术标准文件[5]，并于2018年在京沈客专阜新北—黑山北间搭建了智能牵引供电系统，进行了为期半年的试验，取得了相应的试验成果。在此基础上，京张、京雄等高速铁路也正在推进建设智能牵引供电系统。

1 智能牵引供电系统

1.1 总体架构

按照牵引供电系统的特点、功能及部署，智能牵引供电系统包括牵引供电设施、运营维护管理、供电调度等业务和功能范围，其总体架构[6]见图1。

图1 智能牵引供电系统总体架构

智能牵引供电系统应涵盖牵引供电系统的各个方面，因此，从物理层面可分为智能牵引供电设施、智能供电调度、智能运行检修管理系统等部分。

智能牵引供电设施为基于智能设备组成的变电设施（包含牵引变电所、分区所、开闭所、AT所及网开关控制站等）及接触网等，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和设备在线监测等功能。

智能供电调度系统是对智能牵引供电设施设备进行远程监视、测量、控制及调度作业管理的系统，实现源端维护、综合告警、辅助调度决策等高级功能。

智能供电运行检修管理系统是以对牵引供电系统运行检修所需的各类基础数据、检测监测数据进行分析与数据处理为基础，对智能供电设施的基础数据、检测监测、运行检修作业、设备状态评估与预测等进行全生命周期管理的系统，实现对牵引供电系统的故障预测与健康管理（PHM）、安全评估、应急指挥、运营安全保障及辅助决策等高级功能。

1.2 层级划分

智能牵引供电系统按照现有铁路管理特征，可划分为中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）、铁路局集团公司、供电段、沿线设施4个层级（见图2）。

图2 智能牵引供电系统层级构架

国铁集团级为监管层，设置国铁集团级供电调度系统和供电运行检修管理系统。

铁路局集团公司级为控制与决策层，设置铁路局集团公司级供电调度系统和供电运行检修管理系统，调度所接收牵引供电设施上传的实时运行相关信息，下发控制命令，运行检修管理系统接收供电段上传的运检数据，下发各类计划至供电段。

供电段级为信息处理中心和指挥层，设置供电段级供电运行检修管理系统，接收牵引供电设施和工区采集的信息，采集部分接触网监测检测数据，下发各类计划至工区。

沿线智能牵引供电设施和车间/工区级为采集和执行层，车间/工区内配置供电运行检修管理系统终端，采集处理牵引供电设施基础数据、日常试验检测数据和6C检测监测数据等，接收执行供电段下达的各类计划；智能牵引供电设施采集设备运行及监测参数，执行牵引供电调度控制命令。

1.3 智能牵引变电所

智能牵引变电所由智能高压设备、广域保护测控系统、辅助监控系统、层间通信通道及相应的辅助设施等组成（见图3）。其中智能高压设备由设备本体、传感器和智能组件组成，传感器实时采集高压设备运行状态，采集的状态信息通过智能组件上送给广域保护测控系统和辅助监控系统。

图3 智能牵引变电所构成

广域保护测控系统实现牵引变电所的控制、保护、测量、信号等功能，实现分层闭锁、层次化保护、重构自愈、告警分析等功能。

（1）分层闭锁。根据牵引供电系统的主接线结构，实现开关设备间的闭锁，按照高压设备的运行情况，实现间隔层硬线闭锁、站控层逻辑闭锁、广域层逻辑闭锁等功能，防止电气误操作。

（2）层次化保护。继电保护按照就地保护、站域保护和广域保护的层次化保护配置，实现继电保护的全速动和全冗余。间隔层配置就地保护，站控层采集全所信息，配置站域保护，作为就地保护的优化补充和冗余，采集供电臂范围内各所亭信息，配置广域保护，实现接触网故障的快速判断和切除。

（3）重构自愈。在所亭内实现电源、主变故障、断路器失灵的重构自愈，在接触网上实现接触线、正馈线故障的故障段快速隔离和非故障段快速恢复功能。

（4）告警分析。根据牵引供电设施故障信息，建立逻辑和推理模型，实现对故障告警信息的分类、过滤，实时分析、推理并报告牵引供电设施异常，提出故障处理指导意见。

辅助监控系统对牵引变电所内视频监控及巡检、环境监测、安全防范、火灾报警、动力照明控制等部分或全部辅助设备信息进行集成，实现信息共享、告警联动等功能，为牵引变电所的集中监控和运维提供支撑。

1.4 智能供电调度系统

智能供电调度系统由智能远动系统（SCADA）和供电调度运行管理系统组成（见图4）。

图4 智能供电调度系统构成

智能SCADA系统除完成常规SCADA系统的遥控、遥测和遥信外，还具有源端维护、告警综合分析及全景化信息展示等功能。

（1）源端维护。基于IEC 61850的建模标准，对智能牵引变电所提供的数据模型进行同步与更新，实现牵引供电设备信息静态参数的自动生成及同步。

（2）告警综合分析。综合监控范围内运行、故障信息，对其进行分析、过滤和综合，并通过逻辑推理与分析，提出故障信息的综合分析，并提供处理决策建议。

（3）全景化信息展示。对监控范围内的牵引供电设施运行状态进行全景化展示，供调度值班人员掌握系统的整体运行状况。

供电调度运行管理系统具有铁路供电调度值班信息自动获取与统计、作业计划及作业命令智能审核与网络流转、应急处置智能分析与决策、业务培训智能管理、运行及工作质量智能统计分析等专业化管理功能。由供电调度值班管理、供电调度作业管理、供电调度应急处置管理、供电调度业务培训管理、供电调度工作质量统计分析及供电调度数据库管理等子系统组成，其功能架构[7]见图5。

1.5 智能运行检修管理系统

智能运行检修管理系统可实现对牵引供电系统的故障预测与健康管理、安全评估、应急指挥、运营安全保障及辅助决策等功能。PHM平台架构见图6。

图5 供电调度运行管理系统功能架构

PHM平台完成关键设备故障预警、故障快速诊断、设备与系统健康评估、系统可靠性分析与风险评估及维修辅助决策等功能。

（1）关键设备故障预警。在设备故障的早期或故障处于潜伏期时，及时发现故障隐患，准确预测出故障未来的发展趋势，在故障后果表现之前及时进行预警并排除故障。

（2）故障快速诊断。对于已表现出较严重后果的功能性故障，通过快速的故障诊断算法，准确判断故障位置、故障元件和故障类型，并评判故障程度，有效指导故障抢修的快速、高效进行。

图6 PHM平台架构

（3）健康评估。通过设定合适的健康指标，对牵引变电所及其关键设备进行从系统级到设备级的健康状态评估，以真实完整地反映牵引供电设备及系统的当前服役状态，体现健康状态发展变化的趋势，为状态检修及故障预警提供依据。

（4）可靠性分析与风险评估。从牵引供电设备及系统长期运行的角度，对系统整体及各设备的可靠性水平进行分析评估，预测设备的剩余寿命，结合外界运行环境可能带来的多种风险因素，有针对性地对牵引供电系统采取差异化的防护措施，从而避免故障发生，提高牵引供电系统的可靠性，减轻风险造成的后果。

（5）维修辅助决策。结合前4项功能，利用其输出结果，综合制定出合理的维修策略，确定周期修的最佳维修周期、故障抢修的最佳时机与方式，以及状态维修中各项状态阈值的选取，最终目的是提高牵引供电系统的安全性、可靠性，降低故障发生的几率与风险，减少故障影响与范围，降低维修维护费用，提高维修维护效率。

2 工程试验

2.1 工程概况

阜新北—黑山北间牵引供电设施包括阜新、黑山北2座牵引变电所、申德营子分区所、新邱自耦变压器所及下石土自耦变压器所（见图7）。为了验证智能供电调度系统相关功能，对中国铁路沈阳局集团有限公司牵引供电调度所进行了软件更新，PHM平台设置于阜新牵引变电所内。沿线各牵引所亭按智能化设计，一次设备采用智能化设备，继电保护装置采用广域保护测控系统，设辅助监控系统实现视频巡检、智能采集数据汇总、安防环境等系统集成功能。

2.2 试验情况

2018年3月1日—9月30日，对京沈客专智能牵引供电系统智能设备的稳定性、广域保护测控系统的各项功能、智能供电调度及PHM平台进行工程试验。通过对试验数据进行分析，表明试验达到预期目标，试验结论如下[8]：

图7 京沈客专试验段智能牵引供电设施

（1）智能牵引供电系统参试设备运行稳定，适应使用环境条件，基础数据采集可靠。

（2）由就地保护、站域保护和广域保护相结合的层次化继电保护动作逻辑正确、动作可靠，故障切除快速且故障定位准确，实现了牵引供电系统继电保护的全覆盖和全速动。

（3）广域保护测控系统采用分层闭锁及系统重构技术，实现了多层次的开关间闭锁、故障快速隔离与运行方式的快速转换，缩短了故障停电范围及停电时间，提高了牵引供电系统的运行效率。

（4）辅助监控系统实现了视频监视、在线监测数据集中接入、环控、联动控制、视频巡检以及子系统之间的智能联动等功能，为实现牵引变电所的无人值守提供了保障手段。

（5）PHM平台与辅助监控系统等数据源建立了可靠连接，通过对在线监测数据等数据进行分析、计算，实现了牵引变电主要一次设备的故障判断、故障预测及健康评估等功能，为牵引供电系统主动运维提供了技术支持。

（6）智能供电调度系统实现了源端维护、调度间信息共享、运行信息的综合分析、供电调度作业的全流程管理及供电系统全景化展示，大幅提升了供电调度的作业效率和管理能力。

（7）试验段内独立敷设、独立组网的广域保护测控通道时延小于10 ms，满足广域保护测控技术要求。

试验表明，首次基于“互联网+”理念搭建的智能牵引供电系统通过高速双向信息网络，将智能牵引供电设施、智能供电调度系统、智能供电运行检修管理系统互联，通过实时通信和信息交互，突破了系统间的信息孤岛瓶颈，实现了系统资源优化整合及多信源数据共享，提高了牵引供电系统的安全性、可靠性和可用性。

3 发展建议

通过课题研究和京沈客专试验，智能牵引供电系统构建了基本框架，实现了基本功能目标。随着工程化的推进以及技术的不断进步和发展，智能牵引供电系统在标准化制定、设备集成化系列化、大数据分析与智慧决策、新技术应用等方面还有待进一步发展。

3.1 标准制定

目前国际电工委员会（IEC）和国家电网在推进智能电网的标准化方面进展很快，已形成含基础、设备、建设等方面的智能电网标准体系。铁路智能牵引供电系统刚刚起步，需加快推进标准化建设工作。

（1）IEC智能电网标准。IEC已经制定了超过100项与智能电网有关的标准，其中核心标准有7项[9]（见表1）。

（2）国家电网智能电网标准化。电力系统智能电网建设从起步即进行《智能电网技术标准体系规划》的研究，提出智能电网技术标准体系，标准体系涵盖规划、发电、输电、变电、配电、用电、调度、通信8个专业分支、92个标准系列，形成100余项智能电网技术标准[10]，对智能电网发展起到了积极的推动引导作用，在国际上处于领先地位。

表1 IEC 智能电网核心标准

（3）铁路智能牵引供电系统标准化发展。铁路电气化具有自身的特点，必须建立自己的智能牵引供电系统标准体系，同时核心标准可借鉴IEC和国家电网相关标准。智能牵引供电系统标准体系必须涵盖基础标准、工程建设标准、设备标准、运营维护标准等方面。

基础标准是智能牵引供电系统标准体系的基础，对智能牵引供电系统标准体系的其他标准具有普遍的指导意义，基础标准应包括智能牵引供电系统总体技术规范、通信接口技术规范、智能牵引变电所及智能供电调度系统技术导则等标准。

工程建设标准应涵盖新建和改建智能牵引供电系统的设计、施工、调试、验收等方面，包括智能牵引变电所、智能供电调度系统、智能运行检修管理系统设计与施工规范，智能牵引供电系统现场调试导则，智能牵引供电系统施工质量验收标准等标准。

设备标准应规定智能牵引供电系统各设备、系统的功能、性能、技术指标等要求，包括智能一次设备、广域保护测控系统、辅助监控系统、智能供电调度系统、智能供电运行检修管理系统等设备的技术条件。

运营维护标准是对智能牵引供电系统的运行保障、维护维修、应急处置等，应包括智能牵引供电设施、智能供电调度系统、智能运行检修管理系统运行维修规程等。

3.2 智能设备集成化系列化

京沈客专试验段作为智能牵引供电系统的第1次试验，设计速度为350 km/h。依托科研课题《智能牵引供电系统关键技术研究》，研制了牵引变电所220 kV设备、27.5 kV气体绝缘开关柜（GIS）、自耦变压器等智能一次设备，一次设备的智能化方案采用“智能设备+传感器+智能柜”的技术方案。随着我国智能牵引供电系统的推进，应进一步完善智能设备。在牵引变电设备方面，研制多种布置型式的智能化设备，如27.5 kV户外智能真空断路器、27.5 kV智能空气绝缘开关柜（AIS）等设备；在接触网方面，研制智能接触网等。在智能化方案方面，应推进研制更为小型化的将传感器与智能柜集成于一次设备的集约型智能设备。

3.3 大数据分析与智慧决策

智能牵引供电系统可全方位采集电气电量、设备状态、环境视频等全方位的信息，形成牵引供电系统大数据，应深化研究数据挖掘、数据关联、数据分析等技术，以进一步实现智能化功能，实现牵引供电系统的高效运行。在调度方面，应研究供电调度与行车调度间的相互协调技术，实现供电与行车相融合的大调度模式，发挥更大的运行效率。在运维方面，要充分应用采集到的设备数据，分析数据的变化趋势，预测早期故障，实现状态修与设备寿命管理相结合的运维模式。综合利用智能牵引供电的监控监测数据，从安全可靠、节能环保、运行效率等方面建立运行品质评价机制，为持续改进牵引供电系统的服务品质提供决策依据。

3.4 新技术的进一步应用

随着智能牵引供电系统的推进和监控监测手段的完备，将产生大量数据，大数据上传至中心设备必将要求更高的通信带宽和更强的中心端设备。应用边缘计算和区块链技术可有效解决大数据带来的通信和中心端设备压力。工程建设中应逐渐推进BIM技术的应用，结合BIM和地理信息系统（GIS）的优势，同时通过虚拟现实（VR）、增强现实（AR）技术的应用，可建设基于BIM+GIS的运营维护管理系统，实现具有可视化远程沉浸式特点的运维管理模式。

4 结束语

智能牵引供电系统的试验在京沈客专取得了成功，作为智能高铁一部分的智能牵引供电系统将得到快速推广，智能牵引供电系统在运行和运营维护2方面对传统牵引供电系统进行提升，实现了层次化保护、系统重构、故障预测和健康管理等功能。在此基础上，应加快进行智能牵引供电系统标准化建设，完善相关智能设备，深入开展大数据挖掘和分析，实现牵引供电系统服务品质不断提升。