电气化铁路智能牵引变电所的应用浅析

陈鹏元

0 引言

随着物联网及5G通信技术的快速发展，两者结合应用于高速铁路，加快推进了中国高铁向智能化方向发展的速度。牵引供电系统是高速铁路实现智能化运行的重要组成部分之一，而智能化牵引变电所又是牵引供电系统实现智能化运行的核心。我国目前智能化牵引变电所的应用仍处于起步阶段，当前运行的电气化铁路绝大部分以普通型的牵引变电所为主，设备不够智能，运行状态以人工判断检修为主，整个供电系统故障判断及故障后恢复仍然以人工为主。随着中国电气化铁路的快速发展，人工成本逐年增加，智能化铁路是铁路发展的必然趋势，要实现铁路智能化运行，智能化牵引变电所的应用是必不可少的环节。

1 我国铁路智能变电所技术现状

当前，我国电气化铁路牵引供电系统运行方式虽然包含直供加回流、AT供电等，但每种供电方式所采用的供电设备、综合自动化保护系统大致相同，设备组成仍然是以传统形式为主，变电所设备运行状态以人工定期检测试验为主；综合自动化保护系统只是通过对供电系统的电流、电压等运行数据进行检测，实现对供电系统运行故障区段的及时切断，但系统故障判断和恢复供电方案的确定仍以人工为主；变电所日常值班或值守需配备人力，还不能实现无人化监测，变电所内设备运行状态通过值班人员进行定时巡查，记录各种表计运行数据，通过听、闻、观、测来判断；变电所倒闸作业需要供电调度中心操作和变电所值守人员确认共同完成。变电所二次保护系统通过控制电缆及信号电缆采集设备运行状态及数据，变电所线缆数量众多，出现故障后排查困难。

随着中国铁路的快速发展，铁路运行的安全性、可靠性要求越来越高，运营维护的工作量快速增加，智能化高速铁路是发展必然趋势，智能建造、智能装备、智能运维将有效解决建设和运维人员需求量大的问题。

2 智能牵引变电所的主要技术特点

智能牵引供电系统具有健康诊断、故障隔离、重构自愈、运行自律、经济高效等特点。其主要技术特点如下：

（1）将信息技术、传感器技术、自动控制技术与牵引供电基础设施有机融合，实时获取牵引供电系统监测、监控和运行信息，实现牵引供电系统的信息化，具有全息感知能力。

（2）实现了所内及所间设备的通信和信息交互，通过广域测控保护系统实现了层次化保护，使牵引供电系统继电保护具有全速动、全冗余和选择性的特点。

（3）构建了网络保护，综合分析牵引变电所与分区所、AT所信息，精确判断故障位置，快速定位切除故障区段；同时实现故障时的重构自愈功能，快速恢复供电。

（4）建立一体化监控平台，融合全所数据信息，实现全部信息以IEC 61850协议标准接入、标准传输，除正常监视运行状态外，实现智能告警、数据综合分析、视频联动等功能。

（5）实现对综合动力环境监控、安全监控、设备在线监测等各系统和信息进行多平台信息融合，实现平台间信息告警、智能联动等功能。

（6）智能化牵引变电所基于模型化、标准化等理念，实现铁路供电调度源端维护，并通过供电设备监控与供电调度运行管理系统的协调，实现运行信息智能统计、作业计划智能审核流转、应急处置智能决策等功能，提升了供电调度自动化程度和作业效率。

Abemaciclib已获得美国FDA优先评审资格，拟申请2个适应证。（1）既往接受过化疗和内分泌治疗的HR＋和HER2-的晚期转移性乳腺癌单药abemaciclib治疗；（2）abemaciclib与氟维司群联合应用于既往接受内分泌治疗出现疾病进展的HR＋和HER2-的晚期转移性乳腺癌患者，其抑制CDK4和CDK6活性的IC50值分别为2 nmol/L和10 nmol/L[3]。研究显示，abemaciclib可以进入中枢神经系统，因此增加了治疗原发性或转移性脑癌的可能性[9]。

（7）通过采集牵引供电系统关键设备实时运行、监测数据，综合在线、离线、运行等数据信息，实现故障预测与健康管理，对关键设备实现早期故障预警和快速诊断，对设备及系统进行健康评估、可靠性分析，提出维修辅助决策，实现主动运维。

智能牵引供电系统与国内传统牵引供电系统技术对比如表1所示。

表1 智能牵引供电系统与国内传统牵引供电系统技术对比

3 智能牵引变电所组成及功能分析

智能牵引供电系统由智能牵引供电设施、智能牵引供电调度系统、智能牵引供电运行检修管理系统及通信网络组成（图1），以信息化、网络化、自动化为手段，运用现代先进的测量、传感、控制、人工智能等技术，具备“全息感知、多维融合、重构自愈、智能运维”特征，为铁路提供安全可靠、高效优质的动力来源。

图1 智能牵引供电系统构成

铁路智能牵引变电所主要由智能一次电气设备、广域保护测控系统和智能辅助监控系统组成。

3.1 智能一次电气设备

智能一次电气设备由一次设备本体、合并单元、智能终端、在线监测智能组件组成。合并单元、智能终端、监测智能组件放置在智能组件柜中，取消传统端子箱。

3.2 广域测控保护系统

广域测控保护系统将保护功能按照就地、站域、广域进行层次化配置。就地保护利用被保护对象自身信息独立决策，实现可靠、快速切除故障。广域保护基于牵引变电所、AT所、分区所的信息共享，综合决策，同时在数字化牵引变电所自动化系统基础上，以供电臂为单元设计保护测控装置。广域测控系统可提升保护的选择性和速动性，系统分为3层，分别为过程层、间隔层、站控层。

（1）过程层：采用电气硬节点实现本间隔内开关的硬连线闭锁，同时通过光缆连接一次设备和二次设备，使二次设备防雷效果有较大提升。

（2）间隔层：间隔保护测控装置利用本装置接收的开关量及模拟量信息，通过逻辑编辑设定开关的闭锁逻辑，在执行遥控命令、供电臂自愈、主变或进线自投时，只有满足设定的闭锁逻辑才能开出节点信号到开关设备。

（3）站控层：变电所监控后台根据全所的遥信、遥测信息设定开关的闭锁逻辑，遥控操作时，只有满足闭锁逻辑才下发遥控命令到间隔层装置。

广域保护测控系统分层布置，各层独立决策又相互配合，充分利用系统各高压设备的运行状况信息，适时生成闭锁状态，大大提高了开关操作的安全性。

3.3 智能辅助监控系统

辅助监控系统是牵引供电系统中牵引变电所、分区所、AT所的重要支撑部分，其承担着为变电所安全、可靠运维保驾护航的重任，与生产系统（综自系统）同等重要。智能辅助监控系统能有效提高变电所运维的安全性、可靠性，其作用被实践充分肯定，已成为变电所不可或缺的重要组成部分。

根据牵引供电维管系统的组织架构，辅助监控系统采用分层、分区的分布式架构。系统分布式安装在电气化铁路沿线各个变电所，完成所内的综合辅助监控功能，并通过铁路电力通信综合数据网与上级视频监控系统或其他管理系统通信，组成一个完整的多级联网系统，如图2所示。

图2 智能辅助监控系统结构

辅助监控系统包含视频监控及巡检、环境监控、安全防范、动力照明控制、火灾报警、门禁和在线监测7个子系统，经过对各子系统的集中整合、统一管理，实现对变电所视频、环境量、安全报警信息、火灾报警信息、在线监测数据等辅助信息进行统一采集、编码、存储、上传，由监控平台完成整个系统的全面监控、一体展示、统一管理和维护功能，并通过系统预置的规则进行各子系统间的自动化联动。

智能辅助监控系统可以分为3层，分别为站控层、间隔层、过程层，每层都有重要的功能作用。

3.3.1 站控层功能

智能辅助监控系统站控层按照一体化原则进行设计，不仅具有常规监控系统的全部功能，同时还增加了许多高级功能。站控层使用软件总线技术，提升了系统的扩展性；通过站控层可以监测一次设备的实时运行状态，而站控层具有自动推导功能，在自动推导功能下，可以更清晰地掌握供电的状态；对于保护装置而言，站控层能够起到维护的作用；在显示故障动作信息的同时，能够较为详细地显示故障参数、故障发生情况等。

3.3.2 间隔层功能

间隔层按照测量和控制的模式进行设计。在间隔层中，对测控单元具有保护功能的插件可相互交换，通过仿真工具软件，间隔层可以对故障进行远程诊断。间隔层测量故障距离的能力非常强，能够在极短时间内精确定位故障，降低了检修的难度。

3.3.3 过程层功能

智能辅助监控系统过程层所使用的体系为DSP+FPGA体系，这一较为先进体系的应用使数据通信的实时性得到了大幅提升。过程层主要具备两大功能，一是自恢复功能，二是自检功能，在这两大功能的支持下，一些工具软件可以经过接口应用于变电所中[3]。

4 智能化牵引变电所的应用

通过以上分析，智能化牵引变电所可以节约大量的人力及设备资源，减少设备维护工作量，同时提高牵引供电系统的运行可靠性，实现了供电系统的智能化运行。我国高速铁路将快速走向智能化发展道路，但是当前智能化牵引变电所需要从设计标准、建设标准及试验检测标准入手规范智能化牵引变电所的运用，制定相应的运维检修标准提高运行的可靠性，真正实现无人化值守运行，还需要大量的运营经验积累和成熟的技术支撑。

5 结语

目前国内电力系统已经有上千座智能变电站投入运行，现有智能变电站基本实现了全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、高级应用互动化，全面提升了变电站运行维护水平和安全可靠性，在技术创新、设备研制、标准制定、工程建设等领域取得了阶段性成果。在铁路系统，传统的牵引变电所具有较大的提升空间，智能牵引变电所的广泛应用将是中国智能高铁发展的方向。智能牵引供电系统以先进的信息化、网络化技术突破牵引变电所亭间的信息孤岛瓶颈，进行系统整合、多信源数据共享，建立广域测控保护、故障自愈重构、故障报警预警机制和系统健康评估体系，对提高牵引供电系统的安全可靠性和可维护性意义重大。

当前电气化铁路智能牵引供电系统刚刚起步，虽然技术层面已经可以实现智能化变电所的功能需求，但是运行的可靠性和各项智能化指标还有待进一步验证，要实现全智能化变电所，真正实现无人值守，还有许多技术问题需要攻关解决，有待在未来铁路智能牵引变电所建设应用中进一步深入研究。