基于高速铁路牵引变电站电力监控系统运行安全防护研究

中铁建华南建设有限公司 邵 翔

高铁主要以电能为动力，具有速度快、牵引力强等特点。高速铁路牵引变电站是高速铁路供电与供电之间的纽带与转换节点，是高速铁路最大的供电功率源泉，其对于确保高速铁路的安全、可靠、经济运行具有重要意义。电力网络监控系统是变电站运行期间的神经和控制中心。铁路牵引变电所作为一种封闭式工业控制系统，其对供电可靠性和稳定性的要求也使得监控系统的安全防护技术难以广泛应用，存在着安全隐患。铁路牵引变电所一旦受到网络攻击，不仅会造成供电中断，而且会影响到铁路交通的正常运行，严重时还会引发安全事故。

1 安全防护现状

近年来，随着高速铁路的迅速发展，大量的电力牵引变电所应运而生。截至2018年年底，国内牵引变电站数量已经超过1300座，主要分布在华中地区、华北地区及西北地区，约占总数量的70%。高速铁路牵引变电所的电压等级覆盖35～500kV，构成了以110～220kV为骨干的铁路供电力系统络。

1.1 监控系统构成

高速铁路牵引变电所承担着高压27.5kV/55kV的变换工作，并承担着高铁上下两根馈线的供电工作。监控系统通常采用计算机、通信、控制、继电保护等技术，利用数字采集和网络通信的方法，来完成对重要的电气设备的保护、控制、计量、监测等功能。目前，我国铁路客运专线的调度控制体系主要是由调度层、通信层、间隔层三个层次组成。

在这些设施当中，站控层的设备是按照工程的需要来进行配置的，其可帮助运行值班人员对变电站进行监视、控制和管理。所述通讯层由远动通讯设备、维管通讯设备、通用通讯设备等组成，并为通讯设备内部和外部的联接，其还是各种保护设备、测控设备和其他智能设备的通讯与数据处理的重要组成部分；间隔层主要完成了变压器、馈线等现场高压设备的保护、测量、监视、控制和通信功能，还可实现重合闸、故障定位、故障录波等功能[1]，其包括保护设备、测控设备、安全自动设备、故障记录设备、电能采集设备和标准转换设备等。

1.2 通信连接

按照《铁路电力牵引供电设计规范》等相关规定，牵引变电站一般都是与城市轨道运输和当地电力系统进行通信连接的，所以有必要对牵引变电站的建设进行深入地探讨。铁路牵引变电所和电力供应、调度系统之间，一般都是通过铁路专用通信网络进行数据通讯。按照其之间的相互联系，铁路电力供应管理系统可以划分为铁路总线、铁路局和区线三个层级。

从牵引变电所发出的远动信号经铁路专用通信网络传输到铁路总公司及上级铁路局。其中，我国铁路总公司承担着对全国各地牵引变电站的监督管理，对其所辖各铁路局的电力供应计划进行统筹、指挥。铁道部门负责对辖区内的全部牵引变电站实施远距离监测、控制与管理。铁路局在其管辖范围内的每个供电区段都设立了监控站，主要是为了监控牵引变电所的运行状况。

在一般情况下，铁路牵引变电站和地方电力系统调度系统是一种单向的通讯方式，在地方电力系统调度部门的要求下，铁路牵引变电站将遥测、遥信信号上载，而电力系统调度部门一般不会向铁路牵引变电站发送远程指令[2]。

其通信模式一般有三种模式。在电力系统调度的基础上，利用基站中的通讯管理设备，利用交换设备和路由器对电力系统进行接入；在供电线路上，通讯管理器利用串行接口对PCM进行存取，并把PCM数据转化为光纤光传输给调度主站；利用无线通信技术，经过一个安全的接入区与电力系统的调度系统相连接。在牵引变电所中，通过对变电所进行的无线通信，通过对变电所中的变电所进行的逆向隔离，使变电所中的变电所与变电所中的变电所连接。在具体的实施过程中，以调度型数据网络为主，而无线接入模式还处在设计阶段。

2 高速铁路牵引变电站电力监控系统设计中存在的问题

2.1 专业接口问题

综合视频监控系统的接口：当前，国内对铁路旅客运输安全监控系统的研究，均围绕着通讯方面进行的。但是，通讯专业在挑选摄像头时，往往会因为摄像头型号的不同而不能较好地适应现场的环境，所以工作人员并不能通过摄像头准确地判断出这台机器的状态[3]。除此之外，就算是在安全区内，也有一些盲区，再加上视频监控和安全监控无法与防盗门和火警系统相连，所以很难在第一时间得到预警。

气体灭火控制系统的接口：一般来说，牵引变电站的燃气灭火装置是暖通专业设计的重点，其相关的控制工作是由电气部分来完成的，因而有必要在牵引变电所的主控室内安装火警探测器。目前，消防安全监测与消防安全监测各自独立，不能构成统一的系统，该现状不符合变电设计规范中的规定的。这在变电设计规范和火灾自动报警设计规范中均有阐述，但在实际应用中存在一些问题。

2.2 设备选型问题

近年来，伴随着高铁的快速发展，部分牵引变电站由于土地利用等因素，已经出现了全室内布局的情况，使得电缆夹层、竖井等平常交少使用的布局方式得以大量使用。但目前火力发电厂和变电站设计防火规范对火警检测器的选用，常规的温度检测和烟雾检测方法已不能满足要求。而且，近年来一些大型变电站的建设，对消防探测器的需求也是越来越大，但以当前的环境监测设备水平，开路接口的供应远远不够。这也导致了一旦发生火灾，这就很难找到准确的位置。

3 高速铁路的负序电流对电力系统的影响

对发电机的影响：高速列车在运行过程中可能会引起机组的额外损失、提高机组的温度、增大机组的振动。当负序电流流经定子绕组时，就形成了负序转动磁场，其转速和转子转速相同，会在转子励磁线圈、阻尼线圈及转子本体中感应出2FO的电动势，进而导致涡流发热和损耗。由于负序旋转磁场产生的电流频率较高，而且趋肤效应也较为严重，因此有可能会造成局部的高温，从而使金属的机械强度和绝缘性能下降，这在需要牵引应力较大的护环部位，会造成严重的后果。

对电动机的影响：在异步电机中，正序电压产生正序电流，顺序电磁转矩；负序电压产生负序电流，逆序电磁转矩。在异步电动机上施加较小的负序电压，将会造成较大的负序电流和负序逆转电磁转矩，这会对异步电动机的效率和安全可靠运行造成影响，还会引起电动机的额外发热，严重时还会把电动机烧毁。

对送电线路的影响：负序电流在输变电线路上运行时，其负序功率基本不做功，使得输变电线路上出现了大量的有损，造成了网损的增加，并进一步降低了输变电线路的运量；对电力变压器的影响：负序电流会引起三相间电流的不均衡，使其中一个相间的电流达到最大，从而使变压器的额定功率得不到最大，从而使变压器的容量下降。另外，在铁心磁路中也会引起额外的电磁损失和额外的发热。

对继电保护装置的影响：在电力系统中，由于所使用的是负序的继电保护，因而容易出现故障。例如，当负序电流较大时，传统的距离保护就会进入闭锁，并在一定的时间将其迅速地退出。在铁负序出现后，若在该时刻出现振荡，将导致距离保护误动。因此，要解决这一问题，必须提高继电器设备的设计复杂性，并降低其可靠性。

4 高速铁路牵引变电站电力监控系统运行安全防护对策

4.1 网络专用与安全加密

在此基础上，根据“网络专用”的原则，将牵引变电站与铁路及地方供电调度系统进行了通信联接，牵引变电所应当进行独立的配置，并将遥测遥信等信息分别传输给铁路、电力两个部门，从而避免因共用同一远程通讯管理装置而受到“串网病毒”等病毒的攻击。为避免因传输通信信息被外部监听或被修改，导致牵引变电所一次装置的权限被滥用，在与外部网络的垂直通信中，添加了密码、身份验证、存取控制等多项功能。在与铁路供配电系统通信时，可对其端口及IP地址进行安全保护。经调度数据网络接入电力调度系统时，需配置专门的电源纵长密码验证设备，这样，传输数据就可以被更好地进行加密。

4.2 基于白名单的访问控制策略

“白名单”存取控制则是指在“白名单”之内的信息可以被默认。这种“白名单”的管理方法能够有效地阻止非法使用者的访问。在站控层的网络通讯中，常见的一种方法是将终端的IP地址和主机地址之间的对应关系进行绑定，将源主机地址、源IP地址、目标IP地址和目标端口号码设定为白名单。当这些条件都符合时，数据包就会被成功地传输出去，并进入下一阶段。然后，给出了一种以IP地址、源IP地址、目标IP地址，以及目标端口号码为核心的“白名单”接入机制。

4.3 牵引变电所的换相连接

在电气化铁道、城市轨道交通和轨道交通三个区段中，当多个牵引变电所同时供电时，多个牵引变电所产生的总负序电流与多个牵引变电所之间的相序关系密切。为降低电力系统非对称性，常采用相序轮换接线方式，即换相接线方式。换相连接指的是将各个牵引变电所的变压器与电力系统的不同相进行轮换，其目标是将电铁单相负载反映到电力系统中，尽量达到三相负载对称。无论对单相接线，还是v/v接线及Y/△三相接线的牵引变电所，均可采用这种方法。

4.4 网络安全加固

网络安全是计算机网络安全的主要组成部分。在网络层、主机层和应用层三个方面，进行了安全加固，进而有效满足业务需要。电力监控系统的安全强化主要有以下两方面：一是加强安全配置，二是修补安全漏洞。安全漏洞加固一般利用专门的工控系统漏洞扫描工具，对业务系统进行漏洞扫描，并对其中的中高危漏洞，并对漏洞进行了补丁的升级和相应的端口的关闭。

4.5 采用三相/两相平衡牵引变压器

均衡牵引变压器的特征是：在牵引变电所两端的牵引负载相等时，在电网中体现为三相对称，在理想条件下，利用这两种类型的牵引变压器，可以极大地降低电网中的电气负载对电网的负序作用。

4.6 对谐波电流和无功电力加强就地补偿

无功补偿可以根据机车负载的变化进行调节，使机车始终处于高功率因数状态；通过对接触网损耗的分析，降低了接触网电流。接触网电压损失相应降低，机车电压质量得到改善；流入接触网的谐波电流很少，从而降低了系统谐波的影响。

4.7 增强运行过程监控力度

要加强对员工的管理以及监督，如果高速铁路牵引变电站电力监控系统运行出现了问题，要及时改正，避免以后在相同的事情上再犯错误，从而造成不必要的损失。同时，加大考核力度，定期或不定期地对员工进行考核，确保工作人员在工作中不会懈怠，以严格的标准要求自己。在出现问题的时候，要保证问题的顺利解决，要尽可能地将损失降到最低，要对问题的责任人进行问责，提高技术人员的警觉性和工作的严肃性，这些都是保证安全防护的重要措施。

5 结语

综上所述，高速铁路综合安全监控系统可以对现场的运行状况进行及时、有效地监控，从而达到提前预警和精确地定位报警的目的，并与移动网络相结合，同时可将告警信息及时发送给相关专职管理人员，从而提升检修效率，防止安全隐患和安全事故的发生，确保系统的安全运行。将一体化安全监测和自动化控制进行相互补充，这样才能更好地服务于变电所的安全生产。