芦未末，王林涛，杨翰超

铁路电力供电系统是铁路正常运行的重要保障，其运行品质直接关系铁路运行的可靠性、安全性[1]。目前的铁路电力供配电系统的供电网络模式已经较为成熟可靠，但尚未形成系统性的运营维护管理体系模式，仅有零散的一些智能化监测技术在一些项目上进行应用和创新，无法实现标准统一和数据共享[2]，铁路电力系统的智能运维的发展仍处于起步阶段。除此之外，传统的铁路电力运营维护还存在着在故障发生后切除故障、人工排除故障，不能在事故发生前提前感知，故障分析过于依赖人工经验等问题。通过智能化监测技术和分析判断解决电力系统运行过程中的各类故障，以便高效实时处理故障并及时恢复电力供电，保证铁路安全运行的需求日益迫切[3]。

随着科技的进步和技术的不断发展，铁路电力供电系统现场无人化、智能化的运行维护管理模式是必然的发展方向[4]。本文以靖边至神木集运铁路（以下简称靖神铁路）为例，对铁路智能电力供电系统的设计方案进行介绍，为智能技术在铁路电力供电系统中的推广应用提供思路和借鉴。

1.1 线路情况

靖神铁路西起蒙华铁路靖边北站，东至包西铁路神木西站，正线全长232 km，本线为单线铁路，局部双线。线路所在区域属中温带大陆性干旱、半干旱气候区，冬季漫长严寒，夏季短暂干热，春秋多风沙，具有干燥少雨、多风、昼夜温差变化较大、降雨量少、空气干燥等特点。

1.2 电力系统设计

靖神铁路电力系统供电电压为35 kV，全线共设有小保当、孟家湾、大海则、白城河、古水、黄蒿界6座35 kV配电所。全线正线设1条35 kV综合负荷电力贯通线路，局部区段设第2路35 kV电力贯通线路，采用架空和电缆混合设置方式，为沿线各车站及区间负荷提供电源。

各车站信号楼设35/0.4 kV通信信号专用箱变，电源由35 kV电力贯通线接引。车站内的综合负荷由室内变电所或箱变供电，电源引自配电所35 kV站馈线或电力贯通线。区间负荷由贯通线接引一路电源，设杆架式变电台供电。

1.3 智能技术方案

针对靖神铁路电力高压设备多、区间架空线路长、运营维护难度高等特点，全线采用智能电力供电系统设计：在配电所、变电所、箱式变电站、区间贯通线、区间变电台等重要电力设施处安装故障在线测量终端，在线采集各类电气运行参数，并将监测信息实时发送到云服务平台，通过Internet和3G/4G移动通信技术，将故障信息和分析信息实时推送到运维人员的桌面电脑、智能移动终端上。同时，通过对智能保护系统、智能开关柜技术、高级应用软件的研究，实现对配电所开关设备的全方位监测和保护。

1.4 技术原理

铁路智能电力供电系统研究从电力智能运维管理系统技术、智能化配电所技术入手。一方面，利用物联网、大数据、云平台等技术，将各监测子系统实现一体化集成，形成新一代全生命周期铁路电力运营维护管理信息化系统，可以实现对铁路贯通线路及沿线变配电所电力设备的全覆盖监测，利用 GPRS移动网络通道将各类监测数据送至云平台数据中心进行实时分析；
另一方面，利用先进成熟的真空断路器技术和传感器技术，将测量、控制、监测、显示等功能统一规划和集成，通过DL/T 860标准数据传输，实现在线监测、实时诊断及告警等功能。

2.1 研究背景

铁路电力供配电系统的设备监测手段较多，大量的监测数据为铁路的运营维护管理提供了有效的决策支撑，也提升了电力设备的智能化和自动化水平。但由于没有统一的信息化建设标准、一体化共享的信息平台，以及信息化实现技术先进性不同等原因，存在许多智能化的监测设备重复配置、标准不统一且不能数据共享，各智能监测子系统相互孤立形成信息孤岛等问题，进而造成铁路运维服务的数据综合应用难以展开，在信息化技术高速发展的环境下，已无法满足铁路快速发展的需要[5]。

2.2 系统方案

2.2.1 系统结构

铁路电力智能运维管理系统包括变电所数据采集系统、移动物联网通信系统和云平台软件系统、WEB应用和移动APP等子系统，主要由站端、云端、终端三部分组成。系统构成详见图1。

图1 系统构成

2.2.2 站端设备

站端设备主要为硬件设备，由就地设置于变、配电所，箱式变电站，区间贯通线，区间变电台等重要电力设施处的电气监测模块和配套的通信管理单元组成。

各监测模块的测量单元采集各类电气运行参数，并通过 RS485总线接入到通信管理单元。通信管理单元提供GPRS和WIFI通信接口，可上送采集数据到云端。本项目的站端设备包含以下几类监测装置：

（1）架空线故障监测装置：在区间架空线路上安装的架空暂态特征型远传故障指示器，由采集单元和汇集单元组成。当线路发生接地故障时，具有较为准确的故障定位功能，缩短故障查找时间。

（2）智能变台监测装置：设置于全线区间杆式变电台处，实现各低压出线开关单/三相电压、电流、功率实时监测与控制，可与电流互感器配套使用，实现单/三相电压、电流及功率的全面监测功能。该装置包括监控模块和通信模块，集测量、通信功能于一体，同时具备电能质量监测、有效值录波、数据转发等功能。

（3）开关柜局部放电监测装置：设置于配电所高压开关柜，可监测主绝缘材料故障、绝缘材料表面及空气介质故障所激发的超声波信号；
监测接触不良或过载引起的温度过高；
监测绝缘材料污秽引起的表面爬电、闪络等。

（4）接地电阻在线监测系统：设置于信号楼、配电所等接地要求较高的场所，采用多点监测， 在线监测接地装置、接地点的接地电阻值大小，实时传送接地电阻值至监控终端，确保接地系统良好、设备安全运行。

（5）开关柜电气接点测温装置：设置于变、配电所和箱变的高压柜，利用光纤测温原理，将发射模块固定在母排等部位的中心线上，用于开关柜断路器动/静触头、电缆接头、隔离刀闸连接处、母排连接处等部位的温度监测。

2.2.3 云端平台

系统的云端为部署在云服务器上的系统应用服务和数据服务软件，提供了整套应用和数据分析平台，包括数据采集存储、监视告警、运行分析、设备管理、运维管理等一系列功能。云平台配置了WEB服务器作为终端用户的访问入口，采用基于阿里云ECS云服务器和RDS云数据库系统，具有安全可靠的基础硬件、软件设施保障。

本项目在孟家湾电力调度中心设置电力智能运维主站，硬件设备包括并行运行的2套运维管理工作站，管理和调度整个系统运行；
2套系统服务器及1台web服务器；
1套文档管理工作站，用于调度员日常工作报表及文档的制作及管理；
1套打印机；
1套GPS，接收卫星的精确对时；
1套不间断电源UPS，为计算机系统供电。

2.2.4 终端服务

终端服务提供了基于PC WEB、移动WEB、移动APP、SNS（微信）在内的应用界面，可通过云平台的访问接口接入。云端和终端的软件平台架构详见图2。

图2 系统软件平台架构

2.3 系统成效

铁路电力智能运维管理系统是对铁路电力调度系统的进一步补充和完善，通过集成网关，共享通信传输设备，利用移动网络通道将各类监测数据传送至运维管理平台数据中心进行实时分析，可实现铁路全线电力在线监测、智能化预报警及故障的智能化判断定位，对电力设施建立全生命周期管理体系，为电力调度和运行检修管理提供强有力的辅助决策依据。

3.1 研究背景

国际电工委员会（IEC）第 57技术委员会于2004年颁布了应用于变电站通信网络和系统的IEC 61850标准，该标准为基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，并被我国对应转化为DL/T 860系列标准[6]。

该标准定义了变电站内的各种智能电子装置（IED）之间的通信标准以及相关的系统要求，着力于解决变电站内部不同厂家设备之间的互操作性和信息共享等问题，成为了我国电力部门、科研院所及企业的研究热点之一[7]。2016年，国家电网公司发布了企业标准Q/GDW 11603—2016《35 kV智能变电站设计规范》[8]，对35 kV和10 kV变电站具有较高的借鉴价值。

3.2 系统方案

3.2.1 组网模式

对靖神铁路的6座35 kV配电所进行了智能化的功能模块设计，监控系统采用符合DL/T 860标准的三层两网结构[9]，系统结构详见图3。

图3 智能化配电所系统结构

其中：站控层包括配电所后台监控系统主机及打印机等周边设备；
间隔层采用保护装置+合并单元二合一设计，直接通过互感器进行模拟量采样；
过程层为断路器的智能终端，与间隔层保护装置之间采用光纤GOOSE网络，负责传输开关柜内的开关量和控制信号。

3.2.2 智能开关柜技术

智能开关柜的组成一般包括：智能监测装置，为智能开关柜的核心部件，负责完成一键顺控的驱动操作，采集各类传感器的数据，完成对开关柜的智能监测；
人机交互装置，可以显示开关状态位置信息、运行电气信息、柜内视频等，也可对开关柜进行操作和参数设置；
电动接地刀及电动底盘车，实现一键式顺序控制操作的主要单元；
各类传感器，包括红外位移传感器、无线测温元件、霍尔元件等，用于监测断路器的机械特性、温度特性、电气特性等；
视频装置，对柜内断路器底盘车及接地刀的运动轨迹进行远方查看。

由于传统 35 kV成套开关柜已经是成熟的结构，考虑到设备的兼容性，为保证项目实施周期，项目采用了不改变传统开关柜结构尺寸的智能开关柜技术，实际应用了以下内容：

（1）在断路器中植入红外位移传感器，用于监测触头的分合闸位移量，并通过专家系统软件分析断路器分合闸时间、分合闸速度、主辅触头分合闸的同期性、合闸弹跳等机械特性。

（2）采用电动底盘车和电动接地刀，不仅可对断路器、底盘车和接地刀进行单独遥控操作，还可以实现“一键顺控”，通过后台或面板发送一次命令，即可自动执行“分断路器-底盘车到试验位-合接地刀”等顺序操作，各操作步骤之间通过开关信息反馈，自动确认上个操作已经完成的情况下才执行下个操作，避免了因人工操作不当造成事故。

（3）在智能终端中植入霍尔传感器，监测断路器的分合闸线圈电流，并对储能电机、电动底盘车电机、电动接地刀电机进行保护，一旦电机出现行进不畅立即切断电机电源，避免电机烧毁，并向系统发出报警信息。

（4）在断路器6个触臂上加装无线测温装置，实时监测触臂温度，可提前发现梅花触头的接触不良状态。

（5）在开关柜的断路器室和电缆室安装网络摄像头，能够实时观察两室的工作状态，实现远程操作的可视化。

3.2.3 高级应用软件

高级应用软件是智能电力配电所的核心，所有底层数据只有通过高级应用软件的分析处理，才能最终得出真正能为用户解决问题的方案和数据。

针对目前铁路配电所无人值班、无人值守、状态检修的实际需求，软件以一、二次设备和各类在线监测设备的数据为平台，开发出了下列高级应用功能模块，实现变电所内各类设备的全生命周期管理及变电所全天候监控。

（1）设备健康状态评估。利用每个设备的分析模型，将设备状态划分为健康、隐患、告警、故障4个类型，并制定相应的应对策略：对存在安全隐患的设备给出复检建议；
对处于告警状态的设备给出保养、维护建议；
对处于故障状态的设备给出维修、更换建议。

（2）辅助状态检修及故障预测。对设备状态监测的历史数据进行分析，观察设备状态变化趋势，根据对供电设备状态评估的结论，在计划检修的基础上提出有针对性的状态检修建议，形成计划检修与状态检修相结合的新型检修模式。

3.3 系统成效

智能化电力配电所采用基于DL/T 860标准的语言配置和功能分层的结构，实现了对全所设备的统一建模和自我描述，增强了设备之间的互操作性，可以在不同厂家的设备之间实现无缝链接。通过对智能开关柜技术和高级应用软件的应用，实现对配电所开关设备的全方位监测和保护，真正达到无人值班的要求[10]。同时，改变了运维单位定期检修的运维习惯，形成定期检修与状态检修结合的运维方式，契合减员增效的改革路线。

我国西北地区铁路往往需要穿越沙漠、戈壁等条件恶劣、交通不便地区，铁路电力系统运营维护难度大且对供电可靠性、安全性的要求较高。针对以上特点，靖神铁路以提高电力设施运营维护水平为目的，设计了适合本项目特点的，由铁路电力智能运维管理系统和智能化电力配电所组成的智能电力供电系统。

其中，铁路电力智能运维管理系统通过就地设置的故障在线监测终端、移动物联网通信、云平台数据采集、移动终端APP来实现电力设施故障在线监测的一整套系统应用方案，作为铁路电力调度系统的进一步补充和完善，有效提高了电力系统的运营维护效率；
另一方面，通过对适用于35 kV智能电力配电所的相关技术标准，以及智能开关柜、高级应用软件等技术的实际应用，实现了配电所设备自身运行状态的实时监测和判断，有助于及时发现设备故障并进行处理，保证设备安全运行，实现了真正意义上的变配电所无人值班和无人值守。

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