基于物联网技术的铁路通信供电监控系统

戴 明，陈军波，程奕凌，钟 滨，张腾飞

（1.南京恒星自动化股份有限公司，江苏 南京 210042；2.西成铁路客运专线陕西有限责任公司，陕西 西安 710045；3.南京邮电大学 自动化学院、人工智能学院，江苏 南京 210023）

0 引 言

我国铁路正处于高速发展时期，铁路的电气化进程也在不断推进，铁路的日常运作都以电能为运输动力，铁路的供电水平直接影响铁路系统的稳定运行。但电气化铁路的供电系统是一个庞大又复杂的系统，电气设备布局分散，并且部分铁路段位于偏僻的地区，与电力监控中心相距较远，无法实现有效的供电监控，导致铁路沿线供电监控任务变得异常艰巨[1]。此外，铁路沿线的一些非电气设备也会对铁路的供电产生诸多影响。有学者提出分布式供电策略，即对铁路进行分段供电，每段铁路节点配置专用的分布式电源和监控装置，但该模式下的供电系统相互独立，且需配置大量电源和监控装置，耗费了大量不必要的人力、物力，因此研发一套专业设备一体化智能管理系统实属必需。

50多年来，电力系统监控技术在我国不断发展，已融合了计算机技术、通信技术。物联网技术的发展为电力信号监测提供了强有力的技术支持[2-4]。物联网可分为终端层、网络层和系统层：

（1）终端层包括供电、摄像头、位置传感器等感知终端，负责采集信息；

（2）网络层负责传输终端层采集的信息；

（3）系统层是用户和物联网的交互终端。

虽然物联网技术为铁路供电监控提供了新的解决办法，但铁路监测数据采集量大，范围广，涵盖诸多专业，且各监控系统独立运行，缺乏一体化的综合管控平台。

文献[5]主要研究了红外热像仪监控系统在铁路供电系统接触网中的应用，红外热像测温速度快，可以日夜监控，安全方便，能被广泛应用到铁路系统中。文献[6]将虚拟化技术引入高铁供电监控系统的调度端（PSCADA主站系统）。通过虚拟化技术对服务器进行整合，提高服务器资源的使用率与业务的连续性，同时还能提供一个灵活的资源使用平台。上述文献都针对铁路中的供电系统提出了有效的监控方案，但并未考虑多种专业设备的供电情况。计算机技术、通信技术和人工智能技术的快速发展为铁路物联网的应用提供了支撑。为了更好地进行铁路供电监测，本文给出一种铁路通信供电监控系统，该系统具备实时监测铁路各专业关键设备供电信息、远程操作供电设备、故障分析以及各类信息查询等功能，能够被大量应用到铁路供电管理过程中。

1 系统总体结构

基于铁路物联的通信供电监控系统的总体结构如图1所示。系统主要包括可信智能终端、基于IEC61850的通信网络和大数据分析管理系统。

图1 系统总体结构

本系统设计研发了融合可信计算和边缘计算的智能终端，设计了基于IEC61850的纵向加密、横向隔离通信网络架构，开发了基于大数据分析技术的高铁电力自动化管理系统，大幅提高了高铁电力自动化、智能化的程度，有效保障了高铁通信供电的可靠、稳定。

1.1 融合可信计算和边缘计算的智能终端

设备运行时，智能终端实时采集各项数据，系统利用这些数据完成对设备的监测及维护等工作。终端采用可信计算技术[7-8]，每次开机自动检查终端的软件版本和后台进程，保障终端计算环境稳定可信，有效防止终端被恶意劫持而造成安全事故。同时，终端作为一个独立的智能计算单元，可与其他终端设备互联协同，在终端与系统通信中断时，采用边缘计算技术[9-10]调用本地存储的控制策略，保障电力供应。

智能终端采用高密度高精度的录波采集系统，以真实反应运行状态下电压、电流的变化趋势。另外，通过精确记录故障时的电流、电压变化，分析线路产生故障的原因，如用电设备故障，供电线路失电、相间短路、断线、接地等，可为快速故障处理提供可靠的数据。完成有效值录波功能需要一整套复杂严谨的流程，包括交流信号的数据采集、高密度无缝扫描、高精度实时算法、海量数据存储、高效压缩算法，以及远动主站应用软件的快速查询、定位、分层显示等。采用专用电能芯片（ADI公司7878）采样，当前每周录波80点，可实现1～39次谐波计算，分别计算电流和电压的谐波总含量，并计算基波电能等电能质量数据，作为谐波分析依据。为保证监控系统的准确性，将所有设备信息输入监控系统。

另外作为监测终端，对于设备的运行环境、供电电源、防雷部件的运行工况等都可以实时监控。

1.2 基于IEC61850协议的纵向加密、横向隔离的通信网络

网络通信架构如图2所示。随着我国高铁里程数的增加，高铁电力自动化管理智能终端将更多地暴露在公众视野，因此终端的信息安全问题不可回避。基于泛在电力物联网的高铁电力自动化管理系统研发了融合可信计算的智能终端，可有效防止终端被恶意劫持或篡改，并基于现有电力调度网络构建了纵向加密、横向隔离的通信网络架构[11]，保障智能终端与管理系统之间通道的安全。

图2 网络通信架构

1.3 高铁电力网络一体化实时监控与智能分析大数据中心

大数据中心的结构示意如图3所示。平台依托调度主站监控中心，实现多个系统的一体化管理，数据平台在符合绿色理念的同时也满足铁路系统的各项需求，可为轨道交通供电管理提供最详实的基础数据，实现数据互通以及智能化管理，提升系统的运行效率[12]。在此基础上研发铁路中的数据云分析平台以及防灾救援系统，将网络安全技术引入铁路数据中心建设中，让铁路与互联网相互交融，在保障数据传输安全的同时，为轨道交通运输的安全运营、科学决策、减员增效提供有力保障[13]。考虑在系统通信过程中增加加密算法，并采用电力系统通用的信息加密套件，保证电能信息传输过程的安全。着重加强系统的数据分析能力，确保系统最大程度利用数据资源，提升系统下发指令的科学性，将电力资源合理配置到各个模块，推进各个模块间的信息共享及综合集成应用。

图3 高铁电力网络一体化实时监控与智能分析大数据中心

1.4 基于大数据分析技术的高铁电力自动化管理系统

基于泛在电力物联的高铁自动化管理系统对全线的变电设备进行监控，利用大数据技术（如信息粒计算、聚类分析等技术）分析设备的运行数据[14]，并基于分析结果及时下发控制策略（如投切无功补偿设备、投切备用电源等），保障电能质量和供电可靠性。同时，系统基于多元数据集成，并采用神经网络分析失效判定和故障预测，通过深度自学习进行知识拓扑的故障溯源，评估变电设备的运行状态，及时发现设备的状态变化和可能存在的安全隐患，从而为供电系统的电能分配、故障定位提供准确的指标，为铁路的供电系统和其他变配电系统的安全、经济运行提供重要保障。

高铁自动化管理系统包括：电力调度系统、变电所综合自动化系统、通信网络。

（1）电力调度系统设置在调度中心，主要由硬件平台、系统软件、数据库系统、信息收集系统等组成，完成对远方远动对象的监控、数据统计及管理。

（2）变电所综合自动化系统对设备进行监测，采集设备的各项信息并记录时间节点。变电所的数据处理、电能分配控制、自我保护等动作均由变电所综合自动化系统完成。

（3）变电所与电力调度系统之间的数据传输由通信网络承担。

将基于时间维度的检修理念调整为基于状态监测的检维修模式，将失效预警、异常识别分为不同等级，并对应不同的处理模式，以最大限度缩短排除故障所用时间。

2 系统网络架构

系统网络架构如图4所示。系统可分为三层，即间隔层、网络通信层和业务层。

图4 系统网络架构

间隔层包含变电所安装的多功能仪表、浪涌及UPS监测仪、配电箱、电能质量检测仪等。

网络通信层包含现场网关、远动机和交换机等设备。网关采集现场设备层的数据，并可进行规约转换与数据存储，通过有线或无线传输方式上传至后台。网络故障时数据可存储在本地，待网络恢复后从中断位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

业务层包含继保工程师站、SCADA操作员站服务器、前置服务器和工作站，一般应用服务器和前置服务器可以合一配置，如果预计接入设备数量较多，则建议分开配置。

3 系统功能设计

3.1 数据传输、存储和处理

本系统利用数据采集器和上位机软件系统进行数据传输（通过有线网络或GPRS/CDMA/4G无线网络）。

把监控系统采集的实时数据存储在实时数据库中，对于需要长期保存的数据存放在历史数据库中，对于状态量变位、模拟量越限等信息，按时间顺序保存在历史事件库中。

数据处理包括定时采集、越限报警、追忆记录、设备异常报警、事件顺序记录（SOE）和操作记录。

3.2 控制操作

为防止监控系统发生误操作，既可以依靠系统内部的防误软件，也可以与专用微机防误系统配合完成全站的防误闭锁功能。

站内各项设备都有站内控制、调度中心远方控制、就地手动控制三种控制方式。

监控系统在间隔层可以通过在测控装置上设置间隔互锁逻辑实现间隔层操作闭锁。

3.3 报警处理及报表功能

发生变位故障时，在运行工作站显示的画面中，变位设备的颜色会改变，并且以灯光闪烁的方式提示，同时显示报警条文。预告报警的动作方式与事故报警大致相同，通过不同的颜色变化可以与事故报警区分。

报表功能提供各种设备的年报表、月报表、日报表及小时报表。

4 结 语

本文通过集成传感器技术以及现代通信技术，提出一种基于铁路物联网的通信供电监控系统。本系统具备实时显示、运算、记录铁路各专业关键设备供电信息的功能，供电设备可远程操作，也可根据数据进行故障分析、定位，还可以提供各类信息查询、统计分析、报表和图件制作等功能，对铁路供电系统的发展具有重要意义。