高速铁路电力远动技术的应用研究

周兴

（中国铁路通信信号上海工程局集团有限公司西安分公司，陕西 西安 710000）

高速铁路的运行安全受诸多因素的影响，其中电力系统是高速铁路的基础，由分布在铁路沿线的变配电所、自动闭塞电力线路和变配电装置组成。电力系统沿线供电网络向高速铁路沿线负荷供电。随着信息技术的不断发展，我国高速铁路远动技术基本实现了数字化信息化。但电力系统建设面临网络化运行程度偏低等问题，电力系统倒闸作业、故障抢修、供电恢复均依赖于沿线工区人员现场作业，这导致高速铁路电力系统低效运行。随着信息技术和现代化电力装备建设的发展，高速铁路电力远动系统得到了广泛应用和推广。

1 高速铁路电力远动系统概述

高速铁路电力远动系统以计算机、网络通信为载体，结合铁路电力系统远程控制需求，实现对电力系统沿线配电所、车站变配电设施和电力线路的系统化自动化监控。电力远动系统可实现远端电力系统电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数等运行参数的动态实时监测，可对远端电力系统运行状态进行动态监测，并能够实现电力设备的远程控制。

电力远动系统由调度主站、被控站和远动通道组成。被控站主要实现电力系统状态信息测量与收集，接收调度主站操作指令并完成相应的电力系统操作。调度主站主要实现远端电力系统监控、故障判断和下达调度操作指令，远动通道是调度主站和被控站之间的网络通道和服务器等设备。

通过电力系统远动系统的应用，可实现高速铁路沿线电力系统集中化管理与控制，可降低高速铁路电力系统操作强度，可减轻沿线工区人员工作量，可提高电力系统操作的安全性，可减少因人为误操作而造成的高速铁路沿线电力系统故障风险[1]。同时，通过远端电力系统可实时收集状态信息，可快速查找和判断远端自动闭塞线路、贯通线路和电力设备故障点，可实现故障线路、故障设备的及时切除，可缩小电力系统故障影响范围，可确保电力系统故障后及时恢复正常供电，可缩短故障处理时间，并可有效提高高速铁路系统供电的可靠性。

2 高速铁路电力系统远动技术应用研究

以某高速铁路电力远动系统改造工程为例，涉及20个车站电力系统远动系统改造，改造后列车时速可达到200km/h。线路改造后，用电负荷大量增加，供电可靠性要求不断提高，实现电力系统远动控制显得尤为关键。根据远动系统建设规划，该工程配套建设1个调度站、5座10kV配电站、15个开关站、5个低压监控站，并同步建设远动系统通道。

2.1 调度主站建设

调度主站建设时，采用典型局域网架构，控制系统采用双机热备模式，构建以功能模块为核心、以节点为单元的电力远动系统架构。电力远动系统由主服务器、数据库服务器、WEB服务器和接口工作站等组成。主服务器采用负载均衡模式，正常状态下服务器动态分配负载，当单台服务器故障时通过故障转移保障业务正常运行。

调度工作站主要用于调度员监控电力系统状态和实施操作控制，并完成相应的变配电调度管理工作。高速铁路电力系统远动主站系统图如图1所示。系统维护工作站主要用于远动系统维护，由维护工程师进行系统维护与调试、报表修改与生成、系统开发等操作。接口机服务器运行接口程序，接收和预处理配电所、开关站等数据，并实现通信监视和控制功能。主服务器由2台及以上的服务器组成，主要根据报表要求对接口机预处理后的数据进行处理，并将处理后的数据存储于数据库中。WEB服务器主要用于报表的发布。数据库服务器主要用于历史数据存储、查询和调用[2]。

图1 高速铁路电力系统远动主站系统图

为确保远动系统可靠运行、防止因调度站配电故障而造成系统中断，远动系统配备两路外部供电线路，均接入UPS电源，两路供电故障后可自动或手动切换供电。UPS电源电池容量可满足系统运行1小时的要求。此外，为保障配电站、调度站、开关站、低压监控站的时间精度，该系统在调度主站上设置GPS系统作为各被动站NTP服务器，以确保被动站各电力系统时钟与调度站一致[3]。

2.2 被动站

被动站包括配电所、开关站、低压监控站。被动站远动系统收集设备状态信息并通过远动通道发送至调度站，接收调度站调度指令并完成相应的指令动作。配电所对电力系统高低压设备和线路进行信息采集、处理与上传，并执行调度站下达的操作指令[4]。开关站对站内高低压设备进行状态监控。低压监控站对站内低压设备进行监控。

（1）配电所远动控制

配电所远动功能实现配电所内高低压设备各种信息的采集与处理，并通过远动通道发送至调度中心，实现配电所内配电设备的监控与管理。远动对象为配电所内各回路断路器、调压器等，采集信号包括回路断路器等电力设备位置信号、故障信号、进出馈线故障信号、电容补偿装置故障信号、调压器故障信号、断路器回路断线信号、交直流系统故障信号、电力装置动作信号等。根据调度要求和配电所电力设备状态监测情况，调度站可对配电所进线电压、母线电压、电源进线电流、馈出回路电流、有功功率、有功电能、功率因数、电容补偿装置电流、调压器电流、直流母线电压等进行远动控制。

（2）开关站远动控制

开关站内设有高低压开关、变压器和远动终端单元RTU等设备，可实现开关站内高低压供电系统实时信息上传至调度站，并接收和执行调度指令，实现开关站内电力设备监控管理与远动控制。为确保故障信息的全面准确收集，为故障点判断提供精准信息，开关站远动设备具备故障录波功能，其可作为开关站故障监测和判断的依据。开关站远动控制对象主要包括自闭、贯通线路高压开关和自闭、贯通信号低压开关等。状态监测对象包括遥控对象状态信息、高低压电力设备事故信号、低压避雷器报警信号、UPS电源状态信息等。测量对象包括自闭、贯通线路电流、电压、回路电流和有功电能等信息。

为确保开关站远动系统可靠稳定运行，该系统采用16位微处理器RTU控制，能够满足多任务执行要求。RTU设备采用模块化设计，双重通信线路，可靠性高，抗干扰性能强，能够满足高速铁路电力系统长周期稳定运行要求。RTU设备预留多路通信接入接口，为后续电力系统远动管理扩容预留了条件。

结合开关站高低压设备运行环境处于室内的实际情况，该工程开关站远动设备设置在室内运行，降低了外界环境因素对远动设备的影响，大大提高了控制系统运行的稳定性。同时，工程部分采用了XGN34型免维护固定式高压开关柜，其安装体积小（仅为传统高压柜的1/5），占地面积小，集成化程度高。其他开关柜采用具有永磁操作机构和弹簧操作机构的固定柜，由于省去了高压开关分合闸功能，改用交流操作，这提高了开关柜自动化控制水平。

此外，开关站接线同时引入两路供电线路，借助具有自动闭塞和贯通线路的高压隔离开关。一方面能够保障开关站供电故障快速恢复，减少因电力线路和电力设备故障产生的电力供应中断风险。另一方面，当开关站高低压设备检修维护时，可通过自动控制高压隔离开关实现开关站与外部供电电路的隔离，实现全线自动闭塞，并维持电力贯通线路可靠稳定供电。高压隔离开关的应用为开关站快速抢修和压缩维修维护时间提供了有利条件。

（3）低压监控站

低压监控站的主要监控和测量对象为低压开关和STU设备，其将低压监控站内自闭、贯通线路的实时采集信息上传至调度站并接收调度站下达的调度指令，实现对低压监控站内电力设备的实时监控与自动化控制。为确保远动系统可靠稳定运行，低压监控站远动设备STU同时具有故障录波功能。STU与RTU结构类似，但不具备高压监控功能。

该工程中，低压监控站远动设备设置在室内运行，通过通信线路与STU设备连接，有效保障了远动设备运行的稳定性。

2.3 远动通道

考虑到高速铁路对电力系统的安全性可靠性要求。电力系统远动通道以铁路生产网通道为载体。被动站采集的状态数据经配电站生产网接入，通过高速铁路配电所生产网汇入调度站通信网络，与调度站接口机连接，由接口机接收并预处理数据后存储于数据库中。为实现远动通道统一规划建设，被动站终端设备的IP地址按调度站规定的统一标准分配网段，并加强网络通信隔离，以防止因网络通信故障而影响全线电力系统。

通过远动通道建设，被动站与调度站之间的通信能力显著增强，通信网络可满足电力远动实时监测和控制的要求，且远动数据接入生产网后对现有的生产网承载业务无影响，这也降低了远动系统组网和维护的建设成本，避免了重复建设，缩减了项目建设周期。

2.4 视频监控系统

为实现高速铁路电力系统直观化管理和动态监测，远动系统配套建设了视频监控系统。其主要实现现场状态实时监测，配合远动系统采集状态信息，为故障分析、指令下达、反馈确认提供依据，并为高速铁路电力系统被动站无人值守创造有利条件，大大提高了电力系统的运营管理水平。

视频监控系统采用“1+N”建设模式。“1”为调度站大屏，可按需放大配电所、开关站、低压监控站监控画面。“N”为各被动站监控设备，由配电所、开关站、低压监控站视频监控设备、云台等组成。各被动站现场监控画面由本地采集存储并实时上传至调度站，调度站内设有监控录像存储硬盘阵列，用于存储各被动站历史监控录像。视频监控系统具备远程云台操作、语音对讲等功能，可配合远动系统进行电力系统操作、故障排查和恢复等。

随着高速铁路线路的不断增加，生产网承载的业务数据不断增多，而线路扩容成本偏高，不能满足电力视频监控系统的建设要求。根据视频监控数据带宽测算，单个视频监控系统所需的带宽至少要1.5M才能满足稳定传输要求。但当监控设备增加时，视频质量将受到显著影响，并将影响其他生产网的业务通信。考虑到该问题，可合并入高速铁路牵引供电远动视频监控数据通信线路，与牵引供电远动视频监控数据一同接入，这也能有效降低通信线路重复建设的费用。

2.5 抗干扰设计

电力系统远动装置受回路内电气设备操作、雷电引起的浪涌电流、电气设备周围电场、电磁波敷设和配电线路等因素影响会产生电磁干扰作用，主要包括电容性耦合干扰、电感性耦合干扰、共组抗耦合干扰、辐射耦合干扰等，这可能会造成远动设备运行不稳定、采集数据精度下降、元器件损坏、输入通道干扰误动、死机等问题，可能会影响高速铁路电力系统远动装置的稳定可靠运行，并可能直接威胁到电力系统的安全运行。针对这一问题，可采取屏蔽措施、系统接地设计、采用低通滤波器和数据收集抗干扰设计等措施，以确保远动装置安全稳定运行。

（1）屏蔽措施。高压设备与远动设备之间采用带有屏蔽层的电缆，电缆钢铠两端接地，减少高压设备耦合感应电压对远动设备的影响。配电所、开关站和低压监控站电力设备选择时，优先选择带有屏蔽层的互感器，有利于防止高频干扰影响远动设备。远动设备在输出端接耐高压电容，可有效抑制外部高频干扰。

（2）系统接地。系统接地是降低外部环境干扰的重要措施。开关柜一次系统接地和二次接地应可靠牢固。电力设备接地线路与接地母线通过接地扁铁和接地极连接，以降低接地网中瞬变电位差并降低对远动设备的干扰。远动设备接地时，STU、RTU设备电源接地和数字接地不与设备外壳相连，以减少电源线与设备外壳的分布电容并提高设备抗干扰能力。

（3）采用低通滤波器。电力系统远动数据采集精度是远动控制的基础，在受到干扰信号的情况下，数据采集信号可能出现误差增大、失真、控制状态失灵、数据变化等异常。为降低干扰作用，可采用低通滤波去掉高次谐波。当滤波电路出现较大电流时，可采用小电容和允许最大电感等措施构成滤波网络。当电磁干扰严重时，可采用电容和非线性电阻组成并联浪涌吸收器抑制暂态干扰。

（4）数据收集抗干扰设计。数据采集抗干扰设计时，RTU、STU应优先选择抗干扰性能强的设备，采用直流电源供电，以提高终端设备的抗干扰能力。合闸回路电源采用110V或220V供电，并加入适当的限流电阻，可有效防止遥信回路产生干扰信号的影响。

3 高速铁路电力系统远动技术具体应用

通过电力系统远动技术应用，可实现电力系统监控、指令操作、视频监控等基本功能，并能够为故障分析和判断预测提供依据。

3.1 基本功能

在高速铁路电力系统中，远动技术应用可实现的主要功能和作用如下：

（1）监控与控制功能。主要包括被动站电力线路和电力设备状态信息采集、事件记录（如断路器跳合闸和保护动作顺序记录等）、故障记录、故障录波、故障测距等。能够根据调度管理要求，对沿线电力线路断路器和中继站负荷开关进行分合闸控制。待操作指令下达后，调度站操作人员可根据设备状态信息判断指令是否成功并对设备本身状态进行监控。

（2）借助视频监控系统和人机交互，增强了调度站和被动站之间的联系，提高了信息传递的准确性、及时性。

（3）数据处理和记录功能。电力系统运行操作记录均实时采集，存储于调度站数据库内，可根据需求查询、调用、分析和处理历史数据，可为电力系统管理优化和故障分析提供可靠依据。

（4）谐波分析和监视功能。针对谐波污染较为严重的配电所电源采取了适当的抑制措施，降低了谐波含量，保障了高速铁路电力系统变配电供给质量，确保了电力系统和信号设备的安全运行。

3.2 故障分析定位功能

长期以来，受限于电力系统设备状态数据收集不全面、不完整等因素，数据的分析利用价值偏低。借助远动技术，将配电所、开关站、低压监控站数据汇总于调度站，在提高电力系统自动化控制水平的同时，为电力系统故障诊断和预测提供可靠依据。

（1）故障诊断。通过采用行波故障测距技术，当线路出现故障时，根据故障点线路两端运动电压和电流行波的虚拟电源，通过测算行波传播速度和行波达到对端的时间差，可计算得出故障点的位置，以此为高速铁路故障判断提供依据。

（2）故障预测。基于高铁电力系统远动历史数据和常见故障问题及故障原因，采用神经网络算法进行故障预测及分析，建立电力设备线路故障分析模型。通过分析电力设备故障类型、故障周期等因素，制定电力系统电力设备预防性维护计划和检修维护计划，能够有效提高高速铁路电力系统维护检修决策的科学性，也能够有效提高高速铁路电力系统运行的可靠性。

4 结论

在新时期背景下，随着我国高速铁路基础建设快速发展，电力系统的稳定可靠运行要求不断提高，远动技术的应用实现了信息技术与电力系统的有机结合，提高了电力系统的自动化智能化控制水平，有力保障了我国高速铁路的安全运行。