智能化控制技术在铁路电力工程建设中的应用研究

李 杨

（中铁二十五局集团电务工程有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

铁路电力工程建设是铁路建设的重要组成部分，直接关乎到铁路运营的安全性与可靠性，主要包括变电所、配电所、电力远动系统、架空电力线路、电缆线路、低压配电、电气照明、机电设备监控、防雷接地等方面。随着铁路运能的不断提升，对铁路电气化水平也提出了更高的要求。传统的铁路电气化建设存在一定的问题，如配电系统结构复杂、远动系统对线路状态监测不足、照明系统缺乏精细化智能控制等。这些问题的存在限制了铁路电气化水平的进一步提升。应用智能化控制技术对铁路电气化系统进行升级是当前铁路电气化建设面临的重要课题。

1 智能化控制的关键技术

1.1 人工智能技术

人工智能技术是实现智能化控制的核心技术之一。它通过模拟、延伸和扩展人的智能，使机器具有独立分析和解决问题的能力。当前，人工智能技术在智能识别、语音处理、专家系统、机器学习等方面取得了长足发展，为智能化控制提供了算法支持。例如，计算机视觉技术可以对图像和视频进行高效识别与处理，实现对物体、人脸、场景等的智能识别，可用于铁路电力设备的状况监测；语音识别和合成技术可实现人机交互，辅助运维工作；专家系统可以联网获取大量知识，进行智能决策；而神经网络、支持向量机等机器学习算法可以从大数据中自动提取知识模型，实现对系统状态的预测和评估。这些技术为铁路电力系统的状态检测、故障预测、辅助决策提供了可能。计算机视觉技术中的卷积神经网络在图像处理方面展现出色的特征提取和分类能力。如YOLO V3 模型的图像处理速度可达45 张/s，准确率高达78.6%。而循环神经网络和注意力机制在语音识别领域也取得长足进展，识别准确率达到90%以上，可实现人机自然交互。另外，基于深度学习的强化学习算法实现了连续空间中复杂控制任务的自动学习，如无人驾驶技术，为智能化设备的闭环控制提供了可能[1]。在预测方面，使用长短期记忆（Long Short-Term Memory，LSTM）等网络的时间序列分析可实现对设备健康状态的预测，准确率达到80%以上。当前人工智能技术的能力已经足以支撑铁路电力领域智能化控制的实现，但也需要考虑算法的解释性和可靠性等问题，以实现安全可控的智能化。

1.2 PLC 控制技术

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）由中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、存储器、输入/输出接口模块、电源模块等组成，通过输入/输出接口与被控对象连接，按照用户编写的控制逻辑程序，实时采集现场数据并对过程实现闭环控制。相比传统的继电器控制，PLC 控制具有编程灵活、抗干扰能力强、可靠性高等优点，原理如图1所示。

图1 PLC 控制技术的原理

PLC 系统的核心是CPU，它的处理能力直接决定了系统的控制性能。目前的高端PLC 处理器运算速度可以达到纳秒级，并配备32 位或64 位的高速处理器，支持多任务多线程处理，充分保证控制和通信的实时性。存储系统采用非易失性存储器，即断电后也不丢失用户程序，有利于长期稳定运行。PLC 的模拟量输入分辨率可以达到16 位，精度高达0.025%；数字量输入响应时间仅有几毫秒，完全满足对快速变化信号的捕捉要求。PLC 输出端支持脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制，可以对交流负载进行平滑调节。通信接口多采用以太网或现场总线等工业通信协议，实时的数据交换确保各控制单元的协调运作。PLC 编程语言经历了梯形图到功能块再到面向对象的发展，编程效率大幅提高。用户可以利用集成的开发环境，通过简单的图形编程实现复杂的逻辑和算法。程序在线修改功能实现了对控制逻辑的动态调整。利用顺序功能图（Sequential Function Chart，SFC）编程，可直观表达步骤控制流程。面向对象的编程方式支持代码模块化和重用，大幅提高了开发和维护的效率。开放式PLC 使各种智能终端能够接入控制系统，实现信息的数据采集、统计、分析和远程控制。PLC 技术在铁路电力工程中的应用十分广泛，高速铁路牵引变电所、受电弓控制、无人值守变电所等对控制可靠性的要求极高，都需要利用PLC 实现关键控制功能。与分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）或远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）等其他控制系统相比，PLC 价格经济，编程灵活，能更好地满足铁路电气化系统的分散控制需求。智能化PLC 控制技术的发展，将大大提升铁路电气化控制的自动化水平[2]。

1.3 物联网技术

物联网是指各种传感设备、执行设备以及计算处理设备通过网络实现连接和通信，实现对各种物理对象感知、监控与管理的技术。物联网的核心要素包括感知层、网络层、应用层3 层架构。感知层通过各类传感器、二维码、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、摄像头、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）等设备收集对象和环境的信息；网络层实现将各种终端节点与计算平台连接在一起，通常采用无线网络技术，如4G、5G、基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、ZigBee 等；应用层则在感知层和网络层之上实现对数据的处理与应用服务。物联网技术的优势在于实时性、可扩展性以及智能化决策。随着5G 和互联网协议第6 版（Internet Protocol Version 6，IPv6）的应用，到2025 年，全球物联网连接数有望达到500 亿。物联网技术可广泛应用于智慧城市、工业制造、精准农业、智能家居、智能医疗等领域。在铁路电力工程中，物联网可用于电力设施的状态监测，实现对电网运行状态的实时掌握，并进行故障预测和智能化维护，大大提高电网的安全性和可靠性[3]。例如，通过在电线杆上安装温度、湿度传感器，并通过NBIoT 网络实现远程连接，就可以实时监测电线杆的运行状态，预测故障风险。

1.4 大数据分析技术

大数据通常指数据量巨大且类型多样，在一定时间范围内捕获、管理和处理的数据集合。大数据具有容量大、种类多样、价值密度低等特征。铁路运营会产生海量的结构化和非结构化数据，包括列车运行数据、设备状态监测数据、视频监控数据等。利用大数据分析技术可以深入挖掘这些数据的价值，实现对铁路系统的精细化管理。大数据的获取主要依赖物联网传感设备。这些设备将监测数据实时传输给中央数据服务器。数据收集后，需要依靠大数据存储和管理系统实现数据的持久化存储，常用的存储方案包括分布式文件系统（Hadoop Distributed File System，HDFS）、HBase 等。以HDFS 为例，它采用分布式文件系统，通过数据块备份实现高容错性，单集群节点数量可达数千个，单文件最大可支持数PB 容量。存储完毕后，需要使用大数据计算引擎对数据集进行分析处理。如MapReduce 可实现分布式并行计算，Spark 则支持实时流计算。常用的分析算法有支持向量机（Support Vector Machine，SVM）、随机森林等机器学习算法，可以实现故障预测、态势评估等。通过数据可视化工具将分析结果用报表、图表等直观的方式展示给业务人员或决策者。大数据分析在铁路智能化监控方面发挥着重要作用，能实现对系统的全面洞察，进行风险评估和事故预警，助力铁路部门实施精细化、智能化的维护保养，以确保铁路系统安全、可靠、高效运行。

1.5 无线通信技术

在铁路电力工程领域，新一代无线通信技术以其高速率、低时延和高可靠性，为实现设备和系统之间的无线互联提供了可能。例如，采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）调制、时分双工（Time Division Duplexing，TDD）模式和先进编码调制技术的长期演进（Long Term Evolution，LTE）在高铁无线通信系统中得到成功应用。与3G 相比，基于LTE 的高铁通信系统最大下行速率可达100 Mb/s，峰值数据速率更高达300 Mb/s，可为高铁无线通信提供稳定的大容量传输。随着5G 新空口技术的推出，其在高铁和城市轨道交通领域的部署将大幅提升无线通信性能。例如，基于5G 新空口的铁路专网可实现1 Gb/s 的高峰值速率、小于1 ms 的超低时延，有望支持轨道交通的自动遥控和智能调度等应用。这些技术支持网络自组织、时隙同步、频跳随机化等机制，使无线设备组网更加方便，也增强了抗干扰能力。

2 智能化控制技术在铁路电力工程建设中的应用

2.1 智能化控制技术在变电所中的应用

变电所作为铁路电力供应的核心环节，其智能化水平直接影响着电力系统的经济性和可靠性。变电所智能化主要包括二次设备的自动监控、变压器的智能控制、开关设备的遥控遥调、保护装置的数字化、无人值守运行等方面[4]。在变电所建设中广泛应用数字化继电保护、微机保护装置以及标准化开闭操作机构，可以实现对主要设备的智能监测和保护，大大提高了变电所的可靠性和安全性。采用分布式计算机监控系统，构建站域网络，实现了对变电所内所有二次设备的集中监控。操作人员可以在主站监视各种参数，并可以远程控制开关设备，实现无人值守运行。变压器作为变电所的核心设备，其安全稳定运行对电力系统至关重要。应用智能电器传感器，可以在线监测变压器的温度、质量、振动、噪音等参数。一旦监测到异常，可以快速定位故障部位，进行状态评估，并通过专家系统得出处理建议。这可以实现变压器的线上监测与智能诊断，预测变压器故障，进行科学维护，提高运行可靠性。例如，在超高压变电所中广泛使用了光纤传感器，实时监测1 000 MVA 级主变的各项运行参数。变电所的遥控系统采用国际标准化的通信协议，实现了对开关设备的远程遥控。配电室值班人员可以在远端通过人机界面下达操作指令，完成闭锁操作，不仅提高了操作的灵活性，也有效减少了人为操作错误。

2.2 智能化控制技术在远动系统中的应用

铁路电力远动系统由现场信息转换与控制机构、远动终端RTU、通信信道和调度端等组成。智能化控制技术的应用，极大提高了铁路电力远动系统的可靠性、实时性以及经济性。在现场信息采集方面，传统的电压互感器和电流互感器逐渐被电子互感器替代，测量精度由0.2 级提高到0.1 级，同时还实现了数字输出；RTU 端的采样从软件采样发展到硬件采样，采样速率达到了每路20 000 次/s，大大提高了测量精度。通信方面，现场总线技术实现了现场数据高速、高可靠的采集，传输距离达到10 km，速率高达10 Mb/s；远程通信在普通电话线的基础上发展到微波、光纤通信，甚至卫星通信和移动通信，通信距离不再受限制，通信速率达到了Mb/s 级别。与此同时，远动终端的处理能力也在不断提高，从早期的8 位单片机发展到现在的32 位数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）和ARM 处理器，大幅提升了远动系统的智能化水平。在远动智能化控制方面，传统的单项控制逐步向系统集中联锁控制发展，实现了子站间的相互制约和保护，避免了误操作。另外，变电站智能化水平不断提高，开关设备带动诸如距离保护、自动调压和故障指示等自动装置的动作，做到无人值守运行。精确的状态检测技术可以实现对电力设备的在线监测，预测设备故障。

2.3 智能化控制技术在照明系统中的应用

智能化控制可以实现铁路电力照明系统的智能控制和远程监控，不仅提高了铁路运营的安全性和可靠性，也极大提升了铁路电力照明系统的经济性和环境适应性。应用智能化控制技术的智能照明控制系统，能够根据环境光线变化和时间变化，自动调节照明灯具的亮度或进行照明模式切换，实现节能控制[5]。系统通过分布于关键位置的智能照明探测器，可以检测环境光照强度和铁路运行状态信息，并将数据反馈到车站控制中心或变电所的照明控制设备，根据预设的控制逻辑和算法，自动输出控制命令，驱动发光二极管（Light Emitting Diode，LED）等节能灯具按需调光或开关。这样不仅可以保证场站及线路具有符合标准和需求的照度水平，还可以实现30%以上的节能效果。与传统的简单定时或手动控制相比，智能照明控制系统可以精确匹配铁路运营的实际需求情况，大幅提高铁路电力照明的经济效益。同时，车站控制中心和变电所可以通过广域网远程监控各个照明探测器的参数和运行状态，实现对全网照明设备和系统的集中监控管理，及时发现设备故障并快速响应。此外，还可以通过照度采集装置获取车站或区间的实时照度数据，辅助系统优化控制策略。

3 结 论

随着铁路电气化和智能化的不断发展，智能化控制技术在铁路电力工程建设中的应用越来越广泛。智能化控制可以实现设备和系统的精确控制、实时监测以及故障预警，大大提高了铁路供电系统的可靠性、安全性以及经济性。为进一步发挥智能化控制技术的优势，铁路部门应该继续加大技术研发和系统应用力度，开发适用于铁路环境的关键技术与装备，建立智能化的监测、控制和管理体系。这将极大地推动我国铁路电气化水平的提升，使铁路运输更加安全便捷。