基于物聯(lián)網(wǎng)技術的鐵路通信供電監(jiān)控系統(tǒng)

引言

我國鐵路正處于高速發(fā)展時期，鐵路的電氣化進程也在不斷推進，鐵路的日常運作都以電能為運輸動力，鐵路的供電水平直接影響鐵路系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但電氣化鐵路的供電系統(tǒng)是一個龐大又復雜的系統(tǒng)，電氣設備布局分散，并且部分鐵路段位于偏僻的地區(qū)，與電力監(jiān)控中心相距較遠，無法實現(xiàn)有效的供電監(jiān)控，導致鐵路沿線供電監(jiān)控任務變得異常艱巨[1]。此外，鐵路沿線的一些非電氣設備也會對鐵路的供電產(chǎn)生諸多影響。有學者提出分布式供電策略，即對鐵路進行分段供電，每段鐵路節(jié)點配置專用的分布式電源和監(jiān)控裝置，但該模式下的供電系統(tǒng)相互獨立，且需配置大量電源和監(jiān)控裝置，耗費了大量不必要的人力、物力，因此研發(fā)一套專業(yè)設備一體化智能管理系統(tǒng)實屬必需。

50 多年來，電力系統(tǒng)監(jiān)控技術在我國不斷發(fā)展，已融合了計算機技術、通信技術。物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展為電力信號監(jiān)測提供了強有力的技術支持[2-4]。物聯(lián)網(wǎng)可分為終端層、網(wǎng)絡層和系統(tǒng)層：

終端層包括供電、攝像頭、位置傳感器等感知終端，

負責采集信息；

網(wǎng)絡層負責傳輸終端層采集的信息；

系統(tǒng)層是用戶和物聯(lián)網(wǎng)的交互終端。

雖然物聯(lián)網(wǎng)技術為鐵路供電監(jiān)控提供了新的解決辦法，但鐵路監(jiān)測數(shù)據(jù)采集量大，范圍廣，涵蓋諸多專業(yè)，且各監(jiān)控系統(tǒng)獨立運行，缺乏一體化的綜合管控平臺。文獻[5] 主要研究了紅外熱像儀監(jiān)控系統(tǒng)在鐵路供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)中的應用，紅外熱像測溫速度快，可以日夜監(jiān)控，安全方便，能被廣泛應用到鐵路系統(tǒng)中。文獻[6] 將虛擬化技術引入高鐵供電監(jiān)控系統(tǒng)的調度端（PSCADA 主站系統(tǒng)）。通過虛擬化技術對服務器進行整合，提高服務器資源的使用率與業(yè)務的連續(xù)性，同時還能提供一個靈活的資源使用平臺。上述文獻都針對鐵路中的供電系統(tǒng)提出了有效的監(jiān)控方案，但并未考慮多種專業(yè)設備的供電情況。計算機技術、通信技術和人工智能技術的快速發(fā)展為鐵路物聯(lián)網(wǎng)的應用提供了支撐。為了更好地進行鐵路供電監(jiān)測，本文給出一種鐵路通信供電監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備實時監(jiān)測鐵路各專業(yè)關鍵設備供電信息、遠程操作供電設備、故障分析以及各類信息查詢等功能，能夠被大量應用到鐵路供電管理過程中。

系統(tǒng)總體結構

基于鐵路物聯(lián)的通信供電監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構如圖1 所示。系統(tǒng)主要包括可信智能終端、基于IEC61850 的通信網(wǎng)絡和大數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)。

本系統(tǒng)設計研發(fā)了融合可信計算和邊緣計算的智能終端，設計了基于IEC61850 的縱向加密、橫向隔離通信網(wǎng)絡架構，開發(fā)了基于大數(shù)據(jù)分析技術的高鐵電力自動化管理系統(tǒng)，大幅提高了高鐵電力自動化、智能化的程度，有效保障了高鐵通信供電的可靠、穩(wěn)定。

融合可信計算和邊緣計算的智能終端

設備運行時，智能終端實時采集各項數(shù)據(jù)，系統(tǒng)利用這些數(shù)據(jù)完成對設備的監(jiān)測及維護等工作。終端采用可信計算技術[7-8]，每次開機自動檢查終端的軟件版本和后臺進程，保障終端計算環(huán)境穩(wěn)定可信，有效防止終端被惡意劫持而造成安全事故。同時，終端作為一個獨立的智能計算單元，可與其他終端設備互聯(lián)協(xié)同，在終端與系統(tǒng)通信中斷時，采用邊緣計算技術[9-10] 調用本地存儲的控制策略，保障電力供應。

圖1 系統(tǒng)總體結構

智能終端采用高密度高精度的錄波采集系統(tǒng)，以真實反應運行狀態(tài)下電壓、電流的變化趨勢。另外，通過精確記錄故障時的電流、電壓變化，分析線路產(chǎn)生故障的原因，如用電設備故障，供電線路失電、相間短路、斷線、接地等，可為快速故障處理提供可靠的數(shù)據(jù)。完成有效值錄波功能需要一整套復雜嚴謹?shù)牧鞒?，包括交流信號的?shù)據(jù)采集、高密度無縫掃描、高精度實時算法、海量數(shù)據(jù)存儲、高效壓縮算法，以及遠動主站應用軟件的快速查詢、定位、分層顯示等。采用專用電能芯片（ADI 公司7878）采樣，當前每周錄波80 點，可實現(xiàn)1 ～39 次諧波計算，分別計算電流和電壓的諧波總含量，并計算基波電能等電能質量數(shù)據(jù)，作為諧波分析依據(jù)。為保證監(jiān)控系統(tǒng)的準確性，將所有設備信息輸入監(jiān)控系統(tǒng)。

另外作為監(jiān)測終端，對于設備的運行環(huán)境、供電電源、防雷部件的運行工況等都可以實時監(jiān)控。

基于IEC61850 協(xié)議的縱向加密、橫向隔離的通信網(wǎng)絡

網(wǎng)絡通信架構如圖2 所示。隨著我國高鐵里程數(shù)的增加，高鐵電力自動化管理智能終端將更多地暴露在公眾視野，因此終端的信息安全問題不可回避?；诜涸陔娏ξ锫?lián)網(wǎng)的高鐵電力自動化管理系統(tǒng)研發(fā)了融合可信計算的智能終端，可有效防止終端被惡意劫持或篡改，并基于現(xiàn)有電力調度網(wǎng)絡構建了縱向加密、橫向隔離的通信網(wǎng)絡架構[11]，保障智能終端與管理系統(tǒng)之間通道的安全。

高鐵電力網(wǎng)絡一體化實時監(jiān)控與智能分析大數(shù)據(jù)中心

大數(shù)據(jù)中心的結構示意如圖3 所示。平臺依托調度主站監(jiān)控中心，實現(xiàn)多個系統(tǒng)的一體化管理，數(shù)據(jù)平臺在符合綠色理念的同時也滿足鐵路系統(tǒng)的各項需求，可為軌道交通供電管理提供最詳實的基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通以及智能化管

理，提升系統(tǒng)的運行效率[12]。在此基礎上研發(fā)鐵路中的數(shù)據(jù)云分析平臺以及防災救援系統(tǒng)，將網(wǎng)絡安全技術引入鐵路數(shù)據(jù)中心建設中，讓鐵路與互聯(lián)網(wǎng)相互交融，在保障數(shù)據(jù)傳輸安全的同時，為軌道交通運輸?shù)陌踩\營、科學決策、減員增效提供有力保障[13]?？紤]在系統(tǒng)通信過程中增加加密算法，并采用電力系統(tǒng)通用的信息加密套件，保證電能信息傳輸過程的安全。著重加強系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析能力，確保系統(tǒng)最大程度利用數(shù)據(jù)資源，提升系統(tǒng)下發(fā)指令的科學性，將電力資源合理配置到各個模塊，推進各個模塊間的信息共享及綜合集成應用。

圖2 網(wǎng)絡通信架構

儲在本地，待網(wǎng)絡恢復后從中斷位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務器端數(shù)據(jù)不丟失。

圖3 高鐵電力網(wǎng)絡一體化實時監(jiān)控與智能分析大數(shù)據(jù)中心

基于大數(shù)據(jù)分析技術的高鐵電力自動化管理系統(tǒng)

基于泛在電力物聯(lián)的高鐵自動化管理系統(tǒng)對全線的變電設備進行監(jiān)控，利用大數(shù)據(jù)技術（如信息粒計算、聚類分析等技術）分析設備的運行數(shù)據(jù)[14]，并基于分析結果及時下發(fā)控制策略（如投切無功補償設備、投切備用電源等），保障電能質量和供電可靠性。同時，系統(tǒng)基于多元數(shù)據(jù)集成，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡分析失效判定和故障預測，通過深度自學習進行知識拓撲的故障溯源，評估變電設備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設備的狀態(tài)變化和可能存在的安全隱患，從而為供電系統(tǒng)的電能分配、故障定位提供準確的指標，為鐵路的供電系統(tǒng)和其他變配電系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行提供重要保障。

高鐵自動化管理系統(tǒng)包括：電力調度系統(tǒng)、變電所綜合自動化系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡。

電力調度系統(tǒng)設置在調度中心，主要由硬件平臺、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、信息收集系統(tǒng)等組成，完成對遠方遠動對象的監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計及管理。

變電所綜合自動化系統(tǒng)對設備進行監(jiān)測，采集設備的各項信息并記錄時間節(jié)點。變電所的數(shù)據(jù)處理、電能分配控制、自我保護等動作均由變電所綜合自動化系統(tǒng)完成。

變電所與電力調度系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸由通信網(wǎng)絡承擔。

將基于時間維度的檢修理念調整為基于狀態(tài)監(jiān)測的檢維修模式，將失效預警、異常識別分為不同等級，并對應不同的處理模式，以最大限度縮短排除故障所用時間。

系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

系統(tǒng)網(wǎng)絡架構如圖4 所示。系統(tǒng)可分為三層，即間隔層、網(wǎng)絡通信層和業(yè)務層。

間隔層包含變電所安裝的多功能儀表、浪涌及UPS 監(jiān)測儀、配電箱、電能質量檢測儀等。

網(wǎng)絡通信層包含現(xiàn)場網(wǎng)關、遠動機和交換機等設備。網(wǎng)關采集現(xiàn)場設備層的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉換與數(shù)據(jù)存儲，通過有線或無線傳輸方式上傳至后臺。網(wǎng)絡故障時數(shù)據(jù)可存儲在本地，待網(wǎng)絡恢復后從中斷位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務器端數(shù)據(jù)不丟失。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

業(yè)務層包含繼保工程師站、SCADA 操作員站服務器、前置服務器和工作站，一般應用服務器和前置服務器可以合一配置，如果預計接入設備數(shù)量較多，則建議分開配置。

系統(tǒng)功能設計

數(shù)據(jù)傳輸、存儲和處理

本系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集器和上位機軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸（通過有線網(wǎng)絡或GPRS/CDMA/4G 無線網(wǎng)絡）。把監(jiān)控系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)存儲在實時數(shù)據(jù)庫中，對于需要長期保存的數(shù)據(jù)存放在歷史數(shù)據(jù)庫中，對于狀態(tài)量變位、模擬量越限等信息，按時間順序保存在歷史事件庫中。

數(shù)據(jù)處理包括定時采集、越限報警、追憶記錄、設備異常報警、事件順序記錄（SOE）和操作記錄。

控制操作

為防止監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生誤操作，既可以依靠系統(tǒng)內部的防誤軟件，也可以與專用微機防誤系統(tǒng)配合完成全站的防誤閉鎖功能。

站內各項設備都有站內控制、調度中心遠方控制、就地手動控制三種控制方式。

監(jiān)控系統(tǒng)在間隔層可以通過在測控裝置上設置間隔互鎖邏輯實現(xiàn)間隔層操作閉鎖。

報警處理及報表功能

發(fā)生變位故障時，在運行工作站顯示的畫面中，變位設備的顏色會改變，并且以燈光閃爍的方式提示，同時顯示報警條文。預告報警的動作方式與事故報警大致相同，通過不同的顏色變化可以與事故報警區(qū)分。

報表功能提供各種設備的年報表、月報表、日報表及小時報表。

結語

本文通過集成傳感器技術以及現(xiàn)代通信技術，提出一種基于鐵路物聯(lián)網(wǎng)的通信供電監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)具備實時顯示、運算、記錄鐵路各專業(yè)關鍵設備供電信息的功能，供電設備可遠程操作，也可根據(jù)數(shù)據(jù)進行故障分析、定位，還可以提供各類信息查詢、統(tǒng)計分析、報表和圖件制作等功能，對鐵路供電系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

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