自动化技术在高速铁路电气工程中的应用

eheolopgo

工程与自动化技术作为一门新兴技术，在各个领域和行业都得到广泛的应用。尤其是近年来高速铁路施工建设的不断发展，常规的施工技术已经无法满足工程建设的基本需求，加强电气工程和自动化控制技术的应用在促进高速铁路施工建设发展方面具有重要意义。本文首先对电气工程和自动化技术进行了介绍，然后对电气工程和自动化技术在高速铁路施工应用中存在的问题进行了分析，最后提出了解决措施。
【关键词】铁路施工 电气工程 自动化技术
高速铁路是运输行业发展的必然趋势，可以对铁路的运力资源进行整合，释放既有铁路的运力，缓解长期以来的货运矛盾和客运矛盾，促进经济的发展。在高速铁路建设过程中，电气化技术是一项非常重要的施工内容。随着电气自动化技术的不断发展，其应用范围也日益广泛，电气工程和自动化技术为现代化建设提供了技术支持，特别是对于高速铁路工程建设来说，电气工程和自动化技术的应用有效提高了高速铁路供电系统运行的稳定性和可靠性，促进了我国高速铁路工程建设的发展。
1 电气工程及自动化技术在铁路施工中的应用
电气工业技术的持续进步，使电气工程以及自动化技术由相对落后的创同领域进入到一个崭新的新技术领域，电气工程技术学科的形成将为我国工业的飞速发展提供技术保障。当前的电气工程与有关自动化建设已经形成了一个较为独立的完整体系，从而为电气工程进军商业领域创造了条件，而在高速铁路施工中大力推广电气工程以及自动化技术，能够极大提升铁路的运载能力。从现阶段我国高速铁路的运力需求来看，大量的外出务工人员、流动人口及能源的分布不均衡，均对铁路运输存在较大的依赖性。若与其它运输方式相比，高速铁路电力牵引在速度、载重量和环保等方面均呈现较大的优越性，所以这种牵引模必将成为未来铁路交通运输业最主要的发展方向。
2 概述铁路供电的基本特点
2.1 供电系统电压等级低，变、配电所结构相对单一
以电力系统的角度思维来说，铁路负荷是终端负荷，面对着最终用户，因此高速铁路供电系统通常是10kV配电所与35kV变、配电所，仅有极少数地方具有110kV的变、配电所。因为110kV供电系统需要耗费大量的建设资金，所以高速铁路系统甚少使用。再加上高速铁路系统功能要求与应用范围相似，因此供电系统变、配电所基础构成几乎一致，而功能配置和每条线的设计类型也是大同小异。
2.2 供电系统接线方式较为简单
高速铁路供电系统各线路的接线组成单一的辐射网，变、配电所分布均匀且相互连接，形成手拉手式的供电方式。其中连接线主要包含有一级负荷贯通线和综合负荷贯通线两种。
在重要的铁路干线供电系统中通常都有一级负荷贯通线和综合负荷贯通线两种连接线，譬如京沪高铁和兰新客专，两者都属于信号双电源供电的系统。铁路连接线不仅能够连接相邻电所，还能供给自动闭塞信号电源，其中接线方式如图1。
3 对铁路电气工程自动化系统的功能提出较高要求
3.1 供电自动化系统具有安全性和高效性的要求
供电自动化系统是庞大而复杂的体系，主要包含有电力调度系统、MIS、变电所综合自动化系统、安全监控系统、在线监测系统等。高速铁路供电自动化系统主要通过运、机、工、电、辆进行分工运作，必须依靠上下层与平行层相互协调才能高效运行，但是在当前体制下高速铁路自动化系统仍然缺少稳定和可靠的运行调度模式。基于此，深入研究铁路自动化系统，不断优化运行模式，这样不仅能够满足业务日益增长的需求，同时还能够有效提升高速铁路运行的安全性和高效性，以满足社会经济快速发展的基本需求。
3.2 供电自动化系统具有可靠性的要求
虽然高速铁路供电系统电压等级相对较低，并且变、配电所结构向相对单一，但是却对供电自动化系统可靠性提出较高的要求。其中自动闭塞信号的供电中断时间必须≤150ms，不然供电区域自动闭塞信号灯将会全部变成红色，对高速铁路稳定运行造成严重影响。当前来说，高速铁路供电系统已经使用了许多方法来提高供电系统的供电可靠性，譬如，利用双电源供电与安装备用电源自动投入装置能够有效确保供电系统的供电可靠性。针对相邻配电所可以使用自闭线和贯通线两种组合连接方式来全面提高线路连接的可靠性。当前高速铁路供电系统已经使用多种方式来确保供电可靠性，但实际上这些措施只适用于局部区域。只有在贯通线和自闭线两组线上的车站处布设自动分段装置，才能够准确定位和恢复线路故障，从而全面提升铁路供电系统的供电可靠性。
4 电气自动化技术的广泛应用
4.1 分布控制技术的应用
分布控制方式指的是配电自动化终端（FTU）具备着故障自动诊断和隔离的能力，同时通过互相配合还具有网络重构能力，在此过程中无需系统主站的直接参与。分布控制技术主要包含有电压时间型与电流计数型，这些技术都是直接由配电自动化终端（FTU）和开关组合形成具备重合功能的分段器。但是受到原理限制，分布控制方式仍然存在着以下几个问题。
（1）该种方式处理故障和恢复正常供电所花费的时间较长，严重冲击着供电系统和铁路用户。
（2）必须要改变变电站出现保护定值与重合闸的动作方式才能完成控制工作。
（3）故障监测分段过多，配合难度较大，动作缺少选择性。因此，针对于铁路供电系统不适合采用此种控制模式。
4.2 集中控制技术的应用
集中控制方式主要是通过现场配电自动化终端（FTU）向主站输送故障信息，主站受到故障反馈信息后进行计算，并提出故障解决方案，并将解决方案信息下达到配电自动化终端（FTU）执行。通常情况下，可以划分为下面3个层次。
（1）配电终端层将故障信息送达主站。
（2）配电子站对故障区域进行管理和控制。
（3）主站下达故障解决和优化方案。
集中控制方式对于通信系统的可靠性和高效性提出较高的标准要求，在处理系统故障过程中必须要可靠而高效的信息传递指令。通常情况下，功能相对强大的主站系统比较适宜使用集中控制方式，通过专用高级应用模块能够快速处理网络故障问题。
4.3 上报变化数据
由于数据传送可能会受到通道速率限制的影响，导致大量数据充斥信道，因此装置设置了变化数据优先传送的模式。其中传送数据主要包括有变化前后的数值和实践，通过定值设定能够得出变化幅度。数据传送到主站后，上位机存储所有数据，通过动态曲线描述数据变化趋势，结合数据曲线变化趋势来分析故障产生的主要因素。因为故障信息的分辨率是20ms，所以，应当进行周期监测，确保故障信息的完整性。
5 电子工程系统的组成结构与通信结构设计
5.1 自动化控制系统的组成结构
高速铁路自动化控制系统主要是为了提高供电的安全性和可靠性，其中涵盖着自动化技术、软件技术及计算机通信技术等多种学科，利用网络电力调度系统信息、安全监控信息和MIS管理信息及检测信息等连接起来，从而统一管理各项信息。
其中，通信协议主要使用以IEC61850/61970/61968为主体的IEC新标准体系。供电自动化系统整体结构如图2所示。
5.2 铁路通信系统的结构设计
由于高速铁路供电系统缺少通信设施，因此需要采用铁路系统公共通信系统来实现数据传输。但是因为公共通信系统服务于所有铁路部门，通常情况下1RTU和调度端间信息传输速率是2Mbit/s，而2RTU，3RTU和调度端间的信息传输速率是64Kbit/s。
6 结束语
综上所述，在高速铁路电气工程施工过程中运用自动化技术可以显著提升电气系统的工作效率及工作安全性。在实际应用过程中，要积极的借鉴和吸取成熟的技术和经验，加快铁路电气工程自动化技术的改造，提升电气工程的管理水平，促进铁路行业的进一步发展。
参考文献
[1]周奉聚.浅析铁路供电系统工程中配电自动化应用分析[J].机电信息，2011（12）：143-145.
[2]杨立.配电自动化工程应用于铁路供电系统的分析[J].黑龙江科技信息，2008（08）：97-99.
[3]何桂娥.对铁路供电系统工程中配电自动化应用分析[J].科技信息，2009（13）：176-178.
作者简介
甄忠孝（1974-），男，甘肃省兰州市人。大学本科学历。现为中铁一院集团南方工程咨询监理有限公司工程师，从事铁路工程方面工作。
作者单位
中铁一院集团南方工程咨询监理有限公司 广东省珠海市 519000