自動化智能運(yùn)維系統(tǒng)在高鐵牽引變電所的研究與應(yīng)用

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：目前，高鐵牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)運(yùn)維還處在“計劃修"“故障修"階段。文章研究傳統(tǒng)以及智能綜合自動化系統(tǒng)的運(yùn)維技術(shù)，提出針對性的智能運(yùn)維解決方案，實(shí)現(xiàn)對綜合自動化系統(tǒng)的故障智能分析、健康管理和壽命預(yù)測等功能，可以提高運(yùn)維效率，更好地保障高鐵運(yùn)營安全。

關(guān)鍵詞：高鐵；綜合自動化；智能運(yùn)維

0.引言

牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)是保障高鐵安全運(yùn)營的重要設(shè)施，有效的運(yùn)營維護(hù)工作能夠很大限度地保障高鐵牽引供電安全性。目前，高鐵還未針對綜合自動化系統(tǒng)維護(hù)維修進(jìn)行信息化管理，依然停留在“計劃修"“故障修"階段，自動化程度較低，維護(hù)顆粒度較粗。電力系統(tǒng)研究智能變電站的運(yùn)維，制定《智能變電站保護(hù)設(shè)備在線監(jiān)視與診斷裝置技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW11361—2017）[1]標(biāo)準(zhǔn)。文章通過科研立項(xiàng)，針對傳統(tǒng)和智能牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)的智能運(yùn)維進(jìn)行深入研究，現(xiàn)場搭建運(yùn)維管理系統(tǒng)，可以提高綜合自動化系統(tǒng)運(yùn)維智能化水平，促進(jìn)綜合自動化系統(tǒng)運(yùn)維向“狀態(tài)修"轉(zhuǎn)變。

1.課題研究內(nèi)容

1.1智能運(yùn)維管理平臺的搭建

研究搭建針對既有和智能高鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)的智能運(yùn)維管理平臺的系統(tǒng)構(gòu)成方案，作為實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維功能的硬件基礎(chǔ)。

1.2既有綜合自動化系統(tǒng)的智能運(yùn)維功能

針對既有綜合自動化系統(tǒng)的研究，以不改動既有軟硬件、不影響既有線運(yùn)營為原則，采用深度挖掘既有數(shù)據(jù)潛力的方法在監(jiān)控后臺以增加軟件模塊的方式實(shí)現(xiàn)功能。

（1）實(shí)現(xiàn)綜合自動化系統(tǒng)履歷管理信息化與在線參數(shù)校核。

（2）利用綜合自動化系統(tǒng)裝置自診斷信息和有邏輯管線的監(jiān)測信息，通過深挖數(shù)據(jù)潛力，實(shí)現(xiàn)既有綜合自動化系統(tǒng)裝置的運(yùn)行狀態(tài)診斷。

1.3智能綜合自動化系統(tǒng)的智能運(yùn)維功能

針對未來綜合自動化系統(tǒng)的研究，以適度完善軟硬件設(shè)備、不降低系統(tǒng)可靠性為原則，對綜合自動化系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)測控裝置進(jìn)行軟、硬件升級，實(shí)現(xiàn)對裝置的詳細(xì)自診斷。除了實(shí)現(xiàn)原有功能外，針對智能綜合自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)增加功能。

（1）增加裝置箱內(nèi)溫度采集回路，實(shí)現(xiàn)對裝置內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測。

（2）根據(jù)裝置MTBF時間與裝置運(yùn)行環(huán)境溫度計算裝置整體的預(yù)期剩余壽命，設(shè)置報警限值進(jìn)行預(yù)警。

（3）研究基于智能牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)的虛端子可視化、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)控與診斷。

2.智能運(yùn)維系統(tǒng)的搭建

2.1傳統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)智能運(yùn)維系統(tǒng)的搭建

傳統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)智能運(yùn)維實(shí)施方案如圖1所示。

圖1傳統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)智能運(yùn)維實(shí)施方案

為了將對既有系統(tǒng)的影響降低至可控范圍內(nèi)，對既有綜合自動化系統(tǒng)通信管理機(jī)進(jìn)行軟件升級，站內(nèi)新增智能運(yùn)維管理機(jī)。在運(yùn)維管理后臺設(shè)置智能運(yùn)維后臺機(jī)，后臺機(jī)安裝含有裝置履歷管理、綜合診斷管理等模塊的智能運(yùn)維軟件平臺。

智能運(yùn)維軟件平臺配置裝置自診斷信息、回路電氣量信息以及裝置的基本信息的組合關(guān)系和診斷邏輯，生成對應(yīng)裝置的專家經(jīng)驗(yàn)庫。從通信層網(wǎng)絡(luò)獲取間隔層保護(hù)裝置的自檢告警信息、各類回路電氣量信息以及狀態(tài)量信息，與裝置專家?guī)熘械脑\斷邏輯以及歷史樣本做低值對比分析得到成功匹配的分析結(jié)果，提示運(yùn)維人員實(shí)施針對性維護(hù)維修操作。

在既有通信管理機(jī)中增配智能運(yùn)維后臺的通信模塊，將運(yùn)行監(jiān)測信息、設(shè)備狀態(tài)信息和故障動作告警信息等數(shù)據(jù)通過新增的運(yùn)維管理機(jī)中轉(zhuǎn)，發(fā)送給智能運(yùn)維后臺機(jī)。智能運(yùn)維后臺機(jī)通過對綜合運(yùn)維信息進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選分類，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)庫和歷史診斷樣本，在智能運(yùn)維后臺機(jī)的HMI上顯示生成的運(yùn)維分析結(jié)果，提供給運(yùn)維人員針對性的維護(hù)措施。

2.2智能綜合自動化系統(tǒng)智能運(yùn)維的搭建

智能牽引變電站綜合自動化系統(tǒng)采用典型的數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)，集過程層合并單元、智能終端與間隔層一體化設(shè)計。綜合自動化系統(tǒng)增設(shè)一臺運(yùn)維管理機(jī)，接入綜合自動化系統(tǒng)站控層網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)運(yùn)維相關(guān)數(shù)據(jù)的收發(fā)；增設(shè)一臺網(wǎng)絡(luò)分析儀，接入站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與分析。所有數(shù)據(jù)由運(yùn)維管理機(jī)發(fā)送到智能運(yùn)維后臺機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與分析。

3.傳統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)的智能運(yùn)維功能

3.1綜合自動化裝置履歷信息管理

（1）裝置臺賬信息管理。

對設(shè)備信息實(shí)現(xiàn)記錄控制、存檔控制、基線控制分層管理，在運(yùn)維日常工作中，定期對裝置信息進(jìn)行校核。記錄控制用于管理裝置的相關(guān)生產(chǎn)信息，記錄裝置在服役時間內(nèi)發(fā)生的版本更新、歷史故障記錄等信息。存檔控制用于管理裝置的運(yùn)行信息及參數(shù)信息，并進(jìn)行定期檢查，防止誤修改而引起設(shè)備運(yùn)行異常?；€控制用于管理裝置的版本信息，記錄控制及存檔控制的相關(guān)內(nèi)容，同時進(jìn)行試驗(yàn)測試，以驗(yàn)證版本的有效性。

（2）裝置運(yùn)維記錄管理。

運(yùn)維系統(tǒng)獲取變電所裝置的運(yùn)維信息，可以進(jìn)行智能化分析，提供運(yùn)維診斷的結(jié)論和處理措施。

3.2綜合自動化裝置運(yùn)行狀態(tài)診斷

（1）動態(tài)自診斷管理。

對變電所內(nèi)綜合自動化裝置自診斷信息分類匯總，對故障設(shè)備進(jìn)行標(biāo)記，并提出處理措施。

（2）綜合診斷管理。

實(shí)現(xiàn)對全站信息電氣量比較分析，判斷存在的故障。

①比較進(jìn)線保護(hù)裝置采集的電壓互感器電壓與自投裝置采集的進(jìn)線抽壓裝置電壓，判斷兩個電壓采集回路的故障。

②比較變壓器高壓側(cè)保護(hù)裝置采集的保護(hù)電流與測控裝置采集的測量電流，判斷兩個電流采集回路的故障。

③比較中壓進(jìn)線、饋線各間隔采集的中壓母線電壓，判斷各電壓采集回路的故障。

④比較變壓器原邊電流與次邊電流，判斷各電流采集回路故障。

⑤比較中壓進(jìn)線電流與各饋線電流之和，判斷各電流采集回路故障。

⑥比較控制回路采集的斷路器位置信號與測控裝置采集的位置信號，判斷斷路器位置信號故障。

⑦比較斷路器位置信號與測量電流，有電流、斷路器為分位時，判斷位置信號故障。

4.智能綜合自動化系統(tǒng)的智能運(yùn)維功能

4.1智能保護(hù)裝置履歷管理

建立“電子卡片"，實(shí)現(xiàn)對裝置板件的自我身份識別，可查詢、可追溯。實(shí)現(xiàn)板件的精細(xì)化管理，可以對設(shè)備板卡信息進(jìn)行全生命過程跟蹤。記錄設(shè)備板卡更換信息，進(jìn)行統(tǒng)計分析，提供決策所需數(shù)據(jù)依據(jù)。建立設(shè)備履歷管理系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)備臺賬管理，記錄追溯資產(chǎn)事件。可以針對裝置信息實(shí)現(xiàn)記錄控制、存檔控制、基線控制分層管理。

4.2智能變電站運(yùn)維狀態(tài)診斷

（1）運(yùn)行狀態(tài)自診斷。

包括保護(hù)裝置的CPU板件、模擬量插件、開入插件、操作插件、內(nèi)部工作電源監(jiān)視回路、過程層光口的監(jiān)視的自診斷。自動化裝置定時向運(yùn)維終端傳送裝置的日志文件。

運(yùn)維終端通過日志文件對裝置的自檢和動態(tài)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行正確分析。

設(shè)置對板件5V工作電源回路的采樣回路，實(shí)時監(jiān)測工作電壓波動。電壓超出設(shè)置的工作范圍時，裝置發(fā)出告警信號，及時在裝置故障之前進(jìn)行維修檢查。

（2）裝置MTBF與剩余壽命估算。

參考TelcordiaSR-332Issue42016標(biāo)準(zhǔn)，利用元器件計數(shù)可靠性預(yù)計法預(yù)測裝置的MTBF值。設(shè)置裝置箱體內(nèi)部溫度采集回路，根據(jù)箱內(nèi)實(shí)時溫度計算裝置剩余壽命。裝置壽命計算利用內(nèi)部元器件的短板即電解電容的溫度老化特性，結(jié)合實(shí)時測量溫度進(jìn)行計算，計算采用阿列紐斯方程：

（1）式中：L——環(huán)境溫度為T時的使用壽命（h）；L0——峰值溫度時額定壽命（h）；T0——額定峰值使用溫度(℃);T——環(huán)境溫度(℃)。

保護(hù)測控裝置壽命預(yù)測曲線如圖2所示。

圖2保護(hù)測控裝置壽命預(yù)測曲線

4.3虛端子可視化與數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)分析診斷

系統(tǒng)采集過程層交換機(jī)和站控層的管理數(shù)據(jù)，結(jié)合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對虛端子回路實(shí)路徑進(jìn)行在線監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)智能變電站虛端子回路的可視化，符合NB/T42015-2013[2]的相關(guān)規(guī)定。

系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)分析裝置可以實(shí)時記錄各個裝置接入的網(wǎng)絡(luò)報文，分析網(wǎng)絡(luò)報文的錯誤和故障。繼電保護(hù)裝置對接入的過程層的SV和GOOSE相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

5.安科瑞AcrelCloud-1000變電所運(yùn)維云平臺

5.1概述

基于互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)、移動通訊等技術(shù)開發(fā)的云端管理平臺，滿足用戶或運(yùn)維公司監(jiān)測眾多變電所回路運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運(yùn)行溫度、現(xiàn)場設(shè)備或環(huán)境視頻場景等需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一個中心，集中存儲、統(tǒng)一管理，方便使用，支持具有權(quán)限的用戶通過電腦、手機(jī)、PAD等各類終端鏈接訪問、接收報警，并完成有關(guān)設(shè)備日常和定期巡檢和派單等管理工作。

5.2應(yīng)用場所

適用于電信、金融、交通、能源、醫(yī)療衛(wèi)生、文體、教育科研、農(nóng)林水利、商業(yè)服務(wù)、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)的新建、擴(kuò)建和改建。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)可分為四層：即感知層、傳輸層、應(yīng)用層和展示層。

感知層：包含變電所安裝的多功能儀表、溫濕度監(jiān)測裝置、攝像頭、開關(guān)量采集裝置等。除攝像頭外，其它設(shè)備通過RS485總線接入現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)RS485端口。

傳輸層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動采集現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲，并通過交換機(jī)把數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端口，網(wǎng)絡(luò)故障時數(shù)據(jù)可存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。

應(yīng)用層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，若變電所數(shù)量小于30個則應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以合一配置。服務(wù)器需要具備固定IP地址，以接收各智能網(wǎng)關(guān)主動傳送過來的數(shù)據(jù)。

展示層：用戶通過手機(jī)、平板、電腦等多終端的方式訪問平臺信息。

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1用能月報

用能月報支持用戶按總用電量、變電站名稱、變電站編號等查詢所管理站所的用電量，

5.4.2站點(diǎn)監(jiān)測

站點(diǎn)監(jiān)測包括概況、運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)日事件記錄、當(dāng)日逐時用電曲線、用電概況。

5.4.3變壓器狀態(tài)

變壓器狀態(tài)支持用戶查詢所有或某個站所的變壓器功率、負(fù)荷率、等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，支持按負(fù)荷率、功率等升、降序排名。

5.4.4運(yùn)維

運(yùn)維展示當(dāng)前用戶管理的有關(guān)變電所在地圖上位置及總量信息。

5.4.5配電圖

配電圖展示被選中的變電所的配電信息，配電圖顯示各回路的開關(guān)狀態(tài)、電流等運(yùn)行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)查詢。

5.4.6視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

5.4.7電力運(yùn)行報表

電力運(yùn)行報表顯示選定站所選定設(shè)備各回路采集間隔運(yùn)行參數(shù)和電能抄表的實(shí)時值及平均值行統(tǒng)計。

5.4.8報警信息

對平臺所有報警信息進(jìn)行分析。

5.4.9任務(wù)管理

任務(wù)管理頁面可以發(fā)布巡檢或消缺任務(wù)，查看巡檢或消缺任務(wù)的狀態(tài)和完成情況，可以點(diǎn)擊查看任務(wù)查看具體的巡檢信息。

5.4.10用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進(jìn)行統(tǒng)計分析，并列出在該周期內(nèi)巡檢時發(fā)現(xiàn)的各類缺陷及處理情況。

5.4.11APP監(jiān)測

3.12APP支 電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項(xiàng)"、“巡檢記錄"、“缺陷記錄"、“文檔管理"和“用戶報告"七大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢、用戶報告、文檔管理等。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6.結(jié)語

通過研究與開發(fā)，在京滬高鐵現(xiàn)場搭建了綜合自動化系統(tǒng)智能運(yùn)維管理平臺。該平臺通過近半年的掛網(wǎng)試運(yùn)行，初步實(shí)現(xiàn)對綜合自動化系統(tǒng)裝置的故障預(yù)警和壽命預(yù)測，填補(bǔ)高鐵運(yùn)維在該方面的空白。該智能運(yùn)維管理平臺也可以引入城市軌道交通領(lǐng)域，為智慧地鐵的建設(shè)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]Q/GDW11361—2017，智能變電站保護(hù)設(shè)備在線監(jiān)視與診斷裝置技術(shù)規(guī)范[S].

[2]NB/T42015—2013，智能變電站網(wǎng)絡(luò)報文記錄及分析裝置技術(shù)條件[S].

[3]王純偉，閆兆輝，侯日根.高鐵牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)智能運(yùn)維研究.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用設(shè)計,2022,05版.

作者簡介

劉細(xì)鳳，女，現(xiàn)任職安科瑞電氣股份有限公司