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

任運(yùn)業(yè)

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(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)維還處在“計(jì)劃修"“故障修"階段。文章研究傳統(tǒng)以及智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)維技術(shù)，提出針對(duì)性的智能運(yùn)維解決方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的故障智能分析、健康管理和壽命預(yù)測(cè)等功能，可以提高運(yùn)維效率，更好地保障高鐵運(yùn)營(yíng)安全。

關(guān)鍵詞：高鐵；綜合自動(dòng)化；智能運(yùn)維

0.引言

牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是保障高鐵安全運(yùn)營(yíng)的重要設(shè)施，有效的運(yùn)營(yíng)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(duì)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)維護(hù)維修進(jìn)行信息化管理，依然停留在“計(jì)劃修"“故障修"階段，自動(dòng)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(guò)科研立項(xiàng)，針對(duì)傳統(tǒng)和智能牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的智能運(yùn)維進(jìn)行深入研究，現(xiàn)場(chǎng)搭建運(yùn)維管理系統(tǒng)，可以提高綜合自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)維智能化水平，促進(jìn)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)維向“狀態(tài)修"轉(zhuǎn)變。

1.課題研究?jī)?nèi)容

1.1智能運(yùn)維管理平臺(tái)的搭建

研究搭建針對(duì)既有和智能高鐵變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的智能運(yùn)維管理平臺(tái)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(dòng)化系統(tǒng)的智能運(yùn)維功能

針對(duì)既有綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的研究，以不改動(dòng)既有軟硬件、不影響既有線運(yùn)營(yíng)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(tái)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(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)裝置自診斷信息和有邏輯管線的監(jiān)測(cè)信息，通過(guò)深挖數(shù)據(jù)潛力，實(shí)現(xiàn)既有綜合自動(dòng)化系統(tǒng)裝置的運(yùn)行狀態(tài)診斷。

1.3智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的智能運(yùn)維功能

針對(duì)未來(lái)綜合自動(dòng)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(duì)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)測(cè)控裝置進(jìn)行軟、硬件升級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的詳細(xì)自診斷。除了實(shí)現(xiàn)原有功能外，針對(duì)智能綜合自動(dòng)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(duì)裝置內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（2）根據(jù)裝置MTBF時(shí)間與裝置運(yùn)行環(huán)境溫度計(jì)算裝置整體的預(yù)期剩余壽命，設(shè)置報(bào)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(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)智能運(yùn)維系統(tǒng)的搭建

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

為了將對(duì)既有系統(tǒng)的影響降低至可控范圍內(nèi)，對(duì)既有綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信管理機(jī)進(jìn)行軟件升級(jí)，站內(nèi)新增智能運(yùn)維管理機(jī)。在運(yùn)維管理后臺(tái)設(shè)置智能運(yùn)維后臺(tái)機(jī)，后臺(tái)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(tái)。

智能運(yùn)維軟件平臺(tái)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(duì)應(yīng)裝置的專家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)。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(duì)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(duì)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(tái)的通信模塊，將運(yùn)行監(jiān)測(cè)信息、設(shè)備狀態(tài)信息和故障動(dòng)作告警信息等數(shù)據(jù)通過(guò)新增的運(yùn)維管理機(jī)中轉(zhuǎn)，發(fā)送給智能運(yùn)維后臺(tái)機(jī)。智能運(yùn)維后臺(tái)機(jī)通過(guò)對(duì)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(kù)和歷史診斷樣本，在智能運(yùn)維后臺(tái)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(duì)性的維護(hù)措施。

2.2智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)智能運(yùn)維的搭建

智能牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用典型的數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)，集過(guò)程層合并單元、智能終端與間隔層一體化設(shè)計(jì)。綜合自動(dòng)化系統(tǒng)增設(shè)一臺(tái)運(yùn)維管理機(jī)，接入綜合自動(dòng)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(tái)網(wǎng)絡(luò)分析儀，接入站控層網(wǎng)絡(luò)和過(guò)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(tái)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(dòng)化系統(tǒng)的智能運(yùn)維功能

3.1綜合自動(dòng)化裝置履歷信息管理

（1）裝置臺(tái)賬信息管理。

對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)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(dòng)化裝置運(yùn)行狀態(tài)診斷

（1）動(dòng)態(tài)自診斷管理。

對(duì)變電所內(nèi)綜合自動(dòng)化裝置自診斷信息分類匯總，對(duì)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(duì)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(gè)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(cè)控裝置采集的測(cè)量電流，判斷兩個(gè)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(hào)與測(cè)控裝置采集的位置信號(hào)，判斷斷路器位置信號(hào)故障。

⑦比較斷路器位置信號(hào)與測(cè)量電流，有電流、斷路器為分位時(shí)，判斷位置信號(hào)故障。

4.智能綜合自動(dòng)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(duì)裝置板件的自我身份識(shí)別，可查詢、可追溯。實(shí)現(xiàn)板件的精細(xì)化管理，可以對(duì)設(shè)備板卡信息進(jìn)行全生命過(guò)程跟蹤。記錄設(shè)備板卡更換信息，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(tái)賬管理，記錄追溯資產(chǎn)事件?？梢葬槍?duì)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(kāi)入插件、操作插件、內(nèi)部工作電源監(jiān)視回路、過(guò)程層光口的監(jiān)視的自診斷。自動(dòng)化裝置定時(shí)向運(yùn)維終端傳送裝置的日志文件。

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

設(shè)置對(duì)板件5V工作電源回路的采樣回路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作電壓波動(dòng)。電壓超出設(shè)置的工作范圍時(shí)，裝置發(fā)出告警信號(hào)，及時(shí)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(jì)數(shù)可靠性預(yù)計(jì)法預(yù)測(cè)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(shí)溫度計(jì)算裝置剩余壽命。裝置壽命計(jì)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(shí)測(cè)量溫度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算采用阿列紐斯方程：

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

保護(hù)測(cè)控裝置壽命預(yù)測(cè)曲線如圖2所示。

圖2保護(hù)測(cè)控裝置壽命預(yù)測(cè)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(guò)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(duì)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(guò)網(wǎng)絡(luò)分析裝置可以實(shí)時(shí)記錄各個(gè)裝置接入的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，分析網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的錯(cuò)誤和故障。繼電保護(hù)裝置對(duì)接入的過(guò)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(tái)

5.1概述

基于互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通訊等技術(shù)開(kāi)發(fā)的云端管理平臺(tái)，滿足用戶或運(yùn)維公司監(jiān)測(cè)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(chǎng)設(shè)備或環(huán)境視頻場(chǎng)景等需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一個(gè)中心，集中存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理，方便使用，支持具有權(quán)限的用戶通過(guò)電腦、手機(jī)、PAD等各類終端鏈接訪問(wèn)、接收?qǐng)?bào)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(chǎng)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(cè)裝置、攝像頭、開(kāi)關(guān)量采集裝置等。除攝像頭外，其它設(shè)備通過(guò)RS485總線接入現(xiàn)場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)RS485端口。

傳輸層：包含現(xiàn)場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)，并通過(guò)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(shí)數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)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(kù)服務(wù)器，若變電所數(shù)量小于30個(gè)則應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。

展示層：用戶通過(guò)手機(jī)、平板、電腦等多終端的方式訪問(wèn)平臺(tái)信息。

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1用能月報(bào)

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

5.4.2站點(diǎn)監(jiān)測(cè)

站點(diǎn)監(jiān)測(cè)包括概況、運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)日事件記錄、當(dāng)日逐時(shí)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(gè)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(kāi)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(shí)畫面（視頻直播），選中某一個(gè)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(bào)表

電力運(yùn)行報(bào)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(shí)值及平均值行統(tǒng)計(jì)。

5.4.8報(bào)警信息

對(duì)平臺(tái)所有報(bào)警信息進(jìn)行分析。

5.4.9任務(wù)管理

任務(wù)管理頁(yè)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(bào)告

用戶報(bào)告頁(yè)面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并列出在該周期內(nèi)巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)的各類缺陷及處理情況。

5.4.11APP監(jiān)測(cè)

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(bào)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(bào)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(bào)告、文檔管理等。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究與開(kāi)發(fā)，在京滬高鐵現(xiàn)場(chǎng)搭建了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)智能運(yùn)維管理平臺(tái)。該平臺(tái)通過(guò)近半年的掛網(wǎng)試運(yùn)行，初步實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)裝置的故障預(yù)警和壽命預(yù)測(cè)，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(tái)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)

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作者簡(jiǎn)介

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職安科瑞電氣股份有限公司。