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自動化智能運維系統(tǒng)在高鐵牽引變電所的研究與應用
任運業(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化系統(tǒng)運維還處在“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)的運維技術(shù)，提出針對性的智能運維解決方案，實現(xiàn)對綜合自動化系統(tǒng)的故障智能分析、健康管理和壽命預測等功能，可以提高運維效率，更好地保障高鐵運營安全。
關(guān)鍵詞：高鐵；綜合自動化；智能運維
0.引言
牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)是保障高鐵安全運營的重要設施，有效的運營維護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)維護維修進行信息化管理，依然停留在“計劃修"“故障修"階段，自動化程度較低，維護顆粒度較粗。電力系統(tǒng)研究智能變電站的運維，制定《智能變電站保護設備在線監(jiān)視與診斷裝置技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW11361—2017）[1]標準。文章通過科研立項，針對傳統(tǒng)和智能牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)的智能運維進行深入研究，現(xiàn)場搭建運維管理系統(tǒng)，可以提高綜合自動化系統(tǒng)運維智能化水平，促進綜合自動化系統(tǒng)運維向“狀態(tài)修"轉(zhuǎn)變。
1.課題研究內(nèi)容
1.1智能運維管理平臺的搭建
研究搭建針對既有和智能高鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)的智能運維管理平臺的系統(tǒng)構(gòu)成方案，作為實現(xiàn)智能運維功能的硬件基礎(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現(xiàn)功能。
（1）實現(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，實現(xiàn)既有綜合自動化系統(tǒng)裝置的運行狀態(tài)診斷。
1.3智能綜合自動化系統(tǒng)的智能運維功能
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)保護測控裝置進行軟、硬件升級，實現(xiàn)對裝置的詳細自診斷。除了實現(xiàn)原有功能外，針對智能綜合自動化系統(tǒng)的特點增加功能。
（1）增加裝置箱內(nèi)溫度采集回路，實現(xiàn)對裝置內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測。
（2）根據(jù)裝置MTBF時間與裝置運行環(huán)境溫度計算裝置整體的預期剩余壽命，設置報警限值進行預警。
（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)絡數(shù)據(jù)監(jiān)控與診斷。
2.智能運維系統(tǒng)的搭建
2.1傳統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)智能運維系統(tǒng)的搭建
傳統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)智能運維實施方案如圖1所示。
圖1傳統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)智能運維實施方案
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)通信管理機進行軟件升級，站內(nèi)新增智能運維管理機。在運維管理后臺設置智能運維后臺機，后臺機安裝含有裝置履歷管理、綜合診斷管理等模塊的智能運維軟件平臺。
智能運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，生成對應裝置的專家經(jīng)驗庫。從通信層網(wǎng)絡獲取間隔層保護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，提示運維人員實施針對性維護維修操作。
在既有通信管理機中增配智能運維后臺的通信模塊，將運行監(jiān)測信息、設備狀態(tài)信息和故障動作告警信息等數(shù)據(jù)通過新增的運維管理機中轉(zhuǎn)，發(fā)送給智能運維后臺機。智能運維后臺機通過對綜合運維信息進行數(shù)據(jù)篩選分類，結(jié)合專家經(jīng)驗庫和歷史診斷樣本，在智能運維后臺機的HMI上顯示生成的運維分析結(jié)果，提供給運維人員針對性的維護措施。
2.2智能綜合自動化系統(tǒng)智能運維的搭建
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計。綜合自動化系統(tǒng)增設一臺運維管理機，接入綜合自動化系統(tǒng)站控層網(wǎng)絡，負責運維相關(guān)數(shù)據(jù)的收發(fā)；增設一臺網(wǎng)絡分析儀，接入站控層網(wǎng)絡和過程層網(wǎng)絡，負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集與分析。所有數(shù)據(jù)由運維管理機發(fā)送到智能運維后臺機，實現(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。
對設備信息實現(xiàn)記錄控制、存檔控制、基線控制分層管理，在運維日常工作中，定期對裝置信息進行校核。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行信息及參數(shù)信息，并進行定期檢查，防止誤修改而引起設備運行異常。基線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，同時進行試驗測試，以驗證版本的有效性。
（2）裝置運維記錄管理。
運維系統(tǒng)獲取變電所裝置的運維信息，可以進行智能化分析，提供運維診斷的結(jié)論和處理措施。
3.2綜合自動化裝置運行狀態(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，對故障設備進行標記，并提出處理措施。
（2）綜合診斷管理。
實現(xiàn)對全站信息電氣量比較分析，判斷存在的故障。
①比較進線保護裝置采集的電壓互感器電壓與自投裝置采集的進線抽壓裝置電壓，判斷兩個電壓采集回路的故障。
②比較變壓器高壓側(cè)保護裝置采集的保護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)的智能運維功能
4.1智能保護裝置履歷管理
建立“電子卡片"，實現(xiàn)對裝置板件的自我身份識別，可查詢、可追溯。實現(xiàn)板件的精細化管理，可以對設備板卡信息進行全生命過程跟蹤。記錄設備板卡更換信息，進行統(tǒng)計分析，提供決策所需數(shù)據(jù)依據(jù)。建立設備履歷管理系統(tǒng)，進行設備臺賬管理，記錄追溯資產(chǎn)事件?？梢葬槍ρb置信息實現(xiàn)記錄控制、存檔控制、基線控制分層管理。
4.2智能變電站運維狀態(tài)診斷
（1）運行狀態(tài)自診斷。
包括保護裝置的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維終端傳送裝置的日志文件。
運維終端通過日志文件對裝置的自檢和動態(tài)運行狀態(tài)進行正確分析。
設置對板件5V工作電源回路的采樣回路，實時監(jiān)測工作電壓波動。電壓超出設置的工作范圍時，裝置發(fā)出告警信號，及時在裝置故障之前進行維修檢查。
（2）裝置MTBF與剩余壽命估算。
參考TelcordiaSR-332Issue42016標準，利用元器件計數(shù)可靠性預計法預測裝置的MTBF值。設置裝置箱體內(nèi)部溫度采集回路，根據(jù)箱內(nèi)實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)合實時測量溫度進行計算，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(℃)。
保護測控裝置壽命預測曲線如圖2所示。
圖2保護測控裝置壽命預測曲線
4.3虛端子可視化與數(shù)字化網(wǎng)絡分析診斷
系統(tǒng)采集過程層交換機和站控層的管理數(shù)據(jù)，結(jié)合業(yè)務數(shù)據(jù)對虛端子回路實路徑進行在線監(jiān)視，實現(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)絡分析裝置可以實時記錄各個裝置接入的網(wǎng)絡報文，分析網(wǎng)絡報文的錯誤和故障。繼電保護裝置對接入的過程層的SV和GOOSE相關(guān)數(shù)據(jù)進行檢驗。
5.安科瑞AcrelCloud-1000變電所運維云平臺
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，滿足用戶或運維公司監(jiān)測眾多變電所回路運行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現(xiàn)場設備或環(huán)境視頻場景等需求，實現(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、PAD等各類終端鏈接訪問、接收報警，并完成有關(guān)設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。
5.2應用場所
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、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運行維護系統(tǒng)的新建、擴建和改建。
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)和交換機等設備。智能網(wǎng)關(guān)主動采集現(xiàn)場設備層設備的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲，并通過交換機把數(shù)據(jù)上傳至服務器端口，網(wǎng)絡故障時數(shù)據(jù)可存儲在本地，待網(wǎng)絡恢復時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務器端數(shù)據(jù)不丟失。
應用層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器，若變電所數(shù)量小于30個則應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器可以合一配置。服務器需要具備固定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、平板、電腦等多終端的方式訪問平臺信息。
5.4系統(tǒng)功能
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站點監(jiān)測
站點監(jiān)測包括概況、運行狀態(tài)、當日事件記錄、當日逐時用電曲線、用電概況。
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、負荷率、等運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，支持按負荷率、功率等升、降序排名。
運維展示當前用戶管理的有關(guān)變電所在地圖上位置及總量信息。
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)、電流等運行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細運行參數(shù)查詢。
5.4.6視頻監(jiān)控
視頻監(jiān)控展示了當前實時畫面（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。
電力運行報表顯示選定站所選定設備各回路采集間隔運行參數(shù)和電能抄表的實時值及平均值行統(tǒng)計。
對平臺所有報警信息進行分析。
任務管理頁面可以發(fā)布巡檢或消缺任務，查看巡檢或消缺任務的狀態(tài)和完成情況，可以點擊查看任務查看具體的巡檢信息。
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行數(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(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 電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設備檔案"、“待辦事項"、“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
應用場合 | 型號 | 外觀圖 | 型號、規(guī)格 |
變電所運維云平臺 | AcrelCloud-1000 |
| AcrelCloud-1000變電所運維云平臺基于互聯(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，滿足用戶或運維公司監(jiān)測眾多變電所回路運行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現(xiàn)場設備或環(huán)境視頻場景等需求，實現(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、PAD等各類終端鏈接訪問、接收報警，并完成有關(guān)設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。 |
網(wǎng)關(guān) | ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴展模塊，485擴展模塊。 |
擴展模塊ANet-485 | M485模塊：4路光耦隔離RS485 | ||
擴展模塊ANet-M4G | M4G模塊：支持4G全網(wǎng)通 | ||
中壓進線 | AM6-L |
| 三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護、斷路器失靈保護 |
APM810 |
| 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In；四象限電能；實時及需量；電流、電壓不平衡度；負載電流柱狀圖顯示；66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄；2-63次諧波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD顯示； | |
中壓進線 | APView500 |
| 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓／電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動／閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內(nèi)存32G,16D0+22D1,通訊 2RS485+1RS232+1GPS,3以太網(wǎng)接口（＋1維護網(wǎng)口）＋1USB接口，支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議。 |
中壓饋線 | AM6-L |
| 三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護、斷路器失靈保護 |
APM810 |
| 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In；四象限電能；實時及需量；電流、電壓不平衡度；負載電流柱狀圖顯示；66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄；2-63次諧波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD顯示； | |
低壓進線 | AEM96 |
| 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規(guī)格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級；工作溫度：-10℃～+55℃；相對濕度：≤95不結(jié)露 |
低壓出線 | AEM72 |
| 三相電參量U、1、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、低壓出線分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規(guī)格3x1.5(6)A,有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 |
ADW300 |
| 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，有功電能計量（正、反向）、四象限無功電能、總諧波含量、分次諧波含量（2～31次）；A、B、C、N四路測溫；1路剩余電流測量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD顯示；有功電能精度：0.5S級 | |
無線測溫 | ATE-400 |
| 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A,測溫范圍－50-125℃,測量精度±1℃;傳輸距離空曠150米 |
ATC-600 |
| 兩種工作模式：終端、中繼。ATC600-Z做中繼透傳，ATC600-Z到ATC600-C的傳輸距離空曠1000m,ATC600-C可接收ATE系列傳感器、 AHE等傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，1路485,2路報警出口。 | |
環(huán)境溫濕度 | WHD |
| WHD溫濕度控制器產(chǎn)品主要用于中高壓開關(guān)柜、端子箱、環(huán)網(wǎng)柜、箱變等設備內(nèi)部溫度和濕度調(diào)節(jié)控制。工作電源：AC/DC85～265V工作溫度：-40.0℃～99.9℃工作濕度：0RH～99RH |
水浸傳感器 | RS-SJ-*-2 |
| 接觸式水浸傳感器，監(jiān)測變電所、電纜溝、控制室等場所積水情況，工作電源：DC10-30V工作溫度：－20℃+60℃工作濕度：0%RH~80%RH響應時間：1s繼電器輸出：常開觸點。 |
攝像機 | CS-C5C-3B1WFR |
| 支持720P高清圖像，*高支持分辨率可達到130萬像素（1280*960)內(nèi)置麥克風與揚聲器具有語音雙向?qū)χv功能，支持螢石云互聯(lián)網(wǎng)服務，通過手機、PC等終端實現(xiàn)遠程互動和視頻觀看。 |
煙霧傳感器 | BRJ-307 |
| 光電式煙霧傳感：電源正極（DC12V):+12V 繼電器輸出：常開觸點 |
門禁 | MC-58(常開型） |
| 常開型；感應距離：30-50mm材質(zhì)：鋅合金，銀灰色電度，干接點輸出。 |
配套附件 | ARTU-K16 |
| 常開型；感應距離：30-50mm材質(zhì)：鋅合金，銀灰色電度干接點輸出 |
KDYA-DG30-24K |
| 輸出DC24V;24V電源 |
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)智能運維管理平臺。該平臺通過近半年的掛網(wǎng)試運行，初步實現(xiàn)對綜合自動化系統(tǒng)裝置的故障預警和壽命預測，填補高鐵運維在該方面的空白。該智能運維管理平臺也可以引入城市軌道交通領(lǐng)域，為智慧地鐵的建設提供參考。
參考文獻
[1]Q/GDW11361—2017，智能變電站保護設備在線監(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)智能運維研究.
[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用設計,2022,05版.
作者簡介
任運業(yè)，男，現(xiàn)任職安科瑞電氣股份有限公司。
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