淺談電力智能運維系統(tǒng)在高速鐵路的應用
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安科瑞蘇巖
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：高速鐵路電力智能運維管理系統(tǒng)采用終端感知層、系統(tǒng)網絡層、系統(tǒng)平臺層的三層網絡架構模式，通過集成網關，共享通信傳輸設備，利用鐵路專用運維傳輸網絡通道將各類監(jiān)測數據上傳至運維管理平臺數據進行實時分析，建立了統(tǒng)一的智能運維建設標準、一體化共享的運維管理平臺，實現(xiàn)了鐵路全線電力在線監(jiān)測、智能化預報警及故障的智能化判斷定位，大大提高了鐵路電力設施的運行維護管理效率，充分保障了供電的可靠性。
關鍵詞：高速鐵路；鐵路電力；狀態(tài)在線監(jiān)測；智能運維管理
1、引言
隨著鐵路建設的高速發(fā)展和運維工作量的增加，運維管理的重要性日益凸顯，傳統(tǒng)的鐵路電力運維管理模式已難以滿足智能的運行維護管理需求[1]。
在科技發(fā)展的背景下，越來越多的智能化監(jiān)測技術已在鐵路電力系統(tǒng)中實現(xiàn)了應用，但由于缺少統(tǒng)一的信息化建設標準、一體化共享的信息平臺，存在許多智能化的監(jiān)測設備重復配置、標準不統(tǒng)一且不能數據共享，各智能監(jiān)測子系統(tǒng)相互孤立形成信息孤島等問題，進而造成鐵路運維服務的數據綜合應用難以展開[2]。
針對上述問題，本文提出了一種適用于高速鐵路的電力智能運維管理系統(tǒng)，通過統(tǒng)一的運維數據傳輸網絡，充分利用共享數據交互設計以及鐵路互聯(lián)網地址資源，實現(xiàn)各類運維系統(tǒng)數據傳輸。系統(tǒng)深度集成各運維監(jiān)測功能，通過模塊化方式，實現(xiàn)運維平臺系統(tǒng)無縫銜接，使系統(tǒng)具備良好的擴展性和可維護性。
2、系統(tǒng)構成
系統(tǒng)由智能運維管理主站、通信傳輸網絡、數據采集及通信管理終端三部分組成，即終端感知層、系統(tǒng)網絡層、系統(tǒng)平臺層的三層網絡架構模式，如圖１所示。
系統(tǒng)通過終端感知層內的各個監(jiān)測子系統(tǒng)來采集數據，通過數據交換機或路由器將所采集到的數據上傳給系統(tǒng)網絡層，系統(tǒng)網絡層對各類數據進行統(tǒng)一管理，并通過鐵路通信專用光纖維護通道或共用移動通信網絡通信接口接入系統(tǒng)平臺層。
2.1智能運維管理主站
電力智能運維管理系統(tǒng)主站按照運營單位要求一般集中設置于供電段內，主要包括兩套并行運行的監(jiān)控調度工作站，用于管理和調度整個系統(tǒng)運行；為數據庫系統(tǒng)的高性能運行提供硬件支持和保障的數據庫服務器；具有多個通信輸入/輸出端口的信息集成網關，作為在線監(jiān)測系統(tǒng)和主站平臺之間的數據和命令交換；用于接收衛(wèi)星對時的GPS時鐘；為計算機系統(tǒng)供電的UPS電源，以及打印機、調度臺等設備和系統(tǒng)服務軟件，系統(tǒng)具備可擴展功能[3]。
圖1 高速鐵路電力智能運維管理系統(tǒng)構成圖
作為系統(tǒng)平臺層，運維管理主站可實現(xiàn)各在線監(jiān)測子系統(tǒng)的信息統(tǒng)一接入，并集成優(yōu)化和信息共享，實現(xiàn)數據采集、數據庫管理、運行監(jiān)視、告警、報表、系統(tǒng)維護管理等功能[4]。
2.2通信傳輸網絡
近年來，隨著鐵路通信網絡建設的逐步加強，為鐵路電力智能運維管理系統(tǒng)的發(fā)展提供了便利，系統(tǒng)通過專用的鐵路運維傳輸網絡通道，將各類子系統(tǒng)終端的監(jiān)測數據傳送至運維管理平臺數據進行實時分析處理，與采用GPRS等移動通信網絡接入的方式相比，受環(huán)境影響更小，且更能保證網絡。
本系統(tǒng)的電力維護通道按照《鐵路供電調度系統(tǒng)通信組網技術方案指導意見》（運電通信函（2012）428號）設置，如圖2所示。系統(tǒng)設置１條通信通道，維護通道一個2Mb/s電路掛接終端站的數量不大于10個，維護通道利用傳輸系統(tǒng)接入層以太網通道，經車站（或通信站）的傳輸設備與數據網設備互連，在運行維護管理主站設置10M數字通道。
圖2 維護通道示意圖
就地設置的通信管理單元設備與通信傳輸網絡設備間的連接可采用以下方案：對于10kV配電所、通信信號變電所等設有通信機械室的房屋，終端設備與通信傳輸設備間為室內布線且布線距離小于100ｍ，采用FE（e）電接口連接；對于區(qū)間箱變終端設備與通信傳輸設備間為室外布線或室內布線距大于100ｍ，采用工作在1310nm窗口的單模光纖以FE（o）光接口連接。
2.3數據采集及通信管理終端
數據采集及通信管理終端主要由設置于鐵路變配電所、箱式變電站等電力設施處的各類在線監(jiān)測子系統(tǒng)的電氣監(jiān)測模塊以及統(tǒng)一的通信管理單元組成。
各個分散的電氣監(jiān)測模塊的測量單元部署在開關柜等設備處，采集進出線開關的各種電氣運行參數，并通過RS485總線接入到通信管理單元，利用通信處理設備，通過專用的電力運維管理通道將數據傳入主站進行統(tǒng)一監(jiān)測。
2.3.1子系統(tǒng)功能
鐵路電力變配電設備主要包括10kV高壓開關柜、高壓環(huán)網柜、變壓器、低壓柜、配電箱和控制箱等，在沿線各車站及區(qū)間設置。特別是為區(qū)間通信基站、直放站，信號中繼站等負荷供電的箱變一般按照每3Km一處設置于區(qū)間路基外側、高架橋下或隧道洞室內，具有點多線長，交通不便，運行環(huán)境惡劣，巡視檢查須天窗點進行等特點，給設備的巡視檢查造成了很大難度。
綜上所述，通過設置在線監(jiān)測子系統(tǒng)，應能實時掌握高鐵電力供電系統(tǒng)運行中影響電氣設備運行的主要和重要的核心關鍵設備和部位的運行狀態(tài)，提高狀態(tài)監(jiān)測的自動化水平，以適應無人值班及需要天窗點巡視的電力供電系統(tǒng)設備管理運營維護要求。高速鐵路電力智能運維管理系統(tǒng)可包含以下子系統(tǒng)功能，并具備接入擴展其他系統(tǒng)的功能：
（1）貫通電纜線路在線故障定位系統(tǒng)
高速鐵10kV綜合負荷貫通線和負荷貫通線均采用全電纜線路，在運行過程中出現(xiàn)的電纜故障會嚴重影響電力供電的可靠性，影響鐵路的正常運行。目前故障點的查找一般采用發(fā)生故障后斷電隔離故障區(qū)段后利用天窗點進行，故障查找和檢修難度較大。貫通電纜線路在線故障定位系統(tǒng)在10kV配電所、車站通信信號變電所、區(qū)間箱變或變電所等處設置故障定位裝置，從電壓互感器和電流互感器的二次側采集電壓和電流信號，對基波和行波電流、基波和行波電壓等信號實時監(jiān)測，通過行波理論、雙端行波定位理論與小波變換原理，采用高精度GPS/BDS多源時鐘授時系統(tǒng)，實現(xiàn)貫通電纜線路故障的實時定位，大大減小查找電纜故障點的工作量，縮短檢修搶修時間，從而提高速鐵路電力供電的可靠性[5]。
(2)電纜頭在線光纖測溫系統(tǒng)
電纜頭的溫度的變化直接反映電纜的運行狀態(tài)，電纜頭溫度過高后應及時處理，避免電纜事故的擴大甚至燒毀電纜。目前常規(guī)的溫度檢測均需要檢測人員到設備現(xiàn)場進行，且電纜頭可視，已不能適應智能運維管理要求[6]。電纜頭在線光纖測溫系統(tǒng)由傳感器和處理器兩部分構成，在電纜接頭處設置熒光光纖溫度傳感器，并由處理器發(fā)出光源，基于熒光測溫原理，通過測試光發(fā)射余輝衰減的時間，將其轉換為可測的光信號。處理器接收到傳感器發(fā)出的光信號后，將其轉換為溫度信號，其數據可通過現(xiàn)場通信裝置傳輸至智能在線監(jiān)測運維管理系統(tǒng)主站。系統(tǒng)可在線、實時地準確測量電纜接頭的接點溫度。做到對電纜頭溫度的實時監(jiān)測，進行溫度異常時的報警[6]。
(3)電力成套開關設備局部放電監(jiān)測系統(tǒng)
局部放電是絕緣損壞的重要標征，是局部過熱，電器元件和機械元件老化的預兆，并造成高壓電氣設備發(fā)生絕緣擊穿。通過在高壓開關柜等設備中設置局部放電智能監(jiān)測裝置，能監(jiān)測到主絕緣材料故障、絕緣材料表面及空氣介質故障所激發(fā)的超聲波信號；接觸不良或過載引起的溫度過高；絕緣材料污穢引起的表面爬電、閃絡等。可對開關柜由于絕緣缺陷和老化造成絕緣內部氣隙形成的氣隙放電，以及內部的金屬毛刺、懸浮顆粒，絕緣子表面臟污，接觸不良等缺陷進行預警。
(4)變配電所接地電阻監(jiān)測系統(tǒng)
變配電所的設備保護接地、防雷接地等共用接地系統(tǒng)，與運行密切相關。系統(tǒng)采用接地電阻在線監(jiān)測儀作為核心監(jiān)測設備，內置傳感器與電路板，金屬殼屏蔽設計，適用于戶外環(huán)境的使用，監(jiān)測多個關鍵接地點的接地電阻值，并通過通信傳輸數據實現(xiàn)遠程在線監(jiān)測，系統(tǒng)軟件能描述接地電阻的變化趨勢、周期，并可以設定相關的閾值給予警示，在線監(jiān)測接地引下線的連接狀況、回路接地電阻、金屬回路聯(lián)結電阻。確保接地系統(tǒng)良好運行。
(5)箱變弧光保護監(jiān)測系統(tǒng)
開關柜由于電路元器件損壞、絕緣破壞、過電壓、意外短路等原因產生弧光短路故障會對人身和設備造成大的損害。由于鐵路箱變內各類電氣設備布置比較緊湊，很容易發(fā)生電弧光事故，且大多設置于區(qū)間，巡視檢查不便，因此可通過配置弧光保護系統(tǒng)，將弧光傳感器安裝在柜內各間隔中，當弧光故障時，采集檢測突然增加的電弧紫外光，并通過光纖傳輸光信號至主控單元，當檢測到電弧光時及時跳閘。
2.3.2通信管理單元
高速鐵路電力智能運維管理系統(tǒng)由于現(xiàn)場采集終端設備數據接口的不同，通信管理單元需要具備自適應工業(yè)以太網接口和RS485串口，根據運維子系統(tǒng)的數量進行配置以太網接口和串口的數量，滿足系統(tǒng)需要。
3、系統(tǒng)設計方案
系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)應用服務和數據服務軟件，提供了包括基礎信息管理服務、數據采集和存儲服務、運行、運行分析服務、數據分析服務等多種功能模塊[8]。
系統(tǒng)軟件系統(tǒng)遵循分層式和模塊化結構，主要由表示層、業(yè)務層及數據層等多層次模型構成，各層遵循標準數據接口和交換方式，使得系統(tǒng)構架符合通用性和可擴展性原則。系統(tǒng)的數據層和業(yè)務層部署在運維平臺服務器上，表示層則通過WEB客戶端、移動APP和SNS（微信）等多種訪問接口和客戶端應用界面實現(xiàn)，系統(tǒng)軟件平臺架構詳如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)軟件平臺架構圖
4、AcrelCloud-1000變電所運維云平臺方案綜述
4.1概述
AcrelCloud-1000變電所運維云平臺基于互聯(lián)網＋、大數據、移動通訊等技術開發(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、室內環(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)數據集中，集中存儲、統(tǒng)一管理，方便使用，支持具有權限的用戶通過電腦、手機、PAD等各類終端鏈接訪問、接收報警，并完成有關設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。
4.2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、系統(tǒng)功能
5.1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，查詢跨度可設置為月。
5.2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。
5.3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、負荷率、等運行狀態(tài)數據，支持按負荷率、功率等升、降序排名。
5.4運維
運維展示當前用戶管理的有關變電所在地圖上位置及總量信息。
5.5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查詢。
5.6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，即可查看該變配站內視頻信息。
5.7電力運行報表
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和電能抄表的實時值及平均值行統(tǒng)計。
5.8報警信息
對平臺所有報警信息進行分析。
5.9任務管理
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。
5.10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行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統(tǒng)計分析，并列出在該周期內巡檢時發(fā)現(xiàn)的各類缺陷及處理情況。
5.11 APP監(jiān)測
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。
6.系統(tǒng)硬件配置
7、結語
近年來，隨著智能化鐵路建設理念的提出，鐵路電力供電系統(tǒng)現(xiàn)場無人化管理的模式是必然的發(fā)展方向，鐵路運營管理單位對于通過智能化運維監(jiān)測技術和分析判斷解決電力系統(tǒng)運行過程中的各類故障，以便實時的處理故障并及時恢復電力供電，保證鐵路運行的需求也日益迫切。
在此背景下，本文所介紹的高速鐵路電力智能運維管理系統(tǒng)提出了鐵路電力系統(tǒng)智能運維管理系統(tǒng)的理念，將各子系統(tǒng)之間的數據通道共享，打破了傳統(tǒng)各自獨立的信息傳輸方式，通過深度集成融合的平臺主站形成了系統(tǒng)化、標準化的運維管理體系模式。系統(tǒng)通過集成網關、共享通信傳輸設備，利用鐵路運維傳輸網絡通道的方式將各類監(jiān)測數據送至運維管理平臺數據進行實時分析，實現(xiàn)鐵路全線電力在線監(jiān)測、智能化預報警及故障的智能化判斷定位，使電力設施建立全生命周期管理體系，為電力調度和運行檢修管理提供強有力的輔助決策依據。隨著鐵路建設標準體系的完善和技術的不斷發(fā)展，必將具有更加廣闊的應用和發(fā)展前景，實現(xiàn)網絡化大數據環(huán)境下的鐵路電力智能運維管理，將鐵路電力供電系統(tǒng)運維管理提升到一個智能化的新水平。
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