淺談電力智能運(yùn)維系統(tǒng)在高速鐵路的應(yīng)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(yùn)維管理系統(tǒng)采用終端感知層、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)平臺(tái)層的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，通過(guò)集成網(wǎng)關(guān)，共享通信傳輸設(shè)備，利用鐵路專用運(yùn)維傳輸網(wǎng)絡(luò)通道將各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至運(yùn)維管理平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，建立了統(tǒng)一的智能運(yùn)維建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、一體化共享的運(yùn)維管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了鐵路全線電力在線監(jiān)測(cè)、智能化預(yù)報(bào)警及故障的智能化判斷定位，大大提高了鐵路電力設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)管理效率，充分保障了供電的可靠性。
關(guān)鍵詞：高速鐵路；鐵路電力；狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)；智能運(yùn)維管理
1、引言
隨著鐵路建設(shè)的高速發(fā)展和運(yùn)維工作量的增加，運(yùn)維管理的重要性日益凸顯，傳統(tǒng)的鐵路電力運(yùn)維管理模式已難以滿足智能的運(yùn)行維護(hù)管理需求[1]。
在科技發(fā)展的背景下，越來(lái)越多的智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)已在鐵路電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，但由于缺少統(tǒng)一的信息化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、一體化共享的信息平臺(tái)，存在許多智能化的監(jiān)測(cè)設(shè)備重復(fù)配置、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一且不能數(shù)據(jù)共享，各智能監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)相互孤立形成信息孤島等問(wèn)題，進(jìn)而造成鐵路運(yùn)維服務(wù)的數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用難以展開[2]。
針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種適用于高速鐵路的電力智能運(yùn)維管理系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)一的運(yùn)維數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，充分利用共享數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)以及鐵路互聯(lián)網(wǎng)地址資源，實(shí)現(xiàn)各類運(yùn)維系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)深度集成各運(yùn)維監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)模塊化方式，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維平臺(tái)系統(tǒng)無(wú)縫銜接，使系統(tǒng)具備良好的擴(kuò)展性和可維護(hù)性。
2、系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)由智能運(yùn)維管理主站、通信傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集及通信管理終端三部分組成，即終端感知層、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)平臺(tái)層的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，如圖１所示。
系統(tǒng)通過(guò)終端感知層內(nèi)的各個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)來(lái)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)交換機(jī)或路由器將所采集到的數(shù)據(jù)上傳給系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并通過(guò)鐵路通信專用光纖維護(hù)通道或共用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)通信接口接入系統(tǒng)平臺(tái)層。
2.1智能運(yùn)維管理主站
電力智能運(yùn)維管理系統(tǒng)主站按照運(yùn)營(yíng)單位要求一般集中設(shè)置于供電段內(nèi)，主要包括兩套并行運(yùn)行的監(jiān)控調(diào)度工作站，用于管理和調(diào)度整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行；為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的高性能運(yùn)行提供硬件支持和保障的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器；具有多個(gè)通信輸入/輸出端口的信息集成網(wǎng)關(guān)，作為在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和主站平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)和命令交換；用于接收衛(wèi)星對(duì)時(shí)的GPS時(shí)鐘；為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)供電的UPS電源，以及打印機(jī)、調(diào)度臺(tái)等設(shè)備和系統(tǒng)服務(wù)軟件，系統(tǒng)具備可擴(kuò)展功能[3]。
圖1 高速鐵路電力智能運(yùn)維管理系統(tǒng)構(gòu)成圖
作為系統(tǒng)平臺(tái)層，運(yùn)維管理主站可實(shí)現(xiàn)各在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的信息統(tǒng)一接入，并集成優(yōu)化和信息共享，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、運(yùn)行監(jiān)視、告警、報(bào)表、系統(tǒng)維護(hù)管理等功能[4]。
2.2通信傳輸網(wǎng)絡(luò)
近年來(lái)，隨著鐵路通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的逐步加強(qiáng)，為鐵路電力智能運(yùn)維管理系統(tǒng)的發(fā)展提供了便利，系統(tǒng)通過(guò)專用的鐵路運(yùn)維傳輸網(wǎng)絡(luò)通道，將各類子系統(tǒng)終端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至運(yùn)維管理平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，與采用GPRS等移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)接入的方式相比，受環(huán)境影響更小，且更能保證網(wǎng)絡(luò)。
本系統(tǒng)的電力維護(hù)通道按照《鐵路供電調(diào)度系統(tǒng)通信組網(wǎng)技術(shù)方案指導(dǎo)意見》（運(yùn)電通信函（2012）428號(hào)）設(shè)置，如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)置１條通信通道，維護(hù)通道一個(gè)2Mb/s電路掛接終端站的數(shù)量不大于10個(gè)，維護(hù)通道利用傳輸系統(tǒng)接入層以太網(wǎng)通道，經(jīng)車站（或通信站）的傳輸設(shè)備與數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備互連，在運(yùn)行維護(hù)管理主站設(shè)置10M數(shù)字通道。
圖2 維護(hù)通道示意圖
就地設(shè)置的通信管理單元設(shè)備與通信傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的連接可采用以下方案：對(duì)于10kV配電所、通信信號(hào)變電所等設(shè)有通信機(jī)械室的房屋，終端設(shè)備與通信傳輸設(shè)備間為室內(nèi)布線且布線距離小于100ｍ，采用FE（e）電接口連接；對(duì)于區(qū)間箱變終端設(shè)備與通信傳輸設(shè)備間為室外布線或室內(nèi)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(shù)據(jù)采集及通信管理終端
數(shù)據(jù)采集及通信管理終端主要由設(shè)置于鐵路變配電所、箱式變電站等電力設(shè)施處的各類在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的電氣監(jiān)測(cè)模塊以及統(tǒng)一的通信管理單元組成。
各個(gè)分散的電氣監(jiān)測(cè)模塊的測(cè)量單元部署在開關(guān)柜等設(shè)備處，采集進(jìn)出線開關(guān)的各種電氣運(yùn)行參數(shù)，并通過(guò)RS485總線接入到通信管理單元，利用通信處理設(shè)備，通過(guò)專用的電力運(yùn)維管理通道將數(shù)據(jù)傳入主站進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)。
2.3.1子系統(tǒng)功能
鐵路電力變配電設(shè)備主要包括10kV高壓開關(guān)柜、高壓環(huán)網(wǎng)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(shè)置。特別是為區(qū)間通信基站、直放站，信號(hào)中繼站等負(fù)荷供電的箱變一般按照每3Km一處設(shè)置于區(qū)間路基外側(cè)、高架橋下或隧道洞室內(nèi)，具有點(diǎn)多線長(zhǎng)，交通不便，運(yùn)行環(huán)境惡劣，巡視檢查須天窗點(diǎn)進(jìn)行等特點(diǎn)，給設(shè)備的巡視檢查造成了很大難度。
綜上所述，通過(guò)設(shè)置在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，應(yīng)能實(shí)時(shí)掌握高鐵電力供電系統(tǒng)運(yùn)行中影響電氣設(shè)備運(yùn)行的主要和重要的核心關(guān)鍵設(shè)備和部位的運(yùn)行狀態(tài)，提高狀態(tài)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化水平，以適應(yīng)無(wú)人值班及需要天窗點(diǎn)巡視的電力供電系統(tǒng)設(shè)備管理運(yùn)營(yíng)維護(hù)要求。高速鐵路電力智能運(yùn)維管理系統(tǒng)可包含以下子系統(tǒng)功能，并具備接入擴(kuò)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(fù)荷貫通線和負(fù)荷貫通線均采用全電纜線路，在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的電纜故障會(huì)嚴(yán)重影響電力供電的可靠性，影響鐵路的正常運(yùn)行。目前故障點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)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(hào)變電所、區(qū)間箱變或變電所等處設(shè)置故障定位裝置，從電壓互感器和電流互感器的二次側(cè)采集電壓和電流信號(hào)，對(duì)基波和行波電流、基波和行波電壓等信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)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(shí)鐘授時(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)貫通電纜線路故障的實(shí)時(shí)定位，大大減小查找電纜故障點(diǎn)的工作量，縮短檢修搶修時(shí)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(cè)溫系統(tǒng)
電纜頭的溫度的變化直接反映電纜的運(yùn)行狀態(tài)，電纜頭溫度過(guò)高后應(yīng)及時(shí)處理，避免電纜事故的擴(kuò)大甚至燒毀電纜。目前常規(guī)的溫度檢測(cè)均需要檢測(cè)人員到設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，且電纜頭可視，已不能適應(yīng)智能運(yùn)維管理要求[6]。電纜頭在線光纖測(cè)溫系統(tǒng)由傳感器和處理器兩部分構(gòu)成，在電纜接頭處設(shè)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(cè)溫原理，通過(guò)測(cè)試光發(fā)射余輝衰減的時(shí)間，將其轉(zhuǎn)換為可測(cè)的光信號(hào)。處理器接收到傳感器發(fā)出的光信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)，其數(shù)據(jù)可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)通信裝置傳輸至智能在線監(jiān)測(cè)運(yùn)維管理系統(tǒng)主站。系統(tǒng)可在線、實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確測(cè)量電纜接頭的接點(diǎn)溫度。做到對(duì)電纜頭溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行溫度異常時(shí)的報(bào)警[6]。
(3)電力成套開關(guān)設(shè)備局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
局部放電是絕緣損壞的重要標(biāo)征，是局部過(guò)熱，電器元件和機(jī)械元件老化的預(yù)兆，并造成高壓電氣設(shè)備發(fā)生絕緣擊穿。通過(guò)在高壓開關(guān)柜等設(shè)備中設(shè)置局部放電智能監(jiān)測(cè)裝置，能監(jiān)測(cè)到主絕緣材料故障、絕緣材料表面及空氣介質(zhì)故障所激發(fā)的超聲波信號(hào)；接觸不良或過(guò)載引起的溫度過(guò)高；絕緣材料污穢引起的表面爬電、閃絡(luò)等?？蓪?duì)開關(guān)柜由于絕緣缺陷和老化造成絕緣內(nèi)部氣隙形成的氣隙放電，以及內(nèi)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(jìn)行預(yù)警。
(4)變配電所接地電阻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
變配電所的設(shè)備保護(hù)接地、防雷接地等共用接地系統(tǒng)，與運(yùn)行密切相關(guān)。系統(tǒng)采用接地電阻在線監(jiān)測(cè)儀作為核心監(jiān)測(cè)設(shè)備，內(nèi)置傳感器與電路板，金屬殼屏蔽設(shè)計(jì)，適用于戶外環(huán)境的使用，監(jiān)測(cè)多個(gè)關(guān)鍵接地點(diǎn)的接地電阻值，并通過(guò)通信傳輸數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)軟件能描述接地電阻的變化趨勢(shì)、周期，并可以設(shè)定相關(guān)的閾值給予警示，在線監(jiān)測(cè)接地引下線的連接狀況、回路接地電阻、金屬回路聯(lián)結(jié)電阻。確保接地系統(tǒng)良好運(yùn)行。
(5)箱變弧光保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
開關(guān)柜由于電路元器件損壞、絕緣破壞、過(guò)電壓、意外短路等原因產(chǎn)生弧光短路故障會(huì)對(duì)人身和設(shè)備造成大的損害。由于鐵路箱變內(nèi)各類電氣設(shè)備布置比較緊湊，很容易發(fā)生電弧光事故，且大多設(shè)置于區(qū)間，巡視檢查不便，因此可通過(guò)配置弧光保護(hù)系統(tǒng)，將弧光傳感器安裝在柜內(nèi)各間隔中，當(dāng)弧光故障時(shí)，采集檢測(cè)突然增加的電弧紫外光，并通過(guò)光纖傳輸光信號(hào)至主控單元，當(dāng)檢測(cè)到電弧光時(shí)及時(shí)跳閘。
2.3.2通信管理單元
高速鐵路電力智能運(yùn)維管理系統(tǒng)由于現(xiàn)場(chǎng)采集終端設(shè)備數(shù)據(jù)接口的不同，通信管理單元需要具備自適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)接口和RS485串口，根據(jù)運(yùn)維子系統(tǒng)的數(shù)量進(jìn)行配置以太網(wǎng)接口和串口的數(shù)量，滿足系統(tǒng)需要。
3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)軟件，提供了包括基礎(chǔ)信息管理服務(wù)、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)服務(wù)、運(yùn)行、運(yùn)行分析服務(wù)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)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(jié)構(gòu)，主要由表示層、業(yè)務(wù)層及數(shù)據(jù)層等多層次模型構(gòu)成，各層遵循標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口和交換方式，使得系統(tǒng)構(gòu)架符合通用性和可擴(kuò)展性原則。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)層部署在運(yùn)維平臺(tái)服務(wù)器上，表示層則通過(guò)WEB客戶端、移動(dòng)APP和SNS（微信）等多種訪問(wèn)接口和客戶端應(yīng)用界面實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)軟件平臺(tái)架構(gòu)詳如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)架構(gòu)圖
4、AcrelCloud-1000變電所運(yùn)維云平臺(tái)方案綜述
4.1概述
AcrelCloud-1000變電所運(yùn)維云平臺(tái)基于互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通訊等技術(shù)開發(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)集中，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。
4.2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、系統(tǒng)功能
5.1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，查詢跨度可設(shè)置為月。
5.2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。
5.3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。
5.5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。
5.6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，即可查看該變配站內(nèi)視頻信息。
5.7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)。
5.8報(bào)警信息
對(duì)平臺(tái)所有報(bào)警信息進(jìn)行分析。
5.9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。
5.10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。
5.11 APP監(jiān)測(cè)
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。
6.系統(tǒng)硬件配置
7、結(jié)語(yǔ)
近年來(lái)，隨著智能化鐵路建設(shè)理念的提出，鐵路電力供電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化管理的模式是必然的發(fā)展方向，鐵路運(yùn)營(yíng)管理單位對(duì)于通過(guò)智能化運(yùn)維監(jiān)測(cè)技術(shù)和分析判斷解決電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各類故障，以便實(shí)時(shí)的處理故障并及時(shí)恢復(fù)電力供電，保證鐵路運(yùn)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(yùn)維管理系統(tǒng)提出了鐵路電力系統(tǒng)智能運(yùn)維管理系統(tǒng)的理念，將各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通道共享，打破了傳統(tǒng)各自獨(dú)立的信息傳輸方式，通過(guò)深度集成融合的平臺(tái)主站形成了系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)維管理體系模式。系統(tǒng)通過(guò)集成網(wǎng)關(guān)、共享通信傳輸設(shè)備，利用鐵路運(yùn)維傳輸網(wǎng)絡(luò)通道的方式將各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)送至運(yùn)維管理平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，實(shí)現(xiàn)鐵路全線電力在線監(jiān)測(cè)、智能化預(yù)報(bào)警及故障的智能化判斷定位，使電力設(shè)施建立全生命周期管理體系，為電力調(diào)度和運(yùn)行檢修管理提供強(qiáng)有力的輔助決策依據(jù)。隨著鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系的完善和技術(shù)的不斷發(fā)展，必將具有更加廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化大數(shù)據(jù)環(huán)境下的鐵路電力智能運(yùn)維管理，將鐵路電力供電系統(tǒng)運(yùn)維管理提升到一個(gè)智能化的新水平。
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