淺談電力智能運維系統(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)平臺層的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，通過集成網(wǎng)關(guān)，共享通信傳輸設(shè)備，利用鐵路專用運維傳輸網(wǎng)絡(luò)通道將各類監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至運維管理平臺數(shù)據(jù)進行實時分析，建立了統(tǒng)一的智能運維建設(shè)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(yù)報警及故障的智能化判斷定位，大大提高了鐵路電力設(shè)施的運行維護管理效率，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；智能運維管理
1、引言
隨著鐵路建設(shè)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(shù)已在鐵路電力系統(tǒng)中實現(xiàn)了應(yīng)用，但由于缺少統(tǒng)一的信息化建設(shè)標準、一體化共享的信息平臺，存在許多智能化的監(jiān)測設(shè)備重復(fù)配置、標準不統(tǒng)一且不能數(shù)據(jù)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(wù)的數(shù)據(jù)綜合應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，充分利用共享數(shù)據(jù)交互設(shè)計以及鐵路互聯(lián)網(wǎng)地址資源，實現(xiàn)各類運維系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(gòu)成
系統(tǒng)由智能運維管理主站、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)平臺層的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，如圖１所示。
系統(tǒng)通過終端感知層內(nèi)的各個監(jiān)測子系統(tǒng)來采集數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)交換機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)層對各類數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)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(shè)置于供電段內(nèi)，主要包括兩套并行運行的監(jiān)控調(diào)度工作站，用于管理和調(diào)度整個系統(tǒng)運行；為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的高性能運行提供硬件支持和保障的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；具有多個通信輸入/輸出端口的信息集成網(wǎng)關(guān)，作為在線監(jiān)測系統(tǒng)和主站平臺之間的數(shù)據(jù)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(diào)度臺等設(shè)備和系統(tǒng)服務(wù)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(gòu)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(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)
近年來，隨著鐵路通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(wǎng)絡(luò)通道，將各類子系統(tǒng)終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至運維管理平臺數(shù)據(jù)進行實時分析處理，與采用GPRS等移動通信網(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》（運電通信函（2012）428號）設(shè)置，如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)置１條通信通道，維護通道一個2Mb/s電路掛接終端站的數(shù)量不大于10個，維護通道利用傳輸系統(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，在運行維護管理主站設(shè)置10M數(shù)字通道。
圖2 維護通道示意圖
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：對于10kV配電所、通信信號變電所等設(shè)有通信機械室的房屋，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(guān)柜等設(shè)備處，采集進出線開關(guān)的各種電氣運行參數(shù)，并通過RS485總線接入到通信管理單元，利用通信處理設(shè)備，通過專用的電力運維管理通道將數(shù)據(jù)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(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，信號中繼站等負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(shè)備的巡視檢查造成了很大難度。
綜上所述，通過設(shè)置在線監(jiān)測子系統(tǒng)，應(yīng)能實時掌握高鐵電力供電系統(tǒng)運行中影響電氣設(shè)備運行的主要和重要的核心關(guān)鍵設(shè)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(yīng)無人值班及需要天窗點巡視的電力供電系統(tǒng)設(shè)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(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，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(yīng)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(shè)備現(xiàn)場進行，且電纜頭可視，已不能適應(yīng)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(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，基于熒光測溫原理，通過測試光發(fā)射余輝衰減的時間，將其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為溫度信號，其數(shù)據(jù)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(guān)設(shè)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(yù)兆，并造成高壓電氣設(shè)備發(fā)生絕緣擊穿。通過在高壓開關(guān)柜等設(shè)備中設(shè)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(zhì)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(luò)等?？蓪﹂_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，接觸不良等缺陷進行預(yù)警。
(4)變配電所接地電阻監(jiān)測系統(tǒng)
變配電所的設(shè)備保護接地、防雷接地等共用接地系統(tǒng)，與運行密切相關(guān)。系統(tǒng)采用接地電阻在線監(jiān)測儀作為核心監(jiān)測設(shè)備，內(nèi)置傳感器與電路板，金屬殼屏蔽設(shè)計，適用于戶外環(huán)境的使用，監(jiān)測多個關(guān)鍵接地點的接地電阻值，并通過通信傳輸數(shù)據(jù)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(shè)定相關(guān)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(jié)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(guān)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(chǎn)生弧光短路故障會對人身和設(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，因此可通過配置弧光保護系統(tǒng)，將弧光傳感器安裝在柜內(nèi)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(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)運維子系統(tǒng)的數(shù)量進行配置以太網(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)采集和存儲服務(wù)、運行、運行分析服務(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，各層遵循標準數(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展性原則。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)層部署在運維平臺服務(wù)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(yīng)用界面實現(xiàn)，系統(tǒng)軟件平臺架構(gòu)詳如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)軟件平臺架構(gòu)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(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(shè)備或環(huán)境視頻場景等需求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中，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(shè)備日常和定期巡檢和派單等管理工作。
4.2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(shè)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(shù)據(jù)，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(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。
5.6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(nèi)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(shè)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。
5.8報警信息
對平臺所有報警信息進行分析。
5.9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，可以點擊查看任務(wù)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(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。
5.11 APP監(jiān)測
電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)”、“設(shè)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(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。
6.系統(tǒng)硬件配置
7、結(jié)語
近年來，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(shù)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(fù)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(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)、共享通信傳輸設(shè)備，利用鐵路運維傳輸網(wǎng)絡(luò)通道的方式將各類監(jiān)測數(shù)據(jù)送至運維管理平臺數(shù)據(jù)進行實時分析，實現(xiàn)鐵路全線電力在線監(jiān)測、智能化預(yù)報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)度和運行檢修管理提供強有力的輔助決策依據(jù)。隨著鐵路建設(shè)標準體系的完善和技術(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，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化大數(shù)據(jù)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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