自動化智能運維系統在高鐵牽引變電所的研究與應用

任運業

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運維還處在“計劃修"“故障修"階段。文章研究傳統以及智能綜合自動化系統的運維技術，提出針對性的智能運維解決方案，實現對綜合自動化系統的故障智能分析、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。電力系統研究智能變電站的運維，制定《智能變電站保護設備在線監視與診斷裝置技術規范》（Q/GDW11361—2017）[1]標準。文章通過科研立項，針對傳統和智能牽引變電所綜合自動化系統的智能運維進行深入研究，現場搭建運維管理系統，可以提高綜合自動化系統運維智能化水平，促進綜合自動化系統運維向“狀態修"轉變。

1.課題研究內容

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的智能運維管理平臺的系統構成方案，作為實現智能運維功能的硬件基礎。

1.2既有綜合自動化系統的智能運維功能

針對既有綜合自動化系統的研究，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據潛力的方法在監控后臺以增加軟件模塊的方式實現功能。

（1）實現綜合自動化系統履歷管理信息化與在線參數校核。

（2）利用綜合自動化系統裝置自診斷信息和有邏輯管線的監測信息，通過深挖數據潛力，實現既有綜合自動化系統裝置的運行狀態診斷。

1.3智能綜合自動化系統的智能運維功能

針對未來綜合自動化系統的研究，以適度完善軟硬件設備、不降低系統可靠性為原則，對綜合自動化系統相關保護測控裝置進行軟、硬件升級，實現對裝置的詳細自診斷。除了實現原有功能外，針對智能綜合自動化系統的特點增加功能。

（1）增加裝置箱內溫度采集回路，實現對裝置內部環境參數的實時監測。

（2）根據裝置MTBF時間與裝置運行環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的虛端子可視化、網絡數據監控與診斷。

2.智能運維系統的搭建

2.1傳統綜合自動化系統智能運維系統的搭建

傳統綜合自動化系統智能運維實施方案如圖1所示。

圖1傳統綜合自動化系統智能運維實施方案

為了將對既有系統的影響降低至可控范圍內，對既有綜合自動化系統通信管理機進行軟件升級，站內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系和診斷邏輯，生成對應裝置的專家經驗庫。從通信層網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量信息，與裝置專家庫中的診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，將運行監測信息、設備狀態信息和故障動作告警信息等數據通過新增的運維管理機中轉，發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據篩選分類，結合專家經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智能運維的搭建

智能牽引變電站綜合自動化系統采用典型的數字化變電站結構，集過程層合并單元、智能終端與間隔層一體化設計。綜合自動化系統增設一臺運維管理機，接入綜合自動化系統站控層網絡，負責運維相關數據的收發；增設一臺網絡分析儀，接入站控層網絡和過程層網絡，負責網絡數據采集與分析。所有數據由運維管理機發送到智能運維后臺機，實現數據統一管理與分析。

3.傳統綜合自動化系統的智能運維功能

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生產信息，記錄裝置在服役時間內發生的版本更新、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內容，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，提供運維診斷的結論和處理措施。

3.2綜合自動化裝置運行狀態診斷

（1）動態自診斷管理。

對變電所內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"，實現對裝置板件的自我身份識別，可查詢、可追溯。實現板件的精細化管理，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，進行統計分析，提供決策所需數據依據。建立設備履歷管理系統，進行設備臺賬管理，記錄追溯資產事件。可以針對裝置信息實現記錄控制、存檔控制、基線控制分層管理。

4.2智能變電站運維狀態診斷

（1）運行狀態自診斷。

包括保護裝置的CPU板件、模擬量插件、開入插件、操作插件、內部工作電源監視回路、過程層光口的監視的自診斷。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運行狀態進行正確分析。

設置對板件5V工作電源回路的采樣回路，實時監測工作電壓波動。電壓超出設置的工作范圍時，裝置發出告警信號，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，利用元器件計數可靠性預計法預測裝置的MTBF值。設置裝置箱體內部溫度采集回路，根據箱內實時溫度計算裝置剩余壽命。裝置壽命計算利用內部元器件的短板即電解電容的溫度老化特性，結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虛端子可視化與數字化網絡分析診斷

系統采集過程層交換機和站控層的管理數據，結合業務數據對虛端子回路實路徑進行在線監視，實現智能變電站虛端子回路的可視化，符合NB/T42015-2013[2]的相關規定。

系統通過網絡分析裝置可以實時記錄各個裝置接入的網絡報文，分析網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相關數據進行檢驗。

5.安科瑞AcrelCloud-1000變電所運維云平臺

5.1概述

基于互聯網＋、大數據、移動通訊等技術開發的云端管理平臺，滿足用戶或運維公司監測眾多變電所回路運行狀態和參數、室內環境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現場設備或環境視頻場景等需求，實現數據一個中心，集中存儲、統一管理，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。

5.2應用場所

適用于電信、金融、交通、能源、醫療衛生、文體、教育科研、農林水利、商業服務、公用事業等行業變配電運行維護系統的新建、擴建和改建。

5.3系統結構

系統可分為四層：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、溫濕度監測裝置、攝像頭、開關量采集裝置等。除攝像頭外，其它設備通過RS485總線接入現場智能網關RS485端口。

傳輸層：包含現場智能網關和交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過交換機把數據上傳至服務器端口，網絡故障時數據可存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

應用層：包含應用服務器和數據庫服務器，若變電所數量小于30個則應用服務器和數據庫服務器可以合一配置。服務器需要具備固定IP地址，以接收各智能網關主動傳送過來的數據。

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系統功能

5.4.1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，

5.4.2站點監測

站點監測包括概況、運行狀態、當日事件記錄、當日逐時用電曲線、用電概況。

5.4.3變壓器狀態

變壓器狀態支持用戶查詢所有或某個站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態數據，支持按負荷率、功率等升、降序排名。

5.4.4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。

5.4.5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關狀態、電流等運行狀態及信息，支持電壓、電流、功率等詳細運行參數查詢。

5.4.6視頻監控

視頻監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視頻信息。

5.4.7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計。

5.4.8報警信息

對平臺所有報警信息進行分析。

5.4.9任務管理

任務管理頁面可以發布巡檢或消缺任務，查看巡檢或消缺任務的狀態和完成情況，可以點擊查看任務查看具體的巡檢信息。

5.4.10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、報警事件等進行統計分析，并列出在該周期內巡檢時發現的各類缺陷及處理情況。

5.4.11APP監測

3.12APP支 電力運維手機支持“監控系統"、“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。

5.5系統硬件配置

6.結語

通過研究與開發，在京滬高鐵現場搭建了綜合自動化系統智能運維管理平臺。該平臺通過近半年的掛網試運行，初步實現對綜合自動化系統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視與診斷裝置技術規范[S].

[2]NB/T42015—2013，智能變電站網絡報文記錄及分析裝置技術條件[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智能運維研究.

[4]安科瑞企業微電網設計與應用設計,2022,05版.

作者簡介

任運業，男，現任職安科瑞電氣股份有限公司。