陳 亮，曹張保

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司供電分公司，上海 200335）

1 地鐵供電系統(tǒng)

地鐵供電系統(tǒng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的電能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，地鐵供電網(wǎng)絡(luò)多采用兩級(jí)供電方式，由城市電網(wǎng)110 kV高壓經(jīng)主變降壓成35 kV 供給牽引、降壓變電所，而后支持地鐵運(yùn)營(yíng)以及車(chē)站動(dòng)力照明等。以上海地鐵17 號(hào)線為例，供電網(wǎng)絡(luò)采取集中式供電，按照線路公里數(shù)及車(chē)站設(shè)置數(shù)量，在城市電力網(wǎng)絡(luò)中引入4 路110 kV 進(jìn)線電源，分別提供給2 座主變電站的4 個(gè)供電回路，通過(guò)主變壓器降壓至35 kV 后，由干線電纜分別輸送至地鐵車(chē)站的混合變電站及降壓變電站，通過(guò)再次降壓、整流為列車(chē)運(yùn)營(yíng)和車(chē)站動(dòng)力照明提供電源。中壓開(kāi)關(guān)柜即為 35 kV 系統(tǒng)的各類(lèi)開(kāi)關(guān)，主要包括35 kV 主變進(jìn)線開(kāi)關(guān)、35 kV 環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)、35 kV 整流變開(kāi)關(guān)及35 kV 電力變開(kāi)關(guān)。

2 電流數(shù)據(jù)采集

根據(jù)電功率計(jì)算公式P = UI 可知， 35 kV 中壓開(kāi)關(guān)柜的電壓與電流成反比，電流變化能明確反應(yīng)負(fù)載變化波動(dòng)情況。35 kV 中壓開(kāi)關(guān)柜電流數(shù)據(jù)的遙測(cè)普遍采用電壓互感器、電流互感器、傳感器接入系統(tǒng)中，通過(guò)降壓模式將高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓、大電流轉(zhuǎn)換成小電流，由測(cè)控裝置或綜合保護(hù)裝置將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再通過(guò)測(cè)控裝置或綜合保護(hù)裝置的通訊端口將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化（SCADA 系統(tǒng)）和數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，電氣量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化流程如圖1 所示。本文研究的35 kV 中壓開(kāi)關(guān)柜電氣量數(shù)據(jù)，其源頭來(lái)自地鐵中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)（CIOS）——電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）的遙測(cè)數(shù)據(jù)源，并在2019 年新建成的智能運(yùn)維系統(tǒng)（PIOMS）中予以研究分析。

3 電流數(shù)據(jù)分析理論和方法

地鐵供電系統(tǒng)中列車(chē)的運(yùn)行負(fù)載是反映社會(huì)活動(dòng)的重要載體。通過(guò)PSCADA 系統(tǒng)獲取的不同設(shè)備秒級(jí)電流數(shù)據(jù)可以對(duì)列車(chē)運(yùn)行負(fù)載進(jìn)行一定程度的解析。不同解析方式呈現(xiàn)結(jié)果可能略有不同，但應(yīng)找出最能反應(yīng)地鐵運(yùn)行活動(dòng)情況（諸如客流量、負(fù)載高峰、高度異常偏離點(diǎn)、地鐵廣告投放時(shí)段效果等）的方式。

對(duì)獲取不同設(shè)備秒級(jí)電流數(shù)據(jù)的代表性進(jìn)行取舍，既能大大降低系統(tǒng)存儲(chǔ)需求，同時(shí)也能通過(guò)每天相同時(shí)刻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，反映每天數(shù)據(jù)的循環(huán)往復(fù)性質(zhì)。經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證后，最終采取5 min 內(nèi)各開(kāi)關(guān)柜電流峰值作為描述地鐵運(yùn)行活動(dòng)的代表數(shù)據(jù)。

圖1 供電系統(tǒng)電氣量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化流程

通過(guò)構(gòu)造電流標(biāo)準(zhǔn)曲線能夠?qū)?fù)雜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)分析結(jié)果，直觀地了解整流變壓器及環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線開(kāi)關(guān)柜電流電壓數(shù)據(jù)的變化情況，有助于提高地鐵負(fù)荷運(yùn)維管理效率。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線概念

3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線選擇

通過(guò)對(duì)上海地鐵17 號(hào)線各電壓等級(jí)SCADA 系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)分析，分別對(duì)35 kV、1 500 V、400 V 電壓等級(jí)下的開(kāi)關(guān)柜電流繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，發(fā)現(xiàn)35 kV 不同時(shí)期繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線均具有較好的擬合度，能夠一般性表達(dá)電流在時(shí)間周期內(nèi)的變化情況。因此，可選擇35 kV 電壓等級(jí)設(shè)備電流繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

3.3 曲線周期確定

采用迭代法對(duì)系統(tǒng)內(nèi)不同電壓等級(jí)分別進(jìn)行周期驗(yàn)證。將35 kV、1 500 V、400 V 電壓等級(jí)下開(kāi)關(guān)柜電流按歷史1 年的時(shí)間制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。標(biāo)準(zhǔn)曲線的算法邏輯如下：

（1）如果日電流數(shù)據(jù)時(shí)刻點(diǎn)值有缺失，則進(jìn)行前向填充；

（2）日頻數(shù)據(jù)選擇不同日期，比如10 天，11 天，不斷累加，移動(dòng)平均處理為288 個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)；

（3）對(duì)日頻年度數(shù)據(jù)移動(dòng)平均處理后的點(diǎn)值數(shù)據(jù)構(gòu)造的曲線分別取其擬合度，高擬合度代表周期確定數(shù)據(jù)表達(dá)能反應(yīng)較為一般的情況，從而得到明確周期。

根據(jù)35 kV、1 500 V、400 V 不同電壓等級(jí)下不同周期電流擬合度數(shù)據(jù)（表1）可知：

根據(jù)地質(zhì)、掘進(jìn)參數(shù)和地表情況，在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入試驗(yàn)段前常壓開(kāi)倉(cāng)檢查掌子面地質(zhì)、刀具磨損情況，更換磨損較大的刀具，清理刀盤(pán)泥渣防止結(jié)泥餅，避免在穿越鐵路過(guò)程中發(fā)生停機(jī)換刀等意外情況。

（1）35 kV 開(kāi)關(guān)柜電流數(shù)據(jù)不論數(shù)據(jù)周期長(zhǎng)短，都呈現(xiàn)出較好的擬合度；

（2）400 V 開(kāi)關(guān)柜電流數(shù)據(jù)擬合度雜亂無(wú)序且擬合度普遍很差，不適合做標(biāo)準(zhǔn)曲線；

（3）1 500 V 開(kāi)關(guān)柜電流數(shù)據(jù)雖然也呈現(xiàn)了較好的擬合度，但牽引用電的降精度標(biāo)準(zhǔn)曲線并無(wú)實(shí)際應(yīng)用意義，需要單獨(dú)分析。

綜上所述，可針對(duì)35 kV 開(kāi)關(guān)柜電流數(shù)據(jù)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，由整流變壓器開(kāi)關(guān)柜數(shù)據(jù)反映整個(gè)線路、站點(diǎn)的電流趨勢(shì)變化情況。選定14 天為周期，可以保證很好的擬合度，且周期不會(huì)過(guò)長(zhǎng)，能更準(zhǔn)確表達(dá)最近趨勢(shì)。此外，14 天在時(shí)間維度上恰好是2 個(gè)完整自然周，能對(duì)日期做更細(xì)致工作，比如劃分出工作日與節(jié)假日。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制方法

標(biāo)準(zhǔn)曲線周期明確為14 天。假設(shè)當(dāng)前時(shí)間為2020-03-28，那么標(biāo)準(zhǔn)曲線應(yīng)根據(jù)2020-03-14 至2020-03-27 的14 天電流數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制。每日同一時(shí)刻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)加權(quán)平均：

式（1）中，F(xiàn)t-n為標(biāo)準(zhǔn)曲線構(gòu)造電流值；wn為周期內(nèi)每日權(quán)重；It-n為時(shí)刻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際電流值；t 為天數(shù)（t = 1，2，…，14）； n 為1 天內(nèi)測(cè)量電流值次數(shù)（ n = 1，2，…，288）。將每日同一時(shí)刻點(diǎn)高度偏離的數(shù)據(jù)剔除，保證曲線的平滑度與可信度，最后將Ft-1，F(xiàn)t-2，…，F(xiàn)t-288進(jìn)行連接構(gòu)造每日標(biāo)準(zhǔn)曲線。

表1 不同電壓等級(jí)下不同周期電流擬合度數(shù)據(jù)

3.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)曲線有多個(gè)維度的應(yīng)用，主要通過(guò)載客量變化導(dǎo)致的負(fù)載變化從而在電流上客觀反映變化趨勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)曲線在上海地鐵17 號(hào)線實(shí)際應(yīng)用如下：

（1）各個(gè)站點(diǎn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)曲線以及峰谷分析；

（2）各個(gè)站點(diǎn)設(shè)備的預(yù)測(cè)曲線以及擬合度結(jié)果動(dòng)態(tài)更新；

（3）各個(gè)站點(diǎn)設(shè)備的異常分析以及閾值建議；

（4）線路峰谷分析及異常站點(diǎn)警示。

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線峰谷分析，可以了解不同站點(diǎn)及整條線路的峰谷情況；通過(guò)異常值可以判定高偏離度的個(gè)數(shù)以及電流，反映近期頻發(fā)的跳躍點(diǎn)次數(shù)以及根據(jù)多發(fā)跳躍提前做好防護(hù)。此外，可繼續(xù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線做冗余度分析及評(píng)價(jià)，如運(yùn)行方式變更后，針對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)移后的標(biāo)準(zhǔn)曲線，進(jìn)行冗余度分析，同時(shí)據(jù)此做整定值匹配、設(shè)備容量的預(yù)測(cè)計(jì)算等。

3.5.1 峰谷分析

標(biāo)準(zhǔn)曲線峰谷分析即通過(guò)對(duì)周期內(nèi)構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)曲線的點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析（按照K-Means 聚類(lèi)分析方法），自動(dòng)分出3 個(gè)維度的數(shù)據(jù)，而后進(jìn)行二次聚類(lèi)，加強(qiáng)同一個(gè)簇之間數(shù)據(jù)聯(lián)系，得到高峰、平峰、低谷的時(shí)段劃分。而整條線路峰谷分析通常是對(duì)整條線路下所有站點(diǎn)的峰谷時(shí)刻做出頻數(shù)分析后再進(jìn)行聚類(lèi)分析，最終得到線路峰谷分析結(jié)果。

通過(guò)峰谷分析，可以宏觀了解所有站點(diǎn)的峰谷情況，并對(duì)峰谷遷移有直觀了解（比如峰谷占比，峰谷變化率等），有助于全面掌握不同站點(diǎn)的負(fù)載情況，同時(shí)，可以高效指導(dǎo)維護(hù)管理人員關(guān)注負(fù)荷狀態(tài)及其趨勢(shì)。

3.5.2 異常分析

異常分析是針對(duì)異常突變的電流（除雜散電流外）進(jìn)行記錄、分析和反饋。由于瞬時(shí)高電流會(huì)給設(shè)備帶來(lái)不良影響，甚至造成設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行或降級(jí)停役工況，因此，應(yīng)對(duì)瞬時(shí)高電流進(jìn)行有效預(yù)防?？衫镁?方差方法統(tǒng)計(jì)1 個(gè)周期內(nèi)異常點(diǎn)總數(shù)并對(duì)數(shù)據(jù)異常點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警提示，如圖2 所示。

圖2 周期內(nèi)異常點(diǎn)總數(shù)及動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)點(diǎn)

雖然異常點(diǎn)數(shù)量多寡并不是決定設(shè)備損壞的決定因素，但仍應(yīng)對(duì)1 個(gè)周期內(nèi)異常點(diǎn)總數(shù)多的設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，從而降低設(shè)備徹底損壞的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于出現(xiàn)異常點(diǎn)的站點(diǎn)設(shè)備應(yīng)按照重要程度及異常點(diǎn)數(shù)量多寡做好設(shè)備維護(hù)工作優(yōu)先級(jí)排序?？梢詫⒅芷趦?nèi)出現(xiàn)異常點(diǎn)總數(shù)多的站點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行警示，同時(shí)針對(duì)周期內(nèi)前13 天均無(wú)異常，最近1 日才出現(xiàn)異常的站點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行告警，及時(shí)排查，做到防患于未然。

異常點(diǎn)分析還可進(jìn)行深度挖掘。將異常點(diǎn)與實(shí)際故障進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，通過(guò)自學(xué)習(xí)擴(kuò)大樣本庫(kù)，得到更準(zhǔn)確的設(shè)備故障發(fā)生機(jī)率，提前做好設(shè)備檢修工作。

3.5.3 預(yù)測(cè)曲線

利用過(guò)去3 天的標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)，通過(guò)科學(xué)的預(yù)測(cè)方法，得到當(dāng)天以及未來(lái)幾天的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)（圖3），從而得到預(yù)測(cè)曲線。通過(guò)預(yù)測(cè)曲線可以把控峰谷來(lái)臨的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，為生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)提供計(jì)劃與思路。

3.5.4 擬合度

擬合度指動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)曲線與預(yù)測(cè)曲線的接近程度。通過(guò)擬合度結(jié)果可以知道當(dāng)前預(yù)測(cè)情況與實(shí)際發(fā)生情況的接近程度，如圖4 所示。擬合度計(jì)算如下：

式（2）中，R - squared 為擬合度；Q 為殘差平方和；Q1為實(shí)測(cè)值平方和；y 為實(shí)測(cè)值；y* 為預(yù)測(cè)值。擬合度數(shù)據(jù)隨著當(dāng)日時(shí)間變化呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，高擬合度代表預(yù)測(cè)曲線的當(dāng)前高信任度。如果擬合度數(shù)據(jù)降低，則表明預(yù)測(cè)曲線與當(dāng)前動(dòng)態(tài)曲線表現(xiàn)不一致，當(dāng)天電流可能發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)。擬合度有2 個(gè)作用：①對(duì)預(yù)測(cè)曲線的準(zhǔn)確度進(jìn)行校驗(yàn)；②對(duì)動(dòng)態(tài)曲線的變化程度進(jìn)行直觀觀察。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)曲線與預(yù)測(cè)曲線擬合度

3.6 小結(jié)

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線系列工作，可以了解地鐵線路運(yùn)營(yíng)情況，可以根據(jù)峰谷分析對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)工況進(jìn)行預(yù)判，同時(shí)還可根據(jù)異常數(shù)據(jù)情況，提前了解該對(duì)哪里的設(shè)備進(jìn)行檢查和維修，實(shí)現(xiàn)六何分析法（5W1H）的應(yīng)用，掌握哪些開(kāi)關(guān)的負(fù)荷在什么時(shí)間發(fā)生了什么數(shù)據(jù)異常和問(wèn)題，并應(yīng)該安排什么技術(shù)人員按照什么知識(shí)庫(kù)匹配的方案去進(jìn)行人工干預(yù)并制定負(fù)荷調(diào)整策略。

電流標(biāo)準(zhǔn)曲線可以對(duì)站點(diǎn)設(shè)備的維保順序進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，但對(duì)具體設(shè)備維保管控能力薄弱。在知道站點(diǎn)設(shè)備發(fā)生異常告警后，需要人工去現(xiàn)場(chǎng)對(duì)重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行排查、維護(hù)。電流只是單方面的電力數(shù)據(jù)，只能作為設(shè)備健康度評(píng)價(jià)的1 個(gè)重點(diǎn)指標(biāo)，但不能反映全貌，可綜合電壓電能質(zhì)量分析、功率因數(shù)分析、暫態(tài)分析等指標(biāo)來(lái)增強(qiáng)設(shè)備管控能力。通過(guò)電流標(biāo)準(zhǔn)曲線分析雖然能做到部分工況預(yù)測(cè)，但對(duì)突發(fā)事故的預(yù)測(cè)仍然有很大的滯后性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分別采用了數(shù)據(jù)移動(dòng)加權(quán)平均、聚類(lèi)分析方法、方差算法等理論，挖掘電流數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用周期和采集頻率標(biāo)準(zhǔn)，并在上海地鐵17 號(hào)線SCADA 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引整流變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)的電流標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制、峰谷值分析、異常分析和擬合度分析，為研究整流變負(fù)荷數(shù)據(jù)及運(yùn)營(yíng)工況提供了有效手段，是一種可復(fù)制、可推廣的數(shù)據(jù)分析理論和方法。