黃 旗，吳光龍

0 引言

牽引變電所作為鐵路供電的唯一來源，其功能實(shí)現(xiàn)直接影響牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)能和列車牽引功率的發(fā)揮。通信不正常、信號(hào)停止等問題均可能由突然發(fā)生的斷電事故引起，但是依據(jù)負(fù)荷的重要程度，一般情況下可借助雙重冗余備份的供電方式對(duì)各種負(fù)荷的平穩(wěn)供電予以保證，即雙回路、雙電源的供電方式[1～4]。但牽引變電所內(nèi)電氣設(shè)備及電氣元件種類、數(shù)量眾多，任何一個(gè)微小缺陷都可能引發(fā)安全事故，影響鐵路電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，關(guān)系到鐵路運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)可靠性。發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)無誤地確定故障原因，進(jìn)而明確故障點(diǎn)位置并快速解決問題，就顯得十分必要。

目前牽引變電所的日常檢測(cè)方法較為單一，不能對(duì)電氣信息進(jìn)行全面采集、分析并進(jìn)行故障預(yù)警。依據(jù)試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的項(xiàng)目按周期進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)檢查，該檢測(cè)方式存在一定的局限性，且所有檢測(cè)工作均需人工完成，難免發(fā)生差錯(cuò)。牽引變電所中運(yùn)行的保護(hù)及相關(guān)設(shè)備一般只配備獨(dú)立元件，各自的保護(hù)定值未達(dá)到系統(tǒng)性最佳定值，難以確保故障迅速識(shí)別和切除，甚至?xí)?duì)系統(tǒng)造成沖擊。

本文通過分析牽引變電所現(xiàn)有保護(hù)配置，基于設(shè)備分層分布結(jié)構(gòu)，將電力綜合保護(hù)的系統(tǒng)思想融入方案中，初步形成牽引變電所集成化保護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變電所電氣信息全面采集及故障診斷。

1 基于分散同步數(shù)據(jù)的故障綜合管理系統(tǒng)

基于分散同步數(shù)據(jù)的故障綜合管理系統(tǒng)是面向變電所開發(fā)的用于實(shí)時(shí)采集和處理各種電量、非電量信息的綜合系統(tǒng)，能夠滿足用戶對(duì)交流/直流電氣量、復(fù)雜電氣設(shè)備及各種電氣過程實(shí)現(xiàn)全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理的需求。采用高精度A/D芯片和高速CPU，研制能夠支持高頻采集和處理小范圍電壓信號(hào)的數(shù)據(jù)采集單元；基于IRIG-B碼授時(shí)原理，對(duì)數(shù)據(jù)高頻采樣通信流程增加數(shù)據(jù)識(shí)別機(jī)制，對(duì)數(shù)據(jù)格式增加時(shí)間標(biāo)志，并設(shè)計(jì)相匹配的數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)解碼與重組，實(shí)現(xiàn)分散采集數(shù)據(jù)的同步比對(duì)與處理；匹配合適的信號(hào)傳感器，以便適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

該系統(tǒng)能夠同時(shí)采集牽引變電所內(nèi)所有電氣信息，支持傳統(tǒng)的集成保護(hù)機(jī)制，還能夠衍生新的保護(hù)邏輯，綜合提升系統(tǒng)保護(hù)性能。通常情況下設(shè)備以額定10 kHz采樣頻率獲取數(shù)據(jù)，以豐富的軟件算法觸發(fā)錄波，錄波數(shù)據(jù)窗口（觸發(fā)前后）時(shí)間可設(shè)，并可獨(dú)立保存數(shù)據(jù)報(bào)告；當(dāng)沒有擾動(dòng)量觸發(fā)啟動(dòng)錄波時(shí)，設(shè)備從10 kHz采樣數(shù)據(jù)中抽取1 kHz數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)長(zhǎng)期保存在硬盤上，用以分析供電系統(tǒng)、設(shè)備及工藝參數(shù)的緩變變化，從眾多同質(zhì)化設(shè)備的同類離群數(shù)據(jù)中分析、預(yù)警緩變性故障。

基于分散同步數(shù)據(jù)的故障綜合管理系統(tǒng)由前向通道、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)輸出單元、校時(shí)裝置、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理后臺(tái)軟件組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 交流回路分析

1.1.1 交流電流分析監(jiān)控

系統(tǒng)可對(duì)上下行饋線的T、F電流與故障監(jiān)測(cè)裝置上下行T、F電流以及相應(yīng)變壓器低壓側(cè)電流進(jìn)行比對(duì)，變壓器低壓側(cè)電流合成量分別與投入運(yùn)行的330 kV側(cè)三相電流對(duì)比，對(duì)綜合保護(hù)裝置中差動(dòng)保護(hù)裝置、后備保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、主變保護(hù)裝置之間高低壓側(cè)電流IA、IB、IC、Ia、Ib分別進(jìn)行對(duì)比（橫向?qū)Ρ龋?。通過同源同時(shí)刻數(shù)據(jù)采集、對(duì)比，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了一次流互設(shè)備以及二次裝置內(nèi)部壓互傳感器的自身故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異?？梢灾苯佣ㄎ坏搅骰サ牟蓸踊芈?，以便及時(shí)采取措施避免造成二次保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)。

該系統(tǒng)投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)一起變壓器流互二次線圈接反的案例，原數(shù)據(jù)波形見圖2，改正后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波形如圖3所示（數(shù)據(jù)單位：A）。

圖2 線圈錯(cuò)誤接線數(shù)據(jù)

圖3 線圈正確接線數(shù)據(jù)

1.1.2 交流電壓分析

系統(tǒng)可對(duì)上下行饋線裝置、故測(cè)裝置、主變低壓側(cè)（采集到的）T、F電壓分別進(jìn)行對(duì)比，以及對(duì)正常范圍內(nèi)的T1、F1電壓進(jìn)行對(duì)比，對(duì)上下行饋線（保護(hù)）裝置、故測(cè)裝置T、F電壓合成分別進(jìn)行對(duì)比，以及將其正常范圍內(nèi)的一組T、F電壓合成值作為主變低壓側(cè)電壓分別與投入運(yùn)行的330 kV側(cè)線電壓進(jìn)行對(duì)比，對(duì)330 kV側(cè)進(jìn)線電壓A、B、C三相的相電壓進(jìn)行對(duì)比，對(duì)主變保護(hù)綜自裝置中后備保護(hù)裝置、測(cè)控裝置和主變保護(hù)裝置之間的低壓側(cè)以及高壓側(cè)電壓UA、UB、UC、Ua、Ub分別進(jìn)行對(duì)比（橫向?qū)Ρ龋?。通過同源同時(shí)刻數(shù)據(jù)采集、對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了一次壓互設(shè)備、二次電纜以及二次裝置內(nèi)部包括壓互傳感器在內(nèi)的整個(gè)采集電路自身故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異?？梢灾苯佣ㄎ坏綁夯サ恼麄€(gè)信息采集回路，以便及時(shí)采取措施避免進(jìn)一步造成二次保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)。

1.1.3 牽引變電所回流監(jiān)測(cè)與分析

牽引變電所軌回流、地回流之和與總回流、主變回流分別相等，即I1B+I2B+I3B+I4B=I總回流=

高精度同步數(shù)據(jù)采集對(duì)于上述數(shù)據(jù)校驗(yàn)與異常判斷十分重要，現(xiàn)有方式的數(shù)據(jù)記錄與對(duì)比存在時(shí)間差，即使發(fā)現(xiàn)可能的異常數(shù)據(jù)也無法判斷是記錄方法造成的誤差還是真正的故障。例如玉門變電所記錄的異常數(shù)據(jù)（表1所示），回流差異數(shù)據(jù)增大后又變小，一般按照無故障處理或按照經(jīng)驗(yàn)判斷是否有故障。

表1 回流分析數(shù)據(jù)（舊） A

本系統(tǒng)具備0.1 ms級(jí)同步錄波時(shí)鐘，能夠?qū)Σ煌瑓^(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行ms級(jí)同步采集和計(jì)算分析，提高了數(shù)據(jù)對(duì)比記錄的時(shí)間精度，可有效防止出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)無法判斷是否出現(xiàn)故障的問題（部分?jǐn)?shù)據(jù)截取如表2所示）。

表2 回流分析數(shù)據(jù)（新） A

1.1.4 對(duì)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)數(shù)據(jù)和定值的分析

監(jiān)測(cè)案例：某所變壓器投入時(shí)，造成二次斷路器誤跳，系統(tǒng)通過檢索分析記錄的歷次變壓器投入時(shí)的同步采集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該變壓器實(shí)際勵(lì)磁涌流的基波和二次諧波數(shù)據(jù)與定值中的二次諧波制動(dòng)系數(shù)存在矛盾，測(cè)得變壓器涌流基波有效值和二次諧波有效值比見表3。系統(tǒng)判定該定值不合理，易造成誤動(dòng)，故建議修改該項(xiàng)定值。通過修改變壓器涌流制動(dòng)比，成功解決了變壓器投入時(shí)的誤動(dòng)問題。

表3 諧波分析數(shù)據(jù)

?

1.2 定值自動(dòng)校驗(yàn)

本系統(tǒng)通過對(duì)保護(hù)定值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并同步，發(fā)現(xiàn)定值更改、下裝操作或瞬時(shí)變化時(shí)給出告警提示，并對(duì)裝置全套保護(hù)定值進(jìn)行校核，對(duì)更改前后的定值以表格形式列出，并在對(duì)應(yīng)行進(jìn)行特殊告警。實(shí)現(xiàn)對(duì)所內(nèi)保護(hù)定值的及時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)歷次版本進(jìn)行記錄，操作人員可自動(dòng)在系統(tǒng)后臺(tái)形成工作日志檔案，對(duì)保護(hù)裝置的穩(wěn)妥運(yùn)行提供保障。

程序框圖與日志報(bào)告流程如下：從保護(hù)裝置實(shí)時(shí)讀取定值→與已經(jīng)讀取到內(nèi)存中的標(biāo)準(zhǔn)定值進(jìn)行逐條比較→實(shí)際定值和標(biāo)準(zhǔn)定值同表顯示，不一致定值標(biāo)紅顯示→不一致定值信息加入系統(tǒng)事件日志數(shù)據(jù)庫(kù)，并彈出提示對(duì)話框。

1.3 控制回路及執(zhí)行機(jī)構(gòu)監(jiān)控分析

本系統(tǒng)中對(duì)斷路器儲(chǔ)能電機(jī)電流電壓、開關(guān)負(fù)荷電流、母線電壓、操作機(jī)構(gòu)位移特性等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析。通過對(duì)控制回路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全電氣參數(shù)進(jìn)行全壽命監(jiān)測(cè)，能夠?qū)ν辉O(shè)備每次工作性能進(jìn)行數(shù)據(jù)緩變建模分析，準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)備老化程度和老化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)設(shè)備健康狀況。

該系統(tǒng)還能夠?qū)ν瑥S家、同型號(hào)、同批次的設(shè)備進(jìn)行設(shè)備性能橫向?qū)Ρ?。系統(tǒng)運(yùn)行期間，對(duì)一系列高壓斷路器設(shè)備進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，通過斷路器同比發(fā)現(xiàn)性能表現(xiàn)落后的設(shè)備，可對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。相關(guān)分析數(shù)據(jù)見表4。

表4 同類設(shè)備分析數(shù)據(jù)

?

通過表4數(shù)據(jù)可明顯看出設(shè)備DLQ-15和設(shè)備DLQ-04性能落后于同類設(shè)備，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

1.4 全監(jiān)測(cè)錄波的意義

對(duì)交流動(dòng)力回路、操控回路電壓電流進(jìn)行同時(shí)刻數(shù)據(jù)對(duì)比，確保電壓數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；異常數(shù)據(jù)自動(dòng)過濾，防止發(fā)生信息誤導(dǎo)；采用雙重故障錄波數(shù)據(jù)互為備份，雙重保障，故障分析依據(jù)更可靠；作為其他設(shè)備監(jiān)測(cè)功能與性能的緩變劣化和突發(fā)故障衡量標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)調(diào)整設(shè)備帶來的影響。

2 試運(yùn)行效果

本系統(tǒng)核心組件在嘉峪關(guān)、玉門、干柴灘、軍馬場(chǎng)、南華、丹霞等11個(gè)牽引變電所試運(yùn)行。系統(tǒng)安裝后，共收集故障錄波1 010次（10 kHz采樣），實(shí)時(shí)錄波數(shù)據(jù)283 TB（1 kHz），共發(fā)現(xiàn)一次設(shè)備隱患1次，二次設(shè)備隱患3次，保護(hù)動(dòng)作行為診斷分析10次，判定保護(hù)誤動(dòng)1次，發(fā)現(xiàn)定值隱患14次。表5羅列了部分故障、系統(tǒng)檢出能力和檢出方法、檢出次數(shù)的對(duì)照。

表5 部分故障和系統(tǒng)運(yùn)行后檢出效果

隨著系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，對(duì)不同牽引所同類型設(shè)備數(shù)據(jù)的收集對(duì)比，會(huì)極大豐富故障診斷數(shù)學(xué)模型的樣本數(shù)量并提高系統(tǒng)對(duì)設(shè)備故障發(fā)現(xiàn)的能力，給變電所的無人值守、可靠運(yùn)維帶來革命性的變化，徹底改變?nèi)斯ざㄐ詰{經(jīng)驗(yàn)的維護(hù)方式，逐漸發(fā)展為分散同步基于大數(shù)據(jù)的方式。

3 系統(tǒng)拓展應(yīng)用價(jià)值評(píng)估

本系統(tǒng)拓展應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖4所示。

信息采集與故障診斷系統(tǒng)不僅支持牽引變電所交流回路電氣信息監(jiān)測(cè)，還可兼顧直流系統(tǒng)全部電氣信息、控制回路信息、保護(hù)動(dòng)作信息、絕緣子狀態(tài)信息、地網(wǎng)電位等信息，通過數(shù)據(jù)同步采集將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效、科學(xué)地進(jìn)行聯(lián)合。

以壓互數(shù)據(jù)對(duì)比為例，原有的電氣保護(hù)裝置電壓數(shù)據(jù)源于壓互數(shù)據(jù)輸出，其正常工作的前提是數(shù)據(jù)源輸入正確，而與此相關(guān)的前提是壓互設(shè)備正常工作，當(dāng)壓互出現(xiàn)問題時(shí)，原有的電氣裝置會(huì)根據(jù)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)得出錯(cuò)誤的分析結(jié)果，因此不具備缺陷自檢能力。

本方法對(duì)各裝置主分支電氣信息進(jìn)行采集并同步分析，當(dāng)壓互等設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)其他電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢驗(yàn)證，即具備對(duì)數(shù)據(jù)源準(zhǔn)確性與合理性的校驗(yàn)功能，在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢，提升系統(tǒng)整體可靠性。應(yīng)用時(shí)，將原系統(tǒng)數(shù)據(jù)與分析結(jié)果一并接入本系統(tǒng)中，對(duì)原系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步驗(yàn)證，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)論進(jìn)行雙重分析驗(yàn)證，最大程度地避免了各設(shè)備間因數(shù)據(jù)盲區(qū)和設(shè)備自身故障導(dǎo)致的問題。

3.1 同步數(shù)據(jù)管理效益

本系統(tǒng)產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)具備大數(shù)據(jù)特征，通過各模塊（個(gè)體）關(guān)聯(lián)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高頻率、高密度采集分析，能夠全面深入地了解系統(tǒng)行為，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的精細(xì)管理。當(dāng)系統(tǒng)因故障產(chǎn)生跳閘時(shí)，相應(yīng)的直流系統(tǒng)供電功率增大，二者幾乎同時(shí)發(fā)生，并且具有高度關(guān)聯(lián)性，只有通過高精度同步技術(shù)，才能夠?qū)⑦@種數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性捕捉并深度挖掘關(guān)聯(lián)后的數(shù)據(jù)價(jià)值。本系統(tǒng)能夠?qū)@種關(guān)聯(lián)性進(jìn)行高保真度還原，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并記錄形成波形文件；對(duì)所有的跳閘數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋Y(jié)合跳閘時(shí)間、原因、行為表現(xiàn)，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的特征，形成系統(tǒng)跳閘故障時(shí)參數(shù)表現(xiàn)模型，通過模型逆向推算分析系統(tǒng)的跳閘回路是否存在隱患，例如漏電、絕緣破損等，直接避免跳閘回路故障導(dǎo)致的變電所失靈、誤動(dòng)、拒動(dòng)、越級(jí)跳閘，全線停電等事故。

牽引變電所供電區(qū)間由于機(jī)車駛?cè)牒婉傠x，分為雙向有機(jī)車、單向有機(jī)車、無機(jī)車等狀態(tài)，又由于機(jī)車駛?cè)腭傠x情況不同，帶載狀態(tài)復(fù)雜，且大多區(qū)段根據(jù)負(fù)荷等級(jí)又分為貫通線和自閉線供電，系統(tǒng)供電狀態(tài)較多，這種情況下，各分立模塊數(shù)據(jù)同步關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)資源具有不可估量的價(jià)值。本系統(tǒng)能夠詳細(xì)記錄機(jī)車每次駛?cè)牒婉傠x供電區(qū)間的電流、電壓變化過程，長(zhǎng)期記錄各種狀態(tài)詳細(xì)數(shù)據(jù)，分析機(jī)車發(fā)電機(jī)、接觸臂狀態(tài)、接觸臂破損情況、導(dǎo)線磨損情況、受電弓滑板磨損情況等，對(duì)眾多狀態(tài)進(jìn)行分組分類綜合分析對(duì)比，對(duì)機(jī)車駛?cè)胫榴傠x全過程區(qū)間全電氣信息進(jìn)行詳細(xì)記錄和數(shù)據(jù)同步關(guān)聯(lián)。

這些豐富的數(shù)據(jù)將進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)牽引供變電系統(tǒng)的研究，刺激和推動(dòng)牽引變電所電氣信息監(jiān)測(cè)與更高級(jí)更先進(jìn)的研究算法的產(chǎn)生，提升牽引供變電系統(tǒng)的維護(hù)管理水平。

3.2 長(zhǎng)期緩變分析效益

大多數(shù)電氣設(shè)備故障具有較長(zhǎng)的潛伏期，尤其是因絕緣能力下降、絕緣破損磨損等因素引起的故障，在故障潛伏期間，一些參量如絕緣性能、磨損面受損情況等是隨著設(shè)備使用與設(shè)備老化時(shí)間的推移而逐漸變化的，這些變化可以通過某些電氣參數(shù)表現(xiàn)出來，但由于這類變化微小，不易被發(fā)現(xiàn)，或缺乏有效的監(jiān)測(cè)機(jī)制或算法分析能力，往往不能很好地利用。本系統(tǒng)通過長(zhǎng)錄波機(jī)制，對(duì)較高速采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ)，對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和特征緩變分析。除了文中的緩變分析案例，還對(duì)多組蓄電池參數(shù)，尤其是內(nèi)阻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，通過橫比和縱比數(shù)據(jù)的變化程度能夠反映出電池的健康狀態(tài)，限于篇幅不再贅述。緩變數(shù)據(jù)海量收集和歸納，將促進(jìn)“狀態(tài)檢修”成為日常運(yùn)維方式。

3.3 系統(tǒng)拓展價(jià)值

信息采集與故障診斷系統(tǒng)除了現(xiàn)有的二次設(shè)備電氣信息監(jiān)測(cè)外，其架構(gòu)同時(shí)兼容一次設(shè)備監(jiān)測(cè)，將一次數(shù)據(jù)與二次數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，更深入地挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值。此外，絕緣子監(jiān)測(cè)、地網(wǎng)地電位監(jiān)測(cè)、電源監(jiān)測(cè)、保護(hù)系統(tǒng)分析等模塊的完善，將進(jìn)一步拓展?fàn)恳┳冸娤到y(tǒng)智能化研究。

4 結(jié)論

基于分散同步數(shù)據(jù)的故障綜合管理系統(tǒng)可有效解決綜自設(shè)備只對(duì)本裝置所采集的信息進(jìn)行顯示，缺少裝置采集量準(zhǔn)確性判斷手段的問題，其具備的定量核對(duì)功能可有效減少人為校驗(yàn)定值的任務(wù)量，并提升作業(yè)效率。研究表明，該系統(tǒng)不僅適用于電氣化鐵路牽引變電所，同樣適用于現(xiàn)有的大多數(shù)依賴傳統(tǒng)綜自設(shè)備進(jìn)行保護(hù)控制的站點(diǎn)。