何小兵 陳學鋒 陳 俊 周朝輝

(1.蘇州市軌道交通集團有限公司運營一分公司，215100，蘇州；2.上海玖道信息科技股份有限公司，200050，上海∥第一作者，高級工程師)

伴隨城市軌道交通網(wǎng)絡化建設規(guī)模的日益擴大，為提高生產(chǎn)安全和作業(yè)效率、提高設備可靠性，全國各地的城市軌道交通運營單位都在致力于智能化運維的應用探索和研究?；谠O備在線監(jiān)測技術和大數(shù)據(jù)分析技術構建的智能運維系統(tǒng)，已然成為今后城市軌道交通生產(chǎn)運維模式變革的重要趨勢。

城市軌道交通超大規(guī)模網(wǎng)絡化供電系統(tǒng)智能運維建設的關鍵在于，建立集設備實時感知預警、設備全壽命管理、生產(chǎn)業(yè)務流程管控、專家分析系統(tǒng)于一體的供電智能運維系統(tǒng)[1]，實現(xiàn)從傳統(tǒng)的依靠人力、物力疊加式維護模式向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化運維模式的轉(zhuǎn)變，能夠有效解決“能源、業(yè)務、數(shù)據(jù)”多流合一及“管、用、修”業(yè)務融合的系統(tǒng)管控難題，促進對設備、資源和業(yè)務的動態(tài)監(jiān)測、優(yōu)化配置、精準調(diào)度和協(xié)同運轉(zhuǎn)，推動供電運維技術與管理模式的創(chuàng)新，確保軌道交通供電質(zhì)量和安全。

設備實時感知預警是通過運用應激式自適應采集、控制、預處理、多協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)重構等邊緣計算技術，綜合應用多種監(jiān)測傳感裝置，采集設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)并根據(jù)預置規(guī)則報警和分析預警。多傳感裝置的并行數(shù)據(jù)采集客觀形成了多源異構數(shù)據(jù)以及關聯(lián)復雜事件，亟需一種有效的方法實現(xiàn)邊緣計算處理。在多源異構數(shù)據(jù)處理方面，文獻[2]提出了一種基于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的多源異構數(shù)據(jù)并行可配置采集方法；文獻[3]針對牽引變壓器利用多源異構數(shù)據(jù)進行故障診斷平臺的設計和應用；文獻[4]基于電力物聯(lián)網(wǎng)多源異構數(shù)據(jù)研究了變電站智能健康評估的方法。以上研究采用的方法在指定場景得到了有效應用，但面向城市軌道交通供電智能運維的全場景應用，上述方法對大量多源異構數(shù)據(jù)采集后的復雜事件分析處理深度不足。

針對上述問題，本文提出了一種基于多源異構數(shù)據(jù)和復雜事件的實時主動處理技術，并探討了該技術在實際供電智能運維場景的應用情況，可為軌道交通供電智能運維平臺的建設提供借鑒。

1 復合事件多源異構數(shù)據(jù)主動處理的系統(tǒng)架構和系統(tǒng)分層

城市軌道交通供電智能運維的多源異構數(shù)據(jù)并行采集和復合事件主動處理技術架構設計包含5個層次：設備設施層、感知層、動態(tài)采集層、復合事件處理層和應用可視化層。采集接入點包括設備間隔層智能電子設備(如綜合保護裝置)、各類傳感裝置，以及變電所綜合自動化系統(tǒng)遙信、遙測、遙脈數(shù)據(jù)等。多源異構數(shù)據(jù)并行采集和復合事件處理技術架構如圖1所示。

圖1 多源異構數(shù)據(jù)并行采集和復合事件處理技術架構Fig.1 Technical architecture of multi-source heterogeneous data parallel collection and compound event processing

文獻[5]定義了CPS(信息物理系統(tǒng))的5C技術體系架構：智能連接、智能分析、智能網(wǎng)絡、智能認知和智能配置與執(zhí)行。根據(jù)CPS理論，設備設施層是運維對象的實體空間(或物理空間)，在其基礎上構建的智能運維系統(tǒng)，屬于賽博空間(或信息空間)，感知層是連接兩者的接口。在本文應用研究中，感知層包含了巡檢機器人、紅外測溫、無線測溫、局放監(jiān)測、溫控儀、環(huán)境溫濕度、臭氧濃度、六氟化硫(SF6)氣體濃度等傳感裝置。

本文設計的動態(tài)采集層對應CPS 5C中的智能連接層，包括動態(tài)配置管理模塊、并行采集模塊、采集狀態(tài)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)清洗模塊、數(shù)據(jù)標準化模塊、數(shù)據(jù)鏈路構建模塊和數(shù)據(jù)分發(fā)模塊。其中:數(shù)據(jù)清洗模塊負責數(shù)據(jù)質(zhì)量校驗;數(shù)據(jù)標準化模塊負責內(nèi)部分類編碼、屬性編碼等的統(tǒng)一；數(shù)據(jù)分發(fā)模塊負責數(shù)據(jù)進入下一步業(yè)務邏輯處理過程的數(shù)據(jù)分發(fā)。數(shù)據(jù)存儲設計方面，高頻實時數(shù)據(jù)存儲于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，用于實時數(shù)據(jù)顯示；按照既定頻率采集的數(shù)據(jù)首先緩存于消息隊列，然后再存儲于時序數(shù)據(jù)庫。

復合事件處理層對應CPS 5C中的智能分析層，包括規(guī)則配置管理模塊、簡單事件規(guī)則引擎、簡單事件處理模塊、復合事件規(guī)則引擎、復合事件合成處理模塊、報警/預警模塊、趨勢分析模塊和多維關聯(lián)分析模塊，分析數(shù)據(jù)存儲于關系型數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)。應用可視化層是人機界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的業(yè)務可視化展示。

復合事件多源異構數(shù)據(jù)處理技術的應用方法如下：首先，在啟動時加載數(shù)據(jù)采集和預處理策略，并加載報警規(guī)則，進入待機狀態(tài)；其次，基于采集數(shù)據(jù)進行規(guī)則運算，完成單一事件處理；然后，按照規(guī)則進行復合事件的合成處理，生成報警、預警或分析結果；最后，根據(jù)報警和預警信息，動態(tài)調(diào)整為故障狀態(tài)下的采集策略并跟蹤故障處理狀態(tài)，待故障關閉且取消報警后，恢復常規(guī)采集策略。多源異構數(shù)據(jù)并行采集和復合事件主動處理過程設計如圖2所示。

圖2 多源異構數(shù)據(jù)并行采集和復合事件處理狀態(tài)機

2 城市軌道交通供電智能運維的多源異構數(shù)據(jù)構成

城市軌道交通供電系統(tǒng)由外部電源、主變電所、中壓供電網(wǎng)絡、牽引供電系統(tǒng)、動力照明供電系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、雜散電流防護系統(tǒng)、防雷和接地系統(tǒng)等部分組成，本文的應用研究對象是正線站的牽引/降壓混合變電所。

城市軌道交通供電智能運維系統(tǒng)在充分利用傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的基礎上，需加強對供電設備本體及運行環(huán)境的智能巡檢和在線監(jiān)測，實現(xiàn)對設備健康狀態(tài)的實時感知預警。主流的監(jiān)測方法包括智能巡檢機器人[6]、紅外在線監(jiān)測[7]、局放在線監(jiān)測[8]、斷路器機械特性監(jiān)測[9]等。感知層傳感裝置主要包括巡檢機器人、云臺攝像機、紅外熱像儀、無線測溫傳感器、局放監(jiān)測傳感器、臭氧傳感器、六氟化硫(SF6)傳感器、溫濕度傳感器等。感知層多源異構數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 多源異構數(shù)據(jù)Tab.1 Multi-source heterogeneous data

3 復合事件多源異構數(shù)據(jù)處理技術的核心構成

牽引/降壓混合變電所內(nèi)的主要設備包括整流變壓器、動力變壓器、35 kV開關柜、1 500 V直流開關柜、400 V開關柜等，本文主要以變壓器和35 kV開關柜為例開展多源處理分析，并探討有限空間環(huán)境監(jiān)測的多源處理和基于復合事件的聯(lián)動處理，研究結果有助于明晰復合事件多源異構數(shù)據(jù)處理技術的核心構成。

3.1 變壓器狀態(tài)的多源處理

針對整流變壓器和動力變壓器，采用局放監(jiān)測、紅外測溫、溫控儀測溫、臭氧濃度監(jiān)測和環(huán)境溫濕度監(jiān)測等多維度監(jiān)測，可綜合判定變壓器設備的健康狀態(tài)。變壓器設備健康狀態(tài)判定指標如表2所示。

表2 變壓器健康狀態(tài)判定條件Tab.2 Judgment conditions of transformer health state

根據(jù)表2所示的判定指標及變壓器工作原理所構建的判定變壓器設備健康狀態(tài)的復合事件處理如下：

1) 復合事件1：局部放電過高報警+臭氧濃度超限報警(局放-臭氧)的組合報警。變壓器局部放電產(chǎn)生高頻電磁波，特高頻傳感器能夠感知并通過特征計算發(fā)出報警信息；局部放電使空氣中產(chǎn)生臭氧，臭氧濃度傳感器產(chǎn)生超限報警。局放-臭氧復合事件可加強變壓器局放問題確認，降低單一傳感器故障引起的誤報。

2) 復合事件2：局放過高報警與環(huán)境濕度超限報警(局放-環(huán)境濕度)的組合報警，可對局放的裂化趨勢進行預判，提醒問題跟蹤。

3) 復合事件3：變壓器監(jiān)測點超溫+輸入電流有效值過高(溫度-電流)的組合報警。反映由大電流引起的變壓器溫度過高問題。變壓器測溫點包括內(nèi)部的三相繞組、鐵芯，以及外部高、低壓側(cè)的電纜終端接頭和連桿接頭等部位。

4) 復合事件4：變壓器監(jiān)測點超溫報警+局放過高報警(溫度-局放)的組合報警。反映局部放電引起的變壓器溫度過高問題，并可結合測溫點輔助故障定位。

3.2 35 kV開關柜狀態(tài)的多源處理

針對35 kV開關柜(以下簡稱開關柜)，采用電流監(jiān)測、局放監(jiān)測、臭氧濃度監(jiān)測、進/出線電纜溫度監(jiān)測和環(huán)境溫/濕度監(jiān)測等多維度監(jiān)測，綜合判定開關柜設備的健康狀態(tài)。開關柜設備健康狀態(tài)判定指標如表3所示。

表3 35 kV開關柜健康狀態(tài)判定條件Tab.3 Judgment conditions of 35 kV switchgear health state

根據(jù)表3所示的判定指標及開關柜工作原理所構建的判定開關柜設備健康狀態(tài)的復合事件處理如下：

1) 復合事件1：局部放電過高報警+臭氧濃度超限報警(局放-臭氧)的組合報警。開關柜局部放電產(chǎn)生高頻電磁波，特高頻傳感器能夠感知并通過特征計算發(fā)出報警信息；局部放電使空氣中產(chǎn)生臭氧，臭氧濃度傳感器產(chǎn)生超限報警。局放-臭氧復合事件可加強開關柜局放問題確認，降低單一傳感器故障引起的誤報。

2) 復合事件2：局放過高報警與環(huán)境濕度超限報警(局放-環(huán)境濕度)的組合報警，可對局放的裂化趨勢進行預判，提醒問題跟蹤。

3) 復合事件3：進/出線電纜監(jiān)測點超溫+輸入電流有效值過高(溫度-電流)的組合報警。反映由大電流引起的進/出線電纜溫度過高問題，三相電纜測溫點選在開關柜電纜室內(nèi)電纜終端接頭附近。

4) 復合事件4：開關柜監(jiān)測點超溫報警+局放過高報警(溫度-局放)的組合報警。反映局部放電引起的開關柜溫度過高問題，并可結合測溫點輔助故障定位。

3.3 35 kV開關柜斷路器狀態(tài)的多源處理

通過巡檢機器人或攝像機對35 kV開關柜設備進行智能巡檢，通過對指示燈狀態(tài)和開關位置的圖像識別處理，綜合判定斷路器分/合閘狀態(tài)，判定指標如表4所示。

表4 35 kV開關柜斷路器狀態(tài)判定條件

根據(jù)表4所示的判定指標及35 kV開關柜工作原理所構建的判定斷路器分/合狀態(tài)的復合事件處理如下：

判定條件0100，狀態(tài)為合閘；判定條件1011，狀態(tài)為分閘；判定條件00XX或11XX，判定為指示燈故障或圖像識別錯誤，可下達再識別指令進行二次確認；判定條件XX01或XX10，判定為機械位置故障或圖像識別錯誤，可下達再次識別指令進行二次確認。

3.4 35 kV開關柜氣室壓力狀態(tài)的多源處理

SF6氣體處于密封的氣室內(nèi)，主要作用于主回路的絕緣，SF6氣體壓力過高或過低均會對設備造成影響。SCADA系統(tǒng)只有SF6壓力過高或過低的報警信息，沒有氣室壓力值的數(shù)字量?？赏ㄟ^巡檢機器人或攝像機對開關柜SF6壓力表讀數(shù)進行圖像識別處理，結合SF6傳感器和SCADA系統(tǒng)報警信息，綜合判定35 kV開關柜氣室壓力狀態(tài)，判定指標如表5所示。

表5 35 kV開關柜氣室壓力狀態(tài)判定條件

根據(jù)表5所示的判定指標及35 kV開關柜工作原理所構建的判定氣室壓力狀態(tài)的復合事件處理如下：

通過智能巡檢圖像識別SF6壓力表讀數(shù)，根據(jù)閾值設定過高/過低報警，同時結合SCADA系統(tǒng)SF6壓力過高/過低報警，互為判定，加強報警事件的雙確認；對SF6氣室壓力值巡檢數(shù)據(jù)生成歷史曲線，比較環(huán)境SF6氣體濃度變化歷史曲線，進行趨勢判斷，實現(xiàn)預告報警。

面對多傳感器和異構系統(tǒng)產(chǎn)生的多源異構數(shù)據(jù)，研制感知數(shù)據(jù)智能網(wǎng)關軟件,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、匯聚，并基于復合事件的實時主動處理，基于可視化技術的人機界面，實現(xiàn)了供電設備狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)的全覆蓋，多維展示設備健康狀態(tài)。

4 應用實例

本文研究設計的復合事件多源異構數(shù)據(jù)的實時主動處理技術，在蘇州軌道交通4號線吳江人民廣場站進行了測試和試點應用。該站變電所類型為牽引、降壓混合變電所，主要設備用房包括35 kV/1 500 V開關柜室、400 V開關柜室(含動力變壓器)、整流變壓器室和控制室，現(xiàn)場感知層設備安裝部署如圖3所示。通過設備安裝調(diào)試和軟件開發(fā)測試，實現(xiàn)了復合事件多源異構數(shù)據(jù)的實時主動處理技術在供電智能運維站級系統(tǒng)的有效應用，部分應用如圖4～6所示。

5 結語

本文基于多傳感器協(xié)同監(jiān)測問題，提出了一種基于精確感知多種不同傳感器可能在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量多層次數(shù)據(jù)的并行采集方法，研究了復合事件多源異構數(shù)據(jù)的實時主動處理技術。該技術以單一傳感器的狀態(tài)監(jiān)測作為簡單事件，通過邏輯操作和時序操作，將不同層次的簡單事件融合為復雜事件，從多個維度描述設備的健康狀態(tài)，實現(xiàn)了供電設備狀態(tài)、表計、指示、環(huán)境等參數(shù)的全覆蓋，在具體的工程實踐中獲得應用。

圖3 感知層設備安裝部署Fig.3 Installation and deployment of perception layer devices

圖4 35 kV開關柜斷路器狀態(tài)多源處理軟件截圖

圖5 整流變壓器、動力變壓器狀態(tài)多源處理軟件截圖