吳慶兵

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

城市軌道交通牽引變電所為列車牽引供電、車站等提供電能，是保障軌道交通運行的基本環(huán)節(jié)。國內(nèi)城市軌道交通牽引變電所對系統(tǒng)及設(shè)備的保護，主要通過設(shè)置保護裝置實現(xiàn)[1]。經(jīng)過多年技術(shù)發(fā)展，牽引變電所電力監(jiān)控系統(tǒng)四遙（遙控、遙測、遙信、遙調(diào)）功能基本可靠[2]，極大地提高了變電所運行效率，通過增加遙視功能，可逐步滿足牽引變電所的無人化建設(shè)條件[3]。

長期以來，供電系統(tǒng)均堅持預(yù)防性檢修，缺乏對設(shè)備狀態(tài)的實時掌控，無法發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障先兆[4]；維修具有盲目性，部分設(shè)備故障在兩次檢修周期之間較快發(fā)展成事故；同時大量設(shè)備運行數(shù)據(jù)未被有效利用[5]。隨著軌道交通線網(wǎng)井噴式發(fā)展，供電設(shè)備管理難度增加，人、物、財投入不斷攀升，傳統(tǒng)診斷方式已經(jīng)難以滿足當(dāng)前行業(yè)發(fā)展需求，計劃修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)修勢在必行，因此城市軌道交通牽引變電所在線監(jiān)測方案研究至關(guān)重要。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

城市軌道交通牽引變電所在線監(jiān)測系統(tǒng)采用集中管理、分散布置的模式，分層、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6]。

在線監(jiān)測系統(tǒng)由中央級、站級、過程層、現(xiàn)場設(shè)備層等組成。在控制中心設(shè)中央級管理系統(tǒng)，在正線各變電所設(shè)站級管理系統(tǒng)，覆蓋范圍包含各變電所、車輛基地。供電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 地鐵線路在線監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.1 中央管理層

中央管理層由設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測子系統(tǒng)、狀態(tài)分析評估子系統(tǒng)及設(shè)備信息管理系統(tǒng)組成。

供電設(shè)備狀態(tài)分析評估子系統(tǒng)通過采集和存儲供電設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻巡檢圖像、動環(huán)數(shù)據(jù)等，利用人工智能算法，實現(xiàn)對關(guān)鍵設(shè)備故障類型的甄別及原因分析、供電設(shè)備的健康狀態(tài)評估、供電運行狀態(tài)的可靠性分析。

在車站變電所設(shè)置站控層系統(tǒng)，監(jiān)測處理站級供電設(shè)備數(shù)據(jù)，并通過千兆主干網(wǎng)絡(luò)上傳至中央級系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

中央級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要設(shè)備有：1）配置實時服務(wù)器，用于運行供電設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測子系統(tǒng)；2）配置分布式集群存儲歷史服務(wù)器，用于數(shù)據(jù)的存儲與挖掘分析；3）配置中央前置通信管理機FEP，用于與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信；4）配置Web應(yīng)用服務(wù)器、防火墻，用于與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享；5）配置以太網(wǎng)交換機，實現(xiàn)與車站管理工作站、線路通信主干網(wǎng)絡(luò)連接。

圖2 中央級管理層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在線監(jiān)測系統(tǒng)全部功能展示在運維主工作站，根據(jù)運維人員權(quán)限展示相應(yīng)功能操作。

1.2 站級管理層

站級管理層主要為在線監(jiān)測柜，設(shè)置在供電控制室，實現(xiàn)牽引所設(shè)備在線監(jiān)測，同時與車站變電所綜合自動化系統(tǒng)（SCADA）交互數(shù)據(jù)。在線監(jiān)測柜主要設(shè)備有：1）配置以太網(wǎng)交換機，與車站工作站及主干通信網(wǎng)絡(luò)連接。2）配置實時服務(wù)器，用于運行供電設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測子系統(tǒng)，用于網(wǎng)絡(luò)管理、后臺服務(wù)、實時數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能。3）配置通信管理機，用于站級在線監(jiān)測系統(tǒng)與地鐵車站其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信交互[7]。站級管理系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖3所示。

圖3 站級管理層結(jié)構(gòu)圖

1.3 過程設(shè)備層

過程設(shè)備層主要包括綜合監(jiān)測單元和在線監(jiān)測裝置。在線監(jiān)測裝置主要包括對40.5 kV開關(guān)柜、干式變壓器（配電變、整流變、能饋變）、能饋裝置、整流機組、直流開關(guān)柜等設(shè)備的局放溫度等狀態(tài)監(jiān)測需要配置的高頻傳感器、地電波傳感器、光纖測溫傳感器，以及交直流斷路器等的開關(guān)特性監(jiān)測裝置，自動采集、處理和發(fā)送被監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)信息。牽引變電所過程設(shè)備層配置如表1所示。

表1 牽引變電所過程設(shè)備層配置

1.4 間隔層設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方案

1.4.1 高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測方案

40.5 kV GIS開關(guān)柜由于工作電壓較低，不易監(jiān)測到局放信號，選用暫態(tài)地電波（TEV）技術(shù)監(jiān)測其設(shè)備內(nèi)部局放情況，判斷開關(guān)柜絕緣健康。

采用40.5 kV斷路器動作全過程傳感器記錄斷路器每次分合閘動作信息，形成大量樣本積累后作為斷路器健康狀態(tài)評估的重要信息，實現(xiàn)斷路器動作過程的監(jiān)測，避免斷路器誤動、拒動故障的發(fā)生。

1.4.2 干式變壓器在線監(jiān)測方案

在干式變壓器鐵芯接地線上設(shè)置局放高頻（IED）監(jiān)測傳感器監(jiān)測局放情況。

干式變壓器本體常因為渦流損耗、鐵芯絕緣不良、接線端子接觸不良等出現(xiàn)溫度升高，采用紅外熱成像對變壓器本體及接線樁溫度進行7×24 h全天候在線監(jiān)測，及時掌握變壓器關(guān)鍵部件溫升情況。

1.4.3 電力電纜在線監(jiān)測方案

電纜容易因制造工藝、安裝運維不當(dāng)導(dǎo)致絕緣層內(nèi)存在雜質(zhì)、氣隙、裂縫、受力不均等缺陷，極易產(chǎn)生局部放電，嚴(yán)重時甚至?xí)闺娎|發(fā)熱燒毀、造成絕緣擊穿。交流35 kV進線出線電纜頭采用電纜表皮溫度無線測溫技術(shù)，直流1 500 V出線電纜采用紅外熱成像與可見光視頻監(jiān)測電纜表面溫度，當(dāng)溫度值高于設(shè)定的報警閾值時發(fā)出報警信號。

1.4.4 直流開關(guān)柜在線監(jiān)測方案

直流開關(guān)柜工作電流較大，易出現(xiàn)發(fā)熱、燒損等故障，直流電流開斷電弧難熄滅，易造成設(shè)備損壞，故障影響大。

采用溫度監(jiān)測技術(shù)實時監(jiān)測關(guān)鍵設(shè)備溫升，當(dāng)監(jiān)測溫度值高于報警閾值時，通過干接點或同時通過網(wǎng)絡(luò)鏈路發(fā)出報警信號，實現(xiàn)直流斷路器柜內(nèi)溫升器件的實時監(jiān)視，提前發(fā)現(xiàn)和消除故障隱患。

1.4.5 整流器柜在線監(jiān)測方案

整流器柜內(nèi)晶閘管數(shù)量眾多，發(fā)熱嚴(yán)重一直是困擾運檢人員的難題。在交流電纜進線、出線銅排連接點安裝無線測溫傳感器監(jiān)測，避免銅排高溫對傳感器性能及壽命造成影響。

1.4.6 直流設(shè)備框架絕緣在線監(jiān)測方案

通過在直流柜接地線纜安裝高精度電流傳感器，監(jiān)測直流設(shè)備框架電流，提前預(yù)警，判斷絕緣情況。

1.5 機器人巡檢系統(tǒng)

如圖4所示，機器人巡檢系統(tǒng)包括巡檢檢測設(shè)備、服務(wù)器。巡檢檢測設(shè)備對變電所內(nèi)設(shè)備進行全覆蓋監(jiān)控，服務(wù)器集成于在線監(jiān)測系統(tǒng)中，用于存儲信息并與在線監(jiān)測系統(tǒng)通信、執(zhí)行反饋。站內(nèi)機器人與在線監(jiān)測系統(tǒng)采用自適應(yīng)以太網(wǎng)通信。

圖4 機器人巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)功能

2.1 總體功能

在線監(jiān)測系統(tǒng)對牽引所一次供電設(shè)備狀態(tài)測量、處理及分析，運用大數(shù)據(jù)算法。根據(jù)運營需要，提供各類設(shè)備警告、分析診斷結(jié)果及運行狀態(tài)信息，對供電設(shè)備運行發(fā)展趨勢進行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)潛在的隱患和缺陷，并提出對應(yīng)的處置建議，從而優(yōu)化檢修周期、維修方式等，減少地鐵運營維修人員、費用，降低故障率，提高系統(tǒng)可靠性，為線路的智能運維提供支撐。

2.2 中央級管理系統(tǒng)

中央級在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備的功能如下：

1）數(shù)據(jù)采集模塊利用主干傳輸網(wǎng)絡(luò)，從站級管理層獲取變電設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)初加工并存儲在中央層數(shù)據(jù)庫中，以方便實時查看。

2）中央層系統(tǒng)與資產(chǎn)管理系統(tǒng)（LMINS）設(shè)置接口，將設(shè)備臺賬、缺陷、試驗、運行等方面的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)進行整合，為設(shè)備健康狀態(tài)、風(fēng)險評估等功能提供數(shù)據(jù)支持。

3）在中央層平臺上，以列表、曲線和圖譜等方式，展示主設(shè)備的在線監(jiān)測實時數(shù)據(jù)、運行異常信息、歷史數(shù)據(jù)等各類信息。

4）狀態(tài)評估子系統(tǒng)。根據(jù)供電設(shè)備各項關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，進行設(shè)備健康狀態(tài)評估分析。運用大數(shù)據(jù)算法對供電設(shè)備進行多角度狀態(tài)評估分析，如采用負(fù)荷—溫升模型對設(shè)備溫升原因進行分析、利用局放PRPD圖譜分析局放原因等，實現(xiàn)供電設(shè)備健康狀態(tài)評估、剩余壽命預(yù)測、故障統(tǒng)計分析、維修決策等功能。通過對設(shè)備進行健康度分析，預(yù)判未來趨勢，并提供預(yù)防性維護策略。

5）互聯(lián)設(shè)備信息管理子系統(tǒng)。通過分析設(shè)備健康度以及運行狀況信息，3D動態(tài)顯示供電設(shè)備運行狀態(tài)、實時信息、狀態(tài)報警信息、報警點等，讓地鐵運營人員深入了解設(shè)備運行狀況，為設(shè)備運維、檢修周期評估提供進一步的參考。

6）全生命周期管理。利用大數(shù)據(jù)算法和設(shè)備壽命評估機理，結(jié)合設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、PSCADA數(shù)據(jù)、設(shè)備性能參數(shù)、維修數(shù)據(jù)等信息對設(shè)備剩余壽命進行評估，實現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理。

2.3 站級管理層

站級管理層應(yīng)具備的功能如下：

1）對站內(nèi)在線監(jiān)測裝置、綜合測控單元以及所采集的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行全局監(jiān)視、管理和存儲。

2）與變電所綜合自動化系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)）聯(lián)動，整合設(shè)備運行關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為中央級管理系統(tǒng)進行設(shè)備狀態(tài)評估等提供支持。整合數(shù)據(jù)包括：（1）模擬量數(shù)據(jù)：線路電流、母線電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等。（2）狀態(tài)量數(shù)據(jù)：報警總信號、斷路器分閘閉鎖、保護跳閘、就地/遠(yuǎn)方狀態(tài)、斷路器分/合閘狀態(tài)、隔離開關(guān)分/合閘狀態(tài)、接地開關(guān)分/合閘狀態(tài)、斷路器儲能異常、繞組溫度高報警等。

3）存儲各類供電設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)于子站數(shù)據(jù)庫中，并進行初步分析處理后傳輸?shù)街醒爰壒芾硐到y(tǒng)。

4）實時監(jiān)測車站供電設(shè)備狀態(tài)量數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)判斷，及時傳輸預(yù)警信息。

2.4 機器人巡檢功能

機器人巡檢系統(tǒng)集成于在線監(jiān)測站級管理層中，為站級管理層提供視頻識別結(jié)果、紅外測溫溫度、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等結(jié)果性數(shù)據(jù)。

在變電所設(shè)備房設(shè)置機器人巡檢系統(tǒng)和云臺攝像機，對供電設(shè)備進行實時監(jiān)控，并可進行無人巡檢；對設(shè)備故障、跳閘、告警等故障信息進行識別、圖像采集，實現(xiàn)與SCADA系統(tǒng)的聯(lián)動監(jiān)視。

3 總結(jié)及展望

進入21世紀(jì)以來，隨著數(shù)字化、信息化發(fā)展，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用日漸廣泛，為軌道交通供電設(shè)備的狀態(tài)修提供了大量技術(shù)支撐。借助機器人巡測、智能視頻技術(shù)等智能化手段，以供電專業(yè)的各種設(shè)備信息為基礎(chǔ)，融合在線監(jiān)測、設(shè)備檢修等數(shù)據(jù)，可以對設(shè)備進行健康模型建模，建立智能化的故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)。

目前，廣州、深圳地鐵部分線路變電所已配置在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了供電系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、維修人員巡檢效率。未來在線監(jiān)測系統(tǒng)方案還需要結(jié)合更多應(yīng)用場景進行探索和完善，以提高軌道交通供電系統(tǒng)智能化運維管理的效率。