自動(dòng)化智能運維系統在高鐵牽引變電所的研究與應用

摘要：目前，高鐵牽引變電所綜合自動(dòng)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(dòng)化系統的運維技術(shù)，提出針對性的智能運維解決方案，實(shí)現對綜合自動(dòng)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(yíng)安全。

關(guān)鍵詞：高鐵；綜合自動(dòng)化；智能運維

0.引言

牽引變電所綜合自動(dòng)化系統是保障高鐵安全運營(yíng)的重要設施，有效的運營(yíng)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(dòng)化系統維護維修進(jìn)行信息化管理，依然停留在“計劃修"“故障修"階段，自動(dòng)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(xiàn)監視與診斷裝置技術(shù)規范》（Q/GDW11361—2017）[1]標準。文章通過(guò)科研立項，針對傳統和智能牽引變電所綜合自動(dòng)化系統的智能運維進(jìn)行深入研究，現場(chǎng)搭建運維管理系統，可以提高綜合自動(dòng)化系統運維智能化水平，促進(jìn)綜合自動(dòng)化系統運維向“狀態(tài)修"轉變。

1.課題研究?jì)热?/span>

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(dòng)化系統的智能運維管理平臺的系統構成方案，作為實(shí)現智能運維功能的硬件基礎。

1.2既有綜合自動(dòng)化系統的智能運維功能

針對既有綜合自動(dòng)化系統的研究，以不改動(dòng)既有軟硬件、不影響既有線(xiàn)運營(yíng)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(shí)現功能。

（1）實(shí)現綜合自動(dòng)化系統履歷管理信息化與在線(xiàn)參數校核。

（2）利用綜合自動(dòng)化系統裝置自診斷信息和有邏輯管線(xiàn)的監測信息，通過(guò)深挖數據潛力，實(shí)現既有綜合自動(dòng)化系統裝置的運行狀態(tài)診斷。

1.3智能綜合自動(dòng)化系統的智能運維功能

針對未來(lái)綜合自動(dòng)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(dòng)化系統相關(guān)保護測控裝置進(jìn)行軟、硬件升級，實(shí)現對裝置的詳細自診斷。除了實(shí)現原有功能外，針對智能綜合自動(dòng)化系統的特點(diǎn)增加功能。

（1）增加裝置箱內溫度采集回路，實(shí)現對裝置內部環(huán)境參數的實(shí)時(shí)監測。

（2）根據裝置MTBF時(shí)間與裝置運行環(huán)境溫度計算裝置整體的預期剩余壽命，設置報警限值進(jìn)行預警。

（3）研究基于智能牽引變電所綜合自動(dòng)化系統的虛端子可視化、網(wǎng)絡(luò )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(dòng)化系統智能運維系統的搭建

傳統綜合自動(dòng)化系統智能運維實(shí)施方案如圖1所示。

圖1傳統綜合自動(dòng)化系統智能運維實(shí)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(dòng)化系統通信管理機進(jìn)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(guān)系和診斷邏輯，生成對應裝置的專(zhuān)家經(jīng)驗庫。從通信層網(wǎng)絡(luò )獲取間隔層保護裝置的自檢告警信息、各類(lèi)回路電氣量信息以及狀態(tài)量信息，與裝置專(zhuān)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(shí)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(tài)信息和故障動(dòng)作告警信息等數據通過(guò)新增的運維管理機中轉，發(fā)送給智能運維后臺機。智能運維后臺機通過(guò)對綜合運維信息進(jìn)行數據篩選分類(lèi)，結合專(zhuān)家經(jīng)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(dòng)化系統智能運維的搭建

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

3.傳統綜合自動(dòng)化系統的智能運維功能

3.1綜合自動(dòng)化裝置履歷信息管理

（1）裝置臺賬信息管理。

對設備信息實(shí)現記錄控制、存檔控制、基線(xiàn)控制分層管理，在運維日常工作中，定期對裝置信息進(jìn)行校核。記錄控制用于管理裝置的相關(guān)生產(chǎn)信息，記錄裝置在服役時(shí)間內發(fā)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(jìn)行定期檢查，防止誤修改而引起設備運行異常?；€(xiàn)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(guān)內容，同時(shí)進(jìn)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(jìn)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(dòng)化裝置運行狀態(tài)診斷

（1）動(dòng)態(tài)自診斷管理。

對變電所內綜合自動(dòng)化裝置自診斷信息分類(lèi)匯總，對故障設備進(jìn)行標記，并提出處理措施。

（2）綜合診斷管理。

實(shí)現對全站信息電氣量比較分析，判斷存在的故障。

①比較進(jìn)線(xiàn)保護裝置采集的電壓互感器電壓與自投裝置采集的進(jìn)線(xiàn)抽壓裝置電壓，判斷兩個(gè)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(gè)電流采集回路的故障。

③比較中壓進(jìn)線(xiàn)、饋線(xiàn)各間隔采集的中壓母線(xiàn)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(jìn)線(xiàn)電流與各饋線(xiàn)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(shí)，判斷位置信號故障。

4.智能綜合自動(dòng)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(shí)現對裝置板件的自我身份識別，可查詢(xún)、可追溯。實(shí)現板件的精細化管理，可以對設備板卡信息進(jìn)行全生命過(guò)程跟蹤。記錄設備板卡更換信息，進(jìn)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(jìn)行設備臺賬管理，記錄追溯資產(chǎn)事件?？梢葬槍ρb置信息實(shí)現記錄控制、存檔控制、基線(xiàn)控制分層管理。

4.2智能變電站運維狀態(tài)診斷

（1）運行狀態(tài)自診斷。

包括保護裝置的CPU板件、模擬量插件、開(kāi)入插件、操作插件、內部工作電源監視回路、過(guò)程層光口的監視的自診斷。自動(dòng)化裝置定時(shí)向運維終端傳送裝置的日志文件。

運維終端通過(guò)日志文件對裝置的自檢和動(dòng)態(tài)運行狀態(tài)進(jìn)行正確分析。

設置對板件5V工作電源回路的采樣回路，實(shí)時(shí)監測工作電壓波動(dòng)。電壓超出設置的工作范圍時(shí)，裝置發(fā)出告警信號，及時(shí)在裝置故障之前進(jìn)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)測量溫度進(jìn)行計算，計算采用阿列紐斯方程：

（1）式中：L——環(huán)境溫度為T(mén)時(shí)的使用壽命（h）；L0——峰值溫度時(shí)額定壽命（h）；T0——額定峰值使用溫度(℃);T——環(huán)境溫度(℃)。

保護測控裝置壽命預測曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2保護測控裝置壽命預測曲線(xiàn)

4.3虛端子可視化與數字化網(wǎng)絡(luò )分析診斷

系統采集過(guò)程層交換機和站控層的管理數據，結合業(yè)務(wù)數據對虛端子回路實(shí)路徑進(jìn)行在線(xiàn)監視，實(shí)現智能變電站虛端子回路的可視化，符合NB/T42015-2013[2]的相關(guān)規定。

系統通過(guò)網(wǎng)絡(luò )分析裝置可以實(shí)時(shí)記錄各個(gè)裝置接入的網(wǎng)絡(luò )報文，分析網(wǎng)絡(luò )報文的錯誤和故障。繼電保護裝置對接入的過(guò)程層的SV和GOOSE相關(guān)數據進(jìn)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(lián)網(wǎng)＋、大數據、移動(dòng)通訊等技術(shù)開(kāi)發(fā)的云端管理平臺，滿(mǎn)足用戶(hù)或運維公司監測眾多變電所回路運行狀態(tài)和參數、室內環(huán)境溫濕度、電纜及母線(xiàn)運行溫度、現場(chǎng)設備或環(huán)境視頻場(chǎng)景等需求，實(shí)現數據一個(gè)中心，集中存儲、統一管理，方便使用，支持具有權限的用戶(hù)通過(guò)電腦、手機、PAD等各類(lèi)終端鏈接訪(fǎng)問(wèn)、接收報警，并完成有關(guān)設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。

5.2應用場(chǎng)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(yè)服務(wù)、公用事業(yè)等行業(yè)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(kāi)關(guān)量采集裝置等。除攝像頭外，其它設備通過(guò)RS485總線(xiàn)接入現場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)RS485端口。

傳輸層：包含現場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)和交換機等設備。智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)采集現場(chǎng)設備層設備的數據，并可進(jìn)行規約轉換，數據存儲，并通過(guò)交換機把數據上傳至服務(wù)器端口，網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)數據可存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò )恢復時(shí)從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務(wù)器端數據不丟失。

應用層：包含應用服務(wù)器和數據庫服務(wù)器，若變電所數量小于30個(gè)則應用服務(wù)器和數據庫服務(wù)器可以合一配置。服務(wù)器需要具備固定IP地址，以接收各智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)傳送過(guò)來(lái)的數據。

展示層：用戶(hù)通過(guò)手機、平板、電腦等多終端的方式訪(fǎng)問(wèn)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(hù)按總用電量、變電站名稱(chēng)、變電站編號等查詢(xún)所管理站所的用電量，

5.4.2站點(diǎn)監測

站點(diǎn)監測包括概況、運行狀態(tài)、當日事件記錄、當日逐時(shí)用電曲線(xiàn)、用電概況。

5.4.3變壓器狀態(tài)

變壓器狀態(tài)支持用戶(hù)查詢(xún)所有或某個(gè)站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態(tài)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(hù)管理的有關(guān)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(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流等運行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細運行參數查詢(xún)。

5.4.6視頻監控

視頻監控展示了當前實(shí)時(shí)畫(huà)面（視頻直播），選中某一個(gè)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(shí)時(shí)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(jìn)行分析。

5.4.9任務(wù)管理

任務(wù)管理頁(yè)面可以發(fā)布巡檢或消缺任務(wù)，查看巡檢或消缺任務(wù)的狀態(tài)和完成情況，可以點(diǎn)擊查看任務(wù)查看具體的巡檢信息。

5.4.10用戶(hù)報告

用戶(hù)報告頁(yè)面主要用于對選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)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(jìn)行統計分析，并列出在該周期內巡檢時(shí)發(fā)現的各類(lèi)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(hù)報告"七大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線(xiàn)、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢(xún)，設備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)、用戶(hù)報告、文檔管理等。

5.5系統硬件配置

6.結語(yǔ)

通過(guò)研究與開(kāi)發(fā)，在京滬高鐵現場(chǎng)搭建了綜合自動(dòng)化系統智能運維管理平臺。該平臺通過(guò)近半年的掛網(wǎng)試運行，初步實(shí)現對綜合自動(dòng)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(lǐng)域，為智慧地鐵的建設提供參考。

參考文獻

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[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用設計,2022,05版.