直流牽引供電設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

徐麗莉 石宏明

西門子交通技術(shù)（北京）有限公司上海分公司 上海 200082

引言

目前，軌道交通的運(yùn)維還是以傳統(tǒng)運(yùn)維為主，主要基于定點(diǎn)修、計劃修以及故障修的模式。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會2021年1月1日發(fā)布的《2020年中國內(nèi)地城軌交通線路概況》顯示，“十三五”五年間，中國內(nèi)地城軌交通新增運(yùn)營線路長度總計達(dá)4360公里，新增城軌交通運(yùn)營線路長度超過“十三五”前城軌交通運(yùn)營線路長度累計總和。運(yùn)營線路快速增長，對日常運(yùn)維也造成了較大壓力。直流牽引供電設(shè)備是保證線路運(yùn)營的關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維的需求更加迫切。

1 項目概況

地鐵運(yùn)維實(shí)現(xiàn)智能化成為必然發(fā)展趨勢。本案結(jié)合地鐵用戶對智能運(yùn)維的迫切需求，設(shè)計研發(fā)的直流牽引供電設(shè)備資產(chǎn)管理系統(tǒng)涵蓋設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)、智能維修數(shù)據(jù)以及資產(chǎn)數(shù)據(jù)，提供專業(yè)性全生命周期設(shè)備管理[1]。

2 直流牽引供電系統(tǒng)組成與運(yùn)維策略分析

直流牽引供電網(wǎng)絡(luò)主要由直流開關(guān)設(shè)備、接觸網(wǎng)和回流軌構(gòu)成供電回路。其中，直流開關(guān)柜作為重要的一環(huán)承接整流機(jī)組電源，并饋出到接觸網(wǎng)（軌）通過運(yùn)行軌回流，完成對車輛的牽引供電。主流典型牽引供電一次系統(tǒng)如圖1。

圖1 直流牽引供電典型一次接線示意圖

直流開關(guān)設(shè)備的現(xiàn)有運(yùn)維方式是定點(diǎn)修、計劃修和故障修。定點(diǎn)修和計劃修主要是遵循事先制定的維護(hù)保養(yǎng)計劃，定時定點(diǎn)地對設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維修維護(hù)。故障修是設(shè)備出現(xiàn)故障后進(jìn)行的維修。故障維修可以是徹底維修，也可以是臨時性的維修，設(shè)備在臨時維修之后仍然可以投入運(yùn)營，并等待后續(xù)徹底維修，一般情況下，當(dāng)故障臨時修復(fù)可以繼續(xù)正常運(yùn)行時，優(yōu)先保證正常運(yùn)行，在停止運(yùn)營后再徹底修復(fù)[2]。

上述運(yùn)維方式，面對急速增長的運(yùn)營線路，下列問題日益突出：

線網(wǎng)規(guī)模的急劇擴(kuò)張，運(yùn)維團(tuán)隊專業(yè)技術(shù)力量緊缺；

不同運(yùn)營狀態(tài)下設(shè)備按照固有和一致的方法維護(hù)，經(jīng)濟(jì)綜合效益不高；

委外人員流動較大且不熟悉設(shè)備，導(dǎo)致現(xiàn)場問題不能及時、徹底地解決。

此次設(shè)計研發(fā)的資產(chǎn)管理系統(tǒng)監(jiān)測和管理的設(shè)備主要針對地鐵牽引變電站內(nèi)的直流開關(guān)柜，包括進(jìn)線柜、饋線柜和負(fù)極柜進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合專家分析庫給出維護(hù)維修建議，逐漸實(shí)現(xiàn)由計劃修到狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變。

3 資產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

C/S具有較高的安全性，響應(yīng)較快。但系統(tǒng)重用性差，并且需要安裝特定程序包運(yùn)行，后期維護(hù)成本較大。

B/S一般由界面層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層三層架構(gòu)構(gòu)成。無須安裝特定的客戶端程序，且升級維護(hù)較容易。但由于大部分業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層布置在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，響應(yīng)速度和安全性沒有C/S架構(gòu)高。

由于現(xiàn)場安裝環(huán)境主要在各個地鐵站內(nèi)的直流牽引供電設(shè)備上，網(wǎng)絡(luò)只有局域網(wǎng)。該特定環(huán)境比較適用C/S架構(gòu)。但考慮現(xiàn)場部署成本、后期維護(hù)以及遠(yuǎn)期發(fā)展?jié)摿Φ纫蛩?，B/S架構(gòu)更具備優(yōu)勢。結(jié)合兩者的特點(diǎn)，系統(tǒng)開發(fā)基于B/S結(jié)構(gòu)，但業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層不布置在遠(yuǎn)端服務(wù)器，而是結(jié)合C/S的模式采取就地布置。

基于上述系統(tǒng)基本架構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集以及系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，確定系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。

3.1.1 界面層為用戶界面，用戶通過界面層登錄系統(tǒng)，查詢設(shè)備數(shù)據(jù)。

3.1.2 業(yè)務(wù)邏輯層包括基礎(chǔ)服務(wù)組件及業(yè)務(wù)服務(wù)模塊，是整個系統(tǒng)的運(yùn)行的事務(wù)邏輯處理層。

3.1.3 數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和存儲，為業(yè)務(wù)邏輯層提供所需數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)層建立合理設(shè)計的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)訪問及調(diào)用。

3.2 功能模塊設(shè)計

3.2.1 數(shù)據(jù)采集。直流開關(guān)柜組成通信環(huán)網(wǎng)后，通過MODBUS TCP/IP通信協(xié)議將所有數(shù)據(jù)上傳到資產(chǎn)管理系統(tǒng)服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺技術(shù)，以模塊化為設(shè)計原則，隨時將現(xiàn)有系統(tǒng)就地布置轉(zhuǎn)變?yōu)槿€控制中心布置或云平臺布置。

特制的智能網(wǎng)關(guān)就地布置在開關(guān)柜內(nèi)，融合多種通信協(xié)議，除現(xiàn)有保護(hù)裝置的通信協(xié)議外，預(yù)留Modbus RTU及IEC61850等通信協(xié)議，為保護(hù)裝置通信協(xié)議升級及外接傳感器設(shè)備預(yù)留通信通道。

系統(tǒng)與設(shè)備層之間的數(shù)據(jù)傳輸通過MQTT(消息隊列遙測傳輸)實(shí)現(xiàn)。該通訊結(jié)構(gòu)為以后將軟件程序部署在云平臺或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心提供可能。如用戶在地鐵線路建立統(tǒng)一的智能運(yùn)維網(wǎng)絡(luò)連接，只需在現(xiàn)場配置智能網(wǎng)關(guān)，將系統(tǒng)布置在云平臺或數(shù)據(jù)中心，系統(tǒng)和設(shè)備之間可通過網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行通信。

數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容包括測量值，開關(guān)狀態(tài)及報警信號，保護(hù)動作值及故障錄波等。

3.2.2 故障分析。由于地鐵運(yùn)營的特殊性，如遇設(shè)備突發(fā)故障，需快速排除故障并重新投入運(yùn)行。如故障不能徹底修復(fù)，則臨時修復(fù)后先投入運(yùn)行，等運(yùn)營結(jié)束后進(jìn)行徹底維修。因此設(shè)備可停電時間短，故障排除時間有限。

設(shè)備本身運(yùn)行數(shù)據(jù)由保護(hù)裝置采集并上傳到系統(tǒng)軟件。西門子直流開關(guān)保護(hù)裝置上傳的數(shù)據(jù)僅限與PSCADA系統(tǒng)所需的點(diǎn)位及必要報警信息，保護(hù)裝置實(shí)際可上傳信息遠(yuǎn)多于現(xiàn)有點(diǎn)表。保護(hù)裝置采集的測量值、數(shù)字量輸入值以及自身運(yùn)算得到的過程值，可以用作故障判斷及分析的信號輸入。系統(tǒng)故障分析模塊通過更全面的保護(hù)裝置數(shù)據(jù)輸入，結(jié)合歷史故障經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，智能輸出故障原因判斷，提供故障排除方法，提高故障排除效率。

3.2.3 設(shè)備健康。目前，地鐵運(yùn)維主要靠運(yùn)維人員在日常的巡檢及計劃修中確定設(shè)備的狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)異常則進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)維修處理。設(shè)備健康狀態(tài)模塊就是為將計劃修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)修而設(shè)計。影響直流開關(guān)柜設(shè)備健康的關(guān)鍵元件是直流高速斷路器的健康狀態(tài)，尤其是其觸頭和滅弧罩的磨損狀況。

觸頭和滅弧罩的磨損主要通過監(jiān)視日常運(yùn)行情況，運(yùn)行電流、故障電流以及故障錄波數(shù)據(jù)來評估，通過計算I2t等手段來預(yù)估斷路器的剩余使用壽命。并在相應(yīng)的狀態(tài)值下提供檢修維護(hù)建議，從而進(jìn)行針對性維護(hù)。同時，斷路器的觸頭、滅弧罩及相關(guān)機(jī)構(gòu)的檢修維護(hù)對設(shè)備健康狀態(tài)有正向的影響，相關(guān)維護(hù)數(shù)據(jù)也是健康評估的數(shù)據(jù)輸入，從而形成設(shè)備健康狀態(tài)評估的閉環(huán)管理。

3.2.4 資產(chǎn)管理。通過BIM系統(tǒng)建立設(shè)備模型，模型分解到最小替換元器件單元，完成資產(chǎn)臺賬之多，方便用戶管理設(shè)備資產(chǎn)。

本系統(tǒng)的資產(chǎn)管理模塊針對每個開關(guān)柜建立獨(dú)立的設(shè)備履歷，并詳細(xì)記錄各元器件型號、硬件序列號、軟件版本號、安裝時間、投入使用時間。如遇元器件更換，可輸入新的記錄，形成完整的開關(guān)柜全生命周期履歷。

3.3 應(yīng)用系統(tǒng)安全

資產(chǎn)管理系統(tǒng)主要就地安裝在牽引站直流設(shè)備上，并通過專有的運(yùn)維局域網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)絡(luò)安全性較高，主要安全措施側(cè)重于應(yīng)用系統(tǒng)安全。

在本系統(tǒng)中采取多種方法進(jìn)行安全防護(hù)，包括用戶認(rèn)證、會話管理、數(shù)據(jù)安全以及權(quán)限管理。

3.3.1 用戶認(rèn)證：對用戶進(jìn)行身份驗證，系統(tǒng)根據(jù)用戶身份管理信息。配合權(quán)限管理，對應(yīng)用信息和操控權(quán)限進(jìn)行分類分級，主要方法為用戶名密碼和軟硬件token。

3.3.2 會話管理：基于 Cookie 和 Session，會話管理機(jī)制中需要防范的漏洞包括非加密傳輸、cookie的作用域設(shè)置的過大及通過令牌逆向工程可以得到用戶ID等。

3.3.3 數(shù)據(jù)安全：包含終端數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全、存儲數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用數(shù)據(jù)安全、移動數(shù)據(jù)安全云數(shù)據(jù)安全。需要在數(shù)據(jù)存儲，傳輸時進(jìn)行加密，及時進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，并對數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行安全認(rèn)證。尤其敏感數(shù)據(jù)在導(dǎo)出或?qū)懭肴罩緯r需考慮脫敏處理。

3.3.4 權(quán)限管理：基于組織和角色的權(quán)限管理要求應(yīng)用對不同使用者展示經(jīng)過安全分級的數(shù)據(jù)/信息，并且基于最小暴露原則，只讓授權(quán)用戶看到權(quán)限允許的操作。

4 系統(tǒng)測試

針對直流開關(guān)設(shè)備資產(chǎn)管理軟件各個功能，設(shè)計完整的功能測試大綱及流程，并設(shè)計搭建與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集一致的硬件平臺進(jìn)行系統(tǒng)測試驗證。

采用毫伏發(fā)生器模擬直流電流，并可模擬觸發(fā)短路跳閘故障，測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能、故障錄波及設(shè)備健康功能。

直流斷路器及隔離開關(guān)的報警及故障信號可由專門設(shè)計的外圍電路進(jìn)行手動觸發(fā)，對故障分析功能進(jìn)行逐項測試驗證。

采用不同配置等級的工控機(jī)24小時運(yùn)行軟件程序3周，確定適合系統(tǒng)軟件長期運(yùn)行的硬件配置。

所有系統(tǒng)功能由軟件測試工程師按照測試大綱單獨(dú)、反復(fù)及交叉測試4周驗證，最后所有功能均能達(dá)到驗收標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

針對直流牽引供電開關(guān)設(shè)備的資產(chǎn)管理系統(tǒng)，專業(yè)深入地挖掘并分析設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)及狀態(tài)數(shù)據(jù)，并結(jié)合故障錄波數(shù)據(jù)解析、斷路器剩余壽命預(yù)估算法及故障分析經(jīng)驗庫實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備智能維護(hù)及智能故障排除。目前，該資產(chǎn)管理系統(tǒng)能融入地鐵整體智能運(yùn)維平臺，為其提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和功能支持。