牽引變電所二次設(shè)備智能運(yùn)維探討

李 強(qiáng)

0 引言

近幾年，我國高速鐵路發(fā)展迅速，在鐵路發(fā)展速度及在建規(guī)模、系統(tǒng)技術(shù)全面性、運(yùn)營里程、運(yùn)營速度等方面均處于世界領(lǐng)先地位。高鐵的發(fā)展為人們的出行提供了極大的便利，但如此大規(guī)模的高速鐵路網(wǎng)也對牽引供電系統(tǒng)安全及可靠性提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。

作為動(dòng)車組運(yùn)行的動(dòng)力源，牽引供電系統(tǒng)的安全可靠對整個(gè)高鐵系統(tǒng)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要[2]。牽引變電所的二次設(shè)備主要用于保障牽引供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，包括：繼電保護(hù)裝置、變壓器二次回路、電流互感器二次回路、故障錄波系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、二次絕緣監(jiān)控等，其主要功能是保護(hù)、測量、監(jiān)測和控制一次設(shè)備。在一次設(shè)備發(fā)生故障或其他異常運(yùn)行情況時(shí)，二次設(shè)備保護(hù)一次設(shè)備的運(yùn)行，并迅速消除或隔離故障。如果無法及時(shí)監(jiān)測到二次設(shè)備的故障，一次系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)將無法及時(shí)有效地對其進(jìn)行保護(hù)，給一次設(shè)備的運(yùn)行安全帶來極大威脅，影響牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。此外，如果二次設(shè)備本身出現(xiàn)故障，可能引起保護(hù)誤動(dòng)作等問題，中斷一次設(shè)備的正常運(yùn)行，也將影響整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的可靠性。

近年來，國內(nèi)鐵路技術(shù)研究出現(xiàn)了智能化研究的浪潮，在智能化牽引變電所方面，目前主要著力于一次設(shè)備智能化和二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，在一次設(shè)備 運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測和廣域保護(hù)測控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用方面取得了一定成果，而對于二次設(shè)備的智能運(yùn)維方面尚沒有系統(tǒng)性研究。在電力行業(yè)，隨著對智能變電站的深入研究，出現(xiàn)了一些針對智能變電站二次設(shè)備運(yùn)維的研究成果，文獻(xiàn)[3，4]及其他成果均是針對智能變電站框架下二次設(shè)備的新形態(tài)研究適用的運(yùn)維技術(shù)。這些運(yùn)維技術(shù)可以供鐵路行業(yè)借鑒，但由于鐵路牽引變電所設(shè)備當(dāng)前仍處于新老并存的階段，且牽引變電所二次系統(tǒng)有其自身特點(diǎn)，還需進(jìn)行針對性、系統(tǒng)性的研究。本文分析牽引變電所二次設(shè)備運(yùn)維現(xiàn)狀及智能運(yùn)維研究思路，并對二次設(shè)備運(yùn)維的發(fā)展方向進(jìn)行探討。

1 智能變電所基本結(jié)構(gòu)

智能變電所配置技術(shù)先進(jìn)的智能電子設(shè)備，具備數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)采集、測控和保護(hù)等功能。

智能變電所遵循IEC 61850協(xié)議，采用“三層兩網(wǎng)”架構(gòu)，主要由智能一次設(shè)備、合并單元、智能終端、保護(hù)測控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制設(shè)備、交換機(jī)、綜合網(wǎng)絡(luò)記錄與分析裝置、時(shí)間同步系統(tǒng)等組成，且分別由站控層、間隔層、過程層構(gòu)成，各層之間相互獨(dú)立，各層組成及其功能如下。

（1）站控層。站控層包括智能數(shù)據(jù)中心、智能監(jiān)控中心、智能控制中心、智能管理中心和智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)。站控層設(shè)備由通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的系統(tǒng)主機(jī)、操作員站和各工作站組成，提供在站內(nèi)運(yùn)行的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對站內(nèi)設(shè)備的管理和控制等功能，形成全站數(shù)據(jù)、監(jiān)控、控制和管理中心，可與控制中心和集控站進(jìn)行通信。

（2）間隔層。間隔層主要包括各個(gè)接入了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控子系統(tǒng)，監(jiān)控子系統(tǒng)包含測控單元、間隔層網(wǎng)絡(luò)和各種網(wǎng)絡(luò)、通信接口設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)面向單元設(shè)備的監(jiān)測控制等功能。間隔層與站控層設(shè)備通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接，當(dāng)站控層出現(xiàn)故障時(shí)，間隔層設(shè)備仍然能夠完成監(jiān)控工作。

（3）過程層。過程層主要設(shè)備包括智能一次設(shè)備（含電子式互感器）、智能終端、合并單元等，其主要功能是實(shí)時(shí)采集各電氣量、監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及執(zhí)行上級控制命令[5～9]。

2 牽引變電所二次設(shè)備運(yùn)維現(xiàn)狀

目前，多數(shù)牽引變電所的二次設(shè)備仍采用傳統(tǒng)微機(jī)型綜合自動(dòng)化設(shè)備，僅存在部分自檢功能，如繼電保護(hù)設(shè)備的開機(jī)自檢、動(dòng)態(tài)自檢等，檢查內(nèi)容也僅限于其主板的某些芯片的工作狀態(tài)，信息零碎，缺乏整合和綜合分析能力。牽引供電系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備多由精密的芯片元器件組成，長時(shí)間運(yùn)行對自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的影響程度不同，當(dāng)器件老化時(shí)，會出現(xiàn)性能降低、功耗增大，嚴(yán)重時(shí)整臺設(shè)備無法工作。既有綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備不具備對自身部件的故障智能預(yù)警、準(zhǔn)確報(bào)警以及壽命預(yù)測功能，造成維護(hù)困難。

運(yùn)維部門一般會建立二次設(shè)備的基礎(chǔ)臺賬，對裝置生產(chǎn)信息、版本信息等進(jìn)行歸檔，這些信息將用于個(gè)別裝置的維修和更換。對于繼電保護(hù)設(shè)備故障，微機(jī)型設(shè)備通過自檢發(fā)現(xiàn)處理器、存儲器等芯片級的故障并上報(bào)牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)（SCADA），SCADA系統(tǒng)也能通過通信中斷發(fā)現(xiàn)微機(jī)型設(shè)備的嚴(yán)重故障。

上述運(yùn)維手段都是被動(dòng)的，不能提前預(yù)警故障的產(chǎn)生，無法適應(yīng)當(dāng)前在線監(jiān)測以及智能化的快速發(fā)展，無法滿足用戶對設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)警、健康管理的新需求，在實(shí)際運(yùn)營中也發(fā)現(xiàn)諸多問題：

（1）信息傳送終端在供電調(diào)度端，設(shè)備運(yùn)維部門無法第一時(shí)間收到故障信息。

（2）沒有獨(dú)立的運(yùn)維管理平臺，運(yùn)維信息與監(jiān)控信息混雜，發(fā)生故障時(shí)，運(yùn)維信息被大量故障信息淹沒，故障分析時(shí)易產(chǎn)生遺漏，形成事故隱患。

（3）不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)自檢信息外的故障，如接線松動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換器件故障、開關(guān)輔助觸頭粘連等。

3 非智能二次設(shè)備的智能運(yùn)維

二次設(shè)備的升級換代不會一蹴而就，仍需考慮在傳統(tǒng)微機(jī)型綜合自動(dòng)化設(shè)備條件下，如何通過有效運(yùn)維提高二次設(shè)備的安全保障能力，可以從以下方面著手。

3.1 建立專用運(yùn)維管理平臺

建立專用運(yùn)維管理平臺，將運(yùn)維數(shù)據(jù)與調(diào)度數(shù)據(jù)在變電所站級管理層的通信管理機(jī)進(jìn)行分流，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)崗位職責(zé)與平臺功能的對應(yīng)，利于細(xì)化管理。

圖1 數(shù)據(jù)流向示意圖

運(yùn)維管理平臺設(shè)在設(shè)備維護(hù)單位，如供電段。運(yùn)維管理平臺獨(dú)立分揀接收綜自系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)信息，如繼電保護(hù)設(shè)備的自檢信息、通信狀態(tài)信息、通信通道狀態(tài)信息、交換機(jī)工作狀態(tài)信息等，當(dāng)綜自系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備故障時(shí)可根據(jù)信息類型進(jìn)行故障分類，提出維修建議，并將相關(guān)信息推送給運(yùn)維人員，便于對設(shè)備進(jìn)行及時(shí)維護(hù)。

3.2 深挖數(shù)據(jù)潛力

基于監(jiān)控系統(tǒng)的視角，牽引變電所上送的數(shù)據(jù)是孤立的，監(jiān)控系統(tǒng)僅將收集到的數(shù)據(jù)一一羅列給調(diào)度員，并不做數(shù)據(jù)相關(guān)性分析。當(dāng)發(fā)生故障后，所有邏輯分析依賴于人工，時(shí)效性較差且低效。

實(shí)際上，牽引變電所的很多數(shù)據(jù)是重復(fù)或存在邏輯關(guān)聯(lián)的?；谌鶎﹄姎饬咳鐮恳冸娝妇€電壓、負(fù)荷電流，開關(guān)量如斷路器、隔離開關(guān)位置信號的采集進(jìn)行計(jì)算比對，研究其內(nèi)在邏輯關(guān)系，并以此判斷自動(dòng)化設(shè)備電氣量、開關(guān)量采集回路及設(shè)備插件的工作狀況。

當(dāng)多臺保護(hù)裝置同時(shí)采集一個(gè)模擬量或數(shù)字量，這個(gè)量就具有了重復(fù)性，通過相互比較即可判斷某采集回路是否存在故障；一臺保護(hù)裝置采集的開關(guān)位置和同一回路的電流具有邏輯關(guān)聯(lián)性，當(dāng)開關(guān)在分位而電流不為零，即可判斷為開關(guān)輔助觸頭故障；根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流法，通過多個(gè)支路電流之間的大小關(guān)系，可以判斷電流采集回路是否故障。運(yùn)維管理平臺可深入挖掘既有數(shù)據(jù)的應(yīng)用潛力，對于運(yùn)營線路或定型產(chǎn)品，可在不更改設(shè)備的前提下實(shí)現(xiàn)更多的智能運(yùn)維功能。

4 智能二次設(shè)備的智能運(yùn)維

4.1 智能二次設(shè)備智能運(yùn)維分析

智能牽引變電所即將在高速鐵路普及，其二次設(shè)備的智能運(yùn)維研究已勢在必行。對于智能牽引變電所，獨(dú)立的運(yùn)維管理平臺的設(shè)置不可或缺，而數(shù)據(jù)潛力的挖掘也可類比實(shí)現(xiàn)，甚至可以將數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性范圍擴(kuò)展至整個(gè)供電臂。

對于智能二次設(shè)備，可采用在線監(jiān)測技術(shù)，通過在線監(jiān)測系統(tǒng)采集二次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，并將信息發(fā)送至變電所調(diào)度區(qū)。

智能牽引變電所二次系統(tǒng)監(jiān)測對象包括靜態(tài)配置信息和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，靜態(tài)配置信息包括智能電子設(shè)備配置信息及二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置信息等，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是在二次設(shè)備運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)采集獲得的數(shù)據(jù)。變電所SCD文件能夠提供上述信息。

在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)，若二次設(shè)備的某項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)處于非正常范圍，則表明該設(shè)備處于不健康運(yùn)行狀態(tài)，由于二次設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)，設(shè)備未出現(xiàn)故障情況，但在線監(jiān)測系統(tǒng)仍會發(fā)出告警。若工作人員能夠及時(shí)對告警設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，將大大降低二次系統(tǒng)設(shè)備的故障率。通過在線監(jiān)測技術(shù)對二次系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評估，針對非健康運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，不僅能夠提高二次系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，也將提高工作人員的檢修效率。

這些措施可分為硬件和軟件方式。其中軟件方面可借鑒電力行業(yè)的研究成果，包括二次回路的可視化、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析、SCD文件管理等，這些基于數(shù)字化變電站的二次回路運(yùn)維手段已經(jīng)成熟，且與于同樣基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的智能牽引變電所通用。關(guān)于二次設(shè)備的在線監(jiān)測硬件，目前電力行業(yè)也未進(jìn)行深入研究和廣泛應(yīng)用。

4.2 智能二次設(shè)備智能運(yùn)維展望

（1）牽引變電所的智能二次設(shè)備通過在微機(jī)型裝置內(nèi)部增設(shè)在線監(jiān)測硬件，直接獲取可反映設(shè)備狀態(tài)的電氣參數(shù)或環(huán)境參數(shù)。在線監(jiān)測硬件的設(shè)置需要考慮以下因素：a.在線監(jiān)測硬件本身應(yīng)具有較高可靠性，不應(yīng)因增加在線監(jiān)測硬件而降低二次設(shè)備的整體可靠性；b.盡量簡化在線監(jiān)測相關(guān)的附加電路，這也是保證二次設(shè)備可靠性的關(guān)鍵；c.微機(jī)型裝置內(nèi)部空間較小，增加的在線監(jiān)測硬件也應(yīng)具有緊湊的結(jié)構(gòu)，以便于在裝置內(nèi)部安裝；d.不應(yīng)因在線監(jiān)測而大幅增加二次設(shè)備的成本。工業(yè)領(lǐng)域智能設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用落后于民用領(lǐng)域，例如在智能手機(jī)、智能穿戴設(shè)備上，對設(shè)備電源、功耗、溫度的監(jiān)測早已普及，這些可以供智能二次設(shè)備借鑒。獲得這些實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過大數(shù)據(jù)分析和設(shè)備建模，可以掌握設(shè)備老化進(jìn)度，提前預(yù)警故障，適時(shí)更換設(shè)備。

（2）智能牽引供電自動(dòng)化系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備增加對環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境多變，二次設(shè)備應(yīng)能夠在不同條件下安全可靠運(yùn)行。智能變電所二次設(shè)備大多為智能電子設(shè)備，其運(yùn)行狀況受周圍環(huán)境影響較大，因此，將環(huán)境溫度、濕度作為變電所運(yùn)行環(huán)境參數(shù)的狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)。對于無人值守所亭，當(dāng)相關(guān)設(shè)備處于惡劣環(huán)境時(shí)可通過邏輯判斷發(fā)出告警信號，或自行對設(shè)備所處環(huán)境進(jìn)行干預(yù)，如啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備、開啟空調(diào)降溫等改善設(shè)備工作環(huán)境。

（3）根據(jù)設(shè)備所用的各種元器件的MTBF時(shí)間（平均無故障工作時(shí)間）計(jì)算設(shè)備整體的預(yù)期壽命。電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)故障率與自身的健康值存在一定指數(shù)關(guān)系，當(dāng)設(shè)備長期處于健康運(yùn)行狀況時(shí)，其故障率會大大降低。為方便運(yùn)維人員在健康狀態(tài)之外對設(shè)備的可靠性有進(jìn)一步認(rèn)識，應(yīng)建立設(shè)備基于健康值的定參數(shù)故障率模型，通過該模型得到的故障率可作為設(shè)備可靠性參考指標(biāo)之一進(jìn)行輸出，使系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)量更具參考價(jià)值，有助于運(yùn)維人員制定合理、完善的檢修計(jì)劃。同時(shí)，根據(jù)對所處環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果，在運(yùn)行過程中對預(yù)期壽命進(jìn)行修正，根據(jù)用戶要求的報(bào)警限值進(jìn)行預(yù)警，提醒用戶更新相關(guān)設(shè)備或板件。

（4）設(shè)計(jì)智能牽引供電自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全分析設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對SV網(wǎng)絡(luò)、GOOSE網(wǎng)絡(luò)及其他通信網(wǎng)絡(luò)的流量以及通信延遲進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)對智能牽引供電自動(dòng)化系統(tǒng)中所使用的各種配置文件（如CID、SCD等）進(jìn)行統(tǒng)一管理，并定期校驗(yàn)。研究實(shí)現(xiàn)智能牽引供電自動(dòng)化系統(tǒng)中相關(guān)通信設(shè)備的光口硬件自檢、光功率越限自檢、GOOSE鏈路自檢、SV鏈路狀態(tài)自檢、GOOSE報(bào)文狀態(tài)自檢、SV報(bào)文狀態(tài)自檢等一系列自檢功能。

通過建設(shè)運(yùn)維管理平臺、應(yīng)用在線監(jiān)測等智能運(yùn)維技術(shù)手段，搭建如圖2所示的由各功能模塊組成的完善的智能牽引變電所二次設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備的狀態(tài)修。

圖2 二次設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)模塊組成

5 結(jié)語

通過對電氣化鐵路牽引變電所二次設(shè)備及運(yùn)維技術(shù)的分析，初步探討了當(dāng)前及可見的未來在二次設(shè)備智能運(yùn)維方面可行的研究方向，提出了建立運(yùn)維管理平臺、應(yīng)用在線監(jiān)測等牽引變電所二次設(shè)備智能運(yùn)維的對策。