城市軌道交通供電智能運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)用研究

東 升

0 引言

我國(guó)的交通發(fā)展正從“交通大國(guó)”向“交通強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)。實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)，關(guān)鍵靠科技創(chuàng)新，建設(shè)智慧交通，需要加快“互聯(lián)網(wǎng)+交通運(yùn)輸”、自動(dòng)駕駛、新能源交通裝備等技術(shù)的推廣應(yīng)用[1]。城市軌道交通因其優(yōu)勢(shì)而成為大城市群之間及居民出行的首選交通工具，同樣面臨著變革。軌道交通的智慧化是促進(jìn)軌道交通與城市發(fā)展有機(jī)結(jié)合的有力抓手，對(duì)于實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。

1 城市軌道交通智能運(yùn)維系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

全國(guó)大部分城市已開(kāi)展軌道交通智能運(yùn)維的研究和實(shí)踐。

“基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的城市軌道交通供電系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)方案”在廣州地鐵14號(hào)線選取示范站掛網(wǎng)，在35 kV交流開(kāi)關(guān)柜、1 500 V直流開(kāi)關(guān)柜安裝帶IEC 61850功能的繼保裝置，通過(guò)基于GOOSE全光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全站數(shù)據(jù)的傳輸與共享，構(gòu)筑供電系統(tǒng)快速網(wǎng)絡(luò)化繼電保護(hù)系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)控制層設(shè)備與間隔層設(shè)備通過(guò)MMS通信協(xié)議交互信息。信息交互內(nèi)容主要包括：裝置與監(jiān)控后臺(tái)的信息傳輸；交流保護(hù)裝置間互操作；直流保護(hù)裝置間互操作；交、直流保護(hù)裝置間互操作；變電所二次系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與可視化信息交互。

合肥地鐵4號(hào)線在龍子湖路停車場(chǎng)設(shè)置智能變電所系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新試點(diǎn)（圖1）。采用可接入的GOOSE網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)控制單元，取代各底層設(shè)備的控制單元，或作為協(xié)議轉(zhuǎn)換安裝在底層設(shè)備內(nèi)。底層設(shè)備包括但不限于直流保護(hù)裝置、400 V開(kāi)關(guān)柜內(nèi)PLC、交直流盤PLC、整流器PLC、變壓器溫控儀、鋼軌電位限制裝置PLC、單向?qū)ㄑb置PLC、接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)控制單元等。實(shí)現(xiàn)所有底層設(shè)備裝置間的保護(hù)信號(hào)的快速傳遞，形成網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)，實(shí)現(xiàn)裝置間的閉鎖、聯(lián)跳、聯(lián)動(dòng)功能，減少或取消柜間的二次保護(hù)電纜接線。實(shí)現(xiàn)二次軟件化、虛端子可視化，并進(jìn)行二次回路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案研究。為保證網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)生故障時(shí)快速原因分析，變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀器，同時(shí)監(jiān)控GOOSE網(wǎng)絡(luò)和MMS網(wǎng)絡(luò)。

上海地鐵在9號(hào)線和17號(hào)線開(kāi)展了智能運(yùn)維系統(tǒng)的試點(diǎn)應(yīng)用。9號(hào)線智能運(yùn)維系統(tǒng)將所有子系統(tǒng)進(jìn)行了匯總（SCADA系統(tǒng)、電能質(zhì)量系統(tǒng)、雜散電流系統(tǒng)、故障錄波、房間溫濕度監(jiān)測(cè)等），能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程查看，安裝固定攝像頭（并未安裝移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)），未對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。17號(hào)線在9號(hào)線的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，安裝了機(jī)器人系統(tǒng)并集成所有子系統(tǒng)（SCADA，電能質(zhì)量，雜散電流，400 V-1 500 V-35 kV的故障錄波，房間溫濕度監(jiān)測(cè)），安裝的智能運(yùn)維系統(tǒng)考慮了上海所有線路接入的能力，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析與運(yùn)營(yíng)習(xí)慣結(jié)合進(jìn)行設(shè)備全壽命周期管理及智能化管理。

2 供電智能運(yùn)維系統(tǒng)的必要性

2.1 既有供電系統(tǒng)存在問(wèn)題

2.1.1 建設(shè)階段問(wèn)題

城市軌道交通建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，涉及專業(yè)眾多，施工易受場(chǎng)地限制，施工專業(yè)隊(duì)伍較多，存在多家施工單位交叉作業(yè)的情況，整體施工工序需要大量管理人員協(xié)調(diào)和各專業(yè)人員的密切配合，效率較低[3]。車站主體建筑內(nèi)和附屬建筑內(nèi)存在系統(tǒng)、機(jī)電等專業(yè)大量管線，地鐵車站大部分采用地下車站的型式，由于地下空間緊張導(dǎo)致系統(tǒng)、機(jī)電專業(yè)的管線在車站部分空間內(nèi)集中分布，各車站均存在管線碰撞的情況，不僅需要大量配合、協(xié)調(diào)的時(shí)間，還增加了返工工作量。

2.1.2 運(yùn)行階段問(wèn)題

（1）現(xiàn)有供電系統(tǒng)對(duì)人的依賴程度仍較大，從中央級(jí)調(diào)度到各類故障分析處理，再到牽引網(wǎng)停送電/掛拆地線，均需人工參與。

（2）供電系統(tǒng)的智能化程度低，整體處于半自動(dòng)化的階段，各監(jiān)控類系統(tǒng)“上傳下達(dá)”的功能實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)性工作，但智能化程度有待提高。

2.1.3 檢修階段問(wèn)題

（1）停送電效率低。牽引供電系統(tǒng)停送電效率較低，大量時(shí)間浪費(fèi)在操作上，嚴(yán)重制約軌行區(qū)夜間作業(yè)。作業(yè)管理還存在一些缺陷和不足：接觸軌依賴人工現(xiàn)場(chǎng)接地，效率低，嚴(yán)重?cái)D壓正常檢修作業(yè)時(shí)間；人工現(xiàn)場(chǎng)接地，影響事故搶修效率；傳統(tǒng)人工接地操作缺乏強(qiáng)制驗(yàn)電技術(shù)保障，易發(fā)生誤操作。

（2）人員經(jīng)驗(yàn)不足。檢修人員缺乏足夠經(jīng)驗(yàn)，存在操作不規(guī)范的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）工作效率低。設(shè)備的日常巡檢、計(jì)量抄表、計(jì)劃查詢、工單填報(bào)等基礎(chǔ)、日常、重復(fù)性工作占用、耗費(fèi)了大量的人力。

（4）數(shù)據(jù)利用率低。電力監(jiān)控僅實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控，數(shù)據(jù)利用對(duì)調(diào)度人員經(jīng)驗(yàn)依賴度較高。巡視抄表數(shù)據(jù)停留在紙面，未對(duì)數(shù)據(jù)挖掘利用，對(duì)設(shè)備狀態(tài)的分析研判幫助不大。

（5）傳統(tǒng)檢修方式存在弊端。檢修質(zhì)量對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心依賴較大。檢修過(guò)程無(wú)法做到有效監(jiān)控，無(wú)法有效把控檢修質(zhì)量，只有在設(shè)備發(fā)生故障后才組織修復(fù)，無(wú)提前發(fā)現(xiàn)隱患的有效手段。

（6）應(yīng)急處理不理想。發(fā)生供電設(shè)備故障時(shí)，故障判斷及處理過(guò)于依賴搶修人員的技能水平，難以控制故障搶修時(shí)間。對(duì)于部分長(zhǎng)大區(qū)間，牽引網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，無(wú)法快速判斷短路位置，故障處理時(shí)間較長(zhǎng)，甚至超過(guò)2 h。

2.2 供電系統(tǒng)發(fā)展方向

實(shí)現(xiàn)智慧地鐵作為一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，是一個(gè)從對(duì)象數(shù)字化到執(zhí)行智能化，最終實(shí)現(xiàn)決策智慧化的過(guò)程[4]。智慧地鐵并不是一個(gè)新建的系統(tǒng)，而是技術(shù)融合、創(chuàng)新發(fā)展，其目的是通過(guò)研發(fā)、引入其他領(lǐng)域的新技術(shù)，結(jié)合地鐵的業(yè)務(wù)特點(diǎn)與業(yè)務(wù)場(chǎng)景，對(duì)既有業(yè)務(wù)進(jìn)行智慧化賦能，最終實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量與執(zhí)行能力的提升。

針對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)受制于以往的信息化程度和技術(shù)局限，傳統(tǒng)的管理方式存在不足。例如對(duì)故障預(yù)見(jiàn)性不足，往往只能采用計(jì)劃性維修或事后維修模式，通常導(dǎo)致維修工作缺少針對(duì)性，效率較低；大量有價(jià)值數(shù)據(jù)未被采集和有效利用，潛力巨大的數(shù)據(jù)得不到應(yīng)有價(jià)值的發(fā)揮。此外，線網(wǎng)的擴(kuò)大帶來(lái)供電設(shè)備管理工作量大幅度增加，人工等成本上升也帶來(lái)設(shè)備管理成本的不斷攀升。

為了解決以上問(wèn)題，提高供電設(shè)備運(yùn)行、運(yùn)維管理工作的效率，有效集成管理和分析利用城市軌道交通大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備運(yùn)行、運(yùn)維管理信息化、可視化、智能化，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于大數(shù)據(jù)的城市軌道交通供電設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)平臺(tái)為核心，采用“在線+帶電+實(shí)時(shí)”狀態(tài)量采集方式，并利用海量數(shù)據(jù)，多方式、多維度對(duì)供電系統(tǒng)設(shè)備的可靠性狀態(tài)進(jìn)行分析和研究，不僅可對(duì)供變電系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估，亦可實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備服役壽命和故障率的預(yù)測(cè)。在保證城市軌道交通供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可以對(duì)不同狀態(tài)的供電設(shè)備提出適用于其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的維修策略，有效優(yōu)化城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)備的維修管理工作，減少其維護(hù)和檢修成本，改善目前的計(jì)劃?rùn)z修模式，進(jìn)而促進(jìn)城市軌道交通供變電系統(tǒng)全生命周期成本的大幅降低。

3 供電智能運(yùn)維系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)組成

面向線網(wǎng)的城市軌道交通供電智能運(yùn)維系統(tǒng)由“一個(gè)平臺(tái)、四大業(yè)務(wù)域”構(gòu)成。“一個(gè)平臺(tái)”即供電智能運(yùn)維云平臺(tái)，為私有化部署平臺(tái)，為供電智能運(yùn)維系統(tǒng)提供云基礎(chǔ)服務(wù)，即虛擬化硬件基礎(chǔ)設(shè)施以及平臺(tái)基礎(chǔ)服務(wù)?！八拇髽I(yè)務(wù)域”分別為“智能巡視”“智能管理”“智能診斷”“智能決策”。圖2所示為合肥地鐵智能運(yùn)維系統(tǒng)構(gòu)成。

圖2 合肥地鐵智能運(yùn)維系統(tǒng)構(gòu)成

3.2 系統(tǒng)功能

3.2.1 智能巡視

（1）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視。設(shè)備狀態(tài)感知利用對(duì)終端上傳的海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣計(jì)算，以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、告警信息、趨勢(shì)曲線等形式在組態(tài)畫面上顯示，監(jiān)視供電設(shè)備運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)感知和異常告警，從而實(shí)現(xiàn)變電所供電設(shè)備的全面遠(yuǎn)程監(jiān)視。

（2）設(shè)備視頻巡檢。日常巡視是運(yùn)維人員每天必須執(zhí)行的重要工作，目的是檢查供電設(shè)備的運(yùn)行狀況及外部環(huán)境，掌握供電設(shè)備運(yùn)行規(guī)律。通過(guò)巡視，維修人員能及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況、變化情況，從而確保設(shè)備連續(xù)安全運(yùn)行。設(shè)備視頻巡檢通過(guò)視頻巡視子系統(tǒng)，統(tǒng)一管理各變電所的高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，實(shí)現(xiàn)變電所內(nèi)供電設(shè)備的自動(dòng)巡視；同時(shí)，視頻巡視子系統(tǒng)支持與供電智能運(yùn)維系統(tǒng)交互，接收供電智能運(yùn)維系統(tǒng)控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程單點(diǎn)巡視、批量巡視、自動(dòng)巡視、視頻聯(lián)動(dòng)等功能。部分巡視內(nèi)容通過(guò)視頻巡視子系統(tǒng)對(duì)攝像頭采集的可見(jiàn)圖像進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)刀閘位置、指針類儀表、數(shù)字類儀表、指示燈、把手、壓板等多種設(shè)備狀態(tài)識(shí)別。圖3為典型供電系統(tǒng)變電所設(shè)備視頻巡檢示意圖。

圖3 典型供電系統(tǒng)變電所設(shè)備視頻巡檢示意圖

（3）設(shè)備聯(lián)合巡視。供電設(shè)備日常巡視主要包含設(shè)備外觀檢查、環(huán)境檢查、運(yùn)行方式檢查、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)檢查等項(xiàng)目。設(shè)備聯(lián)合巡視應(yīng)融合設(shè)備狀態(tài)感知信息、環(huán)境信息以及視頻巡檢結(jié)果，進(jìn)行綜合分析，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)評(píng)估功能，綜合評(píng)價(jià)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，并以簡(jiǎn)報(bào)形式發(fā)布聯(lián)合巡視報(bào)告。

（4）接觸軌巡視。接觸軌巡視支持將三軌檢測(cè)裝置、“小黃蜂”、激光檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)接入供電智能運(yùn)維系統(tǒng)，并通過(guò)綜合展示界面將三者的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一展示，支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)錄入、綜合展示等功能。

3.2.2 智能管理

智能管理為日常運(yùn)維管理類工作提供技術(shù)支撐，是實(shí)現(xiàn)運(yùn)維過(guò)程更便捷、設(shè)備運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)過(guò)程更安全、應(yīng)急響應(yīng)更快速的重要技術(shù)手段，支持運(yùn)維管理、能源評(píng)價(jià)、安全管理和應(yīng)急管理四大功能。

（1）運(yùn)維管理。運(yùn)維管理功能基于對(duì)實(shí)時(shí)信息的分析，結(jié)合運(yùn)維工作規(guī)程和管理規(guī)范，通過(guò)設(shè)備管理、計(jì)劃管理、工單管理、操作票管理、工作票管理、維修記錄管理、委外管理和培訓(xùn)管理等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)日常運(yùn)維管理工作的支撐，為運(yùn)維人員、管理人員提供數(shù)字化、智能化的運(yùn)維管理手段，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理流程規(guī)范、在線閉環(huán)。

（2）能源評(píng)價(jià)。構(gòu)建智能綠色城軌能源綜合應(yīng)用體系，通過(guò)研究能耗-客流的耦合關(guān)系，建立能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，建立運(yùn)營(yíng)綜合場(chǎng)景的能耗關(guān)聯(lián)指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通能耗體系與再生制動(dòng)能量吸收裝置系統(tǒng)的節(jié)能指標(biāo)評(píng)估，最終實(shí)現(xiàn)城市軌道交通智能化能源管理。包括但不限于：

a.用電采集。采集用電回路的電壓、電流、功率因數(shù)、頻率、諧波等電力參數(shù)。

b.電能質(zhì)量評(píng)估。通過(guò)用電采集、電量統(tǒng)計(jì)、電耗分析功能，實(shí)現(xiàn)用電信息的實(shí)時(shí)監(jiān)視、統(tǒng)計(jì)和分析，并能記錄、分析以及評(píng)估電能質(zhì)量。

c.用電評(píng)價(jià)。通過(guò)人均能耗、單位面積用電量等指標(biāo)，形成用電評(píng)價(jià)模型，并基于用電評(píng)價(jià)模型對(duì)線路總體用電量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

d.負(fù)荷預(yù)測(cè)。包括預(yù)測(cè)模型參數(shù)維護(hù)、建立能耗-客流實(shí)時(shí)耦合模型、輸出預(yù)測(cè)結(jié)果、負(fù)荷能力評(píng)估等。

3.2.3 智能診斷

智能診斷針對(duì)不同的電氣設(shè)備特性，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，提取設(shè)備健康相關(guān)的特征量，建立狀態(tài)評(píng)估模型以及設(shè)備壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估和管理，對(duì)設(shè)備壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，指導(dǎo)運(yùn)維人員根據(jù)設(shè)備健康狀態(tài)制定經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)維檢修計(jì)劃，優(yōu)化運(yùn)行效率并避免計(jì)劃外停機(jī)。主要功能包括：設(shè)備狀態(tài)評(píng)估、設(shè)備故障預(yù)判、設(shè)備壽命預(yù)測(cè)。表1所示為變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)模型。

表1 變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)模型

3.2.4 智能決策

智能決策通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)維修管理、電能利用、安全管理、應(yīng)急管理等提供運(yùn)維分析決策，以智能卡片的形式呈現(xiàn)給管理者。利用專家推理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障原因自動(dòng)分析及故障處理方案自動(dòng)推送，輔助運(yùn)維人員進(jìn)行分析決策和故障處理。

（1）運(yùn)行分析決策。通過(guò)數(shù)據(jù)多維分析和深度挖掘技術(shù)，將供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和模型轉(zhuǎn)換為多維數(shù)據(jù)分析模型，通過(guò)多維觀察及數(shù)據(jù)鉆取技術(shù)，以可視化的方式多視角、全方位地展示系統(tǒng)信息。在分析供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)于同樣的現(xiàn)象，分別從多個(gè)角度分析研究，甚至從幾個(gè)角度靈活組合，進(jìn)行綜合分析，從而發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律。在分析過(guò)程中，可以在現(xiàn)有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆取，將數(shù)據(jù)進(jìn)一步細(xì)化，以獲得更為精確的信息。

（2）故障輔助決策。通過(guò)構(gòu)建的運(yùn)維專家知識(shí)圖譜，將大量既有的故障案例以知識(shí)圖譜的形式固化沉淀，將多年的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)化，利用自然語(yǔ)言處理等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)新故障案例的自學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障處理的輔助決策，提升故障處理效率。

3.2.5 專家在線診斷

基于實(shí)時(shí)通信技術(shù)的運(yùn)維專家在線診斷功能，通過(guò)整合行業(yè)專家資源，為專家和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員搭建即時(shí)溝通橋梁，以專家遠(yuǎn)程診斷的方式，為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員提供在線指導(dǎo)，輔助現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員準(zhǔn)確、高效完成運(yùn)維工作。專家在線診斷流程如圖4所示。

圖4 專家在線診斷流程

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等新興信息技術(shù)的飛速發(fā)展，在“智能+”技術(shù)體系逐漸被工業(yè)領(lǐng)域和公共領(lǐng)域廣泛接納的時(shí)代背景下，應(yīng)用智能技術(shù)全面賦能運(yùn)維這一重要環(huán)節(jié)，構(gòu)建供電智能運(yùn)維體系，支撐復(fù)雜腦力決策，加強(qiáng)安全和服務(wù)風(fēng)險(xiǎn)管控能力，實(shí)現(xiàn)安全服務(wù)水平和成本效益的進(jìn)一步提升，實(shí)現(xiàn)智能技術(shù)與軌道交通運(yùn)維體系的深度融合，成為城市軌道交通行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。