浅谈电力智能运维系统在高速铁路的应用
安科瑞苏岩
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：高速铁路电力智能运维管理系统采用终端感知层、系统网络层、系统平台层的三层网络架构模式，通过集成网关，共享通信传输设备，利用铁路专用运维传输网络通道将各类监测数据上传至运维管理平台数据进行实时分析，建立了统一的智能运维建设标准、一体化共享的运维管理平台，实现了铁路全线电力在线监测、智能化预报警及故障的智能化判断定位，大大提高了铁路电力设施的运行维护管理效率，充分保障了供电的可靠性。
关键词：高速铁路；铁路电力；状态在线监测；智能运维管理
1、引言
随着铁路建设的高速发展和运维工作量的增加，运维管理的重要性日益凸显，传统的铁路电力运维管理模式已难以满足智能的运行维护管理需求[1]。
在科技发展的背景下，越来越多的智能化监测技术已在铁路电力系统中实现了应用，但由于缺少统一的信息化建设标准、一体化共享的信息平台，存在许多智能化的监测设备重复配置、标准不统一且不能数据共享，各智能监测子系统相互孤立形成信息孤岛等问题，进而造成铁路运维服务的数据综合应用难以展开[2]。
针对上述问题，本文提出了一种适用于高速铁路的电力智能运维管理系统，通过统一的运维数据传输网络，充分利用共享数据交互设计以及铁路互联网地址资源，实现各类运维系统数据传输。系统深度集成各运维监测功能，通过模块化方式，实现运维平台系统无缝衔接，使系统具备良好的扩展性和可维护性。
2、系统构成
系统由智能运维管理主站、通信传输网络、数据采集及通信管理终端三部分组成，即终端感知层、系统网络层、系统平台层的三层网络架构模式，如图１所示。
系统通过终端感知层内的各个监测子系统来采集数据，通过数据交换机或路由器将所采集到的数据上传给系统网络层，系统网络层对各类数据进行统一管理，并通过铁路通信专用光纤维护通道或共用移动通信网络通信接口接入系统平台层。
2.1智能运维管理主站
电力智能运维管理系统主站按照运营单位要求一般集中设置于供电段内，主要包括两套并行运行的监控调度工作站，用于管理和调度整个系统运行；为数据库系统的高性能运行提供硬件支持和保障的数据库服务器；具有多个通信输入/输出端口的信息集成网关，作为在线监测系统和主站平台之间的数据和命令交换；用于接收卫星对时的GPS时钟；为计算机系统供电的UPS电源，以及打印机、调度台等设备和系统服务软件，系统具备可扩展功能[3]。
图1 高速铁路电力智能运维管理系统构成图
作为系统平台层，运维管理主站可实现各在线监测子系统的信息统一接入，并集成优化和信息共享，实现数据采集、数据库管理、运行监视、告警、报表、系统维护管理等功能[4]。
2.2通信传输网络
近年来，随着铁路通信网络建设的逐步加强，为铁路电力智能运维管理系统的发展提供了便利，系统通过专用的铁路运维传输网络通道，将各类子系统终端的监测数据传送至运维管理平台数据进行实时分析处理，与采用GPRS等移动通信网络接入的方式相比，受环境影响更小，且更能保证网络。
本系统的电力维护通道按照《铁路供电调度系统通信组网技术方案指导意见》（运电通信函（2012）428号）设置，如图2所示。系统设置１条通信通道，维护通道一个2Mb/s电路挂接终端站的数量不大于10个，维护通道利用传输系统接入层以太网通道，经车站（或通信站）的传输设备与数据网设备互连，在运行维护管理主站设置10M数字通道。
图2 维护通道示意图
就地设置的通信管理单元设备与通信传输网络设备间的连接可采用以下方案：对于10kV配电所、通信信号变电所等设有通信机械室的房屋，终端设备与通信传输设备间为室内布线且布线距离小于100ｍ，采用FE（e）电接口连接；对于区间箱变终端设备与通信传输设备间为室外布线或室内布线距大于100ｍ，采用工作在1310nm窗口的单模光纤以FE（o）光接口连接。
2.3数据采集及通信管理终端
数据采集及通信管理终端主要由设置于铁路变配电所、箱式变电站等电力设施处的各类在线监测子系统的电气监测模块以及统一的通信管理单元组成。
各个分散的电气监测模块的测量单元部署在开关柜等设备处，采集进出线开关的各种电气运行参数，并通过RS485总线接入到通信管理单元，利用通信处理设备，通过专用的电力运维管理通道将数据传入主站进行统一监测。
2.3.1子系统功能
铁路电力变配电设备主要包括10kV高压开关柜、高压环网柜、变压器、低压柜、配电箱和控制箱等，在沿线各车站及区间设置。特别是为区间通信基站、直放站，信号中继站等负荷供电的箱变一般按照每3Km一处设置于区间路基外侧、高架桥下或隧道洞室内，具有点多线长，交通不便，运行环境恶劣，巡视检查须天窗点进行等特点，给设备的巡视检查造成了很大难度。
综上所述，通过设置在线监测子系统，应能实时掌握高铁电力供电系统运行中影响电气设备运行的主要和重要的核心关键设备和部位的运行状态，提高状态监测的自动化水平，以适应无人值班及需要天窗点巡视的电力供电系统设备管理运营维护要求。高速铁路电力智能运维管理系统可包含以下子系统功能，并具备接入扩展其他系统的功能：
（1）贯通电缆线路在线故障定位系统
高速铁10kV综合负荷贯通线和负荷贯通线均采用全电缆线路，在运行过程中出现的电缆故障会严重影响电力供电的可靠性，影响铁路的正常运行。目前故障点的查找一般采用发生故障后断电隔离故障区段后利用天窗点进行，故障查找和检修难度较大。贯通电缆线路在线故障定位系统在10kV配电所、车站通信信号变电所、区间箱变或变电所等处设置故障定位装置，从电压互感器和电流互感器的二次侧采集电压和电流信号，对基波和行波电流、基波和行波电压等信号实时监测，通过行波理论、双端行波定位理论与小波变换原理，采用高精度GPS/BDS多源时钟授时系统，实现贯通电缆线路故障的实时定位，大大减小查找电缆故障点的工作量，缩短检修抢修时间，从而提高速铁路电力供电的可靠性[5]。
(2)电缆头在线光纤测温系统
电缆头的温度的变化直接反映电缆的运行状态，电缆头温度过高后应及时处理，避免电缆事故的扩大甚至烧毁电缆。目前常规的温度检测均需要检测人员到设备现场进行，且电缆头可视，已不能适应智能运维管理要求[6]。电缆头在线光纤测温系统由传感器和处理器两部分构成，在电缆接头处设置荧光光纤温度传感器，并由处理器发出光源，基于荧光测温原理，通过测试光发射余辉衰减的时间，将其转换为可测的光信号。处理器接收到传感器发出的光信号后，将其转换为温度信号，其数据可通过现场通信装置传输至智能在线监测运维管理系统主站。系统可在线、实时地准确测量电缆接头的接点温度。做到对电缆头温度的实时监测，进行温度异常时的报警[6]。
(3)电力成套开关设备局部放电监测系统
局部放电是绝缘损坏的重要标征，是局部过热，电器元件和机械元件老化的预兆，并造成高压电气设备发生绝缘击穿。通过在高压开关柜等设备中设置局部放电智能监测装置，能监测到主绝缘材料故障、绝缘材料表面及空气介质故障所激发的超声波信号；接触不良或过载引起的温度过高；绝缘材料污秽引起的表面爬电、闪络等。可对开关柜由于绝缘缺陷和老化造成绝缘内部气隙形成的气隙放电，以及内部的金属毛刺、悬浮颗粒，绝缘子表面脏污，接触不良等缺陷进行预警。
(4)变配电所接地电阻监测系统
变配电所的设备保护接地、防雷接地等共用接地系统，与运行密切相关。系统采用接地电阻在线监测仪作为核心监测设备，内置传感器与电路板，金属壳屏蔽设计，适用于户外环境的使用，监测多个关键接地点的接地电阻值，并通过通信传输数据实现远程在线监测，系统软件能描述接地电阻的变化趋势、周期，并可以设定相关的阈值给予警示，在线监测接地引下线的连接状况、回路接地电阻、金属回路联结电阻。确保接地系统良好运行。
(5)箱变弧光保护监测系统
开关柜由于电路元器件损坏、绝缘破坏、过电压、意外短路等原因产生弧光短路故障会对人身和设备造成大的损害。由于铁路箱变内各类电气设备布置比较紧凑，很容易发生电弧光事故，且大多设置于区间，巡视检查不便，因此可通过配置弧光保护系统，将弧光传感器安装在柜内各间隔中，当弧光故障时，采集检测突然增加的电弧紫外光，并通过光纤传输光信号至主控单元，当检测到电弧光时及时跳闸。
2.3.2通信管理单元
高速铁路电力智能运维管理系统由于现场采集终端设备数据接口的不同，通信管理单元需要具备自适应工业以太网接口和RS485串口，根据运维子系统的数量进行配置以太网接口和串口的数量，满足系统需要。
3、系统设计方案
系统软件包括系统应用服务和数据服务软件，提供了包括基础信息管理服务、数据采集和存储服务、运行、运行分析服务、数据分析服务等多种功能模块[8]。
系统软件系统遵循分层式和模块化结构，主要由表示层、业务层及数据层等多层次模型构成，各层遵循标准数据接口和交换方式，使得系统构架符合通用性和可扩展性原则。系统的数据层和业务层部署在运维平台服务器上，表示层则通过WEB客户端、移动APP和SNS（微信）等多种访问接口和客户端应用界面实现，系统软件平台架构详如图3所示。
图3 系统软件平台架构图
4、AcrelCloud-1000变电所运维云平台方案综述
4.1概述
AcrelCloud-1000变电所运维云平台基于互联网＋、大数据、移动通讯等技术开发的云端管理平台，满足用户或运维公司监测众多变电所回路运行状态和参数、室内环境温湿度、电缆及母线运行温度、现场设备或环境视频场景等需求，实现数据集中，集中存储、统一管理，方便使用，支持具有权限的用户通过电脑、手机、PAD等各类终端链接访问、接收报警，并完成有关设备日常和定期巡检和派单等管理工作。
4.2应用场所
适用于电信、金融、交通、能源、医疗卫生、文体、教育科研、农林水利、商业服务、公用事业等行业变配电运行维护系统的新建、扩建和改建。
5、系统功能
5.1用能月报
用能月报支持用户按总用电量、变电站名称、变电站编号等查询所管理站所的用电量，查询跨度可设置为月。
5.2站点监测
站点监测包括概况、运行状态、当日事件记录、当日逐时用电曲线、用电概况。
5.3变压器状态
变压器状态支持用户查询所有或某个站所的变压器功率、负荷率、等运行状态数据，支持按负荷率、功率等升、降序排名。
5.4运维
运维展示当前用户管理的有关变电所在地图上位置及总量信息。
5.5配电图
配电图展示被选中的变电所的配电信息，配电图显示各回路的开关状态、电流等运行状态及信息，支持电压、电流、功率等详细运行参数查询。
5.6视频监控
视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配站内视频信息。
5.7电力运行报表
电力运行报表显示选定站所选定设备各回路采集间隔运行参数和电能抄表的实时值及平均值行统计。
5.8报警信息
对平台所有报警信息进行分析。
5.9任务管理
任务管理页面可以发布巡检或消缺任务，查看巡检或消缺任务的状态和完成情况，可以点击查看任务查看具体的巡检信息。
5.10用户报告
用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析，并列出在该周期内巡检时发现的各类缺陷及处理情况。
5.11 APP监测
电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”、“缺陷记录”、“文档管理”和“用户报告”七大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询、用户报告、文档管理等。
6.系统硬件配置
7、结语
近年来，随着智能化铁路建设理念的提出，铁路电力供电系统现场无人化管理的模式是必然的发展方向，铁路运营管理单位对于通过智能化运维监测技术和分析判断解决电力系统运行过程中的各类故障，以便实时的处理故障并及时恢复电力供电，保证铁路运行的需求也日益迫切。
在此背景下，本文所介绍的高速铁路电力智能运维管理系统提出了铁路电力系统智能运维管理系统的理念，将各子系统之间的数据通道共享，打破了传统各自独立的信息传输方式，通过深度集成融合的平台主站形成了系统化、标准化的运维管理体系模式。系统通过集成网关、共享通信传输设备，利用铁路运维传输网络通道的方式将各类监测数据送至运维管理平台数据进行实时分析，实现铁路全线电力在线监测、智能化预报警及故障的智能化判断定位，使电力设施建立全生命周期管理体系，为电力调度和运行检修管理提供强有力的辅助决策依据。随着铁路建设标准体系的完善和技术的不断发展，必将具有更加广阔的应用和发展前景，实现网络化大数据环境下的铁路电力智能运维管理，将铁路电力供电系统运维管理提升到一个智能化的新水平。
参考文献：
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