自动化智能运维系统在高铁牵引变电所的研究与应用
摘要：目前，高铁牵引变电所综合自动化系统运维还处在“计划修”“故障修”阶段。文章研究传统以及智能综合自动化系统的运维技术，提出针对性的智能运维解决方案，实现对综合自动化系统的故障智能分析、健康管理和寿命预测等功能，可以提高运维效率，更好地保障高铁运营安全。
关键词：高铁；综合自动化；智能运维
0.引言
牵引变电所综合自动化系统是保障高铁安全运营的重要设施，有效的运营维护工作能够很大限度地保障高铁牵引供电安全性。目前，高铁还未针对综合自动化系统维护维修进行信息化管理，依然停留在“计划修”“故障修”阶段，自动化程度较低，维护颗粒度较粗。电力系统研究智能变电站的运维，制定《智能变电站保护设备在线监视与诊断装置技术规范》（Q/GDW11361—2017）[1]标准。文章通过科研立项，针对传统和智能牵引变电所综合自动化系统的智能运维进行深入研究，现场搭建运维管理系统，可以提高综合自动化系统运维智能化水平，促进综合自动化系统运维向“状态修”转变。
1.课题研究内容
1.1智能运维管理平台的搭建
研究搭建针对既有和智能高铁变电所综合自动化系统的智能运维管理平台的系统构成方案，作为实现智能运维功能的硬件基础。
1.2既有综合自动化系统的智能运维功能
针对既有综合自动化系统的研究，以不改动既有软硬件、不影响既有线运营为原则，采用深度挖掘既有数据潜力的方法在监控后台以增加软件模块的方式实现功能。
（1）实现综合自动化系统履历管理信息化与在线参数校核。
（2）利用综合自动化系统装置自诊断信息和有逻辑管线的监测信息，通过深挖数据潜力，实现既有综合自动化系统装置的运行状态诊断。
1.3智能综合自动化系统的智能运维功能
针对未来综合自动化系统的研究，以适度完善软硬件设备、不降低系统可靠性为原则，对综合自动化系统相关保护测控装置进行软、硬件升级，实现对装置的详细自诊断。除了实现原有功能外，针对智能综合自动化系统的特点增加功能。
（1）增加装置箱内温度采集回路，实现对装置内部环境参数的实时监测。
（2）根据装置MTBF时间与装置运行环境温度计算装置整体的预期剩余寿命，设置限值进行预警。
（3）研究基于智能牵引变电所综合自动化系统的虚端子可视化、网络数据监控与诊断。
2.智能运维系统的搭建
2.1传统综合自动化系统智能运维系统的搭建
传统综合自动化系统智能运维实施方案如图1所示。
图1传统综合自动化系统智能运维实施方案
为了将对既有系统的影响降低至可控范围内，对既有综合自动化系统通信管理机进行软件升级，站内新增智能运维管理机。在运维管理后台设置智能运维后台机，后台机安装含有装置履历管理、综合诊断管理等模块的智能运维软件平台。
智能运维软件平台配置装置自诊断信息、回路电气量信息以及装置的基本信息的组合关系和诊断逻辑，生成对应装置的专家经验库。从通信层网络获取间隔层保护装置的自检告警信息、各类回路电气量信息以及状态量信息，与装置专家库中的诊断逻辑以及历史样本做低值对比分析得到成功匹配的分析结果，提示运维人员实施针对性维护维修操作。
在既有通信管理机中增配智能运维后台的通信模块，将运行监测信息、设备状态信息和故障动作告警信息等数据通过新增的运维管理机中转，发送给智能运维后台机。智能运维后台机通过对综合运维信息进行数据筛选分类，结合专家经验库和历史诊断样本，在智能运维后台机的HMI上显示生成的运维分析结果，提供给运维人员针对性的维护措施。
2.2智能综合自动化系统智能运维的搭建
智能牵引变电站综合自动化系统采用典型的数字化变电站结构，集过程层合并单元、智能终端与间隔层一体化设计。综合自动化系统增设一台运维管理机，接入综合自动化系统站控层网络，负责运维相关数据的收发；增设一台网络分析仪，接入站控层网络和过程层网络，负责网络数据采集与分析。所有数据由运维管理机发送到智能运维后台机，实现数据统一管理与分析。
3.传统综合自动化系统的智能运维功能
3.1综合自动化装置履历信息管理
（1）装置台账信息管理。
对设备信息实现记录控制、存档控制、基线控制分层管理，在运维日常工作中，定期对装置信息进行校核。记录控制用于管理装置的相关生产信息，记录装置在服役时间内发生的版本更新、历史故障记录等信息。存档控制用于管理装置的运行信息及参数信息，并进行定期检查，防止误修改而引起设备运行异常。基线控制用于管理装置的版本信息，记录控制及存档控制的相关内容，同时进行试验测试，以验证版本的有效性。
（2）装置运维记录管理。
运维系统获取变电所装置的运维信息，可以进行智能化分析，提供运维诊断的结论和处理措施。
3.2综合自动化装置运行状态诊断
（1）动态自诊断管理。
对变电所内综合自动化装置自诊断信息分类汇总，对故障设备进行标记，并提出处理措施。
（2）综合诊断管理。
实现对全站信息电气量比较分析，判断存在的故障。
①比较进线保护装置采集的电压互感器电压与自投装置采集的进线抽压装置电压，判断两个电压采集回路的故障。
②比较变压器高压侧保护装置采集的保护电流与测控装置采集的测量电流，判断两个电流采集回路的故障。
③比较中压进线、馈线各间隔采集的中压母线电压，判断各电压采集回路的故障。
④比较变压器原边电流与次边电流，判断各电流采集回路故障。
⑤比较中压进线电流与各馈线电流之和，判断各电流采集回路故障。
⑥比较控制回路采集的断路器位置信号与测控装置采集的位置信号，判断断路器位置信号故障。
⑦比较断路器位置信号与测量电流，有电流、断路器为分位时，判断位置信号故障。
4.智能综合自动化系统的智能运维功能
4.1智能保护装置履历管理
建立“电子卡片”，实现对装置板件的自我身份识别，可查询、可追溯。实现板件的精细化管理，可以对设备板卡信息进行全生命过程跟踪。记录设备板卡更换信息，进行统计分析，提供决策所需数据依据。建立设备履历管理系统，进行设备台账管理，记录追溯资产事件。可以针对装置信息实现记录控制、存档控制、基线控制分层管理。
4.2智能变电站运维状态诊断
（1）运行状态自诊断。
包括保护装置的CPU板件、模拟量插件、开入插件、操作插件、内部工作电源监视回路、过程层光口的监视的自诊断。自动化装置定时向运维终端传送装置的日志文件。
运维终端通过日志文件对装置的自检和动态运行状态进行正确分析。
设置对板件5V工作电源回路的采样回路，实时监测工作电压波动。电压超出设置的工作范围时，装置发出告警信号，及时在装置故障之前进行维修检查。
（2）装置MTBF与剩余寿命估算。
参考TelcordiaSR-332Issue42016标准，利用元器件计数可靠性预计法预测装置的MTBF值。设置装置箱体内部温度采集回路，根据箱内实时温度计算装置剩余寿命。装置寿命计算利用内部元器件的短板即电解电容的温度老化特性，结合实时测量温度进行计算，计算采用阿列纽斯方程：
（1）式中：L——环境温度为T时的使用寿命（h）；L0——峰值温度时额定寿命（h）；T0——额定峰值使用温度(℃);T——环境温度(℃)。
保护测控装置寿命预测曲线如图2所示。
图2保护测控装置寿命预测曲线
4.3虚端子可视化与数字化网络分析诊断
系统采集过程层交换机和站控层的管理数据，结合业务数据对虚端子回路实路径进行在线监视，实现智能变电站虚端子回路的可视化，符合NB/T42015-2013[2]的相关规定。
系统通过网络分析装置可以实时记录各个装置接入的网络报文，分析网络报文的错误和故障。继电保护装置对接入的过程层的SV和GOOSE相关数据进行检验。
5.安科瑞AcrelCloud-1000变电所运维云平台
5.1概述
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，实现数据一个中心，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，并完成有关设备日常和定期巡检和派单等管理工作。
5.2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。
5.3系统结构
系统可分为四层：即感知层、传输层、应用层和展示层。
感知层：包含变电所安装的多功能仪表、温湿度监测装置、摄像头、开关量采集装置等。除摄像头外，其它设备通过RS485总线接入现场智能网关RS485端口。
传输层：包含现场智能网关和交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过交换机把数据上传至服务器端口，网络故障时数据可存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。
应用层：包含应用服务器和数据库服务器，若变电所数量小于30个则应用服务器和数据库服务器可以合一配置。服务器需要具备固定IP地址，以接收各智能网关主动传送过来的数据。
展示层：用户通过手机、平板、电脑等多终端的方式访问平台信息。
5.4系统功能
5.4.1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，
5.4.2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。
5.4.3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。
5.4.4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。
5.4.5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。
5.4.6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，即可查看该变配电站内视频信息。
5.4.7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。
5.4.8信息
对平台所有信息进行分析。
5.4.9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。
5.4.10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、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。
5.4.11APP监测
3.12APP支 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。
5.5系统硬件配置
| 应用场合 | 型号 | 外观图 | 型号、规格 |
| 变电所运维云平台 | AcrelCloud-1000 |
| 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，实现数据一个中心，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，并完成有关设备日常和定期巡检和派单等管理工作。 |
| 网关 | ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。 |
| 扩展模块ANet-485 | M485模块：4路光耦隔离RS485 | ||
| 扩展模块ANet-M4G | M4G模块：支持4G全网通 | ||
| 中压进线 | AM6-L |
| 三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护 |
| APM810 |
| 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In；四象限电能；实时及需量；电流、电压不平衡度；负载电流柱状图显示；66种类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录；2-63次谐波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD显示； | |
| 中压进线 | APView500 |
| 相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压／电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动／闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G,16D0+22D1,通讯 2RS485+1RS232+1GPS,3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口，支持U盘读取数据，支持61850协议。 |
| 中压馈线 | AM6-L |
| 三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护 |
| APM810 |
| 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In；四象限电能；实时及需量；电流、电压不平衡度；负载电流柱状图显示；66种类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录；2-63次谐波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD显示； | |
| 低压进线 | AEM96 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级,无功电能精度2级；工作温度：-10℃～+55℃；相对湿度：≤95不结露 |
| 低压出线 | AEM72 |
| 三相电参量U、1、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、低压出线分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3x1.5(6)A,有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 |
| ADW300 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级 | |
| 无线测温 | ATE-400 |
| 合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A,测温范围－50-125℃,测量精度±1℃;传输距离空旷150米 |
| ATC-600 |
| 两种工作模式：终端、中继。ATC600-Z做中继透传，ATC600-Z到ATC600-C的传输距离空旷1000m,ATC600-C可接收ATE系列传感器、 AHE等传输的数据，1路485,2路出口。 | |
| 环境温湿度 | WHD |
| WHD温湿度控制器产品主要用于中高压开关柜、端子箱、环网柜、箱变等设备内部温度和湿度调节控制。工作电源：AC/DC85～265V工作温度：-40.0℃～99.9℃工作湿度：0RH～99RH |
| 水浸传感器 | RS-SJ-*-2 |
| 接触式水浸传感器，监测变电所、电缆沟、控制室等场所积水情况，工作电源：DC10-30V工作温度：－20℃+60℃工作湿度：0%RH~80%RH响应时间：1s继电器输出：常开触点。 |
| 摄像机 | CS-C5C-3B1WFR |
| 支持720P高清图像，*高支持分辨率可达到130万像素（1280*960)内置麦克风与扬声器具有语音双向对讲功能，支持萤石云互联网服务，通过手机、PC等终端实现远程互动和视频观看。 |
| 烟雾传感器 | BRJ-307 |
| 光电式烟雾传感：电源正极（DC12V):+12V 继电器输出：常开触点 |
| 门禁 | MC-58(常开型） |
| 常开型；感应距离：30-50mm材质：锌合金，银灰色电度，干接点输出。 |
| 配套附件 | ARTU-K16 |
| 常开型；感应距离：30-50mm材质：锌合金，银灰色电度干接点输出 |
| KDYA-DG30-24K |
| 输出DC24V;24V电源 |
6.结语
通过研究与开发，在京沪高铁现场搭建了综合自动化系统智能运维管理平台。该平台通过近半年的挂网试运行，初步实现对综合自动化系统装置的故障预警和寿命预测，填补高铁运维在该方面的空白。该智能运维管理平台也可以引入城市轨道交通领域，为智慧地铁的建设提供参考。
参考文献
[1]Q/GDW11361—2017，智能变电站保护设备在线监视与诊断装置技术规范[S].
[2]NB/T42015—2013，智能变电站网络报文记录及分析装置技术条件[S].
[3]王纯伟，闫兆辉，侯日根.高铁牵引变电所综合自动化系统智能运维研究.
[4]安科瑞企业微电网设计与应用设计,2022,05版.