安科瑞電氣電子産品選型介紹 吳智敏
182-021-709-07
摘 要：高速鐵路電力智能運維管理系統采用終端感覺層、系統網絡層、系統平台層的三層網絡架構模式，通過內建網關，共享通信傳輸裝置，利用鐵路專用運維傳輸網絡通道将各類監測資料上傳至運維管理平台資料進行實時分析，建立了統一的智能運維建設标準、一體化共享的運維管理平台，實作了鐵路全線電力線上監測、智能化預報警及故障的智能化判斷定位，大大提高了鐵路電力設施的運作維護管理效率，充分保障了供電的可靠性。
關鍵詞：高速鐵路；鐵路電力；狀态線上監測；智能運維管理
1、引言
随着鐵路建設的高速發展和運維工作量的增加，運維管理的重要性日益凸顯，傳統的鐵路電力運維管理模式已難以滿足智能的運作維護管理需求[1]。
在科技發展的背景下，越來越多的智能化監測技術已在鐵路電力系統中實作了應用，但由于缺少統一的資訊化建設标準、一體化共享的資訊平台，存在許多智能化的監測裝置重複配置、标準不統一且不能資料共享，各智能監測子系統互相孤立形成資訊孤島等問題，進而造成鐵路運維服務的資料綜合應用難以展開[2]。
針對上述問題，本文提出了一種适用于高速鐵路的電力智能運維管理系統，通過統一的運維資料傳輸網絡，充分利用共享資料互動設計以及鐵路網際網路位址資源，實作各類運維系統資料傳輸。系統深度內建各運維監測功能，通過子產品化方式，實作運維平台系統無縫銜接，使系統具備良好的擴充性和可維護性。
2、系統構成
系統由智能運維管理主站、通信傳輸網絡、資料采集及通信管理終端三部分組成，即終端感覺層、系統網絡層、系統平台層的三層網絡架構模式，如圖１所示。
系統通過終端感覺層内的各個監測子系統來采集資料，通過資料交換機或路由器将所采集到的資料上傳給系統網絡層，系統網絡層對各類資料進行統一管理，并通過鐵路通信專用光纖維護通道或共用移動通信網絡通信接口接入系統平台層。
2.1智能運維管理主站
電力智能運維管理系統主站按照營運機關要求一般集中設定于供電段内，主要包括兩套并行運作的監控排程工作站，用于管理和排程整個系統運作；為資料庫系統的高性能運作提供硬體支援和保障的資料庫伺服器；具有多個通信輸入/輸出端口的資訊內建網關，作為線上監測系統和主站平台之間的資料和指令交換；用于接收衛星對時的GPS時鐘；為計算機系統供電的UPS電源，以及列印機、排程台等裝置和系統服務軟體，系統具備可擴充功能[3]。
圖1 高速鐵路電力智能運維管理系統構成圖
作為系統平台層，運維管理主站可實作各線上監測子系統的資訊統一接入，并內建優化和資訊共享，實作資料采集、資料庫管理、運作監視、告警、報表、系統維護管理等功能[4]。
2.2通信傳輸網絡
近年來，随着鐵路通信網絡建設的逐漸加強，為鐵路電力智能運維管理系統的發展提供了便利，系統通過專用的鐵路運維傳輸網絡通道，将各類子系統終端的監測資料傳送至運維管理平台資料進行實時分析處理，與采用GPRS等移動通信網絡接入的方式相比，受環境影響更小，且更能保證網絡。
本系統的電力維護通道按照《鐵路供電排程系統通信組網技術方案指導意見》（運電通信函（2012）428号）設定，如圖2所示。系統設定１條通信通道，維護通道一個2Mb/s電路挂接終端站的數量不大于10個，維護通道利用傳輸系統接入層以太網通道，經車站（或通信站）的傳輸裝置與資料網裝置互連，在運作維護管理主站設定10M數字通道。
圖2 維護通道示意圖
就地設定的通信管理單元裝置與通信傳輸網絡裝置間的連接配接可采用以下方案：對于10kV配電所、通信信号變電所等設有通信機械室的房屋，終端裝置與通信傳輸裝置間為室内布線且布線距離小于100ｍ，采用FE（e）電接口連接配接；對于區間箱變終端裝置與通信傳輸裝置間為室外布線或室内布線距大于100ｍ，采用工作在1310nm視窗的單模光纖以FE（o）光接口連接配接。
2.3資料采集及通信管理終端
資料采集及通信管理終端主要由設定于鐵路變配電所、箱式變電站等電力設施處的各類線上監測子系統的電氣監測子產品以及統一的通信管理單元組成。
各個分散的電氣監測子產品的測量單元部署在開關櫃等裝置處，采集進出線開關的各種電氣運作參數，并通過RS485總線接入到通信管理單元，利用通信處理裝置，通過專用的電力運維管理通道将資料傳入主站進行統一監測。
2.3.1子系統功能
鐵路電力變配電裝置主要包括10kV高壓開關櫃、高壓環網櫃、變壓器、低壓櫃、配電箱和控制箱等，在沿線各車站及區間設定。特别是為區間通信基站、直放站，信号中繼站等負荷供電的箱變一般按照每3Km一處設定于區間路基外側、高架橋下或隧道洞室内，具有點多線長，交通不便，運作環境惡劣，巡視檢查須天窗點進行等特點，給裝置的巡視檢查造成了很大難度。
綜上所述，通過設定線上監測子系統，應能實時掌握高鐵電力供電系統運作中影響電氣裝置運作的主要和重要的核心關鍵裝置和部位的運作狀态，提高狀态監測的自動化水準，以适應無人值班及需要天窗點巡視的電力供電系統裝置管理營運維護要求。高速鐵路電力智能運維管理系統可包含以下子系統功能，并具備接入擴充其他系統的功能：
（1）貫通電纜線路線上故障定位系統
高速鐵10kV綜合負荷貫通線和負荷貫通線均采用全電纜線路，在運作過程中出現的電纜故障會嚴重影響電力供電的可靠性，影響鐵路的正常運作。目前故障點的查找一般采用發生故障後斷電隔離故障區段後利用天窗點進行，故障查找和檢修難度較大。貫通電纜線路線上故障定位系統在10kV配電所、車站通信信号變電所、區間箱變或變電所等處設定故障定位裝置，從電壓互感器和電流互感器的二次側采集電壓和電流信号，對基波和行波電流、基波和行波電壓等信号實時監測，通過行波理論、雙端行波定位理論與小波變換原理，采用高精度GPS/BDS多源時鐘授時系統，實作貫通電纜線路故障的實時定位，大大減小查找電纜故障點的工作量，縮短檢修搶修時間，進而提高速鐵路電力供電的可靠性[5]。
(2)電纜頭線上光纖測溫系統
電纜頭的溫度的變化直接反映電纜的運作狀态，電纜頭溫度過高後應及時處理，避免電纜事故的擴大甚至燒毀電纜。目前正常的溫度檢測均需要檢測人員到裝置現場進行，且電纜頭可視，已不能适應智能運維管理要求[6]。電纜頭線上光纖測溫系統由傳感器和處理器兩部分構成，在電纜接頭處設定熒光光纖溫度傳感器，并由處理器發出光源，基于熒光測溫原理，通過測試光發射餘輝衰減的時間，将其轉換為可測的光信号。處理器接收到傳感器發出的光信号後，将其轉換為溫度信号，其資料可通過現場通信裝置傳輸至智能線上監測運維管理系統主站。系統可線上、實時地準确測量電纜接頭的接點溫度。做到對電纜頭溫度的實時監測，進行溫度異常時的報警[6]。
(3)電力成套開關裝置局部放電監測系統
局部放電是絕緣損壞的重要标征，是局部過熱，電器元件和機械元件老化的預兆，并造成高壓電氣裝置發生絕緣擊穿。通過在高壓開關櫃等裝置中設定局部放電智能監測裝置，能監測到主絕緣材料故障、絕緣材料表面及空氣媒體故障所激發的超音波信号；接觸不良或過載引起的溫度過高；絕緣材料污穢引起的表面爬電、閃絡等。可對開關櫃由于絕緣缺陷和老化造成絕緣内部氣隙形成的氣隙放電，以及内部的金屬毛刺、懸浮顆粒，絕緣子表面髒污，接觸不良等缺陷進行預警。
(4)變配電所接地電阻監測系統
變配電所的裝置保護接地、防雷接地等共用接地系統，與運作密切相關。系統采用接地電阻線上監測儀作為核心監測裝置，内置傳感器與電路闆，金屬殼屏蔽設計，适用于戶外環境的使用，監測多個關鍵接地點的接地電阻值，并通過通信傳輸資料實作遠端線上監測，系統軟體能描述接地電阻的變化趨勢、周期，并可以設定相關的門檻值給予警示，線上監測接地引下線的連接配接狀況、回路接地電阻、金屬回路聯結電阻。確定接地系統良好運作。
(5)箱變弧光保護監測系統
開關櫃由于電路元器件損壞、絕緣破壞、過電壓、意外短路等原因産生弧光短路故障會對人身和裝置造成大的損害。由于鐵路箱變内各類電氣裝置布置比較緊湊，很容易發生電弧光事故，且大多設定于區間，巡視檢查不便，是以可通過配置弧光保護系統，将弧光傳感器安裝在櫃内各間隔中，當弧光故障時，采集檢測突然增加的電弧紫外光，并通過光纖傳輸光信号至主要單元，當檢測到電弧光時及時跳閘。
2.3.2通信管理單元
高速鐵路電力智能運維管理系統由于現場采集終端裝置資料接口的不同，通信管理單元需要具備自适應工業以太網接口和RS485序列槽，根據運維子系統的數量進行配置以太網接口和序列槽的數量，滿足系統需要。
3、系統設計方案
系統軟體包括系統應用服務和資料服務軟體，提供了包括基礎資訊管理服務、資料采集和存儲服務、運作監視和告警服務、運作分析服務、資料分析服務等多種功能子產品[8]。
系統軟體系統遵循分層式和子產品化結構，主要由表示層、業務層及資料層等多層次模型構成，各層遵循标準資料接口和交換方式，使得系統構架符合通用性和可擴充性原則。系統的資料層和業務層部署在運維平台伺服器上，表示層則通過WEB用戶端、移動APP和SNS（微信）等多種通路接口和用戶端應用界面實作，系統軟體平台架構詳如圖3所示。
圖3 系統軟體平台架構圖
4、AcrelCloud-1000變電所運維雲平台方案綜述
4.1概述
AcrelCloud-1000變電所運維雲平台基于網際網路＋、大資料、移動通訊等技術開發的雲端管理平台，滿足使用者或運維公司監測衆多變電所回路運作狀态和參數、室内環境溫濕度、電纜及母線運作溫度、現場裝置或環境視訊場景等需求，實作資料集中，集中存儲、統一管理，友善使用，支援具有權限的使用者通過電腦、手機、PAD等各類終端連結通路、接收報警，并完成有關裝置日常和定期巡檢和派單等管理工作。
4.2應用場所
适用于電信、金融、交通、能源、醫療衛生、文體、教育科研、農林水利、商業服務、公用事業等行業變配電運作維護系統的建立、擴建和改建。
5、系統功能
5.1用能月報
用能月報支援使用者按總用電量、變電站名稱、變電站編号等查詢所管理站所的用電量，查詢跨度可設定為月。
5.2站點監測
站點監測包括概況、運作狀态、當日事件記錄、當日逐時用電曲線、用電概況。
5.3變壓器狀态
變壓器狀态支援使用者查詢所有或某個站所的變壓器功率、負荷率、等運作狀态資料，支援按負荷率、功率等升、降序排名。
5.4運維
運維展示目前使用者管理的有關變電所在地圖上位置及總量資訊。
5.5配電圖
配電圖展示被選中的變電所的配電資訊，配電圖顯示各回路的開關狀态、電流等運作狀态及資訊，支援電壓、電流、功率等詳細運作參數查詢。
5.6視訊監控
視訊監控展示了目前實時畫面（視訊直播），選中某一個變配電站，即可檢視該變配站内視訊資訊。
5.7電力運作報表
電力運作報表顯示標明站所標明裝置各回路指定采集間隔運作參數和電能抄表的實時值及平均值行統計。
5.8報警資訊
對平台所有報警資訊進行分析。
5.9任務管理
任務管理頁面可以釋出巡檢或消缺任務，檢視巡檢或消缺任務的狀态和完成情況，可以點選檢視任務檢視具體的巡檢資訊。
5.10使用者報告
使用者報告頁面主要用于對標明的變配電站自動彙總一個月的運作資料，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析，并列出在該周期内巡檢時發現的各類缺陷及處理情況。
5.11 APP監測
電力運維手機支援“監控系統”、“裝置檔案”、“待辦事項”、“巡檢記錄”、“缺陷記錄”、“文檔管理”和“使用者報告”七大子產品，支援一次圖、需量、用電量、視訊、曲線、溫濕度、同比、環比、電能品質、各種事件報警查詢，裝置檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢、使用者報告、文檔管理等。
6.系統硬體配置
7、結語
近年來，随着智能化鐵路建設理念的提出，鐵路電力供電系統現場無人化管理的模式是必然的發展方向，鐵路營運管理機關對于通過智能化運維監測技術和分析判斷解決電力系統運作過程中的各類故障，以便實時的處理故障并及時恢複電力供電，保證鐵路運作的需求也日益迫切。
在此背景下，本文所介紹的高速鐵路電力智能運維管理系統提出了鐵路電力系統智能運維管理系統的理念，将各子系統之間的資料通道共享，打破了傳統各自獨立的資訊傳輸方式，通過深度內建融合的平台主站形成了系統化、标準化的運維管理體系模式。系統通過內建網關、共享通信傳輸裝置，利用鐵路運維傳輸網絡通道的方式将各類監測資料送至運維管理平台資料進行實時分析，實作鐵路全線電力線上監測、智能化預報警及故障的智能化判斷定位，使電力設施建立全生命周期管理體系，為電力排程和運作檢修管理提供強有力的輔助決策依據。随着鐵路建設标準體系的完善和技術的不斷發展，必将具有更加廣闊的應用和發展前景，實作網絡化大資料環境下的鐵路電力智能運維管理，将鐵路電力供電系統運維管理提升到一個智能化的新水準。
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