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摘要:目前,高鐵牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)運維還處在“計劃修"“故障修"階段。文章研究傳統(tǒng)以及智能綜合自動化系統(tǒng)的運維技術(shù),提出針對性的智能運維解決方案,實現(xiàn)對綜合自動化系統(tǒng)的故障智能分析、健康管理和壽命預(yù)測等功能,可以提高運維效率,更好地保障高鐵運營安全。
關(guān)鍵詞:高鐵;綜合自動化;智能運維
0.引言
牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)是保障高鐵安全運營的重要設(shè)施,有效的運營維護(hù)工作能夠很大限度地保障高鐵牽引供電安全性。目前,高鐵還未針對綜合自動化系統(tǒng)維護(hù)維修進(jìn)行信息化管理,依然停留在“計劃修"“故障修"階段,自動化程度較低,維護(hù)顆粒度較粗。電力系統(tǒng)研究智能變電站的運維,制定《智能變電站保護(hù)設(shè)備在線監(jiān)視與診斷裝置技術(shù)規(guī)范》(Q/GDW11361—2017)[1]標(biāo)準(zhǔn)。文章通過科研立項,針對傳統(tǒng)和智能牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)的智能運維進(jìn)行深入研究,現(xiàn)場搭建運維管理系統(tǒng),可以提高綜合自動化系統(tǒng)運維智能化水平,促進(jìn)綜合自動化系統(tǒng)運維向“狀態(tài)修"轉(zhuǎn)變。
1.課題研究內(nèi)容
1.1智能運維管理平臺的搭建
研究搭建針對既有和智能高鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)的智能運維管理平臺的系統(tǒng)構(gòu)成方案,作為實現(xiàn)智能運維功能的硬件基礎(chǔ)。
1.2既有綜合自動化系統(tǒng)的智能運維功能
針對既有綜合自動化系統(tǒng)的研究,以不改動既有軟硬件、不影響既有線運營為原則,采用深度挖掘既有數(shù)據(jù)潛力的方法在監(jiān)控后臺以增加軟件模塊的方式實現(xiàn)功能。
(1)實現(xiàn)綜合自動化系統(tǒng)履歷管理信息化與在線參數(shù)校核。
(2)利用綜合自動化系統(tǒng)裝置自診斷信息和有邏輯管線的監(jiān)測信息,通過深挖數(shù)據(jù)潛力,實現(xiàn)既有綜合自動化系統(tǒng)裝置的運行狀態(tài)診斷。
1.3智能綜合自動化系統(tǒng)的智能運維功能
針對未來綜合自動化系統(tǒng)的研究,以適度完善軟硬件設(shè)備、不降低系統(tǒng)可靠性為原則,對綜合自動化系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)測控裝置進(jìn)行軟、硬件升級,實現(xiàn)對裝置的詳細(xì)自診斷。除了實現(xiàn)原有功能外,針對智能綜合自動化系統(tǒng)的特點增加功能。
(1)增加裝置箱內(nèi)溫度采集回路,實現(xiàn)對裝置內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測。
(2)根據(jù)裝置MTBF時間與裝置運行環(huán)境溫度計算裝置整體的預(yù)期剩余壽命,設(shè)置報警限值進(jìn)行預(yù)警。
(3)研究基于智能牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)的虛端子可視化、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)控與診斷。
2.智能運維系統(tǒng)的搭建
2.1傳統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)智能運維系統(tǒng)的搭建
傳統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)智能運維實施方案如圖1所示。
圖1傳統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)智能運維實施方案
為了將對既有系統(tǒng)的影響降低至可控范圍內(nèi),對既有綜合自動化系統(tǒng)通信管理機(jī)進(jìn)行軟件升級,站內(nèi)新增智能運維管理機(jī)。在運維管理后臺設(shè)置智能運維后臺機(jī),后臺機(jī)安裝含有裝置履歷管理、綜合診斷管理等模塊的智能運維軟件平臺。
智能運維軟件平臺配置裝置自診斷信息、回路電氣量信息以及裝置的基本信息的組合關(guān)系和診斷邏輯,生成對應(yīng)裝置的專家經(jīng)驗庫。從通信層網(wǎng)絡(luò)獲取間隔層保護(hù)裝置的自檢告警信息、各類回路電氣量信息以及狀態(tài)量信息,與裝置專家?guī)熘械脑\斷邏輯以及歷史樣本做低值對比分析得到成功匹配的分析結(jié)果,提示運維人員實施針對性維護(hù)維修操作。
在既有通信管理機(jī)中增配智能運維后臺的通信模塊,將運行監(jiān)測信息、設(shè)備狀態(tài)信息和故障動作告警信息等數(shù)據(jù)通過新增的運維管理機(jī)中轉(zhuǎn),發(fā)送給智能運維后臺機(jī)。智能運維后臺機(jī)通過對綜合運維信息進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選分類,結(jié)合專家經(jīng)驗庫和歷史診斷樣本,在智能運維后臺機(jī)的HMI上顯示生成的運維分析結(jié)果,提供給運維人員針對性的維護(hù)措施。
2.2智能綜合自動化系統(tǒng)智能運維的搭建
智能牽引變電站綜合自動化系統(tǒng)采用典型的數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu),集過程層合并單元、智能終端與間隔層一體化設(shè)計。綜合自動化系統(tǒng)增設(shè)一臺運維管理機(jī),接入綜合自動化系統(tǒng)站控層網(wǎng)絡(luò),負(fù)責(zé)運維相關(guān)數(shù)據(jù)的收發(fā);增設(shè)一臺網(wǎng)絡(luò)分析儀,接入站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò),負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與分析。所有數(shù)據(jù)由運維管理機(jī)發(fā)送到智能運維后臺機(jī),實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與分析。
3.傳統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)的智能運維功能
3.1綜合自動化裝置履歷信息管理
(1)裝置臺賬信息管理。
對設(shè)備信息實現(xiàn)記錄控制、存檔控制、基線控制分層管理,在運維日常工作中,定期對裝置信息進(jìn)行校核。記錄控制用于管理裝置的相關(guān)生產(chǎn)信息,記錄裝置在服役時間內(nèi)發(fā)生的版本更新、歷史故障記錄等信息。存檔控制用于管理裝置的運行信息及參數(shù)信息,并進(jìn)行定期檢查,防止誤修改而引起設(shè)備運行異常?;€控制用于管理裝置的版本信息,記錄控制及存檔控制的相關(guān)內(nèi)容,同時進(jìn)行試驗測試,以驗證版本的有效性。
(2)裝置運維記錄管理。
運維系統(tǒng)獲取變電所裝置的運維信息,可以進(jìn)行智能化分析,提供運維診斷的結(jié)論和處理措施。
3.2綜合自動化裝置運行狀態(tài)診斷
(1)動態(tài)自診斷管理。
對變電所內(nèi)綜合自動化裝置自診斷信息分類匯總,對故障設(shè)備進(jìn)行標(biāo)記,并提出處理措施。
(2)綜合診斷管理。
實現(xiàn)對全站信息電氣量比較分析,判斷存在的故障。
①比較進(jìn)線保護(hù)裝置采集的電壓互感器電壓與自投裝置采集的進(jìn)線抽壓裝置電壓,判斷兩個電壓采集回路的故障。
②比較變壓器高壓側(cè)保護(hù)裝置采集的保護(hù)電流與測控裝置采集的測量電流,判斷兩個電流采集回路的故障。
③比較中壓進(jìn)線、饋線各間隔采集的中壓母線電壓,判斷各電壓采集回路的故障。
④比較變壓器原邊電流與次邊電流,判斷各電流采集回路故障。
⑤比較中壓進(jìn)線電流與各饋線電流之和,判斷各電流采集回路故障。
⑥比較控制回路采集的斷路器位置信號與測控裝置采集的位置信號,判斷斷路器位置信號故障。
⑦比較斷路器位置信號與測量電流,有電流、斷路器為分位時,判斷位置信號故障。
4.智能綜合自動化系統(tǒng)的智能運維功能
4.1智能保護(hù)裝置履歷管理
建立“電子卡片",實現(xiàn)對裝置板件的自我身份識別,可查詢、可追溯。實現(xiàn)板件的精細(xì)化管理,可以對設(shè)備板卡信息進(jìn)行全生命過程跟蹤。記錄設(shè)備板卡更換信息,進(jìn)行統(tǒng)計分析,提供決策所需數(shù)據(jù)依據(jù)。建立設(shè)備履歷管理系統(tǒng),進(jìn)行設(shè)備臺賬管理,記錄追溯資產(chǎn)事件??梢葬槍ρb置信息實現(xiàn)記錄控制、存檔控制、基線控制分層管理。
4.2智能變電站運維狀態(tài)診斷
(1)運行狀態(tài)自診斷。
包括保護(hù)裝置的CPU板件、模擬量插件、開入插件、操作插件、內(nèi)部工作電源監(jiān)視回路、過程層光口的監(jiān)視的自診斷。自動化裝置定時向運維終端傳送裝置的日志文件。
運維終端通過日志文件對裝置的自檢和動態(tài)運行狀態(tài)進(jìn)行正確分析。
設(shè)置對板件5V工作電源回路的采樣回路,實時監(jiān)測工作電壓波動。電壓超出設(shè)置的工作范圍時,裝置發(fā)出告警信號,及時在裝置故障之前進(jìn)行維修檢查。
(2)裝置MTBF與剩余壽命估算。
參考TelcordiaSR-332Issue42016標(biāo)準(zhǔn),利用元器件計數(shù)可靠性預(yù)計法預(yù)測裝置的MTBF值。設(shè)置裝置箱體內(nèi)部溫度采集回路,根據(jù)箱內(nèi)實時溫度計算裝置剩余壽命。裝置壽命計算利用內(nèi)部元器件的短板即電解電容的溫度老化特性,結(jié)合實時測量溫度進(jìn)行計算,計算采用阿列紐斯方程:
(1)式中:L——環(huán)境溫度為T時的使用壽命(h);L0——峰值溫度時額定壽命(h);T0——額定峰值使用溫度(℃);T——環(huán)境溫度(℃)。
保護(hù)測控裝置壽命預(yù)測曲線如圖2所示。
圖2保護(hù)測控裝置壽命預(yù)測曲線
4.3虛端子可視化與數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)分析診斷
系統(tǒng)采集過程層交換機(jī)和站控層的管理數(shù)據(jù),結(jié)合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對虛端子回路實路徑進(jìn)行在線監(jiān)視,實現(xiàn)智能變電站虛端子回路的可視化,符合NB/T42015-2013[2]的相關(guān)規(guī)定。
系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)分析裝置可以實時記錄各個裝置接入的網(wǎng)絡(luò)報文,分析網(wǎng)絡(luò)報文的錯誤和故障。繼電保護(hù)裝置對接入的過程層的SV和GOOSE相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗。
5.安科瑞AcrelCloud-1000變電所運維云平臺
5.1概述
基于互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、移動通訊等技術(shù)開發(fā)的云端管理平臺,滿足用戶或運維公司監(jiān)測眾多變電所回路運行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現(xiàn)場設(shè)備或環(huán)境視頻場景等需求,實現(xiàn)數(shù)據(jù)一個中心,集中存儲、統(tǒng)一管理,方便使用,支持具有權(quán)限的用戶通過電腦、手機(jī)、PAD等各類終端鏈接訪問、接收報警,并完成有關(guān)設(shè)備日常和定期巡檢和派單等管理工作。
5.2應(yīng)用場所
適用于電信、金融、交通、能源、醫(yī)療衛(wèi)生、文體、教育科研、農(nóng)林水利、商業(yè)服務(wù)、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運行維護(hù)系統(tǒng)的新建、擴(kuò)建和改建。
5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)可分為四層:即感知層、傳輸層、應(yīng)用層和展示層。
感知層:包含變電所安裝的多功能儀表、溫濕度監(jiān)測裝置、攝像頭、開關(guān)量采集裝置等。除攝像頭外,其它設(shè)備通過RS485總線接入現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)RS485端口。
傳輸層:包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動采集現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù),并可進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)存儲,并通過交換機(jī)把數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端口,網(wǎng)絡(luò)故障時數(shù)據(jù)可存儲在本地,待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù),保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。
應(yīng)用層:包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,若變電所數(shù)量小于30個則應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以合一配置。服務(wù)器需要具備固定IP地址,以接收各智能網(wǎng)關(guān)主動傳送過來的數(shù)據(jù)。
展示層:用戶通過手機(jī)、平板、電腦等多終端的方式訪問平臺信息。
5.4系統(tǒng)功能
用能月報支持用戶按總用電量、變電站名稱、變電站編號等查詢所管理站所的用電量,
5.4.2站點監(jiān)測
站點監(jiān)測包括概況、運行狀態(tài)、當(dāng)日事件記錄、當(dāng)日逐時用電曲線、用電概況。
變壓器狀態(tài)支持用戶查詢所有或某個站所的變壓器功率、負(fù)荷率、等運行狀態(tài)數(shù)據(jù),支持按負(fù)荷率、功率等升、降序排名。
運維展示當(dāng)前用戶管理的有關(guān)變電所在地圖上位置及總量信息。
配電圖展示被選中的變電所的配電信息,配電圖顯示各回路的開關(guān)狀態(tài)、電流等運行狀態(tài)及信息,支持電壓、電流、功率等詳細(xì)運行參數(shù)查詢。
5.4.6視頻監(jiān)控
視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實時畫面(視頻直播),選中某一個變配電站,即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。
電力運行報表顯示選定站所選定設(shè)備各回路采集間隔運行參數(shù)和電能抄表的實時值及平均值行統(tǒng)計。
5.4.8報警信息
對平臺所有報警信息進(jìn)行分析。
任務(wù)管理頁面可以發(fā)布巡檢或消缺任務(wù),查看巡檢或消缺任務(wù)的狀態(tài)和完成情況,可以點擊查看任務(wù)查看具體的巡檢信息。
用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù),對變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進(jìn)行統(tǒng)計分析,并列出在該周期內(nèi)巡檢時發(fā)現(xiàn)的各類缺陷及處理情況。
5.4.11APP監(jiān)測
5.5系統(tǒng)硬件配置
應(yīng)用場合 | 型號 | 外觀圖 | 型號、規(guī)格 |
變電所運維云平臺 | AcrelCloud-1000 | AcrelCloud-1000變電所運維云平臺基于互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、移動通訊等技術(shù)開發(fā)的云端管理平臺,滿足用戶或運維公司監(jiān)測眾多變電所回路運行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現(xiàn)場設(shè)備或環(huán)境視頻場景等需求,實現(xiàn)數(shù)據(jù)一個中心,集中存儲、統(tǒng)一管理,方便使用,支持具有權(quán)限的用戶通過電腦、手機(jī)、PAD等各類終端鏈接訪問、接收報警,并完成有關(guān)設(shè)備日常和定期巡檢和派單等管理工作。 | |
網(wǎng)關(guān) | ANet-2E4SM | 4路RS485串口,光耦隔離,2路以太網(wǎng)接口,支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP(主、從)、104(主、從)、建筑能耗、SNMP、MQTT;(主模塊)輸入電源:DC12V~36V。支持4G擴(kuò)展模塊,485擴(kuò)展模塊。 | |
擴(kuò)展模塊ANet-485 | M485模塊:4路光耦隔離RS485 | ||
擴(kuò)展模塊ANet-M4G | M4G模塊:支持4G全網(wǎng)通 | ||
中壓進(jìn)線 | AM6-L | 三段式過流保護(hù)(帶方向、低壓閉鎖)、過負(fù)荷保護(hù)、PT斷線告警、逆功率保護(hù)、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護(hù)、斷路器失靈保護(hù) | |
APM810 | 三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ),零序電流In;四象限電能;實時及需量;電流、電壓不平衡度;負(fù)載電流柱狀圖顯示;66種報警類型及外部事件(SOE)各16條事件記錄,支持SD卡擴(kuò)展記錄;2-63次諧波;2DI+2DO RS485/Modbus;LCD顯示; | ||
中壓進(jìn)線 | APView500 | 相電壓電流+零序電壓零序電流,電壓電流不平衡度,有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波,諧波(電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子)、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波,波形實時顯示及故障波形查看,PQDIF格式文件存儲,內(nèi)存32G,16D0+22D1,通訊 2RS485+1RS232+1GPS,3以太網(wǎng)接口(+1維護(hù)網(wǎng)口)+1USB接口,支持U盤讀取數(shù)據(jù),支持61850協(xié)議。 | |
中壓饋線 | AM6-L | 三段式過流保護(hù)(帶方向、低壓閉鎖)、過負(fù)荷保護(hù)、PT斷線告警、逆功率保護(hù)、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護(hù)、斷路器失靈保護(hù) | |
APM810 | 三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ),零序電流In;四象限電能;實時及需量;電流、電壓不平衡度;負(fù)載電流柱狀圖顯示;66種報警類型及外部事件(SOE)各16條事件記錄,支持SD卡擴(kuò)展記錄;2-63次諧波;2DI+2DO RS485/Modbus;LCD顯示; | ||
低壓進(jìn)線 | AEM96 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量,總正反向有功電能統(tǒng)計,正反向無功電能統(tǒng)計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量(電壓、電流、功率);電流規(guī)格3×1.5(6)A,有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級;工作溫度:-10℃~+55℃;相對濕度:≤95不結(jié)露 | |
低壓出線 | AEM72 | 三相電參量U、1、P、Q、S、PF、F測量,總正反向有功電能統(tǒng)計,正反向無功電能統(tǒng)計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、低壓出線分相諧波及基波電參量(電壓、電流、功率);電流規(guī)格3x1.5(6)A,有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級 | |
ADW300 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量,有功電能計量(正、反向)、四象限無功電能、總諧波含量、分次諧波含量(2~31次);A、B、C、N四路測溫;1路剩余電流測量;支持RS485/LoRa/2G/4G/NB;LCD顯示;有功電能精度:0.5S級 | ||
無線測溫 | ATE-400 | 合金片固定,CT感應(yīng)取電,啟動電流大于5A,測溫范圍-50-125℃,測量精度±1℃;傳輸距離空曠150米 | |
ATC-600 | 兩種工作模式:終端、中繼。ATC600-Z做中繼透傳,ATC600-Z到ATC600-C的傳輸距離空曠1000m,ATC600-C可接收ATE系列傳感器、 AHE等傳輸?shù)臄?shù)據(jù),1路485,2路報警出口。 | ||
環(huán)境溫濕度 | WHD | WHD溫濕度控制器產(chǎn)品主要用于中高壓開關(guān)柜、端子箱、環(huán)網(wǎng)柜、箱變等設(shè)備內(nèi)部溫度和濕度調(diào)節(jié)控制。工作電源:AC/DC85~265V工作溫度:-40.0℃~99.9℃工作濕度:0RH~99RH | |
水浸傳感器 | RS-SJ-*-2 | 接觸式水浸傳感器,監(jiān)測變電所、電纜溝、控制室等場所積水情況,工作電源:DC10-30V工作溫度:-20℃+60℃工作濕度:0%RH~80%RH響應(yīng)時間:1s繼電器輸出:常開觸點。 | |
攝像機(jī) | CS-C5C-3B1WFR | 支持720P高清圖像,*高支持分辨率可達(dá)到130萬像素(1280*960)內(nèi)置麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器具有語音雙向?qū)χv功能,支持螢石云互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),通過手機(jī)、PC等終端實現(xiàn)遠(yuǎn)程互動和視頻觀看。 | |
煙霧傳感器 | BRJ-307 | 光電式煙霧傳感:電源正極(DC12V):+12V 繼電器輸出:常開觸點 | |
門禁 | MC-58(常開型) | 常開型;感應(yīng)距離:30-50mm材質(zhì):鋅合金,銀灰色電度,干接點輸出。 | |
配套附件 | ARTU-K16 | 常開型;感應(yīng)距離:30-50mm材質(zhì):鋅合金,銀灰色電度干接點輸出 | |
KDYA-DG30-24K | 輸出DC24V;24V電源 |
6.結(jié)語
通過研究與開發(fā),在京滬高鐵現(xiàn)場搭建了綜合自動化系統(tǒng)智能運維管理平臺。該平臺通過近半年的掛網(wǎng)試運行,初步實現(xiàn)對綜合自動化系統(tǒng)裝置的故障預(yù)警和壽命預(yù)測,填補(bǔ)高鐵運維在該方面的空白。該智能運維管理平臺也可以引入城市軌道交通領(lǐng)域,為智慧地鐵的建設(shè)提供參考。
參考文獻(xiàn)
[1]Q/GDW11361—2017,智能變電站保護(hù)設(shè)備在線監(jiān)視與診斷裝置技術(shù)規(guī)范[S].
[2]NB/T42015—2013,智能變電站網(wǎng)絡(luò)報文記錄及分析裝置技術(shù)條件[S].
[3]王純偉,閆兆輝,侯日根.高鐵牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)智能運維研究.
[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用設(shè)計,2022,05版.
作者簡介
郭希,男,現(xiàn)任職安科瑞電氣股份有限公司,手機(jī):17269758633(微信同號)
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