城市軌道交通供電系統新技術研究*

1.北京市地鐵運營有限公司 北京 100044 2.北京交通大學 長三角研究院 江蘇鎮江 212009

1 研究背景

當前,城市軌道交通正向著更加智能化、規模化,以及更加安全可靠的目標前行,對信息通信技術提出了更高的要求。城市軌道交通包含視頻監控系統、動力系統、供電系統、軌道信號系統、控制系統等諸多子系統，龐大且復雜。要管理好這個龐大的系統,就需要處理好各種半結構化和非結構化數據,用數據來對城市軌道交通系統的真實運行狀態進行描述,從而及時、準確地將數據信息傳達給系統中的各職能部門，最終實現智慧軌道交通[1]。

以某城市的地鐵為例，其供電系統由電源系統和輸配電系統組成，產生電能并負責電能的分配和輸送,最終為地鐵列車牽引,以及車站、區間、車輛段、控制中心等提供所需的動力、照明、測試、維修等工作用電。供電系統一次設備由各電壓等級母線、斷路器、變壓器、整流柜、電纜、供電柜等電氣設備組成[2-4]。已經投入運行20余年的某城市地鐵供電數據采集與監控系統,主要負責電量采集與電力設備監控，監視回路電壓電流、故障跳閘等，并進行開關遙控合分,但無法感知監測導體連接質量、絕緣損壞等。該地鐵的供電系統一直由人工進行定期巡檢,工作量大，效率低，成本高，發現問題周期長,人工巡檢發現的問題遠遠少于實際出現的問題,浪費人力、物力，且延誤檢修時機。一旦發生供電設備連接質量故障、絕緣損壞等,極易引發供電中斷等情況,對該地鐵的安全運營造成影響。

隨著大數據技術的不斷發展,實現地鐵供電系統的智能運維成為了可能。地鐵供電系統實現智能運維后,能提高系統的供電品質，并降低能耗。地鐵供電系統的智能運維需要先進技術和手段的支撐,比如智能傳感器、大數據、故障預測與健康管理等。

2 智能傳感器技術

傳感器是一種監測裝置,在自動控制系統中具有至關重要的作用。智能傳感器技術是一門正在迅速發展的現代傳感器技術,涉及微機械與計算機技術、信號處理技術、傳感技術等。智能傳感器帶有微處理器，兼有信息檢測和信息處理功能,具有可靠性高、穩定性好、感應精度高、自適應能力強等優點。通過傳感器獲取信息,并將信息輸入控制信息處理系統,對信息進行分析,可直接得到故障診斷信息和壽命預測信息。還可以直接在智能傳感器的節點處獲得有用信息,并實現傳感器之間的信息交換，使數據能夠直接交換，而不需要再通過某個中轉站進行交換。

將智能傳感器安裝在地鐵供電系統中的一些重要設備上,如變壓器、絕緣柵雙極型晶體管等，可直接得到設備的故障診斷信息,并對其進行壽命預測。

3 大數據技術

基于大數據技術的某地鐵供電系統平臺架構如圖1所示。由圖1可知，這一系統由數據采集、數據存儲、數據處理、數據展示四部分組成。其中，數據采集由數據倉儲ETL、數據相互轉移工具Sqoop，以及高可用與高可靠性的分布式海量日志采集、聚合和傳輸系統Flume組成。數據存儲由分布式文件系統HDFS和分布式、面向列的開源數據庫Hbase組成。

▲圖1 地鐵供電系統平臺架構

通過對大量數據進行統計分析,可尋找出地鐵供電系統能耗與客流量、供電制式、車型、環境溫度與濕度、線路坡道與彎道、運營組織模式等參數之間的相互關系[5],為地鐵供電系統的設計和運行提供可靠的參考依據。同時,可利用大數據技術預測地鐵供電系統能耗的發展趨勢,較為準確地獲得地鐵供電系統能耗的變化規律,并進行改進。建立地鐵供電系統的能耗模型,獲得影響地鐵供電系統能耗的關鍵因素,進而針對這些因素采取措施節約能耗。由于地鐵高峰、低谷期的發車間隔和載客量都不相同,使地鐵供電系統一天之中每個時段的供電量都不相同,可以利用大數據技術獲得的大量數據,研究地鐵電系統的動態供電規律,提高供電質量。

4 故障預測與健康管理

實現地鐵的故障預測與健康管理，需要實時監控及采集地鐵供電系統關鍵部件的特征量數據,通過對特征量數據的長期監測,形成包括電壓、電流、功率、溫度等特征量在內的大數據。通過對大數據的深入研究,構建關鍵部件壽命模型,建立總體老化、損傷及安全健康度與特征量的對應關系[6]。特征量辨識框圖如圖2所示。在此基礎上,實現對部件壽命的在線實時判斷,并根據安全健康度的評估結果,指導實施預防性動態維護與狀態檢修。

基于大數據的壽命預測包括累積損傷技術和特征量辨識技術[7-8]。其中，累計損傷技術通過檢測部件承受的電壓、電流沖擊和應力,以及溫度變化情況,結合部件自身的失效模型,完成關鍵部件剩余壽命預測及系統健康狀態評估。特征量辨識技術利用供電系統關鍵部件的大量特征量數據,構建關鍵部件壽命模型,建立總體老化、損傷及安全健康度與特征量的對應關系。

某地鐵故障預測與健康管理技術框架如圖3所示,包括數據采集、狀態監控、健康評估、故障預警、決策輔助等[9]。

(1) 數據采集。將地鐵列車的車載數據和離線數據(制造數據、檢修數據)等通過無線傳輸、網絡傳輸、人工上傳等途徑匯總到故障預測與健康管理中心數據庫。

(2) 狀態監控。利用各種類型傳感器采集的數據，如電流、電壓、壓力、溫度、加速度等,實現對關鍵部件或系統自身的故障檢測與狀態監控,并將故障、狀態數據通過相應的數據總線提交車載數據處理中心,通過遠程數據傳輸系統傳輸到地面。

(3) 故障預警。根據故障預測模型及預警閾值,對關鍵部件自動給出預警信息,并以彈出文字窗口、聲光報警等方式提醒值班人員。

(4) 健康評估。對來自多個信息源的數據進行數據融合,對關鍵部件的健康狀況進行健康評估,給出部件的健康狀態,如健康、亞健康、故障等。

(5) 決策輔助。根據故障預警信息和健康狀態評估信息,運用需求和維修資源等情況,給出地鐵運行和維修決策。

▲圖2 特征量辨識框圖

(6) 人機交互。人機交互是地鐵故障預測與健康管理系統和用戶的接口。為了便于數據的存儲、處理和發布,地面地鐵故障預測與健康管理的結構形式采用軟件密集型,主要由基于服務器的數據存儲和處理系統、地面大屏幕等組成[10-11]。

智能傳感器、大數據和故障預測與健康管理是目前智能城市軌道交通供電系統中的新技術,這些新技術的加入使供電系統在運行過程中更加可靠、高效與節能,為城市軌道交通供電系統使用單位降低了成本,并減少了故障的發生。

5 結束語

城市軌道交通供電系統是一個涉及多個學科的綜合性系統,需要多個學科協同創新,以達到系統的性能、功能更優。不斷涌現的新技術為城市軌道交通供電系統帶來了新的發展,從而為城市軌道交通的安全運行提供技術支持,更好地維護人們的出行安全。