地鐵供電智能運維系統(tǒng)實踐解析

謝 偉

（深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳 518026）

1 引言

隨著地鐵線網(wǎng)的不斷延伸，地鐵運營技術(shù)管理水平要求越來越高，設(shè)備維護標(biāo)準越來越細，使得運營維護成本居高不下。在保障地鐵安全可靠運營的基礎(chǔ)上，降低運營維護成本，提升設(shè)備智能化管理水平，已成為行業(yè)廣泛關(guān)注和研究的熱點。

地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）雖提高了調(diào)度和監(jiān)控系統(tǒng)的集成度和工作效率，但供電系統(tǒng)各子系統(tǒng)在智能運維方面的發(fā)展深度遠遠不夠。隨著網(wǎng)絡(luò)化運營及早期運營線路的關(guān)鍵設(shè)備陸續(xù)進入中、大修階段，急需構(gòu)建基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、特征提取、狀態(tài)評估、故障診斷、故障預(yù)測、維修模式優(yōu)化和維修決策于一體的供電智能運維系統(tǒng)。

2 供電智能運維系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

供電智能運維系統(tǒng)基于確保運營安全、提高運維效率、提升資產(chǎn)價值的原則，對變電所內(nèi)的35 kV開關(guān)柜、1 500 V開關(guān)柜、整流變壓器、動力變壓器、能饋變壓器、蓄電池、設(shè)備房和電纜夾層溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)等進行監(jiān)測，實現(xiàn)對變電所內(nèi)一次設(shè)備、接觸網(wǎng)狀態(tài)參量的獲取、處理、存儲、展示和分析功能，結(jié)合運維人員生產(chǎn)活動的實際需求，實現(xiàn)變電所無人值守、自動巡檢等目標(biāo)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

伴隨人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建供電智能運維系統(tǒng)，首先，應(yīng)立足于供電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與診斷、故障預(yù)測、風(fēng)險等級評測、故障數(shù)據(jù)分析的規(guī)范化，緊緊圍繞以可靠性為中心的維修理論，運用矩陣分析方法，梳理各關(guān)鍵設(shè)備、部件或子系統(tǒng)的風(fēng)險等級，從而優(yōu)化和確定各關(guān)鍵設(shè)備、部件或子系統(tǒng)的檢修和維修策略。其次，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，根據(jù)故障影響程度和發(fā)生故障的頻率建立風(fēng)險矩陣，運用數(shù)字孿生技術(shù)建立多維度的故障預(yù)測模型，建立供電設(shè)備全生命周期的可靠性管理優(yōu)化策略。最后，建立閉合的環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸通道。

深圳地鐵供電智能運維系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由設(shè)置在深圳地鐵深云線網(wǎng)控制中心（簡稱“深云中心”）的中央級供電智能運維中心系統(tǒng)、設(shè)置在各個降壓混合變電所或降壓變電所的現(xiàn)場級輔助監(jiān)控系統(tǒng)以及設(shè)置在運營維修中心各車間或工班的供電智能運維終端設(shè)備等3部分構(gòu)成，并通過環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 系統(tǒng)功能

中央級供電智能運維中心系統(tǒng)設(shè)置在深圳地鐵深云中心，完成供電系統(tǒng)的設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲和分析、健康狀態(tài)評估等功能。

現(xiàn)場級輔助監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置在各個牽引降壓混合變電所或降壓變電所，完成對供電系統(tǒng)設(shè)備的運維數(shù)據(jù)的采集、存儲和分析，包括視頻巡檢、在線監(jiān)測、動態(tài)環(huán)境監(jiān)視以及現(xiàn)場操作等，并通過環(huán)形網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴钤浦行牡闹醒爰壴O(shè)備存儲。

終端級智能運維設(shè)備設(shè)置在運營維修中心各車間或工班，通過供電智能運維終端設(shè)備對供電系統(tǒng)各設(shè)備狀態(tài)進行日常瀏覽、查詢等，以便有針對性的安排供電設(shè)備維修保養(yǎng)工作。

環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò)由1 000 M的供電運維單環(huán)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，完成供電設(shè)備運維的數(shù)據(jù)和視頻傳輸。

3 實踐解析

3.1 數(shù)據(jù)采集接口和傳輸標(biāo)準

供電智能運維系統(tǒng)與供電設(shè)備相關(guān)的外部數(shù)據(jù)采集接口如圖2所示。針對不同的數(shù)據(jù)類型接口，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分別采用了MODBUS協(xié)議、IEC 104協(xié)議、HTTP協(xié)議等。對于電力監(jiān)控裝置采集的遙信、遙測和故障報告等突發(fā)隨機數(shù)據(jù)，采用IEC 104協(xié)議傳輸；對于在線監(jiān)測裝置采集的定時循環(huán)數(shù)據(jù)采用MODBUS協(xié)議傳輸；對于接觸網(wǎng)狀態(tài)參量，采用HTTP協(xié)議離線方式上傳至中央級系統(tǒng)。

圖2 供電智能運維系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)采集接口

3.2 多維信息融合共享的技術(shù)平臺

供電智能運維系統(tǒng)遵循協(xié)調(diào)互聯(lián)、信息共享、補位提升等原則，通過維修中心的終端級供電智能運維設(shè)備與各運營系統(tǒng)互聯(lián)，獲取施工作業(yè)管理系統(tǒng)、電子工作票系統(tǒng)、企業(yè)資產(chǎn)管理（EAM）系統(tǒng)的相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，對中央級智能運維系統(tǒng)功能數(shù)據(jù)進行補位提升。

供電智能運維系統(tǒng)拓撲圖如圖3所示。供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)在單個專業(yè)內(nèi)各個功能板塊實現(xiàn)信息共享和信息流動，實現(xiàn)各個模塊的信息相互調(diào)用。智能運維中心系統(tǒng)將接觸網(wǎng)、變電、軌道、橋隧、房建等專業(yè)設(shè)備、缺陷、檢修、工單等數(shù)據(jù)有機融合，為管理者全面掌握運維中心各項工作開展情況提供數(shù)據(jù)平臺。

圖3 供電智能運維系統(tǒng)拓撲圖

3.3 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的綜合智能報警機制

供電設(shè)備全生命周期檢測和監(jiān)測流程如圖4所示。供電智能運維系統(tǒng)對在線監(jiān)測裝置所監(jiān)測的供電設(shè)備狀態(tài)量設(shè)置預(yù)警閾值和告警閾值，將供電設(shè)備狀態(tài)分為正常狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)和告警狀態(tài)。

圖4 供電設(shè)備全生命周期檢測和監(jiān)測流程

通過定義多組設(shè)備故障特征狀態(tài)，實現(xiàn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)的比對功能，對設(shè)備運行狀況進行輔助判斷，識別故障類型。設(shè)備故障特征狀態(tài)可由系統(tǒng)自動收集設(shè)備發(fā)生故障時的參數(shù)信息，通過機器自學(xué)習(xí)更新故障特征庫，采用智能識別、特征識別、機器學(xué)習(xí)、對比分析等算法，通過智能儀表定位及多模態(tài)高精度配準等技術(shù)實現(xiàn)穩(wěn)定儀表狀態(tài)識別、指針讀數(shù)識別以及特殊的開關(guān)狀態(tài)識別。

通過對在線監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測項變化率的大小進行實時跟蹤，對設(shè)備運行的異常趨勢和狀態(tài)量突變現(xiàn)象及時發(fā)出告警，同時判斷在線設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)是否在合理范圍是否發(fā)生異常跳變，進而消除裝置異常及誤差對數(shù)據(jù)告警的影響，實現(xiàn)誤告警過濾。

3.4 數(shù)字孿生的監(jiān)控交互模式

數(shù)字孿生是利用物理模型、傳感器更新、運行數(shù)據(jù)等集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相應(yīng)的實體設(shè)備的全生命周期過程。

通過建立變電所和接觸網(wǎng)數(shù)字孿生模型，將在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)依托設(shè)備模型進行三維可視化方式呈現(xiàn)，最大程度呈現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備真實工況，帶給管理人員身臨其境的全局視覺感受。除在線監(jiān)測數(shù)據(jù)外，智能運維系統(tǒng)還通過線網(wǎng)的ROMA平臺接口，獲取相關(guān)線路應(yīng)急人員、應(yīng)急車輛等相關(guān)分布信息，方便運維調(diào)度人員進行應(yīng)急處置的相關(guān)資源調(diào)配，為供電設(shè)備維修人員掌握變電所運行狀態(tài)提供更加多元的信息。采用數(shù)字孿生模型對變電所真實場景進行實景重構(gòu)，建立變電所三維實景模型，在三維模型上呈現(xiàn)攝像機的總體分布情況，方便供電設(shè)備維修人員快捷調(diào)取攝像機的實時視頻。

當(dāng)發(fā)生故障時，數(shù)字孿生模型中的故障供電設(shè)備閃爍報警，維修人員可隨意放大觀看更多細節(jié)。同時在設(shè)備上展示變電所的周邊環(huán)境，最大程度呈現(xiàn)真實場景，有利于故障查找及搶修。基于數(shù)字孿生的設(shè)備工況如圖5所示。

圖5 基于數(shù)字孿生的設(shè)備工況圖

3.5 無人化運維系統(tǒng)架構(gòu)

全生命周期的供電設(shè)備管理流程如圖6所示。供電智能運維系統(tǒng)通過統(tǒng)一的設(shè)備建模工具提供設(shè)備標(biāo)準化管理，便于線路擴容、數(shù)據(jù)擴項。在靜態(tài)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過在線監(jiān)測系統(tǒng)、巡檢機器人等變電所自動巡檢功能，自動匯聚業(yè)務(wù)過程的全方位動態(tài)數(shù)據(jù)，對實時視頻、三維模型、巡檢進度進行統(tǒng)一管理。將設(shè)備靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)融合貫通，從而實現(xiàn)設(shè)備的多源聯(lián)動監(jiān)視。

圖6 全生命周期的供電設(shè)備管理流程

4 結(jié)語

文章以深圳地鐵供電智能運維系統(tǒng)實踐為例，從數(shù)據(jù)采集接口和傳輸標(biāo)準、多維信息融合共享的技術(shù)平臺、基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的綜合智能報警機制、數(shù)字孿生的監(jiān)控交互模式和無人化運維系統(tǒng)架構(gòu)5個方面對地鐵供電智能運維系統(tǒng)進行解析，說明供電智能運維系統(tǒng)的組成方案、功能匹配及在設(shè)備維保中的作用，可為其他地鐵企業(yè)提升供電設(shè)備智能化管理水平提供借鑒和參考。