城市軌道交通牽引變電所在線監測方案研究

吳慶兵

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

城市軌道交通牽引變電所為列車牽引供電、車站等提供電能，是保障軌道交通運行的基本環節。國內城市軌道交通牽引變電所對系統及設備的保護，主要通過設置保護裝置實現[1]。經過多年技術發展，牽引變電所電力監控系統四遙（遙控、遙測、遙信、遙調）功能基本可靠[2]，極大地提高了變電所運行效率，通過增加遙視功能，可逐步滿足牽引變電所的無人化建設條件[3]。

長期以來，供電系統均堅持預防性檢修，缺乏對設備狀態的實時掌控，無法發現設備故障先兆[4]；維修具有盲目性，部分設備故障在兩次檢修周期之間較快發展成事故；同時大量設備運行數據未被有效利用[5]。隨著軌道交通線網井噴式發展，供電設備管理難度增加，人、物、財投入不斷攀升，傳統診斷方式已經難以滿足當前行業發展需求，計劃修轉變為狀態修勢在必行，因此城市軌道交通牽引變電所在線監測方案研究至關重要。

1 在線監測系統構成

城市軌道交通牽引變電所在線監測系統采用集中管理、分散布置的模式，分層、分布式系統結構[6]。

在線監測系統由中央級、站級、過程層、現場設備層等組成。在控制中心設中央級管理系統，在正線各變電所設站級管理系統，覆蓋范圍包含各變電所、車輛基地。供電設備在線監測系統架構如圖1所示。

圖1 地鐵線路在線監測系統總體架構圖

1.1 中央管理層

中央管理層由設備狀態實時監測子系統、狀態分析評估子系統及設備信息管理系統組成。

供電設備狀態分析評估子系統通過采集和存儲供電設備在線監測數據、視頻巡檢圖像、動環數據等，利用人工智能算法，實現對關鍵設備故障類型的甄別及原因分析、供電設備的健康狀態評估、供電運行狀態的可靠性分析。

在車站變電所設置站控層系統，監測處理站級供電設備數據，并通過千兆主干網絡上傳至中央級系統數據庫。

中央級系統結構如圖2所示，主要設備有：1）配置實時服務器，用于運行供電設備狀態實時監測子系統；2）配置分布式集群存儲歷史服務器，用于數據的存儲與挖掘分析；3）配置中央前置通信管理機FEP，用于與其他系統進行數據通信；4）配置Web應用服務器、防火墻，用于與外部系統的數據共享；5）配置以太網交換機，實現與車站管理工作站、線路通信主干網絡連接。

圖2 中央級管理層系統結構圖

在線監測系統全部功能展示在運維主工作站，根據運維人員權限展示相應功能操作。

1.2 站級管理層

站級管理層主要為在線監測柜，設置在供電控制室，實現牽引所設備在線監測，同時與車站變電所綜合自動化系統（SCADA）交互數據。在線監測柜主要設備有：1）配置以太網交換機，與車站工作站及主干通信網絡連接。2）配置實時服務器，用于運行供電設備狀態實時監測子系統，用于網絡管理、后臺服務、實時數據監測等功能。3）配置通信管理機，用于站級在線監測系統與地鐵車站其他系統進行數據通信交互[7]。站級管理系統構成圖如圖3所示。

圖3 站級管理層結構圖

1.3 過程設備層

過程設備層主要包括綜合監測單元和在線監測裝置。在線監測裝置主要包括對40.5 kV開關柜、干式變壓器（配電變、整流變、能饋變）、能饋裝置、整流機組、直流開關柜等設備的局放溫度等狀態監測需要配置的高頻傳感器、地電波傳感器、光纖測溫傳感器，以及交直流斷路器等的開關特性監測裝置，自動采集、處理和發送被監測設備狀態信息。牽引變電所過程設備層配置如表1所示。

表1 牽引變電所過程設備層配置

1.4 間隔層設備狀態監測方案

1.4.1 高壓開關柜在線監測方案

40.5 kV GIS開關柜由于工作電壓較低，不易監測到局放信號，選用暫態地電波（TEV）技術監測其設備內部局放情況，判斷開關柜絕緣健康。

采用40.5 kV斷路器動作全過程傳感器記錄斷路器每次分合閘動作信息，形成大量樣本積累后作為斷路器健康狀態評估的重要信息，實現斷路器動作過程的監測，避免斷路器誤動、拒動故障的發生。

1.4.2 干式變壓器在線監測方案

在干式變壓器鐵芯接地線上設置局放高頻（IED）監測傳感器監測局放情況。

干式變壓器本體常因為渦流損耗、鐵芯絕緣不良、接線端子接觸不良等出現溫度升高，采用紅外熱成像對變壓器本體及接線樁溫度進行7×24 h全天候在線監測，及時掌握變壓器關鍵部件溫升情況。

1.4.3 電力電纜在線監測方案

電纜容易因制造工藝、安裝運維不當導致絕緣層內存在雜質、氣隙、裂縫、受力不均等缺陷，極易產生局部放電，嚴重時甚至會使電纜發熱燒毀、造成絕緣擊穿。交流35 kV進線出線電纜頭采用電纜表皮溫度無線測溫技術，直流1 500 V出線電纜采用紅外熱成像與可見光視頻監測電纜表面溫度，當溫度值高于設定的報警閾值時發出報警信號。

1.4.4 直流開關柜在線監測方案

直流開關柜工作電流較大，易出現發熱、燒損等故障，直流電流開斷電弧難熄滅，易造成設備損壞，故障影響大。

采用溫度監測技術實時監測關鍵設備溫升，當監測溫度值高于報警閾值時，通過干接點或同時通過網絡鏈路發出報警信號，實現直流斷路器柜內溫升器件的實時監視，提前發現和消除故障隱患。

1.4.5 整流器柜在線監測方案

整流器柜內晶閘管數量眾多，發熱嚴重一直是困擾運檢人員的難題。在交流電纜進線、出線銅排連接點安裝無線測溫傳感器監測，避免銅排高溫對傳感器性能及壽命造成影響。

1.4.6 直流設備框架絕緣在線監測方案

通過在直流柜接地線纜安裝高精度電流傳感器，監測直流設備框架電流，提前預警，判斷絕緣情況。

1.5 機器人巡檢系統

如圖4所示，機器人巡檢系統包括巡檢檢測設備、服務器。巡檢檢測設備對變電所內設備進行全覆蓋監控，服務器集成于在線監測系統中，用于存儲信息并與在線監測系統通信、執行反饋。站內機器人與在線監測系統采用自適應以太網通信。

圖4 機器人巡檢系統結構圖

2 在線監測系統功能

2.1 總體功能

在線監測系統對牽引所一次供電設備狀態測量、處理及分析，運用大數據算法。根據運營需要，提供各類設備警告、分析診斷結果及運行狀態信息，對供電設備運行發展趨勢進行預測，發現潛在的隱患和缺陷，并提出對應的處置建議，從而優化檢修周期、維修方式等，減少地鐵運營維修人員、費用，降低故障率，提高系統可靠性，為線路的智能運維提供支撐。

2.2 中央級管理系統

中央級在線監測系統應具備的功能如下：

1）數據采集模塊利用主干傳輸網絡，從站級管理層獲取變電設備在線監測數據，對數據初加工并存儲在中央層數據庫中，以方便實時查看。

2）中央層系統與資產管理系統（LMINS）設置接口，將設備臺賬、缺陷、試驗、運行等方面的靜態和動態數據進行整合，為設備健康狀態、風險評估等功能提供數據支持。

3）在中央層平臺上，以列表、曲線和圖譜等方式，展示主設備的在線監測實時數據、運行異常信息、歷史數據等各類信息。

4）狀態評估子系統。根據供電設備各項關鍵指標數據，進行設備健康狀態評估分析。運用大數據算法對供電設備進行多角度狀態評估分析，如采用負荷—溫升模型對設備溫升原因進行分析、利用局放PRPD圖譜分析局放原因等，實現供電設備健康狀態評估、剩余壽命預測、故障統計分析、維修決策等功能。通過對設備進行健康度分析，預判未來趨勢，并提供預防性維護策略。

5）互聯設備信息管理子系統。通過分析設備健康度以及運行狀況信息，3D動態顯示供電設備運行狀態、實時信息、狀態報警信息、報警點等，讓地鐵運營人員深入了解設備運行狀況，為設備運維、檢修周期評估提供進一步的參考。

6）全生命周期管理。利用大數據算法和設備壽命評估機理，結合設備在線監測數據、PSCADA數據、設備性能參數、維修數據等信息對設備剩余壽命進行評估，實現設備全生命周期管理。

2.3 站級管理層

站級管理層應具備的功能如下：

1）對站內在線監測裝置、綜合測控單元以及所采集的狀態監測數據進行全局監視、管理和存儲。

2）與變電所綜合自動化系統（SCADA系統）聯動，整合設備運行關鍵數據，為中央級管理系統進行設備狀態評估等提供支持。整合數據包括：（1）模擬量數據：線路電流、母線電壓、有功功率、無功功率、功率因數等。（2）狀態量數據：報警總信號、斷路器分閘閉鎖、保護跳閘、就地/遠方狀態、斷路器分/合閘狀態、隔離開關分/合閘狀態、接地開關分/合閘狀態、斷路器儲能異常、繞組溫度高報警等。

3）存儲各類供電設備監測數據于子站數據庫中，并進行初步分析處理后傳輸到中央級管理系統。

4）實時監測車站供電設備狀態量數據，根據相關判斷，及時傳輸預警信息。

2.4 機器人巡檢功能

機器人巡檢系統集成于在線監測站級管理層中，為站級管理層提供視頻識別結果、紅外測溫溫度、環境監測數據等結果性數據。

在變電所設備房設置機器人巡檢系統和云臺攝像機，對供電設備進行實時監控，并可進行無人巡檢；對設備故障、跳閘、告警等故障信息進行識別、圖像采集，實現與SCADA系統的聯動監視。

3 總結及展望

進入21世紀以來，隨著數字化、信息化發展，大數據、物聯網等技術應用日漸廣泛，為軌道交通供電設備的狀態修提供了大量技術支撐。借助機器人巡測、智能視頻技術等智能化手段，以供電專業的各種設備信息為基礎，融合在線監測、設備檢修等數據，可以對設備進行健康模型建模，建立智能化的故障預測和健康管理系統。

目前，廣州、深圳地鐵部分線路變電所已配置在線監測系統，該系統的應用大大提高了供電系統運行穩定性、維修人員巡檢效率。未來在線監測系統方案還需要結合更多應用場景進行探索和完善，以提高軌道交通供電系統智能化運維管理的效率。