基于分散同步数据的故障综合管理系统在牵引变电所的应用

2021-07-15吴光龙

电气化铁道 2021年3期

黄旗，吴光龙

0 引言

牵引变电所作为铁路供电的唯一来源，其功能实现直接影响牵引传动控制系统的机能和列车牵引功率的发挥。通信不正常、信号停止等问题均可能由突然发生的断电事故引起，但是依据负荷的重要程度，一般情况下可借助双重冗余备份的供电方式对各种负荷的平稳供电予以保证，即双回路、双电源的供电方式[1～4]。但牵引变电所内电气设备及电气元件种类、数量众多，任何一个微小缺陷都可能引发安全事故，影响铁路电网的安全稳定，关系到铁路运输的实时可靠性。发生故障时，及时无误地确定故障原因，进而明确故障点位置并快速解决问题，就显得十分必要。

目前牵引变电所的日常检测方法较为单一，不能对电气信息进行全面采集、分析并进行故障预警。依据试验规程规定的项目按周期进行各项试验检查，该检测方式存在一定的局限性，且所有检测工作均需人工完成，难免发生差错。牵引变电所中运行的保护及相关设备一般只配备独立元件，各自的保护定值未达到系统性最佳定值，难以确保故障迅速识别和切除，甚至会对系统造成冲击。

本文通过分析牵引变电所现有保护配置，基于设备分层分布结构，将电力综合保护的系统思想融入方案中，初步形成牵引变电所集成化保护方案，实现对牵引变电所电气信息全面采集及故障诊断。

1 基于分散同步数据的故障综合管理系统

基于分散同步数据的故障综合管理系统是面向变电所开发的用于实时采集和处理各种电量、非电量信息的综合系统，能够满足用户对交流/直流电气量、复杂电气设备及各种电气过程实现全方位实时监控和管理的需求。采用高精度A/D芯片和高速CPU，研制能够支持高频采集和处理小范围电压信号的数据采集单元；基于IRIG-B码授时原理，对数据高频采样通信流程增加数据识别机制，对数据格式增加时间标志，并设计相匹配的数据时标解码与重组，实现分散采集数据的同步比对与处理；匹配合适的信号传感器，以便适应现场环境。

该系统能够同时采集牵引变电所内所有电气信息，支持传统的集成保护机制，还能够衍生新的保护逻辑，综合提升系统保护性能。通常情况下设备以额定10 kHz采样频率获取数据，以丰富的软件算法触发录波，录波数据窗口（触发前后）时间可设，并可独立保存数据报告；当没有扰动量触发启动录波时，设备从10 kHz采样数据中抽取1 kHz数据实时长期保存在硬盘上，用以分析供电系统、设备及工艺参数的缓变变化，从众多同质化设备的同类离群数据中分析、预警缓变性故障。

基于分散同步数据的故障综合管理系统由前向通道、数据采集单元、数据输出单元、校时装置、通信网络、数据处理后台软件组成，系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构

1.1 交流回路分析

1.1.1 交流电流分析监控

系统可对上下行馈线的T、F电流与故障监测装置上下行T、F电流以及相应变压器低压侧电流进行比对，变压器低压侧电流合成量分别与投入运行的330 kV侧三相电流对比，对综合保护装置中差动保护装置、后备保护装置、测控装置、主变保护装置之间高低压侧电流IA、IB、IC、Ia、Ib分别进行对比（横向对比）。通过同源同时刻数据采集、对比，创造性地实现了一次流互设备以及二次装置内部压互传感器的自身故障的实时监测，一旦发现数据异常可以直接定位到流互的采样回路，以便及时采取措施避免造成二次保护的误动或拒动。

该系统投运后发现一起变压器流互二次线圈接反的案例，原数据波形见图2，改正后的监测数据波形如图3所示（数据单位：A）。

图2 线圈错误接线数据

图3 线圈正确接线数据

1.1.2 交流电压分析

系统可对上下行馈线装置、故测装置、主变低压侧（采集到的）T、F电压分别进行对比，以及对正常范围内的T1、F1电压进行对比，对上下行馈线（保护）装置、故测装置T、F电压合成分别进行对比，以及将其正常范围内的一组T、F电压合成值作为主变低压侧电压分别与投入运行的330 kV侧线电压进行对比，对330 kV侧进线电压A、B、C三相的相电压进行对比，对主变保护综自装置中后备保护装置、测控装置和主变保护装置之间的低压侧以及高压侧电压UA、UB、UC、Ua、Ub分别进行对比（横向对比）。通过同源同时刻数据采集、对比，实现了一次压互设备、二次电缆以及二次装置内部包括压互传感器在内的整个采集电路自身故障的实时监测，一旦发现数据异常可以直接定位到压互的整个信息采集回路，以便及时采取措施避免进一步造成二次保护的误动或拒动。

1.1.3 牵引变电所回流监测与分析

牵引变电所轨回流、地回流之和与总回流、主变回流分别相等，即I1B+I2B+I3B+I4B=I总回流=

高精度同步数据采集对于上述数据校验与异常判断十分重要，现有方式的数据记录与对比存在时间差，即使发现可能的异常数据也无法判断是记录方法造成的误差还是真正的故障。例如玉门变电所记录的异常数据（表1所示），回流差异数据增大后又变小，一般按照无故障处理或按照经验判断是否有故障。

表1 回流分析数据（旧） A

本系统具备0.1 ms级同步录波时钟，能够对不同区域的数据进行ms级同步采集和计算分析，提高了数据对比记录的时间精度，可有效防止出现异常数据无法判断是否出现故障的问题（部分数据截取如表2所示）。

表2 回流分析数据（新） A

1.1.4 对差动保护误动数据和定值的分析

监测案例：某所变压器投入时，造成二次断路器误跳，系统通过检索分析记录的历次变压器投入时的同步采集数据，发现该变压器实际励磁涌流的基波和二次谐波数据与定值中的二次谐波制动系数存在矛盾，测得变压器涌流基波有效值和二次谐波有效值比见表3。系统判定该定值不合理，易造成误动，故建议修改该项定值。通过修改变压器涌流制动比，成功解决了变压器投入时的误动问题。

表3 谐波分析数据

1.2 定值自动校验

本系统通过对保护定值进行实时监控并同步，发现定值更改、下装操作或瞬时变化时给出告警提示，并对装置全套保护定值进行校核，对更改前后的定值以表格形式列出，并在对应行进行特殊告警。实现对所内保护定值的及时监测，并对历次版本进行记录，操作人员可自动在系统后台形成工作日志档案，对保护装置的稳妥运行提供保障。

程序框图与日志报告流程如下：从保护装置实时读取定值→与已经读取到内存中的标准定值进行逐条比较→实际定值和标准定值同表显示，不一致定值标红显示→不一致定值信息加入系统事件日志数据库，并弹出提示对话框。

1.3 控制回路及执行机构监控分析

本系统中对断路器储能电机电流电压、开关负荷电流、母线电压、操作机构位移特性等进行实时监测分析。通过对控制回路和执行机构的全电气参数进行全寿命监测，能够对同一设备每次工作性能进行数据缓变建模分析，准确评估设备老化程度和老化趋势，预测设备健康状况。

该系统还能够对同厂家、同型号、同批次的设备进行设备性能横向对比。系统运行期间，对一系列高压断路器设备进行了数据分析，通过断路器同比发现性能表现落后的设备，可对其进行重点关注。相关分析数据见表4。

表4 同类设备分析数据

通过表4数据可明显看出设备DLQ-15和设备DLQ-04性能落后于同类设备，应进行重点关注。

1.4 全监测录波的意义

对交流动力回路、操控回路电压电流进行同时刻数据对比，确保电压数据准确；异常数据自动过滤，防止发生信息误导；采用双重故障录波数据互为备份，双重保障，故障分析依据更可靠；作为其他设备监测功能与性能的缓变劣化和突发故障衡量标准，及时调整设备带来的影响。

2 试运行效果

本系统核心组件在嘉峪关、玉门、干柴滩、军马场、南华、丹霞等11个牵引变电所试运行。系统安装后，共收集故障录波1 010次（10 kHz采样），实时录波数据283 TB（1 kHz），共发现一次设备隐患1次，二次设备隐患3次，保护动作行为诊断分析10次，判定保护误动1次，发现定值隐患14次。表5罗列了部分故障、系统检出能力和检出方法、检出次数的对照。

表5 部分故障和系统运行后检出效果

随着系统的进一步推广和应用，对不同牵引所同类型设备数据的收集对比，会极大丰富故障诊断数学模型的样本数量并提高系统对设备故障发现的能力，给变电所的无人值守、可靠运维带来革命性的变化，彻底改变人工定性凭经验的维护方式，逐渐发展为分散同步基于大数据的方式。

3 系统拓展应用价值评估

本系统拓展应用结构如图4所示。

信息采集与故障诊断系统不仅支持牵引变电所交流回路电气信息监测，还可兼顾直流系统全部电气信息、控制回路信息、保护动作信息、绝缘子状态信息、地网电位等信息，通过数据同步采集将监测数据与监测系统有效、科学地进行联合。

以压互数据对比为例，原有的电气保护装置电压数据源于压互数据输出，其正常工作的前提是数据源输入正确，而与此相关的前提是压互设备正常工作，当压互出现问题时，原有的电气装置会根据错误的数据得出错误的分析结果，因此不具备缺陷自检能力。

本方法对各装置主分支电气信息进行采集并同步分析，当压互等设备出现问题时，系统会根据其他电压电流数据进行自检验证，即具备对数据源准确性与合理性的校验功能，在一定程度上可以实现系统自检，提升系统整体可靠性。应用时，将原系统数据与分析结果一并接入本系统中，对原系统数据进行同步验证，对数据结论进行双重分析验证，最大程度地避免了各设备间因数据盲区和设备自身故障导致的问题。

3.1 同步数据管理效益

本系统产生的关联数据具备大数据特征，通过各模块（个体）关联后，对数据进行高频率、高密度采集分析，能够全面深入地了解系统行为，实现系统化的精细管理。当系统因故障产生跳闸时，相应的直流系统供电功率增大，二者几乎同时发生，并且具有高度关联性，只有通过高精度同步技术，才能够将这种数据的关联性捕捉并深度挖掘关联后的数据价值。本系统能够对这种关联性进行高保真度还原，对数据进行采集并记录形成波形文件；对所有的跳闸数据进行横向对比，结合跳闸时间、原因、行为表现，关联数据的特征，形成系统跳闸故障时参数表现模型，通过模型逆向推算分析系统的跳闸回路是否存在隐患，例如漏电、绝缘破损等，直接避免跳闸回路故障导致的变电所失灵、误动、拒动、越级跳闸，全线停电等事故。

牵引变电所供电区间由于机车驶入和驶离，分为双向有机车、单向有机车、无机车等状态，又由于机车驶入驶离情况不同，带载状态复杂，且大多区段根据负荷等级又分为贯通线和自闭线供电，系统供电状态较多，这种情况下，各分立模块数据同步关联产生的数据资源具有不可估量的价值。本系统能够详细记录机车每次驶入和驶离供电区间的电流、电压变化过程，长期记录各种状态详细数据，分析机车发电机、接触臂状态、接触臂破损情况、导线磨损情况、受电弓滑板磨损情况等，对众多状态进行分组分类综合分析对比，对机车驶入至驶离全过程区间全电气信息进行详细记录和数据同步关联。

这些丰富的数据将进一步促进对牵引供变电系统的研究，刺激和推动牵引变电所电气信息监测与更高级更先进的研究算法的产生，提升牵引供变电系统的维护管理水平。

3.2 长期缓变分析效益

大多数电气设备故障具有较长的潜伏期，尤其是因绝缘能力下降、绝缘破损磨损等因素引起的故障，在故障潜伏期间，一些参量如绝缘性能、磨损面受损情况等是随着设备使用与设备老化时间的推移而逐渐变化的，这些变化可以通过某些电气参数表现出来，但由于这类变化微小，不易被发现，或缺乏有效的监测机制或算法分析能力，往往不能很好地利用。本系统通过长录波机制，对较高速采样的数据进行长期存储，对重要数据进行特征提取和特征缓变分析。除了文中的缓变分析案例，还对多组蓄电池参数，尤其是内阻数据进行分析比对，通过横比和纵比数据的变化程度能够反映出电池的健康状态，限于篇幅不再赘述。缓变数据海量收集和归纳，将促进“状态检修”成为日常运维方式。