牵引变电所二次设备智能运维探讨

李 强

0 引言

近几年，我国高速铁路发展迅速，在铁路发展速度及在建规模、系统技术全面性、运营里程、运营速度等方面均处于世界领先地位。高铁的发展为人们的出行提供了极大的便利，但如此大规模的高速铁路网也对牵引供电系统安全及可靠性提出了更为严峻的挑战[1]。

作为动车组运行的动力源，牵引供电系统的安全可靠对整个高铁系统的可靠运行至关重要[2]。牵引变电所的二次设备主要用于保障牵引供电系统安全可靠运行，包括：继电保护装置、变压器二次回路、电流互感器二次回路、故障录波系统、监控系统、二次绝缘监控等，其主要功能是保护、测量、监测和控制一次设备。在一次设备发生故障或其他异常运行情况时，二次设备保护一次设备的运行，并迅速消除或隔离故障。如果无法及时监测到二次设备的故障，一次系统发生故障时将无法及时有效地对其进行保护，给一次设备的运行安全带来极大威胁，影响牵引供电系统运行的可靠性。此外，如果二次设备本身出现故障，可能引起保护误动作等问题，中断一次设备的正常运行，也将影响整个牵引供电系统的可靠性。

近年来，国内铁路技术研究出现了智能化研究的浪潮，在智能化牵引变电所方面，目前主要着力于一次设备智能化和二次设备网络化，在一次设备 运行状态在线监测和广域保护测控系统的研究与应用方面取得了一定成果，而对于二次设备的智能运维方面尚没有系统性研究。在电力行业，随着对智能变电站的深入研究，出现了一些针对智能变电站二次设备运维的研究成果，文献[3，4]及其他成果均是针对智能变电站框架下二次设备的新形态研究适用的运维技术。这些运维技术可以供铁路行业借鉴，但由于铁路牵引变电所设备当前仍处于新老并存的阶段，且牵引变电所二次系统有其自身特点，还需进行针对性、系统性的研究。本文分析牵引变电所二次设备运维现状及智能运维研究思路，并对二次设备运维的发展方向进行探讨。

1 智能变电所基本结构

智能变电所配置技术先进的智能电子设备，具备数字化、标准化、网络化的特点，实现智能化数据采集、测控和保护等功能。

智能变电所遵循IEC 61850协议，采用“三层两网”架构，主要由智能一次设备、合并单元、智能终端、保护测控系统、远程控制设备、交换机、综合网络记录与分析装置、时间同步系统等组成，且分别由站控层、间隔层、过程层构成，各层之间相互独立，各层组成及其功能如下。

（1）站控层。站控层包括智能数据中心、智能监控中心、智能控制中心、智能管理中心和智能远动机。站控层设备由通过计算机网络连接的系统主机、操作员站和各工作站组成，提供在站内运行的人机交互界面，实现对站内设备的管理和控制等功能，形成全站数据、监控、控制和管理中心，可与控制中心和集控站进行通信。

（2）间隔层。间隔层主要包括各个接入了计算机网络的监控子系统，监控子系统包含测控单元、间隔层网络和各种网络、通信接口设备，能够实现面向单元设备的监测控制等功能。间隔层与站控层设备通过以太网交换机连接，当站控层出现故障时，间隔层设备仍然能够完成监控工作。

（3）过程层。过程层主要设备包括智能一次设备（含电子式互感器）、智能终端、合并单元等，其主要功能是实时采集各电气量、监控设备运行状态以及执行上级控制命令[5～9]。

2 牵引变电所二次设备运维现状

目前，多数牵引变电所的二次设备仍采用传统微机型综合自动化设备，仅存在部分自检功能，如继电保护设备的开机自检、动态自检等，检查内容也仅限于其主板的某些芯片的工作状态，信息零碎，缺乏整合和综合分析能力。牵引供电系统自动化系统的相关设备多由精密的芯片元器件组成，长时间运行对自动化系统设备的影响程度不同，当器件老化时，会出现性能降低、功耗增大，严重时整台设备无法工作。既有综合自动化系统设备不具备对自身部件的故障智能预警、准确报警以及寿命预测功能，造成维护困难。

运维部门一般会建立二次设备的基础台账，对装置生产信息、版本信息等进行归档，这些信息将用于个别装置的维修和更换。对于继电保护设备故障，微机型设备通过自检发现处理器、存储器等芯片级的故障并上报牵引供电远动系统（SCADA），SCADA系统也能通过通信中断发现微机型设备的严重故障。

上述运维手段都是被动的，不能提前预警故障的产生，无法适应当前在线监测以及智能化的快速发展，无法满足用户对设备进行故障预警、健康管理的新需求，在实际运营中也发现诸多问题：

（1）信息传送终端在供电调度端，设备运维部门无法第一时间收到故障信息。

（2）没有独立的运维管理平台，运维信息与监控信息混杂，发生故障时，运维信息被大量故障信息淹没，故障分析时易产生遗漏，形成事故隐患。

（3）不能及时发现自检信息外的故障，如接线松动、A/D转换器件故障、开关辅助触头粘连等。

3 非智能二次设备的智能运维

二次设备的升级换代不会一蹴而就，仍需考虑在传统微机型综合自动化设备条件下，如何通过有效运维提高二次设备的安全保障能力，可以从以下方面着手。

3.1 建立专用运维管理平台

建立专用运维管理平台，将运维数据与调度数据在变电所站级管理层的通信管理机进行分流，如图1所示，实现岗位职责与平台功能的对应，利于细化管理。

图1 数据流向示意图

运维管理平台设在设备维护单位，如供电段。运维管理平台独立分拣接收综自系统相关设备的工作状态信息，如继电保护设备的自检信息、通信状态信息、通信通道状态信息、交换机工作状态信息等，当综自系统相关设备故障时可根据信息类型进行故障分类，提出维修建议，并将相关信息推送给运维人员，便于对设备进行及时维护。

3.2 深挖数据潜力

基于监控系统的视角，牵引变电所上送的数据是孤立的，监控系统仅将收集到的数据一一罗列给调度员，并不做数据相关性分析。当发生故障后，所有逻辑分析依赖于人工，时效性较差且低效。

实际上，牵引变电所的很多数据是重复或存在逻辑关联的。基于全所对电气量如牵引变电所母线电压、负荷电流，开关量如断路器、隔离开关位置信号的采集进行计算比对，研究其内在逻辑关系，并以此判断自动化设备电气量、开关量采集回路及设备插件的工作状况。

当多台保护装置同时采集一个模拟量或数字量，这个量就具有了重复性，通过相互比较即可判断某采集回路是否存在故障；一台保护装置采集的开关位置和同一回路的电流具有逻辑关联性，当开关在分位而电流不为零，即可判断为开关辅助触头故障；根据节点电流法，通过多个支路电流之间的大小关系，可以判断电流采集回路是否故障。运维管理平台可深入挖掘既有数据的应用潜力，对于运营线路或定型产品，可在不更改设备的前提下实现更多的智能运维功能。

4 智能二次设备的智能运维

4.1 智能二次设备智能运维分析

智能牵引变电所即将在高速铁路普及，其二次设备的智能运维研究已势在必行。对于智能牵引变电所，独立的运维管理平台的设置不可或缺，而数据潜力的挖掘也可类比实现，甚至可以将数据关联性范围扩展至整个供电臂。

对于智能二次设备，可采用在线监测技术，通过在线监测系统采集二次设备的运行状态信息，并将信息发送至变电所调度区。

智能牵引变电所二次系统监测对象包括静态配置信息和动态数据，静态配置信息包括智能电子设备配置信息及二次系统网络配置信息等，动态数据是在二次设备运行过程中实时采集获得的数据。变电所SCD文件能够提供上述信息。

在规定时间段内，若二次设备的某项运行状态指标处于非正常范围，则表明该设备处于不健康运行状态，由于二次设备的冗余设计，设备未出现故障情况，但在线监测系统仍会发出告警。若工作人员能够及时对告警设备进行维护，将大大降低二次系统设备的故障率。通过在线监测技术对二次系统设备进行状态评估，针对非健康运行设备进行维护，不仅能够提高二次系统运行的可靠性，也将提高工作人员的检修效率。

这些措施可分为硬件和软件方式。其中软件方面可借鉴电力行业的研究成果，包括二次回路的可视化、网络报文分析、SCD文件管理等，这些基于数字化变电站的二次回路运维手段已经成熟，且与于同样基于IEC 61850标准的智能牵引变电所通用。关于二次设备的在线监测硬件，目前电力行业也未进行深入研究和广泛应用。

4.2 智能二次设备智能运维展望

（1）牵引变电所的智能二次设备通过在微机型装置内部增设在线监测硬件，直接获取可反映设备状态的电气参数或环境参数。在线监测硬件的设置需要考虑以下因素：a.在线监测硬件本身应具有较高可靠性，不应因增加在线监测硬件而降低二次设备的整体可靠性；b.尽量简化在线监测相关的附加电路，这也是保证二次设备可靠性的关键；c.微机型装置内部空间较小，增加的在线监测硬件也应具有紧凑的结构，以便于在装置内部安装；d.不应因在线监测而大幅增加二次设备的成本。工业领域智能设备的在线监测技术应用落后于民用领域，例如在智能手机、智能穿戴设备上，对设备电源、功耗、温度的监测早已普及，这些可以供智能二次设备借鉴。获得这些实时监测数据后，通过大数据分析和设备建模，可以掌握设备老化进度，提前预警故障，适时更换设备。

（2）智能牵引供电自动化系统相关设备增加对环境参数的实时监测。牵引供电系统运行环境多变，二次设备应能够在不同条件下安全可靠运行。智能变电所二次设备大多为智能电子设备，其运行状况受周围环境影响较大，因此，将环境温度、湿度作为变电所运行环境参数的状态评价指标。对于无人值守所亭，当相关设备处于恶劣环境时可通过逻辑判断发出告警信号，或自行对设备所处环境进行干预，如启动通风设备、开启空调降温等改善设备工作环境。

（3）根据设备所用的各种元器件的MTBF时间（平均无故障工作时间）计算设备整体的预期寿命。电气设备的实时故障率与自身的健康值存在一定指数关系，当设备长期处于健康运行状况时，其故障率会大大降低。为方便运维人员在健康状态之外对设备的可靠性有进一步认识，应建立设备基于健康值的定参数故障率模型，通过该模型得到的故障率可作为设备可靠性参考指标之一进行输出，使系统状态估计量更具参考价值，有助于运维人员制定合理、完善的检修计划。同时，根据对所处环境的实时监测结果，在运行过程中对预期寿命进行修正，根据用户要求的报警限值进行预警，提醒用户更新相关设备或板件。

（4）设计智能牵引供电自动化系统网络安全分析设备，实现对SV网络、GOOSE网络及其他通信网络的流量以及通信延迟进行实时监控。同时对智能牵引供电自动化系统中所使用的各种配置文件（如CID、SCD等）进行统一管理，并定期校验。研究实现智能牵引供电自动化系统中相关通信设备的光口硬件自检、光功率越限自检、GOOSE链路自检、SV链路状态自检、GOOSE报文状态自检、SV报文状态自检等一系列自检功能。

通过建设运维管理平台、应用在线监测等智能运维技术手段，搭建如图2所示的由各功能模块组成的完善的智能牵引变电所二次设备智能运维系统，实现二次设备的状态修。

图2 二次设备智能运维系统模块组成

5 结语

通过对电气化铁路牵引变电所二次设备及运维技术的分析，初步探讨了当前及可见的未来在二次设备智能运维方面可行的研究方向，提出了建立运维管理平台、应用在线监测等牵引变电所二次设备智能运维的对策。