高铁牵引变电所综合自动化系统智能运维研究

王纯伟 闫兆辉 侯日根

（1.中铁电气化勘测设计研究院有限公司，天津 300250；2.天津凯发电气股份有限公司，天津 300392；3.京沪高速铁路股份有限公司，北京 100038）

牵引变电所综合自动化系统是保障高铁安全运营的重要设施，高效的运营维护工作能够最大限度地保障高铁牵引供电安全性。目前，高铁还未针对综合自动化系统维护维修进行信息化管理，依然停留在“计划修”“故障修”阶段，自动化程度较低，维护颗粒度较粗。电力系统研究智能变电站的运维，制定《智能变电站保护设备在线监视与诊断装置技术规范》（Q/GDW 11361—2017）[1]标准。文章通过科研立项，针对传统和智能牵引变电所综合自动化系统的智能运维进行深入研究，现场搭建运维管理系统，可以提高综合自动化系统运维智能化水平，促进综合自动化系统运维向“状态修”转变。

1 课题研究内容

1.1 智能运维管理平台的搭建

研究搭建针对既有和智能高铁变电所综合自动化系统的智能运维管理平台的系统构成方案，作为实现智能运维功能的硬件基础。

1.2 既有综合自动化系统的智能运维功能

针对既有综合自动化系统的研究，以不改动既有软硬件、不影响既有线运营为原则，采用深度挖掘既有数据潜力的方法，在监控后台以增加软件模块的方式实现功能。

（1）实现综合自动化系统履历管理信息化与在线参数校核。

（2）利用综合自动化系统装置自诊断信息和有逻辑管线的监测信息，通过深挖数据潜力，实现既有综合自动化系统装置的运行状态诊断。

1.3 智能综合自动化系统的智能运维功能

针对未来综合自动化系统的研究，以适度完善软硬件设备、不降低系统可靠性为原则，对综合自动化系统相关保护测控装置进行软、硬件升级，实现对装置的全面自诊断。除了实现原有功能外，针对智能综合自动化系统的特点增加功能。

（1）增加装置箱内温度采集回路，实现对装置内部环境参数的实时监测。

（2）根据装置MTBF时间与装置运行环境温度计算装置整体的预期剩余寿命，设置报警限值进行预警。

（3）研究基于智能牵引变电所综合自动化系统的虚端子可视化、网络数据监控与诊断。

2 智能运维系统的搭建

2.1 传统综合自动化系统智能运维系统的搭建

传统综合自动化系统智能运维实施方案如图1所示。

图1 传统综合自动化系统智能运维实施方案

为了将对既有系统的影响降低至最小范围内，对既有综合自动化系统通信管理机进行软件升级，站内新增智能运维管理机。在运维管理中心设置智能运维后台机，后台机安装含有装置履历管理、综合诊断管理等模块的智能运维软件平台。

智能运维软件平台配置装置自诊断信息、回路电气量信息以及装置的基本信息的组合关系和诊断逻辑，生成对应装置的专家经验库。从通信层网络获取间隔层保护装置的自检告警信息、各类回路电气量信息以及状态量信息，与装置专家库中的诊断逻辑以及历史样本做最小对比分析得到最终匹配的分析结果，提示运维人员实施针对性维护维修操作。

在既有通信管理机中增配智能运维后台的通信模块，将运行监测信息、设备状态信息和故障动作告警信息等数据通过新增的运维管理机中转，发送给智能运维后台机。智能运维后台机通过对综合运维信息进行数据筛选分类，结合专家经验库和历史诊断样本，在智能运维后台机的HMI上显示生成的运维分析结果，提供给运维人员针对性的维护措施。

2.2 智能综合自动化系统智能运维的搭建

智能牵引变电站综合自动化系统采用典型的数字化变电站结构，集过程层合并单元、智能终端与间隔层一体化设计。综合自动化系统增设一台运维管理机，接入综合自动化系统站控层网络，负责运维相关数据的收发；增设一台网络分析仪，接入站控层网络和过程层网络，负责网络数据采集与分析。所有数据由运维管理机发送到智能运维后台机，实现数据统一管理与分析。

3 传统综合自动化系统的智能运维功能

3.1 综合自动化装置履历信息管理

（1）装置台账信息管理。

对设备信息实现记录控制、存档控制、基线控制三级管理，在运维日常工作中，定期对装置信息进行校核。记录控制用于管理装置的相关生产信息，记录装置在服役时间内发生的版本更新、历史故障记录等信息。存档控制用于管理装置的运行信息及参数信息，并进行定期检查，防止误修改而引起设备运行异常。基线控制用于管理装置的版本信息，记录控制及存档控制的相关内容，同时进行试验测试，以验证版本的有效性。

（2）装置运维记录管理。

运维系统获取变电所装置的运维信息，可以进行智能化分析，提供运维诊断的结论和处理措施。

3.2 综合自动化装置运行状态诊断

（1）动态自诊断管理。

对变电所内综合自动化装置自诊断信息分类汇总，对故障设备进行标记，并提出处理措施。

（2）综合诊断管理。

实现对全站信息电气量比较分析，判断存在的故障。

①比较进线保护装置采集的电压互感器电压与自投装置采集的进线抽压装置电压，判断两个电压采集回路的故障。

②比较变压器高压侧保护装置采集的保护电流与测控装置采集的测量电流，判断两个电流采集回路的故障。

③比较中压进线、馈线各间隔采集的中压母线电压，判断各电压采集回路的故障。

④比较变压器原边电流与次边电流，判断各电流采集回路故障。

⑤比较中压进线电流与各馈线电流之和，判断各电流采集回路故障。

⑥比较控制回路采集的断路器位置信号与测控装置采集的位置信号，判断断路器位置信号故障。

⑦比较断路器位置信号与测量电流，有电流、断路器为分位时，判断位置信号故障。

4 智能综合自动化系统的智能运维功能

4.1 智能保护装置履历管理

建立“电子卡片”，实现对装置板件的唯一身份识别，可查询、可追溯。实现板件的精细化管理，可以对设备板卡信息进行全生命过程跟踪。记录设备板卡更换信息，进行统计分析，提供决策所需数据依据。建立设备履历管理系统，进行设备台账管理，记录追溯资产事件。可以针对装置信息实现记录控制、存档控制、基线控制三级管理。

4.2 智能变电站运维状态诊断

（1）运行状态自诊断。

包括保护装置的CPU板件、模拟量插件、开入插件、操作插件、内部工作电源监视回路、过程层光口的监视的自诊断。自动化装置定时向运维终端传送装置的日志文件。

运维终端通过日志文件对装置的自检和动态运行状态进行精确分析。

设置对板件5 V工作电源回路的采样回路，实时监测工作电压波动。电压超出设置的工作范围时，装置发出告警信号，及时在装置故障之前进行维修检查。

（2）装置MTBF与剩余寿命估算。

参考TelcordiaSR-332Issue42016标准，利用元器件计数可靠性预计法预测装置的MTBF值。设置装置箱体内部温度采集回路，根据箱内实时温度计算装置剩余寿命。装置寿命计算利用内部元器件的短板即电解电容的温度老化特性，结合实时测量温度进行计算，计算采用阿列纽斯方程：

式中：L——环境温度为T时的使用寿命（h）；L0——最大温度时额定寿命（h）；T0——额定最高使用温度（℃）；T——环境温度（℃）。

保护测控装置寿命预测曲线如图2所示。

图2 保护测控装置寿命预测曲线

4.3 虚端子可视化与数字化网络分析诊断

系统采集过程层交换机和站控层的管理数据，结合业务数据对虚端子回路实路径进行在线监视，实现智能变电站虚端子回路的可视化，符合NB/T42015-2013[2]的相关规定。

系统通过网络分析装置可以实时记录各个装置接入的网络报文，分析网络报文的错误和故障。继电保护装置对接入的过程层的SV和GOOSE相关数据进行检验。

5 结语

通过研究与开发，在京沪高铁现场搭建了综合自动化系统智能运维管理平台。该平台通过近半年的挂网试运行，初步实现对综合自动化系统装置的故障预警和寿命预测，填补高铁运维在该方面的空白。该智能运维管理平台也可以引入城市轨道交通领域，为智慧地铁的建设提供参考。