城市轨道交通牵引变电所在线监测方案研究

吴庆兵

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510000）

0 引言

城市轨道交通牵引变电所为列车牵引供电、车站等提供电能，是保障轨道交通运行的基本环节。国内城市轨道交通牵引变电所对系统及设备的保护，主要通过设置保护装置实现[1]。经过多年技术发展，牵引变电所电力监控系统四遥（遥控、遥测、遥信、遥调）功能基本可靠[2]，极大地提高了变电所运行效率，通过增加遥视功能，可逐步满足牵引变电所的无人化建设条件[3]。

长期以来，供电系统均坚持预防性检修，缺乏对设备状态的实时掌控，无法发现设备故障先兆[4]；维修具有盲目性，部分设备故障在两次检修周期之间较快发展成事故；同时大量设备运行数据未被有效利用[5]。随着轨道交通线网井喷式发展，供电设备管理难度增加，人、物、财投入不断攀升，传统诊断方式已经难以满足当前行业发展需求，计划修转变为状态修势在必行，因此城市轨道交通牵引变电所在线监测方案研究至关重要。

1 在线监测系统构成

城市轨道交通牵引变电所在线监测系统采用集中管理、分散布置的模式，分层、分布式系统结构[6]。

在线监测系统由中央级、站级、过程层、现场设备层等组成。在控制中心设中央级管理系统，在正线各变电所设站级管理系统，覆盖范围包含各变电所、车辆基地。供电设备在线监测系统架构如图1所示。

图1 地铁线路在线监测系统总体架构图

1.1 中央管理层

中央管理层由设备状态实时监测子系统、状态分析评估子系统及设备信息管理系统组成。

供电设备状态分析评估子系统通过采集和存储供电设备在线监测数据、视频巡检图像、动环数据等，利用人工智能算法，实现对关键设备故障类型的甄别及原因分析、供电设备的健康状态评估、供电运行状态的可靠性分析。

在车站变电所设置站控层系统，监测处理站级供电设备数据，并通过千兆主干网络上传至中央级系统数据库。

中央级系统结构如图2所示，主要设备有：1）配置实时服务器，用于运行供电设备状态实时监测子系统；2）配置分布式集群存储历史服务器，用于数据的存储与挖掘分析；3）配置中央前置通信管理机FEP，用于与其他系统进行数据通信；4）配置Web应用服务器、防火墙，用于与外部系统的数据共享；5）配置以太网交换机，实现与车站管理工作站、线路通信主干网络连接。

图2 中央级管理层系统结构图

在线监测系统全部功能展示在运维主工作站，根据运维人员权限展示相应功能操作。

1.2 站级管理层

站级管理层主要为在线监测柜，设置在供电控制室，实现牵引所设备在线监测，同时与车站变电所综合自动化系统（SCADA）交互数据。在线监测柜主要设备有：1）配置以太网交换机，与车站工作站及主干通信网络连接。2）配置实时服务器，用于运行供电设备状态实时监测子系统，用于网络管理、后台服务、实时数据监测等功能。3）配置通信管理机，用于站级在线监测系统与地铁车站其他系统进行数据通信交互[7]。站级管理系统构成图如图3所示。

图3 站级管理层结构图

1.3 过程设备层

过程设备层主要包括综合监测单元和在线监测装置。在线监测装置主要包括对40.5 kV开关柜、干式变压器（配电变、整流变、能馈变）、能馈装置、整流机组、直流开关柜等设备的局放温度等状态监测需要配置的高频传感器、地电波传感器、光纤测温传感器，以及交直流断路器等的开关特性监测装置，自动采集、处理和发送被监测设备状态信息。牵引变电所过程设备层配置如表1所示。

表1 牵引变电所过程设备层配置

1.4 间隔层设备状态监测方案

1.4.1 高压开关柜在线监测方案

40.5 kV GIS开关柜由于工作电压较低，不易监测到局放信号，选用暂态地电波（TEV）技术监测其设备内部局放情况，判断开关柜绝缘健康。

采用40.5 kV断路器动作全过程传感器记录断路器每次分合闸动作信息，形成大量样本积累后作为断路器健康状态评估的重要信息，实现断路器动作过程的监测，避免断路器误动、拒动故障的发生。

1.4.2 干式变压器在线监测方案

在干式变压器铁芯接地线上设置局放高频（IED）监测传感器监测局放情况。

干式变压器本体常因为涡流损耗、铁芯绝缘不良、接线端子接触不良等出现温度升高，采用红外热成像对变压器本体及接线桩温度进行7×24 h全天候在线监测，及时掌握变压器关键部件温升情况。

1.4.3 电力电缆在线监测方案

电缆容易因制造工艺、安装运维不当导致绝缘层内存在杂质、气隙、裂缝、受力不均等缺陷，极易产生局部放电，严重时甚至会使电缆发热烧毁、造成绝缘击穿。交流35 kV进线出线电缆头采用电缆表皮温度无线测温技术，直流1 500 V出线电缆采用红外热成像与可见光视频监测电缆表面温度，当温度值高于设定的报警阈值时发出报警信号。

1.4.4 直流开关柜在线监测方案

直流开关柜工作电流较大，易出现发热、烧损等故障，直流电流开断电弧难熄灭，易造成设备损坏，故障影响大。

采用温度监测技术实时监测关键设备温升，当监测温度值高于报警阈值时，通过干接点或同时通过网络链路发出报警信号，实现直流断路器柜内温升器件的实时监视，提前发现和消除故障隐患。

1.4.5 整流器柜在线监测方案

整流器柜内晶闸管数量众多，发热严重一直是困扰运检人员的难题。在交流电缆进线、出线铜排连接点安装无线测温传感器监测，避免铜排高温对传感器性能及寿命造成影响。

1.4.6 直流设备框架绝缘在线监测方案

通过在直流柜接地线缆安装高精度电流传感器，监测直流设备框架电流，提前预警，判断绝缘情况。

1.5 机器人巡检系统

如图4所示，机器人巡检系统包括巡检检测设备、服务器。巡检检测设备对变电所内设备进行全覆盖监控，服务器集成于在线监测系统中，用于存储信息并与在线监测系统通信、执行反馈。站内机器人与在线监测系统采用自适应以太网通信。

图4 机器人巡检系统结构图

2 在线监测系统功能

2.1 总体功能

在线监测系统对牵引所一次供电设备状态测量、处理及分析，运用大数据算法。根据运营需要，提供各类设备警告、分析诊断结果及运行状态信息，对供电设备运行发展趋势进行预测，发现潜在的隐患和缺陷，并提出对应的处置建议，从而优化检修周期、维修方式等，减少地铁运营维修人员、费用，降低故障率，提高系统可靠性，为线路的智能运维提供支撑。

2.2 中央级管理系统

中央级在线监测系统应具备的功能如下：

1）数据采集模块利用主干传输网络，从站级管理层获取变电设备在线监测数据，对数据初加工并存储在中央层数据库中，以方便实时查看。

2）中央层系统与资产管理系统（LMINS）设置接口，将设备台账、缺陷、试验、运行等方面的静态和动态数据进行整合，为设备健康状态、风险评估等功能提供数据支持。

3）在中央层平台上，以列表、曲线和图谱等方式，展示主设备的在线监测实时数据、运行异常信息、历史数据等各类信息。

4）状态评估子系统。根据供电设备各项关键指标数据，进行设备健康状态评估分析。运用大数据算法对供电设备进行多角度状态评估分析，如采用负荷—温升模型对设备温升原因进行分析、利用局放PRPD图谱分析局放原因等，实现供电设备健康状态评估、剩余寿命预测、故障统计分析、维修决策等功能。通过对设备进行健康度分析，预判未来趋势，并提供预防性维护策略。

5）互联设备信息管理子系统。通过分析设备健康度以及运行状况信息，3D动态显示供电设备运行状态、实时信息、状态报警信息、报警点等，让地铁运营人员深入了解设备运行状况，为设备运维、检修周期评估提供进一步的参考。

6）全生命周期管理。利用大数据算法和设备寿命评估机理，结合设备在线监测数据、PSCADA数据、设备性能参数、维修数据等信息对设备剩余寿命进行评估，实现设备全生命周期管理。

2.3 站级管理层

站级管理层应具备的功能如下：

1）对站内在线监测装置、综合测控单元以及所采集的状态监测数据进行全局监视、管理和存储。

2）与变电所综合自动化系统（SCADA系统）联动，整合设备运行关键数据，为中央级管理系统进行设备状态评估等提供支持。整合数据包括：（1）模拟量数据：线路电流、母线电压、有功功率、无功功率、功率因数等。（2）状态量数据：报警总信号、断路器分闸闭锁、保护跳闸、就地/远方状态、断路器分/合闸状态、隔离开关分/合闸状态、接地开关分/合闸状态、断路器储能异常、绕组温度高报警等。

3）存储各类供电设备监测数据于子站数据库中，并进行初步分析处理后传输到中央级管理系统。

4）实时监测车站供电设备状态量数据，根据相关判断，及时传输预警信息。

2.4 机器人巡检功能

机器人巡检系统集成于在线监测站级管理层中，为站级管理层提供视频识别结果、红外测温温度、环境监测数据等结果性数据。

在变电所设备房设置机器人巡检系统和云台摄像机，对供电设备进行实时监控，并可进行无人巡检；对设备故障、跳闸、告警等故障信息进行识别、图像采集，实现与SCADA系统的联动监视。

3 总结及展望

进入21世纪以来，随着数字化、信息化发展，大数据、物联网等技术应用日渐广泛，为轨道交通供电设备的状态修提供了大量技术支撑。借助机器人巡测、智能视频技术等智能化手段，以供电专业的各种设备信息为基础，融合在线监测、设备检修等数据，可以对设备进行健康模型建模，建立智能化的故障预测和健康管理系统。

目前，广州、深圳地铁部分线路变电所已配置在线监测系统，该系统的应用大大提高了供电系统运行稳定性、维修人员巡检效率。未来在线监测系统方案还需要结合更多应用场景进行探索和完善，以提高轨道交通供电系统智能化运维管理的效率。