城轨变电所智慧运维系统应用探讨

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原文发表于《都市快轨交通》

2025年 第2期

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郭志奇

1变电所综合自动化现状及困难

2020年3月12日发布的《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》中首次提出了建设智慧地铁、智能供电的要求[1]。结合我国“碳达峰、碳中和”双碳目标的临近，《我国城市轨道交通规划“十四五”发展战略》明确提出供电系统的建设目标之一为智慧供电，引导各城轨建设单位在工程建设中应充分研究和分析智慧地铁、智能供电的需要，在编制可行性研究报告中，专项列支供电智能运维的资金[2]。目前，在编的《城市轨道交通供电系统》《绿色城市轨道交通设计标准》《绿色城市轨道交通评价标准》等团体标准中明确了智能供电系统的相关要求，包括能源管理要求、智能运维要求，我国城轨供电系统建设进入智能化运维时代。

1.1现状分析

在国内城轨供电领域，变电所综合自动化系统主要负责关键开关设备远程控制、电气信息收集、故障跳闸信息上传，但是无法感知监测导体连接质量、绝缘损坏等故障，以及开关磨损、变压器铁芯发热等，并且海量的供电设备基础信息、设备生产制造信息、元器件可追溯信息都未建立资产管理档案。另外，城轨供电系统除电力监控以外，大量基于管理、运维及数据采集等应用系统的设置造成传输通道建设浪费、中心级服务器及工作站冗余设置、站级设备数据上送接口复杂、系统构架层级多等问题，例如，杭州城轨线路供电系统包含的子系统有电能质量管理系统、杂散电流监测系统、牵引网可视化接地维护系统、作业票管理系统、场段隔离开关监视系统、供电复示系统、模拟供电培训系统等。

1.2面临困难

城轨供电系统是一个庞大而复杂的系统，传统运维机构或辅助系统对于供电系统基本元件和运行设备的故障率、故障修复时间的统计较为缺乏，对于引起整个系统发生故障的元件和设备仅从分析者的直觉和经验出发，凭分析对象所处的环境、过去与现在的延续状态和最新资料进行判断，对研究对象的发展规律作出评价，最终从概率的角度进行分析。由于元件和设备的运行数据资料不足，不能对供电设备故障进行定量分析。因此，当前城轨变电所综合自动化系统运维工作面临如下困难。

1)设备的实际情况可见度差，状态变化趋势未及时反映，存在一定监测盲区，设备、作业、环境监测能力不足；安全隐患不容易发现，运营有风险。

2)维修时间、部件及故障问题缺乏依据，轻重缓急不突出、工作量大、效率较低。

3)计划式的检查、维修工作，人力、设备、备品备件资源投入大，成本高[3]。

4)数据融通支撑不够，各类信息互相独立，系统间横向数据融合困难，融合不充分；数据“不准确、不全面、不互通、不会用”的问题突出。

5)数据实时性不足，数据传输链路长，专业壁垒多，通常经过多个节点；难以在源头实现数据融合共享，如跨专业、内外部共建共享。

6)标准化智能化不足，未建立统一的数字化标准体系，部分终端智能化、标准化程度较低。

1.3城轨供电系统智能运维情况

国内各地铁公司都已开展研究或挂网应用供电智能运维管理系统。北京地铁“十三五”规划明确了设备实现状态修的发展方向，状态修则需设备实时在线监测作为支撑。北京建立《供电设备在线监测系统》，将现场及电力监控系统未能监测到的、封闭柜体及过轨穿管内不可视的关键供电设备运行状态，实施在线监测诊断、异常预报警，促使隐患故障消除于萌芽状态，确保供电系统安全、稳定地运行[4]。南京地铁提出建立基于云计算的城轨设备运维管理系统，有效地提高设备信息化管理水平，提高设备运维管理系统信息数据源的利用率，降低运营企业在设备运维管理方面的投资，节约维护设备运维管理系统的成本。基于云计算的设备运维管理系统还可以通过增加应用软件结合数据库实现更多的功能，例如故障诊断、设备管理与维修决策优化等[5]。广州地铁提出一种全生命周期管理系统，有效整合利用城轨的大数据，达到设备运维管理业务信息化、可视化、智能化[6]。

基于大数据的城轨供电设备运维管理系统，以电力设备运行数据平台为依托，使用“在线+带电+实时”状态量采集技术对电力系统设备的可靠性状况进行研究，并对供变电系统设备的运行状况做出评估，同时做到电力设备服役期限和故障率的预测[7]。目前已完成广州地铁站级应用示范(嘉禾望岗主所、嘉禾望岗车辆段牵引所)，在广州地铁8号线北延段全线推广应用。总体来看，各城市地铁公司都提出了基于设备运维的智能管理系统，但都是以一个新系统的方式叠加在日益扩大的变电所综合自动化系统之上，导致现行的城轨供电系统的子系统类型众多且系统冗余。因此，有必要研究将智能供电信息运维、管理系统作为变电所综合自动化调度系统的扩展和延伸，主要围绕当前城轨供电系统的各个环节，充分运用先进的信息技术、人工智能等新时代科技，实现供电系统电力调度管理、设备在线实时监测及寿命预测、供电设备智能故障处理及设备信息数字化档案管理。

2变电所智慧运维系统总体设计

2.1系统构架

城轨变电所智慧运维系统运用现代先进的测量、传感、控制、通信、信息、人工智能等技术，以变电所智能化设施和双向高速通信网络为基础，以信息化、网络化、自动化、互动化为技术特性，具有全息感知、多维整合、重构自愈、智慧决策等技术内涵。城轨变电所智慧运维系统的智能化应覆盖供电系统设备的各个环节，从物理层面可划分为牵引配电设备智能化、供电调度系统智能化以及供电运行和维护管理系统中智能化3部分，如图1所示。

城轨变电所智慧运维系统为基于智能设备构成的供电变电设备(包括主变电所、二级开闭所、牵引降压混合变电所、降压变电所、上网越区可视化一体接地开关室等)与接触网、专用回流轨道等，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本条件，自动完成信息采集、测量、控制、安全、计量和设备在线监测等功能。供电调度系统智能化对变电所设施设备进行远程监视、测量、控制和调度的同时，还实现了源端维护、综合告警、辅助调度决策等高级功能。供电运行和维护管理系统智能化以变电所运行检修所需要的各种基本数据、检测监测数据、运行维修数据等分析处理为基础，对设备实施运行管理、检测管理、维护管理以及故障诊断、预测与健康评价等进行全生命周期管理的系统[8]。除实现供电设施运行检修管理外，还能实现供电系统故障诊断、故障预测、健康评估、应急指挥与维修决策等功能。

2.2主要功能

城轨变电所智慧运维系统是集主变电所、牵引变电所、降压所、跟随所及区间接触网隔离开关等智能供电设施和智能供电调度系统与智能供电运行检修系统于一体的平台化系统，以实现对城轨供电系统的自检、自判、自愈等功能，与传统的城轨供电变电所综合自动化系统对比如表1所示。

随着电力电子技术的发展，城轨供变电设施将发生根本变化，如电力电子变压器、柔直供电及能量路由器的应用，供电智能运维相应的功能也将发生改变。智能供电设施将不以变电所为基本单元，而是以供电区段为对象，在该供电区段，通过电力电子装置实现电压、电流实时调整，使得供电区段的功率配置实时变化，同时辅助车辆位置信息监测以实现能量的运控；城轨变电所智慧运维系统应能实时根据整个系统的情况优化调度各个供电区段的电力输出。

2.3技术特征

城轨变电所智慧运维系统将现代先进技术与传统供电系统相结合，通过实时采集供电系统各级变电所各种数据信息，实现信息共享联动，且高速通信网络是其实现的基础，其技术特征如表2所示。

2.4工程案例

以杭州城轨三期工程和四期工程(新建线路)供电系统变电所综合自动化系统为例，三期工程供电系统子系统种类繁多，“单独开发、独立运行、分散管理”现象严重，造成通道重复建设、人机接口多、管理任务量大、接口复杂，降低了管理效率；信息共享程度较低，限制了高级智能应用的发展。针对这一现象，四期项目(新建线路)开发了一体化的变电站综合自动化智能运行系统，旨在建立全新的一体化监管平台。城轨供电系统综合自动化及其他子系统设置对比如表3所示。

与传统方案相比，该方案电能质量监测系统集成于供电智能运维系统，与智能运维系统共用汇集交换机；取消可视化接地装置，采用一体化三工位接地上网及越区组合成套装置，上网、越区、接地功能统一在运营控制中心调度，接地开关状态视频通过组网交换机接至供电智能运维屏内；变电所内设置智能运维摄像头，摄像头及其组网由通信专业负责，组网后接至车站边缘云，供电智能运维系统经车站边缘云提取变电所智能运维摄像头。边缘云交换机通过光缆接入供电智能运维屏内交换机；车站级供电智能运维布置于车站边缘云上，相关服务器由边缘云提供，工作软件由供电智能运维厂家提供，站级智能运维系统不再设置工作站，采用便携式计算机进行相应调试工作，站级智能运维主要进行视频存储及处理；变电所综合自动化系统作为电力调度的核心生产系统，保证原有的开关设备远程操控调度及报警、跳闸信息上传；车站变电所综合自动化系统通过云平台部署在车站级的边缘云提供算力和传输；中心级电力监控及智能运维统一部署在中心云平台。站级变电所智慧运维系统如图2所示。

该方案整合既有子系统，集约了传输、调度、运维等生产调度班组，符合城轨供电智慧化的发展趋势；但对运维人员的综合素质和专业素质提出了更高级别的要求，也对线路运营构架带来了新的变化。此外，该方案在设备智慧化方面也提出具体要求，以直流开关柜为例，其智能直流断路器在拥有原直流断路器所有性能的基础上，通过加装系列传感器和智能测控装置从而实现断路器的在线实时监控，并依据数据分析建立断路器健康监测模型，诊断和预测断路器寿命，直流开关柜智慧运维系统如图3所示。结合城轨直流牵引供电运行经验及运维人员的实际需求，统计直流断路器关键机械部件及模块重要感知量。

3结束语

随着我国城市轨道交通的大规模投入运行，供电系统调度及运行维修管理凸显重要，城轨变电所智慧运维系统将先进技术与传统供电系统相结合，建立融合的一体化智能管理平台，为今后城轨供电高级智能应用提供范例，符合城轨绿智融合的发展方向。