芻議高速鐵路牽引供電系統(tǒng)管理及故障

顧鴻遠(yuǎn)

【摘?要】本文根據(jù)作者多年工作經(jīng)驗就高速鐵路牽引供電系統(tǒng)管理及故障進(jìn)行了簡單的闡述。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路;牽引供電;系統(tǒng)管理;故障

一、監(jiān)測技術(shù)及問題

1）局部放電的監(jiān)測。局部放電可以導(dǎo)致電介質(zhì)的局部損壞，若長期存在，在一定條件下會導(dǎo)致絕緣劣化甚至擊穿。局部放電的特性一般可與絕緣的缺陷相互很好地印證，因此運(yùn)用局部放電監(jiān)測發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常征兆評定絕緣的老化程度，在電力系統(tǒng)是一種常用方法。

2）振動的監(jiān)測。設(shè)備的振動信號中包含豐富的機(jī)械狀態(tài)信息，借助振動信號對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測是一種有效方法。目前，變壓器振動監(jiān)測主要用于判斷變壓器繞組和鐵心的狀態(tài)、有載調(diào)壓開關(guān)的狀態(tài)，除此以外還用于斷路器狀態(tài)的監(jiān)測。

3）溫度的監(jiān)測。電力設(shè)備故障往往會伴有電氣量的變化，電氣量的改變經(jīng)常會導(dǎo)致某部分溫度的改變，因而對于很多設(shè)備的故障，可以通過監(jiān)測溫度反映出來。該方法主要應(yīng)用于電纜、開關(guān)柜、觸頭溫度的監(jiān)測。

4）絕緣性能的監(jiān)測。電氣設(shè)備的故障往往是絕緣性能的損傷累積引起的，對于設(shè)備絕緣參量的監(jiān)測，主要有油中溶解氣體的分析DGA、介質(zhì)損耗因數(shù)的測量等。DGA多用于變壓器狀態(tài)的監(jiān)測，介質(zhì)損耗因數(shù)多用于容性設(shè)備如高壓電容式套管、電流互感器、電容式電壓互感器、耦合電容器以及氧化鋅避雷器的監(jiān)測。

5）泄露電流的監(jiān)測。設(shè)備的表面污穢受潮后會產(chǎn)生泄露電流，表面絕緣能力下降越多，泄露電流越大，因而通過監(jiān)測泄露電流可以反映絕緣設(shè)備表面絕緣能力。該方法目前主要用于絕緣子狀態(tài)的監(jiān)測上。

當(dāng)前對電力設(shè)備健康監(jiān)測和預(yù)警方面存在著以下問題：1）設(shè)備健康評價所依據(jù)的監(jiān)測信息單一;2）沒有考慮故障相互之間的耦合關(guān)系，可能造成對設(shè)備健康狀態(tài)的誤判;3）大多只利用了設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行值，沒有考慮設(shè)備本身特性（如出廠試驗值）、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)等對設(shè)備/系統(tǒng)健康狀態(tài)有較大關(guān)聯(lián)的歷史信息，缺乏對設(shè)備/系統(tǒng)健康狀態(tài)的全面把握。4）設(shè)備的健康評價只有正常和故障兩種狀態(tài)，只能根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對設(shè)備是否發(fā)生故障進(jìn)行判斷，不能準(zhǔn)確把握設(shè)備/系統(tǒng)健康狀態(tài)發(fā)展的趨勢，無法實現(xiàn)對運(yùn)行趨勢惡化的判斷、識別，對即將發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警，對運(yùn)行、維修起不到多大指導(dǎo)作用。

二、智能化牽引供電系統(tǒng)健康管理及故障預(yù)警系統(tǒng)框架及研究內(nèi)容

1）多元數(shù)據(jù)處理技術(shù)。重點研究牽引供電系統(tǒng)中牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)、故障錄波裝置、接觸網(wǎng)檢測車等監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度、正確率以及各系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)相互之間的關(guān)聯(lián)性;研究新增監(jiān)測量如饋線電纜溫度、斷路器觸頭溫度、牽引變壓器局放、互感器介質(zhì)損耗的獲取辦法;歸納總結(jié)多種數(shù)據(jù)來源的信息特征，包括時間標(biāo)識、空間（位置）標(biāo)識、事件標(biāo)識、連續(xù)或離散性質(zhì)、傳輸特性、不確定性等性質(zhì);研究利用這些連續(xù)與離散、時間與空間結(jié)合的數(shù)據(jù)分層原則，建立統(tǒng)一的多層故障預(yù)警和故障診斷數(shù)據(jù)模型。

2）健康狀態(tài)的綜合評價技術(shù)。對高速鐵路供電系統(tǒng)的健康診斷進(jìn)行定義，并分析其結(jié)構(gòu)、特征、功能和運(yùn)行機(jī)制，研究其健康的內(nèi)部機(jī)理，建立符合高速鐵路供電系統(tǒng)運(yùn)行特性的健康診斷理論體系的概念框架，并制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。建立包括各項數(shù)據(jù)指標(biāo)的重要度和時效性的動態(tài)評估指標(biāo)、設(shè)備的重要度評估指標(biāo)、元件及網(wǎng)絡(luò)的健康程度指標(biāo)等一系列指標(biāo)體系，依此對高速鐵路供電系統(tǒng)的健康狀態(tài)進(jìn)行全面評估。

牽引供電系統(tǒng)是由眾多設(shè)備組成的一個完整系統(tǒng)，為了既能掌握單臺設(shè)備的健康狀態(tài)以便于采取對應(yīng)的維修對策，又能掌握整個系統(tǒng)的健康狀態(tài)以便于安排調(diào)度，采用基于灰色聚類和模糊綜合評判的2級健康狀態(tài)評估模型。在供電設(shè)備級采用灰色聚類的方法評估單個設(shè)備的健康狀態(tài)，將得到的單個設(shè)備健康狀態(tài)的聚類系數(shù)向量作為模糊綜合評判的隸屬度向量，利用模糊綜合評判技術(shù)來評估牽引供電系統(tǒng)的整體健康狀態(tài)。為使評估結(jié)果更接近實際，可利用多傳感器的信息融合技術(shù)，進(jìn)行決策層信息融合，可得到更為可信的系統(tǒng)健康狀態(tài)評估結(jié)果。

3）故障預(yù)警技術(shù)。設(shè)備或系統(tǒng)故障的發(fā)生，是眾多因素隨時間累計的結(jié)果，其產(chǎn)生、發(fā)展必然經(jīng)歷一個時間過程，有時看似偶然的故障，也必然有其內(nèi)在的規(guī)律性，即使是突發(fā)性故障也存在孕育、發(fā)展的時期。同樣，對于牽引供電系統(tǒng)，在破壞性故障發(fā)生之前，系統(tǒng)中的某個設(shè)備或系統(tǒng)就已經(jīng)進(jìn)入病態(tài)運(yùn)行，并且損傷的發(fā)生具有趨勢性和累積效應(yīng)，若能在損傷累積形成故障之前識別出該設(shè)備或子系統(tǒng)的異常，提早對其進(jìn)行檢修或更換，就能避免故障的發(fā)生，減小牽引供電系統(tǒng)事故發(fā)生的概率。

牽引供電系統(tǒng)故障預(yù)警技術(shù)重點研究兩種情況：①潛隱故障的預(yù)警;②早期故障的預(yù)警。潛隱故障是指已經(jīng)發(fā)生卻未直接表現(xiàn)出來（或未被發(fā)現(xiàn)）的故障，由于其具有隨機(jī)性和隱蔽性，平時存在這些隱患的設(shè)備可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但在特定時間、特定環(huán)境中可能會表現(xiàn)出來，影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行，如電流互感器/電壓互感器、斷路器和保護(hù)裝置等都存在潛隱故障的可能。而早期故障主要是指設(shè)備狀態(tài)開始惡化的初期，此時設(shè)備性能還未有明顯的下降。對潛隱故障的識別，可借助于系統(tǒng)中各設(shè)備相互之間關(guān)聯(lián)所形成的制約關(guān)系，如對電流互感器/電壓互感器以及微機(jī)保護(hù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)潛隱故障的識別可采用基于基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律所形成的各互感器數(shù)據(jù)之間的制約關(guān)系來判斷。對于保護(hù)的潛隱故障，可利用相鄰線路間電氣量的關(guān)聯(lián)及保護(hù)動作之間的配合來加以判斷。

4）維修策略的制定和優(yōu)化研究。維修保養(yǎng)是提高牽引供電設(shè)備性能、延長使用壽命、提高牽引供電系統(tǒng)可靠性的一個重要途徑，通過實行狀態(tài)檢修，在設(shè)備需要的時候才進(jìn)行維修，可有效降低維修成本，但降低維修成本和提高系統(tǒng)的可靠性之間存在著一定的沖突，如何合理確定狀態(tài)檢修的條件，優(yōu)化狀態(tài)維修的策略，實現(xiàn)系統(tǒng)可靠性和維修成本的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，是高速鐵路牽引供電健康管理系統(tǒng)需重點研究的內(nèi)容之一。

在考慮維修經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)安全性因素時，結(jié)合牽引供電系統(tǒng)故障后果所造成的損失，考慮不同維修策略下的維護(hù)費(fèi)用，用定量方法尋找不同線路等級的牽引供電系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用和故障后果損失費(fèi)用之間的最優(yōu)關(guān)系，進(jìn)行維修策略優(yōu)化，力求以較少的維修成本實現(xiàn)較好的生產(chǎn)效益。

三、需進(jìn)一步研究的內(nèi)容

1）網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)的研究。設(shè)計融重要設(shè)備制造企業(yè)、牽引變電所、供電段、鐵路局調(diào)度中心、專業(yè)院所之間互動的牽引供電健康管理系統(tǒng)。對于重要設(shè)備，建立從設(shè)計制造、運(yùn)輸、安裝調(diào)試到使用的全過程檔案，通過遠(yuǎn)程診斷服務(wù)平臺由設(shè)備制造商、專業(yè)院所專家提供針對復(fù)雜情況的解決方案。

2）宏觀和微觀相結(jié)合的牽引供電設(shè)備狀態(tài)評估方法研究。當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)的評價多建立在宏觀狀態(tài)量監(jiān)測的基礎(chǔ)上，若能從微觀的角度研究設(shè)備損傷累積到故障發(fā)生的演變規(guī)律，將更能有助于對早期故障的預(yù)警。

3）健康診斷的CBR推理技術(shù)的研究。為滿足大量不斷累積的數(shù)據(jù)的處理需求，研究具有工程化智能推理能力的案例推理方法，實現(xiàn)針對典型故障的推理功能。

4）基于統(tǒng)計的牽引供電系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)和脆弱點研究。對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行統(tǒng)計分析，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和脆弱點，為以后系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)。

5）統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口的研究。為保障系統(tǒng)各單元的集成，需要研究異步、異構(gòu)數(shù)據(jù)庫集成技術(shù)，實現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)相關(guān)監(jiān)測和控制系統(tǒng)信息的有機(jī)組織和共享。

四、結(jié)束語

1）通過設(shè)備健康狀態(tài)的感知，實現(xiàn)對設(shè)備和系統(tǒng)故障狀態(tài)的提早預(yù)測，提早維修，從而避免故障發(fā)生產(chǎn)生的影響，減小高鐵牽引供電系統(tǒng)故障引起的風(fēng)險，提高牽引供電系統(tǒng)的可靠性，為高鐵安全正點運(yùn)行提供保證。

2）通過對設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷，利用狀態(tài)檢修代替周期檢修，減少維修，特別是計劃外維修次數(shù)，縮短維修時間，提高設(shè)備完好率和利用率，減少牽引供電系統(tǒng)的停電時間。

3）通過設(shè)備的狀態(tài)檢修，減輕對現(xiàn)場檢修人員的工作壓力，減少對備件、保障設(shè)備、維修人力等保障資源的需求，降低維修保障費(fèi)用，提高牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

（作者單位：上海鐵路局供電檢測所）