地鐵供電系統(tǒng)中壓開關(guān)柜電流分析理論和方法

陳 亮，曹張保

（上海地鐵維護保障有限公司供電分公司，上海 200335）

1 地鐵供電系統(tǒng)

地鐵供電系統(tǒng)是一個龐大而復(fù)雜的電能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，地鐵供電網(wǎng)絡(luò)多采用兩級供電方式，由城市電網(wǎng)110 kV高壓經(jīng)主變降壓成35 kV 供給牽引、降壓變電所，而后支持地鐵運營以及車站動力照明等。以上海地鐵17 號線為例，供電網(wǎng)絡(luò)采取集中式供電，按照線路公里數(shù)及車站設(shè)置數(shù)量，在城市電力網(wǎng)絡(luò)中引入4 路110 kV 進線電源，分別提供給2 座主變電站的4 個供電回路，通過主變壓器降壓至35 kV 后，由干線電纜分別輸送至地鐵車站的混合變電站及降壓變電站，通過再次降壓、整流為列車運營和車站動力照明提供電源。中壓開關(guān)柜即為 35 kV 系統(tǒng)的各類開關(guān)，主要包括35 kV 主變進線開關(guān)、35 kV 環(huán)網(wǎng)開關(guān)、35 kV 整流變開關(guān)及35 kV 電力變開關(guān)。

2 電流數(shù)據(jù)采集

根據(jù)電功率計算公式P = UI 可知， 35 kV 中壓開關(guān)柜的電壓與電流成反比，電流變化能明確反應(yīng)負(fù)載變化波動情況。35 kV 中壓開關(guān)柜電流數(shù)據(jù)的遙測普遍采用電壓互感器、電流互感器、傳感器接入系統(tǒng)中，通過降壓模式將高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓、大電流轉(zhuǎn)換成小電流，由測控裝置或綜合保護裝置將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再通過測控裝置或綜合保護裝置的通訊端口將測量數(shù)據(jù)傳送至上位機，實現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化（SCADA 系統(tǒng)）和數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，電氣量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化流程如圖1 所示。本文研究的35 kV 中壓開關(guān)柜電氣量數(shù)據(jù)，其源頭來自地鐵中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)（CIOS）——電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）的遙測數(shù)據(jù)源，并在2019 年新建成的智能運維系統(tǒng)（PIOMS）中予以研究分析。

3 電流數(shù)據(jù)分析理論和方法

地鐵供電系統(tǒng)中列車的運行負(fù)載是反映社會活動的重要載體。通過PSCADA 系統(tǒng)獲取的不同設(shè)備秒級電流數(shù)據(jù)可以對列車運行負(fù)載進行一定程度的解析。不同解析方式呈現(xiàn)結(jié)果可能略有不同，但應(yīng)找出最能反應(yīng)地鐵運行活動情況（諸如客流量、負(fù)載高峰、高度異常偏離點、地鐵廣告投放時段效果等）的方式。

對獲取不同設(shè)備秒級電流數(shù)據(jù)的代表性進行取舍，既能大大降低系統(tǒng)存儲需求，同時也能通過每天相同時刻點數(shù)據(jù)進行解析，反映每天數(shù)據(jù)的循環(huán)往復(fù)性質(zhì)。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)驗證后，最終采取5 min 內(nèi)各開關(guān)柜電流峰值作為描述地鐵運行活動的代表數(shù)據(jù)。

圖1 供電系統(tǒng)電氣量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化流程

通過構(gòu)造電流標(biāo)準(zhǔn)曲線能夠?qū)?fù)雜的動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)分析結(jié)果，直觀地了解整流變壓器及環(huán)網(wǎng)進出線開關(guān)柜電流電壓數(shù)據(jù)的變化情況，有助于提高地鐵負(fù)荷運維管理效率。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線概念

3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線選擇

通過對上海地鐵17 號線各電壓等級SCADA 系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)分析，分別對35 kV、1 500 V、400 V 電壓等級下的開關(guān)柜電流繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，發(fā)現(xiàn)35 kV 不同時期繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線均具有較好的擬合度，能夠一般性表達(dá)電流在時間周期內(nèi)的變化情況。因此，可選擇35 kV 電壓等級設(shè)備電流繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

3.3 曲線周期確定

采用迭代法對系統(tǒng)內(nèi)不同電壓等級分別進行周期驗證。將35 kV、1 500 V、400 V 電壓等級下開關(guān)柜電流按歷史1 年的時間制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。標(biāo)準(zhǔn)曲線的算法邏輯如下：

（1）如果日電流數(shù)據(jù)時刻點值有缺失，則進行前向填充；

（2）日頻數(shù)據(jù)選擇不同日期，比如10 天，11 天，不斷累加，移動平均處理為288 個點數(shù)據(jù)；

（3）對日頻年度數(shù)據(jù)移動平均處理后的點值數(shù)據(jù)構(gòu)造的曲線分別取其擬合度，高擬合度代表周期確定數(shù)據(jù)表達(dá)能反應(yīng)較為一般的情況，從而得到明確周期。

根據(jù)35 kV、1 500 V、400 V 不同電壓等級下不同周期電流擬合度數(shù)據(jù)（表1）可知：

根據(jù)地質(zhì)、掘進參數(shù)和地表情況，在盾構(gòu)機進入試驗段前常壓開倉檢查掌子面地質(zhì)、刀具磨損情況，更換磨損較大的刀具，清理刀盤泥渣防止結(jié)泥餅，避免在穿越鐵路過程中發(fā)生停機換刀等意外情況。

（1）35 kV 開關(guān)柜電流數(shù)據(jù)不論數(shù)據(jù)周期長短，都呈現(xiàn)出較好的擬合度；

（2）400 V 開關(guān)柜電流數(shù)據(jù)擬合度雜亂無序且擬合度普遍很差，不適合做標(biāo)準(zhǔn)曲線；

（3）1 500 V 開關(guān)柜電流數(shù)據(jù)雖然也呈現(xiàn)了較好的擬合度，但牽引用電的降精度標(biāo)準(zhǔn)曲線并無實際應(yīng)用意義，需要單獨分析。

綜上所述，可針對35 kV 開關(guān)柜電流數(shù)據(jù)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，由整流變壓器開關(guān)柜數(shù)據(jù)反映整個線路、站點的電流趨勢變化情況。選定14 天為周期，可以保證很好的擬合度，且周期不會過長，能更準(zhǔn)確表達(dá)最近趨勢。此外，14 天在時間維度上恰好是2 個完整自然周，能對日期做更細(xì)致工作，比如劃分出工作日與節(jié)假日。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制方法

標(biāo)準(zhǔn)曲線周期明確為14 天。假設(shè)當(dāng)前時間為2020-03-28，那么標(biāo)準(zhǔn)曲線應(yīng)根據(jù)2020-03-14 至2020-03-27 的14 天電流數(shù)據(jù)進行繪制。每日同一時刻點數(shù)據(jù)進行移動加權(quán)平均：

式（1）中，F(xiàn)t-n為標(biāo)準(zhǔn)曲線構(gòu)造電流值；wn為周期內(nèi)每日權(quán)重；It-n為時刻點對應(yīng)的實際電流值；t 為天數(shù)（t = 1，2，…，14）； n 為1 天內(nèi)測量電流值次數(shù)（ n = 1，2，…，288）。將每日同一時刻點高度偏離的數(shù)據(jù)剔除，保證曲線的平滑度與可信度，最后將Ft-1，F(xiàn)t-2，…，F(xiàn)t-288進行連接構(gòu)造每日標(biāo)準(zhǔn)曲線。

表1 不同電壓等級下不同周期電流擬合度數(shù)據(jù)

3.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)曲線有多個維度的應(yīng)用，主要通過載客量變化導(dǎo)致的負(fù)載變化從而在電流上客觀反映變化趨勢。標(biāo)準(zhǔn)曲線在上海地鐵17 號線實際應(yīng)用如下：

（1）各個站點設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)曲線以及峰谷分析；

（2）各個站點設(shè)備的預(yù)測曲線以及擬合度結(jié)果動態(tài)更新；

（3）各個站點設(shè)備的異常分析以及閾值建議；

（4）線路峰谷分析及異常站點警示。

通過對標(biāo)準(zhǔn)曲線峰谷分析，可以了解不同站點及整條線路的峰谷情況；通過異常值可以判定高偏離度的個數(shù)以及電流，反映近期頻發(fā)的跳躍點次數(shù)以及根據(jù)多發(fā)跳躍提前做好防護。此外，可繼續(xù)對標(biāo)準(zhǔn)曲線做冗余度分析及評價，如運行方式變更后，針對負(fù)載轉(zhuǎn)移后的標(biāo)準(zhǔn)曲線，進行冗余度分析，同時據(jù)此做整定值匹配、設(shè)備容量的預(yù)測計算等。

3.5.1 峰谷分析

標(biāo)準(zhǔn)曲線峰谷分析即通過對周期內(nèi)構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)曲線的點值數(shù)據(jù)進行聚類分析（按照K-Means 聚類分析方法），自動分出3 個維度的數(shù)據(jù)，而后進行二次聚類，加強同一個簇之間數(shù)據(jù)聯(lián)系，得到高峰、平峰、低谷的時段劃分。而整條線路峰谷分析通常是對整條線路下所有站點的峰谷時刻做出頻數(shù)分析后再進行聚類分析，最終得到線路峰谷分析結(jié)果。

通過峰谷分析，可以宏觀了解所有站點的峰谷情況，并對峰谷遷移有直觀了解（比如峰谷占比，峰谷變化率等），有助于全面掌握不同站點的負(fù)載情況，同時，可以高效指導(dǎo)維護管理人員關(guān)注負(fù)荷狀態(tài)及其趨勢。

3.5.2 異常分析

異常分析是針對異常突變的電流（除雜散電流外）進行記錄、分析和反饋。由于瞬時高電流會給設(shè)備帶來不良影響，甚至造成設(shè)備超負(fù)荷運行或降級停役工況，因此，應(yīng)對瞬時高電流進行有效預(yù)防。可利用均值-方差方法統(tǒng)計1 個周期內(nèi)異常點總數(shù)并對數(shù)據(jù)異常點進行實時預(yù)警提示，如圖2 所示。

圖2 周期內(nèi)異常點總數(shù)及動態(tài)實時點

雖然異常點數(shù)量多寡并不是決定設(shè)備損壞的決定因素，但仍應(yīng)對1 個周期內(nèi)異常點總數(shù)多的設(shè)備進行重點關(guān)注，從而降低設(shè)備徹底損壞的風(fēng)險。對于出現(xiàn)異常點的站點設(shè)備應(yīng)按照重要程度及異常點數(shù)量多寡做好設(shè)備維護工作優(yōu)先級排序。可以將周期內(nèi)出現(xiàn)異常點總數(shù)多的站點設(shè)備進行警示，同時針對周期內(nèi)前13 天均無異常，最近1 日才出現(xiàn)異常的站點設(shè)備進行告警，及時排查，做到防患于未然。

異常點分析還可進行深度挖掘。將異常點與實際故障進行有效關(guān)聯(lián)，通過自學(xué)習(xí)擴大樣本庫，得到更準(zhǔn)確的設(shè)備故障發(fā)生機率，提前做好設(shè)備檢修工作。

3.5.3 預(yù)測曲線

利用過去3 天的標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)，通過科學(xué)的預(yù)測方法，得到當(dāng)天以及未來幾天的預(yù)測數(shù)據(jù)（圖3），從而得到預(yù)測曲線。通過預(yù)測曲線可以把控峰谷來臨的時間節(jié)點，為生產(chǎn)運營提供計劃與思路。

3.5.4 擬合度

擬合度指動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)曲線與預(yù)測曲線的接近程度。通過擬合度結(jié)果可以知道當(dāng)前預(yù)測情況與實際發(fā)生情況的接近程度，如圖4 所示。擬合度計算如下：

式（2）中，R - squared 為擬合度；Q 為殘差平方和；Q1為實測值平方和；y 為實測值；y* 為預(yù)測值。擬合度數(shù)據(jù)隨著當(dāng)日時間變化呈現(xiàn)動態(tài)變化，高擬合度代表預(yù)測曲線的當(dāng)前高信任度。如果擬合度數(shù)據(jù)降低，則表明預(yù)測曲線與當(dāng)前動態(tài)曲線表現(xiàn)不一致，當(dāng)天電流可能發(fā)生強烈擾動。擬合度有2 個作用：①對預(yù)測曲線的準(zhǔn)確度進行校驗；②對動態(tài)曲線的變化程度進行直觀觀察。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)對比

圖4 動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)曲線與預(yù)測曲線擬合度

3.6 小結(jié)

通過標(biāo)準(zhǔn)曲線系列工作，可以了解地鐵線路運營情況，可以根據(jù)峰谷分析對相關(guān)數(shù)據(jù)工況進行預(yù)判，同時還可根據(jù)異常數(shù)據(jù)情況，提前了解該對哪里的設(shè)備進行檢查和維修，實現(xiàn)六何分析法（5W1H）的應(yīng)用，掌握哪些開關(guān)的負(fù)荷在什么時間發(fā)生了什么數(shù)據(jù)異常和問題，并應(yīng)該安排什么技術(shù)人員按照什么知識庫匹配的方案去進行人工干預(yù)并制定負(fù)荷調(diào)整策略。

電流標(biāo)準(zhǔn)曲線可以對站點設(shè)備的維保順序進行優(yōu)先級排序，但對具體設(shè)備維保管控能力薄弱。在知道站點設(shè)備發(fā)生異常告警后，需要人工去現(xiàn)場對重點設(shè)備進行排查、維護。電流只是單方面的電力數(shù)據(jù)，只能作為設(shè)備健康度評價的1 個重點指標(biāo)，但不能反映全貌，可綜合電壓電能質(zhì)量分析、功率因數(shù)分析、暫態(tài)分析等指標(biāo)來增強設(shè)備管控能力。通過電流標(biāo)準(zhǔn)曲線分析雖然能做到部分工況預(yù)測，但對突發(fā)事故的預(yù)測仍然有很大的滯后性。

4 結(jié)語

本文分別采用了數(shù)據(jù)移動加權(quán)平均、聚類分析方法、方差算法等理論，挖掘電流數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用周期和采集頻率標(biāo)準(zhǔn)，并在上海地鐵17 號線SCADA 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對牽引整流變壓器運行數(shù)據(jù)的電流標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制、峰谷值分析、異常分析和擬合度分析，為研究整流變負(fù)荷數(shù)據(jù)及運營工況提供了有效手段，是一種可復(fù)制、可推廣的數(shù)據(jù)分析理論和方法。