直流牽引供電設備智能運維系統設計與應用

徐麗莉 石宏明

西門子交通技術（北京）有限公司上海分公司 上海 200082

引言

目前，軌道交通的運維還是以傳統運維為主，主要基于定點修、計劃修以及故障修的模式。根據中國城市軌道交通協會2021年1月1日發布的《2020年中國內地城軌交通線路概況》顯示，“十三五”五年間，中國內地城軌交通新增運營線路長度總計達4360公里，新增城軌交通運營線路長度超過“十三五”前城軌交通運營線路長度累計總和。運營線路快速增長，對日常運維也造成了較大壓力。直流牽引供電設備是保證線路運營的關鍵設備，實現智能運維的需求更加迫切。

1 項目概況

地鐵運維實現智能化成為必然發展趨勢。本案結合地鐵用戶對智能運維的迫切需求，設計研發的直流牽引供電設備資產管理系統涵蓋設備的實時運行數據、智能維修數據以及資產數據，提供專業性全生命周期設備管理[1]。

2 直流牽引供電系統組成與運維策略分析

直流牽引供電網絡主要由直流開關設備、接觸網和回流軌構成供電回路。其中，直流開關柜作為重要的一環承接整流機組電源，并饋出到接觸網（軌）通過運行軌回流，完成對車輛的牽引供電。主流典型牽引供電一次系統如圖1。

圖1 直流牽引供電典型一次接線示意圖

直流開關設備的現有運維方式是定點修、計劃修和故障修。定點修和計劃修主要是遵循事先制定的維護保養計劃，定時定點地對設備進行預防性維修維護。故障修是設備出現故障后進行的維修。故障維修可以是徹底維修，也可以是臨時性的維修，設備在臨時維修之后仍然可以投入運營，并等待后續徹底維修，一般情況下，當故障臨時修復可以繼續正常運行時，優先保證正常運行，在停止運營后再徹底修復[2]。

上述運維方式，面對急速增長的運營線路，下列問題日益突出：

線網規模的急劇擴張，運維團隊專業技術力量緊缺；

不同運營狀態下設備按照固有和一致的方法維護，經濟綜合效益不高；

委外人員流動較大且不熟悉設備，導致現場問題不能及時、徹底地解決。

此次設計研發的資產管理系統監測和管理的設備主要針對地鐵牽引變電站內的直流開關柜，包括進線柜、饋線柜和負極柜進行數據采集和數據分析，并結合專家分析庫給出維護維修建議，逐漸實現由計劃修到狀態修的轉變。

3 資產管理系統設計要點

3.1 系統架構設計

C/S具有較高的安全性，響應較快。但系統重用性差，并且需要安裝特定程序包運行，后期維護成本較大。

B/S一般由界面層、業務邏輯層和數據層三層架構構成。無須安裝特定的客戶端程序，且升級維護較容易。但由于大部分業務邏輯層和數據層布置在網絡服務器上，響應速度和安全性沒有C/S架構高。

由于現場安裝環境主要在各個地鐵站內的直流牽引供電設備上，網絡只有局域網。該特定環境比較適用C/S架構。但考慮現場部署成本、后期維護以及遠期發展潛力等因素，B/S架構更具備優勢。結合兩者的特點，系統開發基于B/S結構，但業務邏輯層和數據層不布置在遠端服務器，而是結合C/S的模式采取就地布置。

基于上述系統基本架構，結合現場設備的數據采集以及系統功能的實現，確定系統架構設計。

3.1.1 界面層為用戶界面，用戶通過界面層登錄系統，查詢設備數據。

3.1.2 業務邏輯層包括基礎服務組件及業務服務模塊，是整個系統的運行的事務邏輯處理層。

3.1.3 數據層負責現場設備的數據采集和存儲，為業務邏輯層提供所需數據。在數據層建立合理設計的數據庫結構，可實現快速數據訪問及調用。

3.2 功能模塊設計

3.2.1 數據采集。直流開關柜組成通信環網后，通過MODBUS TCP/IP通信協議將所有數據上傳到資產管理系統服務器。數據采集環節應用大數據分析、物聯網、云平臺技術，以模塊化為設計原則，隨時將現有系統就地布置轉變為全線控制中心布置或云平臺布置。

特制的智能網關就地布置在開關柜內，融合多種通信協議，除現有保護裝置的通信協議外，預留Modbus RTU及IEC61850等通信協議，為保護裝置通信協議升級及外接傳感器設備預留通信通道。

系統與設備層之間的數據傳輸通過MQTT(消息隊列遙測傳輸)實現。該通訊結構為以后將軟件程序部署在云平臺或遠程數據中心提供可能。如用戶在地鐵線路建立統一的智能運維網絡連接，只需在現場配置智能網關，將系統布置在云平臺或數據中心，系統和設備之間可通過網絡連接進行通信。

數據采集的內容包括測量值，開關狀態及報警信號，保護動作值及故障錄波等。

3.2.2 故障分析。由于地鐵運營的特殊性，如遇設備突發故障，需快速排除故障并重新投入運行。如故障不能徹底修復，則臨時修復后先投入運行，等運營結束后進行徹底維修。因此設備可停電時間短，故障排除時間有限。

設備本身運行數據由保護裝置采集并上傳到系統軟件。西門子直流開關保護裝置上傳的數據僅限與PSCADA系統所需的點位及必要報警信息，保護裝置實際可上傳信息遠多于現有點表。保護裝置采集的測量值、數字量輸入值以及自身運算得到的過程值，可以用作故障判斷及分析的信號輸入。系統故障分析模塊通過更全面的保護裝置數據輸入，結合歷史故障經驗數據庫，智能輸出故障原因判斷，提供故障排除方法，提高故障排除效率。

3.2.3 設備健康。目前，地鐵運維主要靠運維人員在日常的巡檢及計劃修中確定設備的狀態，如發現設備狀態異常則進行相應維護維修處理。設備健康狀態模塊就是為將計劃修轉變為狀態修而設計。影響直流開關柜設備健康的關鍵元件是直流高速斷路器的健康狀態，尤其是其觸頭和滅弧罩的磨損狀況。

觸頭和滅弧罩的磨損主要通過監視日常運行情況，運行電流、故障電流以及故障錄波數據來評估，通過計算I2t等手段來預估斷路器的剩余使用壽命。并在相應的狀態值下提供檢修維護建議，從而進行針對性維護。同時，斷路器的觸頭、滅弧罩及相關機構的檢修維護對設備健康狀態有正向的影響，相關維護數據也是健康評估的數據輸入，從而形成設備健康狀態評估的閉環管理。

3.2.4 資產管理。通過BIM系統建立設備模型，模型分解到最小替換元器件單元，完成資產臺賬之多，方便用戶管理設備資產。

本系統的資產管理模塊針對每個開關柜建立獨立的設備履歷，并詳細記錄各元器件型號、硬件序列號、軟件版本號、安裝時間、投入使用時間。如遇元器件更換，可輸入新的記錄，形成完整的開關柜全生命周期履歷。

3.3 應用系統安全

資產管理系統主要就地安裝在牽引站直流設備上，并通過專有的運維局域網上傳數據，因此網絡安全性較高，主要安全措施側重于應用系統安全。

在本系統中采取多種方法進行安全防護，包括用戶認證、會話管理、數據安全以及權限管理。

3.3.1 用戶認證：對用戶進行身份驗證，系統根據用戶身份管理信息。配合權限管理，對應用信息和操控權限進行分類分級，主要方法為用戶名密碼和軟硬件token。

3.3.2 會話管理：基于 Cookie 和 Session，會話管理機制中需要防范的漏洞包括非加密傳輸、cookie的作用域設置的過大及通過令牌逆向工程可以得到用戶ID等。

3.3.3 數據安全：包含終端數據安全、網絡數據安全、存儲數據安全、應用數據安全、移動數據安全云數據安全。需要在數據存儲，傳輸時進行加密，及時進行數據備份，并對數據導出進行安全認證。尤其敏感數據在導出或寫入日志時需考慮脫敏處理。

3.3.4 權限管理：基于組織和角色的權限管理要求應用對不同使用者展示經過安全分級的數據/信息，并且基于最小暴露原則，只讓授權用戶看到權限允許的操作。

4 系統測試

針對直流開關設備資產管理軟件各個功能，設計完整的功能測試大綱及流程，并設計搭建與現場數據采集一致的硬件平臺進行系統測試驗證。

采用毫伏發生器模擬直流電流，并可模擬觸發短路跳閘故障，測試系統數據采集功能、故障錄波及設備健康功能。

直流斷路器及隔離開關的報警及故障信號可由專門設計的外圍電路進行手動觸發，對故障分析功能進行逐項測試驗證。

采用不同配置等級的工控機24小時運行軟件程序3周，確定適合系統軟件長期運行的硬件配置。

所有系統功能由軟件測試工程師按照測試大綱單獨、反復及交叉測試4周驗證，最后所有功能均能達到驗收標準。

5 結束語

針對直流牽引供電開關設備的資產管理系統，專業深入地挖掘并分析設備的運行數據及狀態數據，并結合故障錄波數據解析、斷路器剩余壽命預估算法及故障分析經驗庫實現開關設備智能維護及智能故障排除。目前，該資產管理系統能融入地鐵整體智能運維平臺，為其提供數據基礎和功能支持。