基于分散同步數據的故障綜合管理系統在牽引變電所的應用

黃 旗，吳光龍

0 引言

牽引變電所作為鐵路供電的唯一來源，其功能實現直接影響牽引傳動控制系統的機能和列車牽引功率的發揮。通信不正常、信號停止等問題均可能由突然發生的斷電事故引起，但是依據負荷的重要程度，一般情況下可借助雙重冗余備份的供電方式對各種負荷的平穩供電予以保證，即雙回路、雙電源的供電方式[1～4]。但牽引變電所內電氣設備及電氣元件種類、數量眾多，任何一個微小缺陷都可能引發安全事故，影響鐵路電網的安全穩定，關系到鐵路運輸的實時可靠性。發生故障時，及時無誤地確定故障原因，進而明確故障點位置并快速解決問題，就顯得十分必要。

目前牽引變電所的日常檢測方法較為單一，不能對電氣信息進行全面采集、分析并進行故障預警。依據試驗規程規定的項目按周期進行各項試驗檢查，該檢測方式存在一定的局限性，且所有檢測工作均需人工完成，難免發生差錯。牽引變電所中運行的保護及相關設備一般只配備獨立元件，各自的保護定值未達到系統性最佳定值，難以確保故障迅速識別和切除，甚至會對系統造成沖擊。

本文通過分析牽引變電所現有保護配置，基于設備分層分布結構，將電力綜合保護的系統思想融入方案中，初步形成牽引變電所集成化保護方案，實現對牽引變電所電氣信息全面采集及故障診斷。

1 基于分散同步數據的故障綜合管理系統

基于分散同步數據的故障綜合管理系統是面向變電所開發的用于實時采集和處理各種電量、非電量信息的綜合系統，能夠滿足用戶對交流/直流電氣量、復雜電氣設備及各種電氣過程實現全方位實時監控和管理的需求。采用高精度A/D芯片和高速CPU，研制能夠支持高頻采集和處理小范圍電壓信號的數據采集單元；基于IRIG-B碼授時原理，對數據高頻采樣通信流程增加數據識別機制，對數據格式增加時間標志，并設計相匹配的數據時標解碼與重組，實現分散采集數據的同步比對與處理；匹配合適的信號傳感器，以便適應現場環境。

該系統能夠同時采集牽引變電所內所有電氣信息，支持傳統的集成保護機制，還能夠衍生新的保護邏輯，綜合提升系統保護性能。通常情況下設備以額定10 kHz采樣頻率獲取數據，以豐富的軟件算法觸發錄波，錄波數據窗口（觸發前后）時間可設，并可獨立保存數據報告；當沒有擾動量觸發啟動錄波時，設備從10 kHz采樣數據中抽取1 kHz數據實時長期保存在硬盤上，用以分析供電系統、設備及工藝參數的緩變變化，從眾多同質化設備的同類離群數據中分析、預警緩變性故障。

基于分散同步數據的故障綜合管理系統由前向通道、數據采集單元、數據輸出單元、校時裝置、通信網絡、數據處理后臺軟件組成，系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構

1.1 交流回路分析

1.1.1 交流電流分析監控

系統可對上下行饋線的T、F電流與故障監測裝置上下行T、F電流以及相應變壓器低壓側電流進行比對，變壓器低壓側電流合成量分別與投入運行的330 kV側三相電流對比，對綜合保護裝置中差動保護裝置、后備保護裝置、測控裝置、主變保護裝置之間高低壓側電流IA、IB、IC、Ia、Ib分別進行對比（橫向對比）。通過同源同時刻數據采集、對比，創造性地實現了一次流互設備以及二次裝置內部壓互傳感器的自身故障的實時監測，一旦發現數據異常可以直接定位到流互的采樣回路，以便及時采取措施避免造成二次保護的誤動或拒動。

該系統投運后發現一起變壓器流互二次線圈接反的案例，原數據波形見圖2，改正后的監測數據波形如圖3所示（數據單位：A）。

圖2 線圈錯誤接線數據

圖3 線圈正確接線數據

1.1.2 交流電壓分析

系統可對上下行饋線裝置、故測裝置、主變低壓側（采集到的）T、F電壓分別進行對比，以及對正常范圍內的T1、F1電壓進行對比，對上下行饋線（保護）裝置、故測裝置T、F電壓合成分別進行對比，以及將其正常范圍內的一組T、F電壓合成值作為主變低壓側電壓分別與投入運行的330 kV側線電壓進行對比，對330 kV側進線電壓A、B、C三相的相電壓進行對比，對主變保護綜自裝置中后備保護裝置、測控裝置和主變保護裝置之間的低壓側以及高壓側電壓UA、UB、UC、Ua、Ub分別進行對比（橫向對比）。通過同源同時刻數據采集、對比，實現了一次壓互設備、二次電纜以及二次裝置內部包括壓互傳感器在內的整個采集電路自身故障的實時監測，一旦發現數據異常可以直接定位到壓互的整個信息采集回路，以便及時采取措施避免進一步造成二次保護的誤動或拒動。

1.1.3 牽引變電所回流監測與分析

牽引變電所軌回流、地回流之和與總回流、主變回流分別相等，即I1B+I2B+I3B+I4B=I總回流=

高精度同步數據采集對于上述數據校驗與異常判斷十分重要，現有方式的數據記錄與對比存在時間差，即使發現可能的異常數據也無法判斷是記錄方法造成的誤差還是真正的故障。例如玉門變電所記錄的異常數據（表1所示），回流差異數據增大后又變小，一般按照無故障處理或按照經驗判斷是否有故障。

表1 回流分析數據（舊） A

本系統具備0.1 ms級同步錄波時鐘，能夠對不同區域的數據進行ms級同步采集和計算分析，提高了數據對比記錄的時間精度，可有效防止出現異常數據無法判斷是否出現故障的問題（部分數據截取如表2所示）。

表2 回流分析數據（新） A

1.1.4 對差動保護誤動數據和定值的分析

監測案例：某所變壓器投入時，造成二次斷路器誤跳，系統通過檢索分析記錄的歷次變壓器投入時的同步采集數據，發現該變壓器實際勵磁涌流的基波和二次諧波數據與定值中的二次諧波制動系數存在矛盾，測得變壓器涌流基波有效值和二次諧波有效值比見表3。系統判定該定值不合理，易造成誤動，故建議修改該項定值。通過修改變壓器涌流制動比，成功解決了變壓器投入時的誤動問題。

表3 諧波分析數據

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1.2 定值自動校驗

本系統通過對保護定值進行實時監控并同步，發現定值更改、下裝操作或瞬時變化時給出告警提示，并對裝置全套保護定值進行校核，對更改前后的定值以表格形式列出，并在對應行進行特殊告警。實現對所內保護定值的及時監測，并對歷次版本進行記錄，操作人員可自動在系統后臺形成工作日志檔案，對保護裝置的穩妥運行提供保障。

程序框圖與日志報告流程如下：從保護裝置實時讀取定值→與已經讀取到內存中的標準定值進行逐條比較→實際定值和標準定值同表顯示，不一致定值標紅顯示→不一致定值信息加入系統事件日志數據庫，并彈出提示對話框。

1.3 控制回路及執行機構監控分析

本系統中對斷路器儲能電機電流電壓、開關負荷電流、母線電壓、操作機構位移特性等進行實時監測分析。通過對控制回路和執行機構的全電氣參數進行全壽命監測，能夠對同一設備每次工作性能進行數據緩變建模分析，準確評估設備老化程度和老化趨勢，預測設備健康狀況。

該系統還能夠對同廠家、同型號、同批次的設備進行設備性能橫向對比。系統運行期間，對一系列高壓斷路器設備進行了數據分析，通過斷路器同比發現性能表現落后的設備，可對其進行重點關注。相關分析數據見表4。

表4 同類設備分析數據

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通過表4數據可明顯看出設備DLQ-15和設備DLQ-04性能落后于同類設備，應進行重點關注。

1.4 全監測錄波的意義

對交流動力回路、操控回路電壓電流進行同時刻數據對比，確保電壓數據準確；異常數據自動過濾，防止發生信息誤導；采用雙重故障錄波數據互為備份，雙重保障，故障分析依據更可靠；作為其他設備監測功能與性能的緩變劣化和突發故障衡量標準，及時調整設備帶來的影響。

2 試運行效果

本系統核心組件在嘉峪關、玉門、干柴灘、軍馬場、南華、丹霞等11個牽引變電所試運行。系統安裝后，共收集故障錄波1 010次（10 kHz采樣），實時錄波數據283 TB（1 kHz），共發現一次設備隱患1次，二次設備隱患3次，保護動作行為診斷分析10次，判定保護誤動1次，發現定值隱患14次。表5羅列了部分故障、系統檢出能力和檢出方法、檢出次數的對照。

表5 部分故障和系統運行后檢出效果

隨著系統的進一步推廣和應用，對不同牽引所同類型設備數據的收集對比，會極大豐富故障診斷數學模型的樣本數量并提高系統對設備故障發現的能力，給變電所的無人值守、可靠運維帶來革命性的變化，徹底改變人工定性憑經驗的維護方式，逐漸發展為分散同步基于大數據的方式。

3 系統拓展應用價值評估

本系統拓展應用結構如圖4所示。

信息采集與故障診斷系統不僅支持牽引變電所交流回路電氣信息監測，還可兼顧直流系統全部電氣信息、控制回路信息、保護動作信息、絕緣子狀態信息、地網電位等信息，通過數據同步采集將監測數據與監測系統有效、科學地進行聯合。

以壓互數據對比為例，原有的電氣保護裝置電壓數據源于壓互數據輸出，其正常工作的前提是數據源輸入正確，而與此相關的前提是壓互設備正常工作，當壓互出現問題時，原有的電氣裝置會根據錯誤的數據得出錯誤的分析結果，因此不具備缺陷自檢能力。

本方法對各裝置主分支電氣信息進行采集并同步分析，當壓互等設備出現問題時，系統會根據其他電壓電流數據進行自檢驗證，即具備對數據源準確性與合理性的校驗功能，在一定程度上可以實現系統自檢，提升系統整體可靠性。應用時，將原系統數據與分析結果一并接入本系統中，對原系統數據進行同步驗證，對數據結論進行雙重分析驗證，最大程度地避免了各設備間因數據盲區和設備自身故障導致的問題。

3.1 同步數據管理效益

本系統產生的關聯數據具備大數據特征，通過各模塊（個體）關聯后，對數據進行高頻率、高密度采集分析，能夠全面深入地了解系統行為，實現系統化的精細管理。當系統因故障產生跳閘時，相應的直流系統供電功率增大，二者幾乎同時發生，并且具有高度關聯性，只有通過高精度同步技術，才能夠將這種數據的關聯性捕捉并深度挖掘關聯后的數據價值。本系統能夠對這種關聯性進行高保真度還原，對數據進行采集并記錄形成波形文件；對所有的跳閘數據進行橫向對比，結合跳閘時間、原因、行為表現，關聯數據的特征，形成系統跳閘故障時參數表現模型，通過模型逆向推算分析系統的跳閘回路是否存在隱患，例如漏電、絕緣破損等，直接避免跳閘回路故障導致的變電所失靈、誤動、拒動、越級跳閘，全線停電等事故。

牽引變電所供電區間由于機車駛入和駛離，分為雙向有機車、單向有機車、無機車等狀態，又由于機車駛入駛離情況不同，帶載狀態復雜，且大多區段根據負荷等級又分為貫通線和自閉線供電，系統供電狀態較多，這種情況下，各分立模塊數據同步關聯產生的數據資源具有不可估量的價值。本系統能夠詳細記錄機車每次駛入和駛離供電區間的電流、電壓變化過程，長期記錄各種狀態詳細數據，分析機車發電機、接觸臂狀態、接觸臂破損情況、導線磨損情況、受電弓滑板磨損情況等，對眾多狀態進行分組分類綜合分析對比，對機車駛入至駛離全過程區間全電氣信息進行詳細記錄和數據同步關聯。

這些豐富的數據將進一步促進對牽引供變電系統的研究，刺激和推動牽引變電所電氣信息監測與更高級更先進的研究算法的產生，提升牽引供變電系統的維護管理水平。

3.2 長期緩變分析效益

大多數電氣設備故障具有較長的潛伏期，尤其是因絕緣能力下降、絕緣破損磨損等因素引起的故障，在故障潛伏期間，一些參量如絕緣性能、磨損面受損情況等是隨著設備使用與設備老化時間的推移而逐漸變化的，這些變化可以通過某些電氣參數表現出來，但由于這類變化微小，不易被發現，或缺乏有效的監測機制或算法分析能力，往往不能很好地利用。本系統通過長錄波機制，對較高速采樣的數據進行長期存儲，對重要數據進行特征提取和特征緩變分析。除了文中的緩變分析案例，還對多組蓄電池參數，尤其是內阻數據進行分析比對，通過橫比和縱比數據的變化程度能夠反映出電池的健康狀態，限于篇幅不再贅述。緩變數據海量收集和歸納，將促進“狀態檢修”成為日常運維方式。

3.3 系統拓展價值

信息采集與故障診斷系統除了現有的二次設備電氣信息監測外，其架構同時兼容一次設備監測，將一次數據與二次數據關聯，更深入地挖掘數據價值。此外，絕緣子監測、地網地電位監測、電源監測、保護系統分析等模塊的完善，將進一步拓展牽引供變電系統智能化研究。

4 結論

基于分散同步數據的故障綜合管理系統可有效解決綜自設備只對本裝置所采集的信息進行顯示，缺少裝置采集量準確性判斷手段的問題，其具備的定量核對功能可有效減少人為校驗定值的任務量，并提升作業效率。研究表明，該系統不僅適用于電氣化鐵路牽引變電所，同樣適用于現有的大多數依賴傳統綜自設備進行保護控制的站點。