高速鐵路27.5kV電力電纜數字化運維與智能監測系統技術研究

孟思明，易丹

（廣州鐵路職業技術學院信息工程學院，廣州510430）

0 引言

截至2020年底，我國高鐵里程達到3.79萬公里[1]。隨著我國高速鐵路快速發展，27.5kV交聯聚乙烯單芯電力電纜應用日益增多，該電纜作為我國電氣化鐵路的專用電纜，因其質量輕、制造工藝簡單、安裝敷設容易以及良好的耐熱和電氣特性[2]，大量應用于高速鐵路牽引供電系統。由于電纜質量、安裝和環境等原因，27.5kV電力電纜易發生故障，且故障查找和搶修需要大量時間；若恢復供電不及時，經濟損失巨大，且造成不良影響。如何高效管理好電纜，保證供電的安全可靠，實現電纜全路徑在線監測、故障判斷和精準定位非常重要。在此背景下，高速鐵路27.5kV電力電纜的數字化運維與智能監測成為一項重要課題。

1 國內高鐵27.5kV高壓電纜應用現狀

課題組通過對國內鐵路供電段進行調研分析，總結分析出目前國內高速鐵路27.5kV高壓電纜的缺陷監測和健康管理中存在較多問題。

1.1 電纜基礎數據缺失，相關資料信息不完整、不規范

高鐵電纜是隱蔽工程，因此基礎數據非常重要，但是國內絕大多數鐵路供電段的電纜資料不完善，數據沒有統一的規范，基礎信息缺失；信息不完整造成電纜路徑不明確，特別是直埋電纜，存在被挖斷破壞的問題，安全隱患嚴重[3]。

1.2 電纜和管溝的分布缺少實際地理空間分布信息，巡檢搶修困難

鐵路電纜線路分布范圍廣泛,目前的電纜線路維護管理采用人工測繪和圖紙管理模式，效率低、出錯率高[4]。一般電纜安裝位置空間狹小、環境復雜，巡查檢修不便，傳統的圖紙圖表記錄形式已經無法滿足高鐵電纜管理要求，供電部門的技術人員迫切需要基于地理信息分布的系統管理方式，將電纜信息可視化，為電纜巡檢和智能監測提供必要的技術手段。

1.3 依靠人工采集電纜運行狀態和環境參數，效率低

電纜和管溝的數據采集探測和檢測主要靠人工紙質記錄數據，耗費大量人力物力，且數據信息容易丟失，造成高鐵電纜搶修和電纜巡檢工作困難，需要更高效的技術手段實時采集電纜運行參數[5]。

1.4 電纜附件故障率高

電纜附件包括電纜線路的各種中間連接和終端連接部件，故障率高[6]。以廣鐵供電段為例，絕大多數電纜故障是由附件故障引起，其中電纜接頭是高鐵電纜線路最薄弱的環節，最容易出現運行故障。如果能運用物聯網傳感器等技術手段對電纜接頭進行監測，能有效預防電纜附件故障發生。

1.5 缺乏電纜運維大數據庫，無法形成系統性有效管理方案

缺少電纜基礎數據庫和運維狀態檢測數據庫，無法為電纜絕緣老化模型的建立等運維系統性預案提供數據支撐；缺少管轄區域內電纜運維的大數據，電纜運行狀態無法實施監控，無法形成系統性的有效管理方案。

2 電纜數字化運維與智能監測關鍵技術分析

27.5kV高壓電纜絕緣層材料是交聯聚乙烯（XLPE），電纜絕緣的好壞直接影響高速鐵路列車及其他設備的正常運行。圖1為27.5kV電纜的典型構造。

圖1 27.5kV電纜剖面

電纜數字化運維與智能監測關鍵技術分析如下。

2.1 運用物聯網技術，實現電纜和管溝智能化巡檢

以典型物聯網體系架構的設計思路構建高鐵電纜物聯網框架體系，包括四層：感知層、網絡層、平臺層、應用層。如圖2所示。

圖2 高鐵電力物聯網框架體系

（1）感知層。運用RFID技術和傳感器技術感知終端數據。通過研制新型RFID電子標簽替代傳統的標牌識別，新型電子標簽耐腐蝕、不受環境影響，可修改信息，無限次使用；研發智能傳感器，通過在電纜關鍵節點安裝傳感器，實現電纜環流、電纜頭溫度、環境溫度的在線實時監測。

（2）網絡層。結合現場情況，運用無線通訊和有線通訊技術將電纜狀態信息傳輸到后臺服務器；無線通訊通過NB-IOT窄帶通信技術進行數據傳輸，統一通信接口和協議，避免長距離通訊線路的搭建，并通過邊緣計算處理部分數據，以減少主站負擔；無線通訊不暢通的環境下，采用光纖復合光纜，可電力和信號同時傳輸。

（3）平臺層。使用后臺服務器匯聚上報數據，搭建企業私有云平臺。

（4）應用層通過系統應用軟件和手機App，運維人員可以實時獲取電纜運行狀態和故障報警信息，做到精準定位、故障監測和數字化管理。

2.2 運用地理信息系統（GIS）技術，實現電纜可視化管理

以基礎地理地形圖與鐵路電纜管線資料為基礎,運用計算機技術,融合地理信息GIS技術，實現對基礎地理數據、電纜數據、傳感器動態數據等地理空間數據進行入庫、顯示、操作和分析[7]；提供地圖引擎，在地圖上展示用戶查看的電纜路徑走向，以及相關聯的電纜的基本信息，用戶可對電纜路徑進行關聯、移動、編輯、上傳操作，為鐵路電纜管線網絡的科學設計、工程施工、維護管理提供更專業準確的多層次綜合服務。

2.3 運用空間索引技術，實現電纜查詢功能

鐵路電纜數據比較復雜，如果能實現對錯綜復雜的電纜信息進行查詢管理，將大大提高工程人員的工作效率。運用GIS技術實現電纜可視化管理數據庫后可運用空間索引技術實現電纜查詢功能。空間索引技術按照一定的順序將電纜位置、路徑或者空間關系進行存儲，形成電纜結構化數據。在查詢過程中，對空間數據進行過濾，去除掉與查詢結果無關的大量對象數據，返回候選集合，可有效提高查詢效率。

2.4 運用空間數據版本管理技術，實現電纜歷史數據管理

運用空間數據版本管理技術，基于GeoDatabase版本管理，可有效對電纜空間數據庫的歷史數據管理。系統不需要鎖定版本數據，可對電纜數據庫并發操作，編輯空間數據庫對象，實現并發訪問機制；不僅能夠對數據進行更新入庫，還能夠給更新入庫前的數據創建歷史版本數據。

3 電纜數字化運維與智能監測系統設計

3.1 系統總體架構設計

系統設計以業務為導向、數據為基礎，形成鐵路電纜業務需求的應用模式。系統設計包括硬件產品研發和軟件系統兩個部分。

（1）硬件產品開發包括智能監控設備研發、通訊模塊設計和RFID電子標簽設計，可實現運行電流的采集、電纜溫度的采集、環境溫度的采集、工作環境的監控視頻、無線通訊模塊、有線通訊模塊及電纜路徑識別等功能。

（2）軟件系統包括電纜數據管理模塊、電纜監測檢修模塊和手機App功能模塊開發。軟件系統總體框架和各個子功能模塊設計如圖3所示。

圖3 系統總體框架和功能子模塊設計

3.2 電纜標準化信息數據庫設計

電纜標準化信息數據庫建設是電纜數字化、信息化、精準化管理的重要基礎支撐，可實現電纜在線監測、狀態檢測、故障搶修等。電纜標準化信息數據庫設計如圖4所示。

圖4 電纜標準化信息數據庫設計

（1）明確電纜管線數據規范，建立電纜基礎數據庫。基于地理信息GIS系統匯總電纜數據，建立一套標準化電力管線數據采集模板，實現數據唯一性定義，明確數據的分類和屬性。其中包括電纜路徑、埋設方式、埋設深度、關鍵位置（起點、拐點、中間接頭、終點等）定位等，采集錄入電纜基礎信息數據。電纜明細如表1所示。

表1 電纜明細表模板

（2）基于電纜基礎數據庫，建設電纜運維關鍵參數的在線監測系統。系統包括電纜外護套故障監測（環流）、電纜局放監測、電纜頭溫度監測、視頻監控等。紅外、紫外、局放、介損、震蕩波等檢測數據統一數據格式錄入歸檔，為建立電纜絕緣老化模型等運維系統性預案提供數據支撐。

（3）建立電纜運維狀態檢測數據庫。對照日常巡檢及試驗管理，梳理歷年各種試驗數據，建立一套標準化電力運維數據模板；收集電纜故障數據并分析數據，形成故障規律模型的故障因果模型；收集電纜主絕緣故障、外護套故障、故障樣品數據，形成故障規律模型的故障因果模型。以絕緣耐壓試驗檢測數據為例，數據模板設計如表2所示。

表2 絕緣耐壓試驗記錄表

（4）建立電纜大數據庫。通過整合電纜基礎數據庫、電纜運維狀態檢測數據庫、在線監測數據庫，形成電纜大數據庫。分析三者關聯模型，通過系統設定邏輯，自動篩選隱患范圍，選擇相關數據，實現電纜缺陷預測與健康管理。

3.3 線路圖、供電示意圖和電纜路徑地圖展示

通過線路圖展示鐵路部門供電段轄內所有的牽引所，以及統計各所亭的電纜數量和健康度；基于地理信息系統GIS技術，提供地圖引擎，在地圖上展示用戶查看的電纜路徑走向，以及相關聯的電纜的基本信息，用戶可對電纜路徑進行關聯、移動、編輯、上傳相關文件操作，批量錄入關聯電纜信息。如圖5、圖6所示。

圖5 牽引所線路圖展示

4 結語

目前全國18個鐵路局供電段的高速鐵路牽引供電系統都存在電纜缺陷排查難、在線監測難、基礎數據缺失等問題，高鐵電纜數字化運維與智能監測系統具有廣闊的市場前景。本文重點了分析27.5kV電力電纜數字化運維與智能監測的關鍵技術，為27.5kV電力電纜數字化運維與智能監測系統設計提出了解決方案。通過信息化技術運維和監測電纜，對高速鐵路牽引供電系統的電纜缺陷和健康管理具有非常重要的意義。