地鐵供電智能運維系統(tǒng)實踐解析

謝 偉

（深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳 518026）

1 引言

隨著地鐵線網的不斷延伸，地鐵運營技術管理水平要求越來越高，設備維護標準越來越細，使得運營維護成本居高不下。在保障地鐵安全可靠運營的基礎上，降低運營維護成本，提升設備智能化管理水平，已成為行業(yè)廣泛關注和研究的熱點。

地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）雖提高了調度和監(jiān)控系統(tǒng)的集成度和工作效率，但供電系統(tǒng)各子系統(tǒng)在智能運維方面的發(fā)展深度遠遠不夠。隨著網絡化運營及早期運營線路的關鍵設備陸續(xù)進入中、大修階段，急需構建基于設備狀態(tài)監(jiān)測、特征提取、狀態(tài)評估、故障診斷、故障預測、維修模式優(yōu)化和維修決策于一體的供電智能運維系統(tǒng)。

2 供電智能運維系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)目標

供電智能運維系統(tǒng)基于確保運營安全、提高運維效率、提升資產價值的原則，對變電所內的35 kV開關柜、1 500 V開關柜、整流變壓器、動力變壓器、能饋變壓器、蓄電池、設備房和電纜夾層溫濕度環(huán)境數據等進行監(jiān)測，實現對變電所內一次設備、接觸網狀態(tài)參量的獲取、處理、存儲、展示和分析功能，結合運維人員生產活動的實際需求，實現變電所無人值守、自動巡檢等目標。

2.2 系統(tǒng)架構

伴隨人工智能、大數據、云計算等新興技術的發(fā)展，構建供電智能運維系統(tǒng)，首先，應立足于供電設備的狀態(tài)監(jiān)測與診斷、故障預測、風險等級評測、故障數據分析的規(guī)范化，緊緊圍繞以可靠性為中心的維修理論，運用矩陣分析方法，梳理各關鍵設備、部件或子系統(tǒng)的風險等級，從而優(yōu)化和確定各關鍵設備、部件或子系統(tǒng)的檢修和維修策略。其次，通過構建數據監(jiān)測平臺，根據故障影響程度和發(fā)生故障的頻率建立風險矩陣，運用數字孿生技術建立多維度的故障預測模型，建立供電設備全生命周期的可靠性管理優(yōu)化策略。最后，建立閉合的環(huán)形通信網絡構成數據傳輸通道。

深圳地鐵供電智能運維系統(tǒng)架構如圖1所示，由設置在深圳地鐵深云線網控制中心（簡稱“深云中心”）的中央級供電智能運維中心系統(tǒng)、設置在各個降壓混合變電所或降壓變電所的現場級輔助監(jiān)控系統(tǒng)以及設置在運營維修中心各車間或工班的供電智能運維終端設備等3部分構成，并通過環(huán)形通信網絡進行數據傳輸。

2.3 系統(tǒng)功能

中央級供電智能運維中心系統(tǒng)設置在深圳地鐵深云中心，完成供電系統(tǒng)的設備管理、數據存儲和分析、健康狀態(tài)評估等功能。

現場級輔助監(jiān)控系統(tǒng)設置在各個牽引降壓混合變電所或降壓變電所，完成對供電系統(tǒng)設備的運維數據的采集、存儲和分析，包括視頻巡檢、在線監(jiān)測、動態(tài)環(huán)境監(jiān)視以及現場操作等，并通過環(huán)形網絡將采集的數據傳輸到深云中心的中央級設備存儲。

終端級智能運維設備設置在運營維修中心各車間或工班，通過供電智能運維終端設備對供電系統(tǒng)各設備狀態(tài)進行日常瀏覽、查詢等，以便有針對性的安排供電設備維修保養(yǎng)工作。

環(huán)形光纖網絡由1 000 M的供電運維單環(huán)網絡構成，完成供電設備運維的數據和視頻傳輸。

3 實踐解析

3.1 數據采集接口和傳輸標準

供電智能運維系統(tǒng)與供電設備相關的外部數據采集接口如圖2所示。針對不同的數據類型接口，數據傳輸協(xié)議分別采用了MODBUS協(xié)議、IEC 104協(xié)議、HTTP協(xié)議等。對于電力監(jiān)控裝置采集的遙信、遙測和故障報告等突發(fā)隨機數據，采用IEC 104協(xié)議傳輸；對于在線監(jiān)測裝置采集的定時循環(huán)數據采用MODBUS協(xié)議傳輸；對于接觸網狀態(tài)參量，采用HTTP協(xié)議離線方式上傳至中央級系統(tǒng)。

圖2 供電智能運維系統(tǒng)外部數據采集接口

3.2 多維信息融合共享的技術平臺

供電智能運維系統(tǒng)遵循協(xié)調互聯(lián)、信息共享、補位提升等原則，通過維修中心的終端級供電智能運維設備與各運營系統(tǒng)互聯(lián)，獲取施工作業(yè)管理系統(tǒng)、電子工作票系統(tǒng)、企業(yè)資產管理（EAM）系統(tǒng)的相關業(yè)務數據，對中央級智能運維系統(tǒng)功能數據進行補位提升。

供電智能運維系統(tǒng)拓撲圖如圖3所示。供電系統(tǒng)數據在單個專業(yè)內各個功能板塊實現信息共享和信息流動，實現各個模塊的信息相互調用。智能運維中心系統(tǒng)將接觸網、變電、軌道、橋隧、房建等專業(yè)設備、缺陷、檢修、工單等數據有機融合，為管理者全面掌握運維中心各項工作開展情況提供數據平臺。

圖3 供電智能運維系統(tǒng)拓撲圖

3.3 基于關聯(lián)規(guī)則的綜合智能報警機制

供電設備全生命周期檢測和監(jiān)測流程如圖4所示。供電智能運維系統(tǒng)對在線監(jiān)測裝置所監(jiān)測的供電設備狀態(tài)量設置預警閾值和告警閾值，將供電設備狀態(tài)分為正常狀態(tài)、預警狀態(tài)和告警狀態(tài)。

圖4 供電設備全生命周期檢測和監(jiān)測流程

通過定義多組設備故障特征狀態(tài)，實現實時監(jiān)測數據和特征數據的比對功能，對設備運行狀況進行輔助判斷，識別故障類型。設備故障特征狀態(tài)可由系統(tǒng)自動收集設備發(fā)生故障時的參數信息，通過機器自學習更新故障特征庫，采用智能識別、特征識別、機器學習、對比分析等算法，通過智能儀表定位及多模態(tài)高精度配準等技術實現穩(wěn)定儀表狀態(tài)識別、指針讀數識別以及特殊的開關狀態(tài)識別。

通過對在線監(jiān)測設備監(jiān)測項變化率的大小進行實時跟蹤，對設備運行的異常趨勢和狀態(tài)量突變現象及時發(fā)出告警，同時判斷在線設備監(jiān)測數據是否在合理范圍是否發(fā)生異常跳變，進而消除裝置異常及誤差對數據告警的影響，實現誤告警過濾。

3.4 數字孿生的監(jiān)控交互模式

數字孿生是利用物理模型、傳感器更新、運行數據等集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相應的實體設備的全生命周期過程。

通過建立變電所和接觸網數字孿生模型，將在線監(jiān)測系統(tǒng)數據依托設備模型進行三維可視化方式呈現，最大程度呈現現場設備真實工況，帶給管理人員身臨其境的全局視覺感受。除在線監(jiān)測數據外，智能運維系統(tǒng)還通過線網的ROMA平臺接口，獲取相關線路應急人員、應急車輛等相關分布信息，方便運維調度人員進行應急處置的相關資源調配，為供電設備維修人員掌握變電所運行狀態(tài)提供更加多元的信息。采用數字孿生模型對變電所真實場景進行實景重構，建立變電所三維實景模型，在三維模型上呈現攝像機的總體分布情況，方便供電設備維修人員快捷調取攝像機的實時視頻。

當發(fā)生故障時，數字孿生模型中的故障供電設備閃爍報警，維修人員可隨意放大觀看更多細節(jié)。同時在設備上展示變電所的周邊環(huán)境，最大程度呈現真實場景，有利于故障查找及搶修。基于數字孿生的設備工況如圖5所示。

圖5 基于數字孿生的設備工況圖

3.5 無人化運維系統(tǒng)架構

全生命周期的供電設備管理流程如圖6所示。供電智能運維系統(tǒng)通過統(tǒng)一的設備建模工具提供設備標準化管理，便于線路擴容、數據擴項。在靜態(tài)數據基礎上，通過在線監(jiān)測系統(tǒng)、巡檢機器人等變電所自動巡檢功能，自動匯聚業(yè)務過程的全方位動態(tài)數據，對實時視頻、三維模型、巡檢進度進行統(tǒng)一管理。將設備靜態(tài)數據、動態(tài)數據和生產管理系統(tǒng)等產生的數據融合貫通，從而實現設備的多源聯(lián)動監(jiān)視。

圖6 全生命周期的供電設備管理流程

4 結語

文章以深圳地鐵供電智能運維系統(tǒng)實踐為例，從數據采集接口和傳輸標準、多維信息融合共享的技術平臺、基于關聯(lián)規(guī)則的綜合智能報警機制、數字孿生的監(jiān)控交互模式和無人化運維系統(tǒng)架構5個方面對地鐵供電智能運維系統(tǒng)進行解析，說明供電智能運維系統(tǒng)的組成方案、功能匹配及在設備維保中的作用，可為其他地鐵企業(yè)提升供電設備智能化管理水平提供借鑒和參考。