城轨供电智能运维系统工程示范应用

重庆市轨道交通(集团)有限公司

 

1、建设背景

 

在城轨线路运营过程中，运营安全十分重要，这对城轨运营日常运维保障工作也提出了相当高的要求。城市轨道交通供电系统运维检修作业自动化水平、监管手段等有限，目前供电系统的运维通常采用故障修、计划修两者相结合的模式。在正常运营情况下，对设备设施分别有计划的进行预防性检查检修和维护，如日巡、季检、半年检、年检、预防性试验、中修等。检修作业方式是以人工检查、维修为主，辅以少量简单的工具和检测仪器，检修管理也以人工为主，信息化手段辅助，但目前这种运维管理模式在安全、效率等方面还存在一定的问题：

 

（1）目前安全风险的管控主要采用人工管控的模式，但人为因数影响较大且无系统对相关安全流程进行把控；

（2）巡视方式为人工巡视，巡视效率低，及时性差，巡视质量受个体差异影响，同时各设备间缺乏数据联动分析；

（3）检修方式普遍为定期维修，这种方式存在消耗较多人力物力、资源分配不合理的问题，且存在过检、漏检多种弊端；

（4）故障处理方式为事后处理，诊断支撑信息少且获取效率低，无有效的专家辅助诊断系统，处理效率与个人经验强相关。

 

目前轨道交通供电系统运维虽然设置不少各类子系统进行支撑，但各系统协同设计偏弱，设备检修维护智能化水平低，资源浪费人力成本消耗巨大，针对目前的运维现状尤其在安全风险管控、巡视运行、故障处理、设备维修方面仍存在较大改善空间。在“绿色”、“智能”成为国内轨道交通行业发展大趋势的前提下，供电运维迫切需要智能化技术的赋能，实现运维效率、质量等方面质的提升。

 

为解决上述供电运维工作中的难点、痛点，同时贯彻及落实国务院《交通强国建设纲要》和城轨协会《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，本案例将研究供电智能运维系统方案，开发出基于物联网、大数据、BIM、GIS、人工智能等先进技术的供电智能运维系统，提升轨道交通供电运维管理效率，降低运维安全风险，提升故障应急抢修效率，降低运维人力成本的方案及设备，并进行工程示范应用。

 

2、建设目标

 

提出能够显著提升运维效率，降低运维成本以及保障运维安全的城轨供电运维智能化解决方案，开发供电智能运维系统，并且进行实际的工程示范应用，以验证系统的可用性、易用性及可推广性，供电智能运维系统将能够实现供电系统设备远程智能巡检、设备点巡检管理、状态监测管理等，并能通过对监测数据的综合分析，实现设备故障管理、健康管理等功能，最终实现变电所无人少人化值守，化“计划修”为“状态修”，大大提高运维效率及管理智能化水平，助力智慧城市、智慧城轨的实现。

 

3、建设方案

 

供电智能运维系统架构总体由5层结构构成，分别是设备层、感知层、传输层、应用层以及展示层，其中设备层主要由各类一次设备构成，感知层为部署各类监测设备对一次设备进行数据感知，传输层则通过构建光纤环网完成数据的汇聚收集，应用层则通过对海量数据的清洗、分析、利用等实现各类智能运维功能，展示层则通过PC端软件或移动端软件实现人机交互。

 

 

供电智能运维系统，其系统构成由线路级智能运维平台、变电所智能运维子系统、接触网智能运维子系统以及其他可接入的第三方系统构成，其中线路级智能运维平台全线部署一套，可采用部署独立服务器集群或者部署于云平台之上的方式进行部署，线路级供电智能运维平台为智能运维系统的大脑，其汇聚全线各类在线、离线运维数据，通过对数据的分析利用实现各类智能运维功能。变电所智能运维子系统由智能巡检子系统机设备状态感知子系统构成，用于对变电所进行环境、设备状态的全方位感知，可代替运维人员实现变电所的自动巡视以及在故障早期阶段及时预警，可显著降低运维成本且保障了供电系统的运行安全，接触网智能运维子系统则由接触网在线监测装置（3C装置）、接触网行波测距系统构成，用于对接触网状态进行实时监测及诊断及时发现接触网运行异常以及当接触网故障后快速定位，提升运维效率，其他第三方系统则由既有且数据对智能运维有价值的系统构成，如PSCADA系统、故障报修系统、物资管理系统等，其与供电智能运维系统进行数据交互，打通现有运维系统之间的数据壁垒，充分挖掘数据价值，进而提升运维效率降低运维成本。

 

 

4、产品选型

 

本方案涉及关键产品技术指标如下

（1）数据服务器

a）CPU：不低于英特尔至强 金牌5218 16核处理器，数量2

b）内存：不低于32GB RDIMM，2933MT/s,双列，x4带宽，数量4

c）固态硬盘：不小于240GB，数量2

d）硬盘：不小于8TB，数量4

e）网卡：不低于QLogic 57800 2x10Gb BT+2x1Gb

f）Raid：支持raid0,1,5,6,10,50,60,JBOD,2GB内存

g）电源：不低于750W

（2）核心交换机

a)24x100M/1/2.5/5/10GE Base-T以太网端口，4x10GE SFP+,2x40GE QSFP+，一个扩展插槽

b）包转发率：960Mpps

c）交换容量：2.4Tbps/24Tbps

d）VLAN支持：支持Guest VLAN；支持基于MAC/协议/IP子网/策略/端口的VLAN

e）MAC特性：支持MAC地址自动学习和老化；支持静态、动态、黑洞MAC表项；支持源MAC地址过滤；

f）IP路由：静态路由，支持策略路由

（3）工控机

a）CPU：双核及以上处理器，主频不小于 2GHz

b）内存：不小于 16GB

c）硬盘存储器：不小于 1TB

d）数据接口：双以太网网接口，10M/100M/1000M 自适应

f）USB 接口：不少于 2 个 USB2.0 及以上接口

（4）汇聚交换机

a）应符合 IEEE 1613 Class 2 标准(电力)、IEC 61850-3(电力）。

b）支持基于 VLAN(802.1q）的网络隔离和安全。

c）支持 Quality of Service(802.1p），支持实时数据流。

d）支持组播过滤。

e）支持端口配置、状态统计、镜像、安全管理、SNMP。

f）支持光纤口链路故障管理。

g）无风扇设计，提供完善的异常告警功能，包括失电告警/端口异常等。

h）24路RJ45以太网接口，10M/100M自适应，自动流速控制

（5）巡检摄像机

a）巡检摄像机的图像传感器不小于 1/2.8＂，像素不低于 200 万，以主码流输出的图像分辨率在50fps时不低于720，满足能清晰监视到仪表指针和读数的要求。

b）焦距范围不小于 4.3-129mm，光学变焦不低于30倍。

（6）红外热成像机

a）测温范围-20℃～+200℃，测量精度±2℃或读数的±2%。

b）红外分辨率（像素）为 320×240 及以上，波长范围 7.5μm～14μm，空间分辨率＜1.4mrad（标准镜头 25°），热灵敏度＜60mK（30℃）时。

c）支持自动跟踪区域内最高/最低温度点。

d）支持大气穿透率校正、光学穿透率校正、辐射率校正、背景温度校正。

（7）挂轨机器人

a)机器人水平运动最大速度不应小于0.5m/s；

b)轨道最小转弯半径（中心半径）不应大于0.6m；

c)机器人需要在垂直方向运动的检测组件应具备升降能力，且升降有效行程不应低于1.5m；

d)机器人运动重复定位误差水平方向不应超过±10mm，垂直方向不应超过±10mm；

e)机器人云台水平旋转应具备-180°至180°往复转动能力，俯仰旋转范围不应小于仰角45°、俯角90°；

 

5、实施过程

 

本案例的实施过程主要分为以下4个阶段

（1）调研阶段：重点调研智能巡检系统在电网、铁路系统的应用情况，调研目前城市轨道交通对供电智能运维系统的需求，同时对目前的智能运维相关技术发展情况进行调研；

（2）设计阶段：供电智能运维系统进行方案设计，明确技术规格书，完成原理图设计等，完成供电智能运维系统技术设计、施工设计，达到下单生产水平；

（3）生产及安装调试阶段：完成系统相关物料的采购、样机屏柜的生产，并完成了现场安装及调试工作；

（4）挂网验证阶段：在重庆地铁9号线二期线路上进行挂网应用，完成相关平台软件开发及发布上线，供电智能运维系统在重庆地铁9号线二期进入试运行阶段。

 

6、应用系统内容

 

供电智能运维系统主要包含如下功能

（1）智能巡检功能

以视频监控、图像识别、红外测温为基础，结合牵引变电实际运维需求，运用智能化手段，实现远程巡检、生产复核、一致性判别等智能化功能，节省人力、消除人工巡检盲区、提质增效，可实现如下功能：

• 实时视频监控；
• 远程智能巡检；
• 智能抄表及外观缺陷识别；
• 红外热成像测温；
• 可视生产复核；
• 状态量一致性判别；

 

 

（2）在线监测功能

以整线为对象，建立供电设备及环境的实时数据库及关系数据库，实现对供电设备及环境数据的统一管理；通过数据整合，将设备状态在线监测装置的通信异常、运行异常信息，设备状态的在线监测实时、历史数据，试验数据、台帐、缺陷等信息按照运行人员的实际运行需求进行展示。在线模块将采集到的供电设备数据及设备房环境数据实时直观显示，包含以下功能：

• 全景监控；
• PSCADA运行监视；
• 数据综合展示；
• 数据综合报警；
• 历史事件查询；
• 数据统计分析；

 

 

（3）故障预测及健康管理功能

以变电的各种设备信息为基础，融合在线监测、巡检、环境、PSCADA、运检修等的设备动静态数据，对设备进行健康模型建模，并对变电设备进行综合评价、故障预测和健康管理，为变电设备的状态修提供支撑。其主要功能包括：

• 故障诊断
• 故障预测
• 健康评估
• 寿命管理
• 维修决策
• 可靠性及分险评估

 

 

（4）智能分析功能

通过对数据的多维度采集，运用大数据挖掘算法对变电设备运行状态进行综合分析，发现变电设备潜在隐患和缺陷，为设备状态修提供支撑。其主要功能包括：

• 变化趋势分析
• 同比分析
• 环比分析
• 横向比较分析
• 纵向比较分析
• 数据融合分析
• 数据看板

 

 

（5）环境监测功能

通过设置度传感器、湿度传感器、水浸传感器、SF6探测器等环境监测设备对变电所设备运行环境进行全面的监测，其主要功能包括：

• 温湿度监测
• 水浸监测
• SF6监测
• O2监测

 

 

（6）运维管理功能

通过设计各类实用功能，提升用户的运维管理效率，主要包括如下功能：

Ø设备管理

设备台账录入更新、设备信息查询、设备履历查询、BOM清单查询、故障率、利用率、负荷率、维护信息、缺陷信息统计查询；

Ø资料管理

文档管理（图纸、技术方案、点表等）、修改记录管理；

Ø报警管理

对报警信息进行数据清洗，筛选真实故障信息；

Ø故障管理

对经数据清洗确认为真实故障的信息进行进一步的处理，包括故障分析、作业计划生成等；

Ø计划管理

对作业计划进行管理包括检修计划、临时计划、巡检计划等，可进一步生成作业工单；

Ø工单管理

生成作业工单，安排运维人员进行运维作业，完成故障信息的闭环作业；

Ø人员管理

对运维人员进行管理，包括人员信息、出勤统计、作业排班、交接班管理等；

Ø物资管理

对运维物资包括备品备件、安全工器具、消防器材、仪器仪表等进行管理，可进行物资台账、出入库、库存预警、库存建议、送检送修等进行管理；

Ø应急指挥

对发生的应急事件进行管理支持，包括应急预案查阅、应急物资及人员调度，实时远程指挥等；

Ø数据录入

巡检记录、缺陷处理记录、维护记录等各类作业本数据录入

Ø业务报表

巡检报表、运维周报、运维月报、电量统计分析等各类报表的输出；

Ø能效分析

统计分析牵引能耗、配电能耗及回馈电能

 

 

（7）移动APP功能

配置专用作业平板，部署运维APP软件，包括如下功能：

• 作业工单执行
• 视频巡检
• 设备扫码
• 记录填写
• 知识查看
• 故障上报

 

 

 

7、建设成效

 

1)经济效益

通过对部署一系列智能运维功能，如采用巡检机器人代替人工巡检可减少因日常巡检工作而产生的人工成本，开发物资管理系统对备品备件、安全工器具、消防器材、仪器仪表等设备进行物资管理，同时根据备件的使用情况还可对下一年度的备件计划进行建议，优化备件库存结构，降低备件成本，对各类资料进行全面电子化处理构建知识库可以显著降低资料耗材成本，同时可以将运维知识在知识库中积累，降低新进运维人员的培养成本；

 

2)社会效益

提升设备管理水平：建设牵引变电所一次设备状态在线监测系统：可以极大的提高设备运行效率，全面掌握设备健康状况，从根本上大幅度提升供电系统的设备运维管理水平，延长设备全寿命周期，从而在实现减员增效的同时，促进供电系统的高效率、高品质、高可靠运行；

 

全面提升牵引供电系统的智能运维水平：以提质增效为目标，构建设备状态、运行环境、运检资源等数据高度融合的智能运维系统，极大有利于高效掌握变电站的整体运行情况，全面提升运维监控手段，实现牵引所电气设备、运检人员、运行工况的互联互通，提升设备状态管控力和运检管理穿透力。

3)推广情况

供电智能运维系统已在重庆地铁9号线二期进行了工程示范应用，同时部分系统功能已应用于重庆地铁10号线二期，此外系统将在重庆地铁15号线进行全面的推广及应用。

 

8、建设经验总结

 

通过对城轨供电系统常规运维工作的细则调研分析，提出了城轨供电运维智能化解决方案，方案覆盖了各类常见运维场景，如日常巡检、定期检修、设备抢修等，通过对用户需求的深入调研分析，针对性的进行了供电智能运维系统的开发设计工作，系统围绕降成本、提效率、保安全这三大目标开发设计了十余项运维功能。智能运维系统的部署在很大程度上缓解了城轨供电运维现存的一些问题，通过系统的部署显著降低了供电系统的运维压力，且积极响应了国家的智能化转型号召。而供电智能运维系统的工程示范应用则很好的对城轨供电系统可能的智能化升级方向进行了探索与验证，不仅在示范线路产生了直观的经济社会效益，而且积累了丰富的项目实施经验，包括供电智能运维系统的设计经验、相关设备的技术选型经验、设备的现场安装施工经验、项目实施的组织管理经验等，为后续此类系统的推广打下了良好的基础，可显著降低后续推广的难度以及实施成本。

 

来源：重庆市轨道交通(集团)有限公司、城市轨道信息化