地铁供电智能运维系统实践解析

谢 伟

（深圳市地铁集团有限公司，广东深圳 518026）

1 引言

随着地铁线网的不断延伸，地铁运营技术管理水平要求越来越高，设备维护标准越来越细，使得运营维护成本居高不下。在保障地铁安全可靠运营的基础上，降低运营维护成本，提升设备智能化管理水平，已成为行业广泛关注和研究的热点。

地铁综合监控系统（ISCS）虽提高了调度和监控系统的集成度和工作效率，但供电系统各子系统在智能运维方面的发展深度远远不够。随着网络化运营及早期运营线路的关键设备陆续进入中、大修阶段，急需构建基于设备状态监测、特征提取、状态评估、故障诊断、故障预测、维修模式优化和维修决策于一体的供电智能运维系统。

2 供电智能运维系统

2.1 系统目标

供电智能运维系统基于确保运营安全、提高运维效率、提升资产价值的原则，对变电所内的35 kV开关柜、1 500 V开关柜、整流变压器、动力变压器、能馈变压器、蓄电池、设备房和电缆夹层温湿度环境数据等进行监测，实现对变电所内一次设备、接触网状态参量的获取、处理、存储、展示和分析功能，结合运维人员生产活动的实际需求，实现变电所无人值守、自动巡检等目标。

2.2 系统架构

伴随人工智能、大数据、云计算等新兴技术的发展，构建供电智能运维系统，首先，应立足于供电设备的状态监测与诊断、故障预测、风险等级评测、故障数据分析的规范化，紧紧围绕以可靠性为中心的维修理论，运用矩阵分析方法，梳理各关键设备、部件或子系统的风险等级，从而优化和确定各关键设备、部件或子系统的检修和维修策略。其次，通过构建数据监测平台，根据故障影响程度和发生故障的频率建立风险矩阵，运用数字孪生技术建立多维度的故障预测模型，建立供电设备全生命周期的可靠性管理优化策略。最后，建立闭合的环形通信网络构成数据传输通道。

深圳地铁供电智能运维系统架构如图1所示，由设置在深圳地铁深云线网控制中心（简称“深云中心”）的中央级供电智能运维中心系统、设置在各个降压混合变电所或降压变电所的现场级辅助监控系统以及设置在运营维修中心各车间或工班的供电智能运维终端设备等3部分构成，并通过环形通信网络进行数据传输。

2.3 系统功能

中央级供电智能运维中心系统设置在深圳地铁深云中心，完成供电系统的设备管理、数据存储和分析、健康状态评估等功能。

现场级辅助监控系统设置在各个牵引降压混合变电所或降压变电所，完成对供电系统设备的运维数据的采集、存储和分析，包括视频巡检、在线监测、动态环境监视以及现场操作等，并通过环形网络将采集的数据传输到深云中心的中央级设备存储。

终端级智能运维设备设置在运营维修中心各车间或工班，通过供电智能运维终端设备对供电系统各设备状态进行日常浏览、查询等，以便有针对性的安排供电设备维修保养工作。

环形光纤网络由1 000 M的供电运维单环网络构成，完成供电设备运维的数据和视频传输。

3 实践解析

3.1 数据采集接口和传输标准

供电智能运维系统与供电设备相关的外部数据采集接口如图2所示。针对不同的数据类型接口，数据传输协议分别采用了MODBUS协议、IEC 104协议、HTTP协议等。对于电力监控装置采集的遥信、遥测和故障报告等突发随机数据，采用IEC 104协议传输；对于在线监测装置采集的定时循环数据采用MODBUS协议传输；对于接触网状态参量，采用HTTP协议离线方式上传至中央级系统。

图2 供电智能运维系统外部数据采集接口

3.2 多维信息融合共享的技术平台

供电智能运维系统遵循协调互联、信息共享、补位提升等原则，通过维修中心的终端级供电智能运维设备与各运营系统互联，获取施工作业管理系统、电子工作票系统、企业资产管理（EAM）系统的相关业务数据，对中央级智能运维系统功能数据进行补位提升。

供电智能运维系统拓扑图如图3所示。供电系统数据在单个专业内各个功能板块实现信息共享和信息流动，实现各个模块的信息相互调用。智能运维中心系统将接触网、变电、轨道、桥隧、房建等专业设备、缺陷、检修、工单等数据有机融合，为管理者全面掌握运维中心各项工作开展情况提供数据平台。

图3 供电智能运维系统拓扑图

3.3 基于关联规则的综合智能报警机制

供电设备全生命周期检测和监测流程如图4所示。供电智能运维系统对在线监测装置所监测的供电设备状态量设置预警阈值和告警阈值，将供电设备状态分为正常状态、预警状态和告警状态。

图4 供电设备全生命周期检测和监测流程

通过定义多组设备故障特征状态，实现实时监测数据和特征数据的比对功能，对设备运行状况进行辅助判断，识别故障类型。设备故障特征状态可由系统自动收集设备发生故障时的参数信息，通过机器自学习更新故障特征库，采用智能识别、特征识别、机器学习、对比分析等算法，通过智能仪表定位及多模态高精度配准等技术实现稳定仪表状态识别、指针读数识别以及特殊的开关状态识别。

通过对在线监测设备监测项变化率的大小进行实时跟踪，对设备运行的异常趋势和状态量突变现象及时发出告警，同时判断在线设备监测数据是否在合理范围是否发生异常跳变，进而消除装置异常及误差对数据告警的影响，实现误告警过滤。

3.4 数字孪生的监控交互模式

数字孪生是利用物理模型、传感器更新、运行数据等集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相应的实体设备的全生命周期过程。

通过建立变电所和接触网数字孪生模型，将在线监测系统数据依托设备模型进行三维可视化方式呈现，最大程度呈现现场设备真实工况，带给管理人员身临其境的全局视觉感受。除在线监测数据外，智能运维系统还通过线网的ROMA平台接口，获取相关线路应急人员、应急车辆等相关分布信息，方便运维调度人员进行应急处置的相关资源调配，为供电设备维修人员掌握变电所运行状态提供更加多元的信息。采用数字孪生模型对变电所真实场景进行实景重构，建立变电所三维实景模型，在三维模型上呈现摄像机的总体分布情况，方便供电设备维修人员快捷调取摄像机的实时视频。

当发生故障时，数字孪生模型中的故障供电设备闪烁报警，维修人员可随意放大观看更多细节。同时在设备上展示变电所的周边环境，最大程度呈现真实场景，有利于故障查找及抢修。基于数字孪生的设备工况如图5所示。

图5 基于数字孪生的设备工况图

3.5 无人化运维系统架构

全生命周期的供电设备管理流程如图6所示。供电智能运维系统通过统一的设备建模工具提供设备标准化管理，便于线路扩容、数据扩项。在静态数据基础上，通过在线监测系统、巡检机器人等变电所自动巡检功能，自动汇聚业务过程的全方位动态数据，对实时视频、三维模型、巡检进度进行统一管理。将设备静态数据、动态数据和生产管理系统等产生的数据融合贯通，从而实现设备的多源联动监视。

图6 全生命周期的供电设备管理流程

4 结语

文章以深圳地铁供电智能运维系统实践为例，从数据采集接口和传输标准、多维信息融合共享的技术平台、基于关联规则的综合智能报警机制、数字孪生的监控交互模式和无人化运维系统架构5个方面对地铁供电智能运维系统进行解析，说明供电智能运维系统的组成方案、功能匹配及在设备维保中的作用，可为其他地铁企业提升供电设备智能化管理水平提供借鉴和参考。