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【摘要】提高牵引供电系统的安全性、可靠性，降低故障发生的概率与风险，降低使用与维护的费用，为高速列车的安全正点运行提供良好的动力保障。
【关键词】供电系统；牵引；管理；检测；预警；故障
【中图分类号】TM922.3 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0046-02
一、监测技术及其存在的问题
1）绝缘性能的监测。电气设备的故障往往是绝缘性能的损伤累积引起的，对于设备绝缘参量的监测，主要有油中溶解气体的分析DGA、介质损耗因数的测量等。DGA多用于变压器状态的监测，介质损耗因数多用于容性设备如高压电容式套管、电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器以及氧化锌避雷器的监测。
2）局部放电的监测。局部放电可以导致电介质的局部损坏，若长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。局部放电的特性一般可与绝缘的缺陷相互很好地印证，因此运用局部放电监测发现设备的异常征兆评定绝缘的老化程度，在电力系统中是一种常用方法。
3）振动的监测。设备的振动信号中包含丰富的机械状态信息，借助振动信号对设备状态进行监测是一种有效方法。目前，变压器振动监测主要用于判断变压器绕组和铁心的状态、有载调压开关的状态，除此以外还用于断路器状态的监测。
4）温度的监测。电力设备故障往往会伴有电气量的变化，电气量的改变经常会导致某部分温度的改变，因而对于很多设备的故障，可以通过监测温度反映出来。该方法主要应用于电缆、开关柜、触头温度的监测。
5）泄露电流的监测。设备的表面污秽受潮后会产生泄露电流，表面绝缘能力下降越多，泄露电流越大，因而通过监测泄露电流可以反映绝缘设备表面绝缘能力。该方法目前主要用于绝缘子状态的监测上。
当前对电力设备健康监测和预警方面存在着以下问题：1）设备健康评价所依据的监测信息单一；2）没有考虑故障相互之间的耦合关系，可能造成对设备健康状态的误判；3）大多只利用了设备当前的运行值，没有考虑设备本身特性（如出厂试验值）、历史监测数据等对设备/系统健康状态有较大关联的历史信息，缺乏对设备/系统健康状态的全面把握。4）设备的健康评价只有正常和故障两种状态，只能根据监测数据对设备是否发生故障进行判断，不能准确把握设备/系统健康状态发展的趋势，无法实现对运行趋势恶化的判断、识别，对即将发生的故障进行预警，对运行、维修起不到多大指导作用。
二、智能化牵引供电系统健康管理及故障预警系统框架及研究内容
1）多元数据处理技术。重点研究牵引供电系统中牵引变电所综合自动化系统、数据采集与监视控制系统、故障录波装置、接触网检测车等监测数据的精度、正确率以及各系统监测数据相互之间的关联性；研究新增监测量如馈线电缆温度、断路器触头温度、牵引变压器局放、互感器介质损耗的获取办法；归纳总结多种数据来源的信息特征，包括时间标识、空间（位置）标识、事件标识、连续或离散性质、传输特性、不确定性等性质；研究利用这些连续与离散、时间与空间结合的数据分层原则，建立统一的多层故障预警和故障诊断数据模型。
2）健康状态的综合评价技术。对高速铁路供电系统的健康诊断进行定义，并分析其结构、特征、功能和运行机制，研究其健康的内部机理，建立符合高速铁路供电系统运行特性的健康诊断理论体系的概念框架，并制定相应标准。建立包括各项数据指标的重要度和时效性的动态评估指标、设备的重要度评估指标、元件及网络的健康程度指标等一系列指标体系，依此对高速铁路供电系统的健康状态进行全面评估。
牵引供电系统是由众多设备组成的一个完整系统，为了既能掌握单台设备的健康状态以便于采取对应的维修对策，又能掌握整个系统的健康状态以便于安排调度，采用基于灰色聚类和模糊综合评判的2级健康状态评估模型。在供电设备级采用灰色聚类的方法评估单个设备的健康状态，将得到的单个设备健康状态的聚类系数向量作为模糊综合评判的隶属度向量，利用模糊综合评判技术来评估牵引供电系统的整体健康状态。为使评估结果更接近实际，可利用多传感器的信息融合技术，进行决策层信息融合，可得到更为可信的系统健康状态评估结果。
3）故障预警技术。设备或系统故障的发生，是众多因素随时间累计的结果，其产生、发展必然经历一个时间过程，有时看似偶然的故障，也必然有其内在的规律性，即使是突发性故障也存在孕育、发展的时期。同样，对于牵引供电系统，在破坏性故障发生之前，系统中的某个设备或系统就已经进入病态运行，并且损伤的发生具有趋势性和累积效应，若能在损伤累积形成故障之前识别出该设备或子系统的异常，提早对其进行检修或更换，就能避免故障的发生，减小牵引供电系统事故发生的概率。
牵引供电系统故障预警技术重点研究两种情况：①潜隐故障的预警；②早期故障的预警。潜隐故障是指已经发生却未直接表现出来（或未被发现）的故障，由于其具有随机性和隐蔽性，平时存在这些隐患的设备可以正常运转，但在特定时间、特定环境中可能会表现出来，影响整个系统的正常运行，如电流互感器/电压互感器、断路器和保护装置等都存在潜隐故障的可能。而早期故障主要是指设备状态开始恶化的初期，此时设备性能还未有明显的下降。对潜隐故障的识别，可借助于系统中各设备相互之间关联所形成的制约关系，如对电流互感器/电压互感器以及微机保护数据采集系统潜隐故障的识别可采用基于基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律所形成的各互感器数据之间的制约关系来判断。对于保护的潜隐故障，可利用相邻线路间电气量的关联及保护动作之间的配合来加以判断。
4）维修策略的制定和优化研究。维修保养是提高牵引供电设备性能、延长使用寿命、提高牵引供电系统可靠性的一个重要途径，通过实行状态检修，在设备需要的时候才进行维修，可有效降低维修成本，但降低维修成本和提高系统的可靠性之间存在着一定的冲突，如何合理确定状态检修的条件，优化状态维修的策略，实现系统可靠性和维修成本的协调统一，是高速铁路牵引供电健康管理系统需重点研究的内容之一。
在考虑维修经济性和系统安全性因素时，结合牵引供电系统故障后果所造成的损失，考虑不同维修策略下的维护费用，用定量方法寻找不同线路等级的牵引供电系统维护费用和故障后果损失费用之间的最优关系，进行维修策略优化，力求以较少的维修成本实现较好的生产效益。
三、需进一步研究的内容
1）网络化监控系统的研究。设计融重要设备制造企业、牵引变电所、供电段、铁路局调度中心、专业院所之间互动的牵引供电健康管理系统。对于重要设备，建立从设计制造、运输、安装调试到使用的全过程档案，通过远程诊断服务平台由设备制造商、专业院所专家提供针对复杂情况的解决方案。
2）宏观和微观相结合的牵引供电设备状态评估方法研究。当前设备状态的评价多建立在宏观状态量监测的基础上，若能从微观的角度研究设备损伤累积到故障发生的演变规律，将更能有助于对早期故障的预警。
3）健康诊断的CBR推理技术的研究。为满足大量不断累积的数据的处理需求，研究具有工程化智能推理能力的案例推理方法，实现针对典型故障的推理功能。
4）基于统计的牵引供电系统薄弱环节和脆弱点研究。对系统的网络拓扑进行统计分析，找出系统的薄弱环节和脆弱点，为以后系统设计提供指导。
5）统一数据接口的研究。为保障系统各单元的集成，需要研究异步、异构数据库集成技术，实现牵引供电系统相关监测和控制系统信息的有机组织和共享。
四、结论
1）通过设备健康状态的感知，实现对设备和系统故障状态的提早预测，提早维修，从而避免故障发生产生的影响，减小高铁牵引供电系统故障引起的风险，提高牵引供电系统的可靠性，为高铁安全正点运行提供保证。
2）通过对设备状态的准确判断，利用状态检修代替周期检修，减少维修，特别是计划外维修次数，缩短维修时间，提高设备完好率和利用率，减少牵引供电系统的停电时间。
3）通过设备的状态检修，减轻对现场检修人员的工作压力，减少对备件、保障设备、维修人力等保障资源的需求，降低维修保障费用，提高牵引供电系统运行的经济性。
【关键词】供电系统；牵引；管理；检测；预警；故障
【中图分类号】TM922.3 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0046-02
一、监测技术及其存在的问题
1）绝缘性能的监测。电气设备的故障往往是绝缘性能的损伤累积引起的，对于设备绝缘参量的监测，主要有油中溶解气体的分析DGA、介质损耗因数的测量等。DGA多用于变压器状态的监测，介质损耗因数多用于容性设备如高压电容式套管、电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器以及氧化锌避雷器的监测。
2）局部放电的监测。局部放电可以导致电介质的局部损坏，若长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。局部放电的特性一般可与绝缘的缺陷相互很好地印证，因此运用局部放电监测发现设备的异常征兆评定绝缘的老化程度，在电力系统中是一种常用方法。
3）振动的监测。设备的振动信号中包含丰富的机械状态信息，借助振动信号对设备状态进行监测是一种有效方法。目前，变压器振动监测主要用于判断变压器绕组和铁心的状态、有载调压开关的状态，除此以外还用于断路器状态的监测。
4）温度的监测。电力设备故障往往会伴有电气量的变化，电气量的改变经常会导致某部分温度的改变，因而对于很多设备的故障，可以通过监测温度反映出来。该方法主要应用于电缆、开关柜、触头温度的监测。
5）泄露电流的监测。设备的表面污秽受潮后会产生泄露电流，表面绝缘能力下降越多，泄露电流越大，因而通过监测泄露电流可以反映绝缘设备表面绝缘能力。该方法目前主要用于绝缘子状态的监测上。
当前对电力设备健康监测和预警方面存在着以下问题：1）设备健康评价所依据的监测信息单一；2）没有考虑故障相互之间的耦合关系，可能造成对设备健康状态的误判；3）大多只利用了设备当前的运行值，没有考虑设备本身特性（如出厂试验值）、历史监测数据等对设备/系统健康状态有较大关联的历史信息，缺乏对设备/系统健康状态的全面把握。4）设备的健康评价只有正常和故障两种状态，只能根据监测数据对设备是否发生故障进行判断，不能准确把握设备/系统健康状态发展的趋势，无法实现对运行趋势恶化的判断、识别，对即将发生的故障进行预警，对运行、维修起不到多大指导作用。
二、智能化牵引供电系统健康管理及故障预警系统框架及研究内容
1）多元数据处理技术。重点研究牵引供电系统中牵引变电所综合自动化系统、数据采集与监视控制系统、故障录波装置、接触网检测车等监测数据的精度、正确率以及各系统监测数据相互之间的关联性；研究新增监测量如馈线电缆温度、断路器触头温度、牵引变压器局放、互感器介质损耗的获取办法；归纳总结多种数据来源的信息特征，包括时间标识、空间（位置）标识、事件标识、连续或离散性质、传输特性、不确定性等性质；研究利用这些连续与离散、时间与空间结合的数据分层原则，建立统一的多层故障预警和故障诊断数据模型。
2）健康状态的综合评价技术。对高速铁路供电系统的健康诊断进行定义，并分析其结构、特征、功能和运行机制，研究其健康的内部机理，建立符合高速铁路供电系统运行特性的健康诊断理论体系的概念框架，并制定相应标准。建立包括各项数据指标的重要度和时效性的动态评估指标、设备的重要度评估指标、元件及网络的健康程度指标等一系列指标体系，依此对高速铁路供电系统的健康状态进行全面评估。
牵引供电系统是由众多设备组成的一个完整系统，为了既能掌握单台设备的健康状态以便于采取对应的维修对策，又能掌握整个系统的健康状态以便于安排调度，采用基于灰色聚类和模糊综合评判的2级健康状态评估模型。在供电设备级采用灰色聚类的方法评估单个设备的健康状态，将得到的单个设备健康状态的聚类系数向量作为模糊综合评判的隶属度向量，利用模糊综合评判技术来评估牵引供电系统的整体健康状态。为使评估结果更接近实际，可利用多传感器的信息融合技术，进行决策层信息融合，可得到更为可信的系统健康状态评估结果。
3）故障预警技术。设备或系统故障的发生，是众多因素随时间累计的结果，其产生、发展必然经历一个时间过程，有时看似偶然的故障，也必然有其内在的规律性，即使是突发性故障也存在孕育、发展的时期。同样，对于牵引供电系统，在破坏性故障发生之前，系统中的某个设备或系统就已经进入病态运行，并且损伤的发生具有趋势性和累积效应，若能在损伤累积形成故障之前识别出该设备或子系统的异常，提早对其进行检修或更换，就能避免故障的发生，减小牵引供电系统事故发生的概率。
牵引供电系统故障预警技术重点研究两种情况：①潜隐故障的预警；②早期故障的预警。潜隐故障是指已经发生却未直接表现出来（或未被发现）的故障，由于其具有随机性和隐蔽性，平时存在这些隐患的设备可以正常运转，但在特定时间、特定环境中可能会表现出来，影响整个系统的正常运行，如电流互感器/电压互感器、断路器和保护装置等都存在潜隐故障的可能。而早期故障主要是指设备状态开始恶化的初期，此时设备性能还未有明显的下降。对潜隐故障的识别，可借助于系统中各设备相互之间关联所形成的制约关系，如对电流互感器/电压互感器以及微机保护数据采集系统潜隐故障的识别可采用基于基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律所形成的各互感器数据之间的制约关系来判断。对于保护的潜隐故障，可利用相邻线路间电气量的关联及保护动作之间的配合来加以判断。
4）维修策略的制定和优化研究。维修保养是提高牵引供电设备性能、延长使用寿命、提高牵引供电系统可靠性的一个重要途径，通过实行状态检修，在设备需要的时候才进行维修，可有效降低维修成本，但降低维修成本和提高系统的可靠性之间存在着一定的冲突，如何合理确定状态检修的条件，优化状态维修的策略，实现系统可靠性和维修成本的协调统一，是高速铁路牵引供电健康管理系统需重点研究的内容之一。
在考虑维修经济性和系统安全性因素时，结合牵引供电系统故障后果所造成的损失，考虑不同维修策略下的维护费用，用定量方法寻找不同线路等级的牵引供电系统维护费用和故障后果损失费用之间的最优关系，进行维修策略优化，力求以较少的维修成本实现较好的生产效益。
三、需进一步研究的内容
1）网络化监控系统的研究。设计融重要设备制造企业、牵引变电所、供电段、铁路局调度中心、专业院所之间互动的牵引供电健康管理系统。对于重要设备，建立从设计制造、运输、安装调试到使用的全过程档案，通过远程诊断服务平台由设备制造商、专业院所专家提供针对复杂情况的解决方案。
2）宏观和微观相结合的牵引供电设备状态评估方法研究。当前设备状态的评价多建立在宏观状态量监测的基础上，若能从微观的角度研究设备损伤累积到故障发生的演变规律，将更能有助于对早期故障的预警。
3）健康诊断的CBR推理技术的研究。为满足大量不断累积的数据的处理需求，研究具有工程化智能推理能力的案例推理方法，实现针对典型故障的推理功能。
4）基于统计的牵引供电系统薄弱环节和脆弱点研究。对系统的网络拓扑进行统计分析，找出系统的薄弱环节和脆弱点，为以后系统设计提供指导。
5）统一数据接口的研究。为保障系统各单元的集成，需要研究异步、异构数据库集成技术，实现牵引供电系统相关监测和控制系统信息的有机组织和共享。
四、结论
1）通过设备健康状态的感知，实现对设备和系统故障状态的提早预测，提早维修，从而避免故障发生产生的影响，减小高铁牵引供电系统故障引起的风险，提高牵引供电系统的可靠性，为高铁安全正点运行提供保证。
2）通过对设备状态的准确判断，利用状态检修代替周期检修，减少维修，特别是计划外维修次数，缩短维修时间，提高设备完好率和利用率，减少牵引供电系统的停电时间。
3）通过设备的状态检修，减轻对现场检修人员的工作压力，减少对备件、保障设备、维修人力等保障资源的需求，降低维修保障费用，提高牵引供电系统运行的经济性。