胡金東

0 引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)事業(yè)的突飛猛進(jìn)，作為電氣化鐵路“心臟”的牽引變電所數(shù)量劇增。當(dāng)下，鐵路行業(yè)朝著“安全、高效、經(jīng)濟(jì)、綠色、智能”方向發(fā)展，牽引變電所的無(wú)人值守成為必然趨勢(shì)。為此，原中國(guó)鐵路總公司頒布了《牽引供變電所實(shí)施無(wú)人值班值守工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》（工電函[2018]101號(hào)）以及《牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》（鐵總科信[2018]144號(hào)）等文件，推進(jìn)牽引變電所無(wú)人值守工作的有序開(kāi)展。

輔助監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)牽引變電所內(nèi)視頻監(jiān)控及巡檢、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全防范、火災(zāi)報(bào)警、動(dòng)力照明控制等部分或全部輔助設(shè)備信息的集成，實(shí)現(xiàn)信息共享、告警聯(lián)動(dòng)等功能，為牽引變電所集中監(jiān)控和運(yùn)維提供支撐。本文結(jié)合輔助監(jiān)控系統(tǒng)在高速鐵路工程中的實(shí)際應(yīng)用，從系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備選型、方案實(shí)施、界面設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行探索，使系統(tǒng)具備智能巡檢、智能識(shí)別、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、實(shí)景重構(gòu)等功能，能很好地滿足牽引變電所無(wú)人值守的需求。

1 輔助監(jiān)控系統(tǒng)

輔助監(jiān)控系統(tǒng)充分利用前沿人工智能、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)牽引變電所管控由“人防”到“技防”的革命性轉(zhuǎn)變；在“橫向融合、縱向貫通”的設(shè)計(jì)原則下，打破與SCADA等系統(tǒng)之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)資源共享，并利用物互聯(lián)技術(shù)，將海量全息感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯入智能處理中心；實(shí)現(xiàn)智能巡檢、智能預(yù)警、綜合監(jiān)控、協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)等功能；形成局、段、牽引變電所三級(jí)架構(gòu)（圖1），構(gòu)建牽引變電所安全、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)、智能的運(yùn)營(yíng)模式。

圖1 輔助監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 主站系統(tǒng)

輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)包括局級(jí)和段級(jí)兩級(jí)主站系統(tǒng)。局級(jí)輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)主要與SCADA系統(tǒng)功能深度融合，為SCADA系統(tǒng)提供遙視功能，包括報(bào)警推圖、操作聯(lián)動(dòng)及手動(dòng)調(diào)閱視頻圖像等功能。段級(jí)輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)提供全景展示、智能巡檢管理與執(zhí)行、控制及聯(lián)動(dòng)管理、綜合分析等功能。主站系統(tǒng)主要設(shè)備包括流媒體、圖像存儲(chǔ)、通信及應(yīng)用、接口、NTP（網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器）、病毒防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)安全等服務(wù)器；數(shù)據(jù)處理網(wǎng)、存儲(chǔ)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集網(wǎng)等局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；防火墻、磁盤陣列、維護(hù)工作站等。局級(jí)輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 局級(jí)輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

輔助監(jiān)控系統(tǒng)分別部署在局級(jí)、段級(jí)、牽引變電所，并可在車間部署輔助監(jiān)控復(fù)示終端。各級(jí)輔助監(jiān)控區(qū)及復(fù)示終端間的數(shù)據(jù)通信利用數(shù)據(jù)網(wǎng)的6C VPN承載。具體如下：局級(jí)輔助監(jiān)控通道采用冗余配置，網(wǎng)絡(luò)帶寬不應(yīng)低于100 Mbps；段級(jí)輔助監(jiān)控區(qū)至各被控站點(diǎn)間應(yīng)設(shè)置輔助監(jiān)控通道，采用冗余配置，通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)承載并利用傳輸專線向區(qū)間被控站點(diǎn)延伸。其中，各被控站點(diǎn)接入傳輸專線的帶寬不應(yīng)低于20 Mbps，且該專線掛接被控站的數(shù)量不宜大于10個(gè)；段至車間可設(shè)置輔助監(jiān)控復(fù)示通道，承載輔助監(jiān)控復(fù)示信息，通道帶寬不應(yīng)低于20 Mbps；區(qū)間至車站（或通信站）的輔助監(jiān)控通道宜采用以太網(wǎng)總線方式組網(wǎng)。輔助監(jiān)控系統(tǒng)通道總線匯聚如圖3所示。

圖3 牽引輔助監(jiān)控通道總線匯聚

1.3 被控站系統(tǒng)

在牽引變電所內(nèi)，輔助監(jiān)控被控站系統(tǒng)（圖4）提供完備的視頻監(jiān)控及巡檢、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全防范、火災(zāi)報(bào)警、動(dòng)力照明控制等設(shè)備設(shè)施，實(shí)現(xiàn)牽引變電所各類輔助監(jiān)控信息的采集、分析與上傳，以及設(shè)備的控制及聯(lián)動(dòng)。監(jiān)控信息主要包括：（1）視頻監(jiān)控及巡檢信息：實(shí)時(shí)視頻流數(shù)據(jù)、巡檢照片、語(yǔ)音對(duì)話、自檢信息、告警信息等；（2）安全防范信息：所內(nèi)門禁、紅外雙鑒/三鑒、激光對(duì)射、玻璃破碎等告警信息、自檢信息等；（3）火災(zāi)報(bào)警信息：火災(zāi)處理單元的現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)信息、設(shè)備自檢信息等；（4）環(huán)境監(jiān)控信息：溫/濕度傳感器、水浸傳感器、SF6監(jiān)測(cè)傳感器、空調(diào)等設(shè)備運(yùn)行信息、告警信息及自檢信息；（5）動(dòng)力照明設(shè)備信息：燈光控制器、水泵、風(fēng)機(jī)等動(dòng)力照明設(shè)備的運(yùn)行信息。

圖4 牽引變電所輔助監(jiān)控被控站系統(tǒng)

2 貴港變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施方案

南廣鐵路貴港牽引變電所輔助監(jiān)控被控站系統(tǒng)包含視頻監(jiān)控及巡檢、安全防范及門禁、環(huán)境監(jiān)測(cè)、火災(zāi)報(bào)警、動(dòng)力照明控制等子系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分層架構(gòu)，主要由間隔層和站控層設(shè)備組成，間隔層包括動(dòng)環(huán)測(cè)控裝置、視頻服務(wù)器和前端輔助設(shè)備，站控層包括綜合應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。為滿足沿線低帶寬、低延時(shí)的應(yīng)用需求，輔助監(jiān)控系統(tǒng)采用所內(nèi)NVR（網(wǎng)絡(luò)視頻攝像機(jī)）連續(xù)存儲(chǔ)，主站訪問(wèn)時(shí)才建立調(diào)閱傳輸通道，從而有效解決海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)钠款i；對(duì)于報(bào)警、遙視、巡檢照片、聯(lián)動(dòng)錄像等重要信息，在存儲(chǔ)于所內(nèi)NVR的同時(shí)，主動(dòng)推送至主站進(jìn)行存儲(chǔ)，從而有效降低系統(tǒng)的延時(shí)；集團(tuán)、段、所使用流媒體服務(wù)器實(shí)現(xiàn)音視頻的分發(fā)，當(dāng)多個(gè)客戶端從流媒體服務(wù)器取流調(diào)取1路視頻時(shí)，主站流媒體服務(wù)器與被控站NVR之間只占用1路視頻帶寬，從而有效解決了主站眾多用戶同時(shí)訪問(wèn)同所重要消息時(shí)產(chǎn)生的回傳帶寬問(wèn)題；在網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重?fù)砣麜r(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)采用子碼流降低清晰度進(jìn)行傳輸，以滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用需求。

2.1 視頻監(jiān)控及巡檢子系統(tǒng)

視頻監(jiān)控及巡檢子系統(tǒng)由高清攝像機(jī)、熱成像測(cè)溫?cái)z像機(jī)、激光遠(yuǎn)望攝像機(jī)、匯聚交換機(jī)、視頻服務(wù)器及智能巡檢服務(wù)器等組成。通過(guò)前端安裝的高性能攝像機(jī)及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)牽引變電所重點(diǎn)需要監(jiān)控的一二次設(shè)備，即變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀閘、壓互、流互、避雷器、高壓柜、保護(hù)屏等的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)視頻記錄集中發(fā)送到當(dāng)?shù)氐囊曨l服務(wù)器，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳送，從而構(gòu)成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控體系，即使變電所現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值班值守，其運(yùn)行狀態(tài)也能及時(shí)地傳送給遠(yuǎn)端的調(diào)度人員，調(diào)度人員可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效準(zhǔn)確的掌握及判斷，對(duì)各種突發(fā)狀況能夠采取及時(shí)有效的應(yīng)對(duì)措施，從而實(shí)現(xiàn)變電所高效操控和安全運(yùn)行。

根據(jù)貴港牽引變電所現(xiàn)場(chǎng)平面布置和設(shè)備布局情況，本次建設(shè)部署的各類型攝像機(jī)數(shù)量和安裝點(diǎn)位包含變電所周界區(qū)域、220 kV進(jìn)線區(qū)域、牽引變區(qū)域、27.5 kV母線區(qū)域、27.5 kV饋線區(qū)域、線路接觸網(wǎng)區(qū)域、主控制室等。

2.2 安全防范及門禁子系統(tǒng)

貴港牽引變電所既有的視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)部署了一些安防探測(cè)器，但設(shè)備投運(yùn)已久，報(bào)警可靠性降低，本次輔助監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)直接新建部署安全防范探測(cè)器，包括電子圍欄、紅外對(duì)射、紅外雙鑒、玻璃破碎探測(cè)、門禁管理等。

2.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

微氣象站：在生產(chǎn)房屋屋頂設(shè)置1臺(tái)多要素微氣象站，與網(wǎng)絡(luò)號(hào)角揚(yáng)聲器安裝在一起，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變電所外部環(huán)境數(shù)據(jù)，主要包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓、降雨量、光照強(qiáng)度等氣象數(shù)據(jù)，通過(guò)RS485總線將數(shù)據(jù)接入動(dòng)環(huán)測(cè)控通信管理裝置，實(shí)現(xiàn)戶外設(shè)備工作環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警。

主控室溫濕度監(jiān)控：在主控制室設(shè)置1只溫濕度控制器，導(dǎo)軌安裝在墻面合適位置，同時(shí)聯(lián)動(dòng)控制室內(nèi)風(fēng)機(jī)，并通過(guò)RS485總線將數(shù)據(jù)接入動(dòng)環(huán)測(cè)控通信管理裝置，實(shí)現(xiàn)主控制室內(nèi)設(shè)備工作環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警和風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制。

集中接地箱溫度監(jiān)測(cè)：在集中接地箱各回流電纜接頭處及母排安裝無(wú)線溫度傳感器，匯聚柜內(nèi)設(shè)置無(wú)線測(cè)溫收發(fā)器，收發(fā)器進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)匯總并通過(guò)RS485總線接入動(dòng)環(huán)測(cè)控通信管理裝置，實(shí)現(xiàn)集中接地箱電纜接頭工作溫度的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)警。

電纜水浸監(jiān)測(cè)：在牽引變電所戶外電纜溝低洼處和生產(chǎn)房屋電纜夾層入口處設(shè)置水浸傳感器，監(jiān)測(cè)電纜溝和電纜夾層積水情況，監(jiān)測(cè)到水位異常即報(bào)警。報(bào)警信號(hào)就近接入I/O模塊并通過(guò)RS485總線上傳至動(dòng)環(huán)測(cè)控通信管理裝置。

2.4 火災(zāi)報(bào)警子系統(tǒng)

貴港牽引變電所當(dāng)前投運(yùn)的氣體滅火系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，通過(guò)在氣體滅火控制器旁增加1臺(tái)聯(lián)動(dòng)型火災(zāi)報(bào)警控制器，先通過(guò)CAN聯(lián)網(wǎng)接口與氣體滅火控制器聯(lián)網(wǎng)，再通過(guò)RS232集成接口將火警、故障、動(dòng)作等消防信息接入動(dòng)環(huán)測(cè)控通信管理裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵設(shè)備區(qū)域的火災(zāi)情況。輔助監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與氣體滅火裝置、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、設(shè)備電源等的高效聯(lián)動(dòng)，能夠及時(shí)預(yù)警和有效控制變電所火災(zāi)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 動(dòng)力照明控制子系統(tǒng)

動(dòng)力照明控制子系統(tǒng)主要包括照明控制、風(fēng)機(jī)控制、空調(diào)控制、水泵控制等，系統(tǒng)按照設(shè)定事項(xiàng)（如溫度、濕度、風(fēng)速、水浸等環(huán)境參數(shù)報(bào)警）自動(dòng)對(duì)變電所各類輔助動(dòng)力設(shè)備進(jìn)行啟/?？刂?，工作人員也可以通過(guò)輔助監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作控制設(shè)備的啟動(dòng)和停止。

3 實(shí)施效果

輔助監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用不僅滿足無(wú)人巡檢條件下達(dá)到人工現(xiàn)場(chǎng)巡視的效果，而且還要掃除人工巡視的盲區(qū)，為遠(yuǎn)程操控人員提供更加科學(xué)的判斷依據(jù)，利用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)變電所在無(wú)人值守的情況下安全、高效、智能、綠色、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

3.1 全方位監(jiān)控

在牽引變電所所有一次設(shè)備和關(guān)鍵二次設(shè)備區(qū)域部署高清云臺(tái)攝像機(jī)，對(duì)設(shè)備外觀和指示表計(jì)進(jìn)行監(jiān)控；部署測(cè)溫型雙目云臺(tái)攝像機(jī)，對(duì)設(shè)備工作溫度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)時(shí)測(cè)溫報(bào)警。同時(shí)改造了安全防范及門禁、環(huán)境傳感、火災(zāi)報(bào)警、動(dòng)力照明控制等監(jiān)控設(shè)備，全面監(jiān)控供電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求?？茖W(xué)規(guī)劃攝像機(jī)點(diǎn)位及預(yù)置位，提供完善的自動(dòng)巡檢、人工遠(yuǎn)程巡檢及自定義巡檢等功能，實(shí)現(xiàn)變壓器、隔離開(kāi)關(guān)、高壓母線、避雷針、蓄電池組、流互、壓互等設(shè)備設(shè)施重點(diǎn)部位的周期性、全方位的巡檢和告警，自動(dòng)生成巡檢報(bào)告。

3.2 智能識(shí)別

對(duì)牽引變壓器油位刻度、戶外高壓斷路器分/合指示牌、隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)、戶內(nèi)高壓開(kāi)關(guān)分/合指示牌、指示燈、各類儀表及各類設(shè)備外觀圖像進(jìn)行智能分析和報(bào)警，并對(duì)安防信息進(jìn)行圖像智能復(fù)核，消除誤報(bào)。發(fā)現(xiàn)監(jiān)控畫面中的異常情況，能以最快的方式發(fā)出警報(bào)，從而更加有效地協(xié)助工作人員預(yù)先發(fā)現(xiàn)缺陷，并最大限度地減少誤報(bào)和漏報(bào)。

3.3 監(jiān)控聯(lián)動(dòng)

輔助監(jiān)控系統(tǒng)集成了各種報(bào)警、控制協(xié)議，可采集模擬量信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)、總線信號(hào)，支持其他子系統(tǒng)的可靠接入，可以對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全防范、門禁、消防等子系統(tǒng)進(jìn)行集成。系統(tǒng)集成改變了各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的局面，可與SCADA系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，在操作開(kāi)關(guān)設(shè)備或發(fā)生事故跳閘時(shí)聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)多角度實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控；并可自由設(shè)置所內(nèi)動(dòng)環(huán)、安防、火災(zāi)報(bào)警等輔助設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)各種異常及故障情況下的高效管控。

3.4 在線測(cè)溫

對(duì)電氣設(shè)備和線路的熱缺陷進(jìn)行探測(cè)，如變壓器、套管、斷路器、刀閘、互感器、電容器、避雷器、母線、導(dǎo)線等，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理、預(yù)防重大事故起到非常關(guān)鍵而有效的作用。在線測(cè)溫取代了值班人員采用便攜式紅外熱像儀定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行紅外掃描測(cè)溫的方式，提高了工作效率，實(shí)時(shí)監(jiān)控主要設(shè)備的溫度，解決設(shè)備過(guò)熱無(wú)法被及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

3.5 全景展示

通過(guò)采用GIS和BIM三維地圖模型，在現(xiàn)有資源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，以三維虛擬現(xiàn)實(shí)的形式展現(xiàn)牽引變電所的運(yùn)行情況，支持巡檢過(guò)程三維模型與設(shè)備實(shí)時(shí)視頻的同步展示；結(jié)合GIS，直觀呈現(xiàn)線路、所亭、供電設(shè)備及輔助監(jiān)控設(shè)備各類實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警等信息。為應(yīng)急決策、過(guò)程監(jiān)管、現(xiàn)場(chǎng)指揮提供一目了然的技術(shù)手段。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合南廣鐵路貴港牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施，根據(jù)國(guó)鐵集團(tuán)的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備選型、工程實(shí)施、界面設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行思考，對(duì)智能巡檢、智能識(shí)別、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、實(shí)景重構(gòu)等系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)巡檢代替人工巡檢，提高了巡檢的準(zhǔn)確性和可靠性，避免了人工巡檢可能出現(xiàn)的錯(cuò)檢、漏檢甚至作業(yè)事故。通過(guò)系統(tǒng)告警聯(lián)動(dòng)、智能識(shí)別等功能的應(yīng)用，全面提升了牽引變電所的智能化運(yùn)維水平，大大減少了人力、物力成本，很好地滿足了牽引變電所無(wú)人值守的需求，契合了智能變電所的發(fā)展方向，在后期高速鐵路智能化改造工程中有一定的推廣價(jià)值。