電氣化鐵路供電環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

邢挺

[摘? ? 要]電氣化鐵路對(duì)供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性有很高的要求，對(duì)運(yùn)營(yíng)管理提出了巨大的挑戰(zhàn)。為更好地提高電氣化鐵路的供電系統(tǒng)管理效率和質(zhì)量，采用監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)供電系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控是一個(gè)可行的方案。文章介紹鐵路供電環(huán)境監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀和存在的問題，分析系統(tǒng)的功能及性能需求，在此基礎(chǔ)上研究電氣化鐵路供電環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件總體架構(gòu)，重點(diǎn)探討其主要功能模塊的關(guān)鍵技術(shù)。文章的研究可以為鐵路運(yùn)營(yíng)管理部門提供有益的參考。

[關(guān)鍵詞]電氣化;鐵路;供電;環(huán)境;監(jiān)控系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)]U223 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）11–0–03

Research on Key Technologies of Power Supply Environment

Monitoring System for Electrified Railway

Xing Ting

[Abstract]Electrified railways have very high requirements for the safety and stability of the power supply system， which poses a huge challenge to the operation and management. In order to better improve the management efficiency and quality of the power supply system of electrified railways， it is a feasible solution to use a monitoring system to monitor the power supply system environment. This paper introduces the current situation and existing problems of railway power supply environment monitoring， analyzes the system's functions and performance requirements， and studies the software and hardware overall architecture of the electrified railway power supply environment monitoring system on this basis， and focuses on the main functional modules. Key technology. The research of this article can provide useful reference for railway operation management department.

[Keywords]electrification; railway; power supply; environment; monitoring system

隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展，我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程不斷增加，這對(duì)鐵路的日常運(yùn)行維護(hù)工作提出了更高的要求。鐵路供電系統(tǒng)是電氣化鐵路的核心組成部分，其供電質(zhì)量和供電穩(wěn)定性對(duì)于鐵路的正常運(yùn)行有著直接的影響。但日益增加的鐵路電氣設(shè)備和日益復(fù)雜的供電體系，使電氣化鐵路的供電環(huán)境也更加復(fù)雜。在信息技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天，通過信息化、智能化、自動(dòng)化等手段解決鐵路供電網(wǎng)的運(yùn)維問題已是一種必然趨勢(shì)，電氣化鐵路供電系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)管理模式也在朝著無(wú)人值守的模式轉(zhuǎn)變?；诖?，本文對(duì)電氣化鐵路供電環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了深入探討。

1 鐵路供電環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前鐵路系統(tǒng)中已經(jīng)引入了大量的信息化管理平臺(tái)，這其中就包括很多供電管理系統(tǒng)。與本文研究的供電環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類型的管理平臺(tái)實(shí)際上在近年也已經(jīng)有所應(yīng)用，并且取得了一定的成效，這充分證明了鐵路供電環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在鐵路領(lǐng)域的發(fā)展空間。但在實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的系統(tǒng)仍然存在一些缺陷。

現(xiàn)有系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)視、防災(zāi)告警、圍墻對(duì)射、防盜、門禁等子系統(tǒng)，功能相對(duì)比較豐富，但各子系統(tǒng)往往是獨(dú)立建設(shè)的，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)共享比較困難。而且由于設(shè)計(jì)理念和開發(fā)技術(shù)的不同，在系統(tǒng)維護(hù)升級(jí)過程中往往需要多個(gè)運(yùn)維單位進(jìn)行操作，可維護(hù)性和可擴(kuò)展性都受到了嚴(yán)重的限制。在具體的使用方面，一些視頻監(jiān)控設(shè)備較老，畫面質(zhì)量較差，部分甚至無(wú)法監(jiān)測(cè);火災(zāi)、水災(zāi)和盜竊破壞等問題不能做到預(yù)告監(jiān)測(cè)，只有事故發(fā)生后才會(huì)出現(xiàn)提示，缺乏早期災(zāi)害監(jiān)測(cè)能力;目前的監(jiān)控系統(tǒng)一般是獨(dú)立運(yùn)行的，缺乏聯(lián)動(dòng)機(jī)制，使用起來仍需要大量的人工介入。隨著技術(shù)的進(jìn)步，通過開發(fā)一套新的供電環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)解決以上問題變得更加迫切。

2 系統(tǒng)需求分析

電氣化鐵路供電環(huán)境監(jiān)控的目標(biāo)就是要通過對(duì)供電現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)控來發(fā)現(xiàn)各種安全風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行預(yù)警，使值班人員可以及時(shí)處理問題或者事先預(yù)防事故的發(fā)生。監(jiān)控平臺(tái)的應(yīng)用，是電氣化鐵路供電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班、無(wú)人值守”模式的重要一步。通過監(jiān)控系統(tǒng)，需要將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)和實(shí)時(shí)畫面直接呈現(xiàn)到調(diào)度中心的大屏幕上，使值班員可以集中管理牽引網(wǎng)、變電所、高壓柜等電氣設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)了解供電系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備安全運(yùn)行狀態(tài)。為了滿足電氣化鐵路的安全運(yùn)營(yíng)要求，在具體功能方面，系統(tǒng)應(yīng)具備視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能聯(lián)動(dòng)等功能，提供語(yǔ)音告警功能和電子地圖功能，視頻資料和環(huán)境數(shù)據(jù)要實(shí)現(xiàn)安全存儲(chǔ)，系統(tǒng)控制應(yīng)直觀化、人性化，提高工作效率。在性能方面，系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足先進(jìn)性、實(shí)用性、穩(wěn)定性、安全性、智能性、靈活性等要求。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為解決當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，進(jìn)一步節(jié)省人力、物力，降低各種風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)鐵路電力系統(tǒng)造成危害，鐵路行業(yè)已經(jīng)出臺(tái)了相應(yīng)的鐵路供電調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，這對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。根據(jù)電氣化鐵路供電系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控的實(shí)際需求，結(jié)合一般信息化系統(tǒng)的技術(shù)特征，本系統(tǒng)主要對(duì)視頻監(jiān)控、火災(zāi)探測(cè)、溫濕度控制、水浸告警、侵界告警等內(nèi)容進(jìn)行了研究。

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鐵路沿線的每變電所和每段供電區(qū)域都安裝一個(gè)監(jiān)控主機(jī)，其功能是實(shí)時(shí)記錄和分析相應(yīng)區(qū)域范圍內(nèi)的攝像機(jī)和探測(cè)器上傳的數(shù)據(jù)，并提供一些基本的設(shè)備控制操作，如轉(zhuǎn)動(dòng)攝像頭、補(bǔ)光燈、空調(diào)等。在供電系統(tǒng)的關(guān)鍵位置安裝高清攝像機(jī)，可以遠(yuǎn)程查看供電系統(tǒng)中的環(huán)境情況及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括煙火探測(cè)器、火災(zāi)探測(cè)器、水浸探測(cè)器、紅外探測(cè)器、地震探測(cè)器、碎窗探測(cè)器和定位設(shè)備，以上探測(cè)器所采集的數(shù)據(jù)和基于定位系統(tǒng)的電子圍欄信息都會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)送到告警主機(jī)上，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，告警主機(jī)會(huì)對(duì)所有告警信息進(jìn)行匯總并發(fā)送給服務(wù)器。為保證供電系統(tǒng)的物理安全，采用刷卡式門禁系統(tǒng)對(duì)進(jìn)出供電場(chǎng)所的人員進(jìn)行身份驗(yàn)證。若未授權(quán)的人員闖入會(huì)發(fā)出告警和提示。通過溫濕度計(jì)探測(cè)用電環(huán)境室內(nèi)的溫度和濕度，當(dāng)數(shù)據(jù)不在預(yù)設(shè)范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟空調(diào)或加濕機(jī)對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)度中心通過大屏展示整個(gè)供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)環(huán)境和運(yùn)行情況，對(duì)各類問題進(jìn)行遠(yuǎn)程處理。

3.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用層次化設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)劃分為硬件設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)持久層、中間件和應(yīng)用層。其中硬件設(shè)施層是指支撐系統(tǒng)運(yùn)行的服務(wù)器、采集設(shè)備等，用于采集鐵路供電系統(tǒng)的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用無(wú)線和有線相結(jié)合的傳輸方式，為環(huán)境數(shù)據(jù)提供上傳通道;數(shù)據(jù)持久層由數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成，用于存儲(chǔ)供電環(huán)境數(shù)據(jù)和分析結(jié)果;中間件是系統(tǒng)開發(fā)的支持組件，可提高開發(fā)效率;應(yīng)用層為用戶提供各種業(yè)務(wù)功能，用戶通過界面功能模塊即可進(jìn)行各種應(yīng)用操作。

4 主要功能模塊及其關(guān)鍵技術(shù)

4.1 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊的功能是對(duì)供電系統(tǒng)環(huán)境和設(shè)備進(jìn)行圖像采集，并與其他子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。該模塊采用了1080P網(wǎng)絡(luò)高清高速攝像機(jī)和千兆三層交換機(jī)方案搭建，不僅能提供高畫質(zhì)的監(jiān)控圖像，還能實(shí)現(xiàn)智能化分析功能。當(dāng)其他子系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，可以調(diào)用距離最近的攝像機(jī)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)異常點(diǎn)，從而更直觀地了解現(xiàn)場(chǎng)情況。為了記錄更多的視頻歷史數(shù)據(jù)，在調(diào)度主站增加了磁盤陣列，提高了存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)的安全性。

攝像機(jī)的圖像信息是以數(shù)據(jù)流的方式，通過TCP協(xié)議傳輸至調(diào)度中心視頻服務(wù)器，由后臺(tái)程序通過視頻服務(wù)器接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的。在接收數(shù)據(jù)前，首先設(shè)置攝像頭為客戶端，服務(wù)器為服務(wù)端，由攝像頭向服務(wù)器主動(dòng)發(fā)起TCP連接，服務(wù)端與其建立連接后，攝像頭一方面會(huì)向服務(wù)器主動(dòng)攝像頭視頻流，另一方面會(huì)主動(dòng)操作數(shù)設(shè)備的告警信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)。調(diào)度中心的值守人員可以直接發(fā)送控制類命令到視頻服務(wù)器，對(duì)攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。視頻服務(wù)器接口是自行開發(fā)的，對(duì)各個(gè)廠家的攝像機(jī)接口均有較好的兼容性。

4.2 火災(zāi)探測(cè)模塊

以當(dāng)前的技術(shù)水平，火災(zāi)探測(cè)有很多種方式，根據(jù)鐵路供電系統(tǒng)的環(huán)境特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了氣體煙火探測(cè)器和纜式火災(zāi)探測(cè)器相結(jié)合的火災(zāi)探測(cè)方式。該探測(cè)方案與傳統(tǒng)的點(diǎn)式火災(zāi)探測(cè)器相比，其探測(cè)范圍更廣、精度更高且具備主動(dòng)預(yù)警能力。通過在變電站所的屋頂安裝火災(zāi)探測(cè)器，可以提前感知室內(nèi)設(shè)施起火情況，一旦出現(xiàn)火情，氣體探測(cè)會(huì)首先感應(yīng)到并發(fā)出告警，主機(jī)收到告警信號(hào)后與消防設(shè)備聯(lián)動(dòng)進(jìn)行滅火。纜式火災(zāi)探測(cè)器是一種感溫電纜，通過自身熱感效應(yīng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)高溫異常，可以準(zhǔn)確識(shí)別火災(zāi)早期狀態(tài)，以便及時(shí)采取防范措施。

4.3 溫濕度控制模塊

溫濕度是重要的環(huán)境參數(shù)，也是本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)之一。溫濕度對(duì)于電氣設(shè)備的運(yùn)行效率有重要的影響，過高的溫度容易使電氣設(shè)備發(fā)熱而面臨故障風(fēng)險(xiǎn)，濕度過大則易腐蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)和電路，加速設(shè)備損壞。通過溫濕度的監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)掌握室內(nèi)溫濕度情況，事先設(shè)置好適宜設(shè)備工作的溫濕度范圍，一旦實(shí)際數(shù)值超過該范圍，立即通過程序自動(dòng)控制空調(diào)、除濕機(jī)、加濕機(jī)等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，將室內(nèi)溫濕度維持在該范圍內(nèi)，為電氣設(shè)備提供一個(gè)最佳工作環(huán)境。

4.4 水浸告警模塊

鐵路沿線線路長(zhǎng)，供電設(shè)備多，工作環(huán)境惡劣，由于大量電氣設(shè)備和線路直接暴露在室外，因而很容易受到外部天氣的影響。在雨季或暴雨天氣時(shí)，許多供電場(chǎng)所會(huì)出現(xiàn)積水現(xiàn)象，如果積水過多就會(huì)直接造成設(shè)備短路，影響鐵路的安全運(yùn)行。本系統(tǒng)采用水浸探測(cè)器對(duì)積水進(jìn)行檢測(cè)，如果水位超過設(shè)定值就會(huì)向監(jiān)控主機(jī)告警，指示操作人員及時(shí)排水，避免高、低壓設(shè)備浸水侵蝕。當(dāng)水位下降到安全值后，告警自動(dòng)解除。

4.5 侵入告警模塊

為了防止有人或動(dòng)物非法闖入鐵路供電場(chǎng)所，系統(tǒng)采用碎窗探測(cè)器、電子圍欄和門禁三種技術(shù)對(duì)入侵進(jìn)行檢測(cè)。碎窗探測(cè)器就是對(duì)周邊玻璃的破碎狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)，一般原理是采用聲控-次聲波雙技術(shù)來精確區(qū)分金屬響聲和門窗敲擊，達(dá)到碎窗探測(cè)的目的。電子圍欄是當(dāng)前廣泛采用的周界防盜告警系統(tǒng)，電子圍欄可以有脈沖型電子圍欄、張力型電子圍欄、GPS電子圍欄等類型。其中脈沖型電子圍欄和張力型電子圍欄均屬于物理圍欄，而GPS屬于電子圍欄?？紤]到鐵路沿線過長(zhǎng)，本系統(tǒng)采用GPS電子圍欄系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵供電場(chǎng)所進(jìn)行設(shè)防，一旦有非法侵入就會(huì)發(fā)出告警信息。

采用幕簾式紅外探測(cè)器對(duì)人員的走動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，將探測(cè)范圍限定在門口區(qū)域，可以最大程度避免誤判。刷卡式門禁系統(tǒng)需要出入人員刷卡驗(yàn)證，對(duì)于未授權(quán)的卡片或無(wú)卡人員，一旦非法闖入將會(huì)觸發(fā)告警。

5 結(jié)束語(yǔ)

交通強(qiáng)國(guó)，鐵路先行。近年來國(guó)家對(duì)鐵路事業(yè)高度重視，我國(guó)鐵路線網(wǎng)的覆蓋范圍也逐步擴(kuò)大，這對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)管理提出更大的挑戰(zhàn)。牽引供電作為電氣化鐵路行車安全的重要環(huán)節(jié)，是直接影響鐵路供電安全的因素，因而本文提出采用專業(yè)化的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電氣化鐵路的供電環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控的技術(shù)方案。本系統(tǒng)的應(yīng)用，使用戶可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解供電系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，在事故的早期階段及時(shí)地發(fā)現(xiàn)異常并進(jìn)行預(yù)防，避免事故的發(fā)生或不良影響的進(jìn)一步擴(kuò)大。本系統(tǒng)滿足鐵路供電系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)管理需求，有效提高了電氣化鐵路的智能化運(yùn)營(yíng)管理水平，具有一定的應(yīng)用推廣前景。

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