輔助監(jiān)控系統(tǒng)在既有高速鐵路工程中的應用

胡金東

0 引言

隨著我國鐵路建設事業(yè)的突飛猛進，作為電氣化鐵路“心臟”的牽引變電所數量劇增。當下，鐵路行業(yè)朝著“安全、高效、經濟、綠色、智能”方向發(fā)展，牽引變電所的無人值守成為必然趨勢。為此，原中國鐵路總公司頒布了《牽引供變電所實施無人值班值守工作的指導意見》（工電函[2018]101號）以及《牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術條件》（鐵總科信[2018]144號）等文件，推進牽引變電所無人值守工作的有序開展。

輔助監(jiān)控系統(tǒng)通過對牽引變電所內視頻監(jiān)控及巡檢、環(huán)境監(jiān)測、安全防范、火災報警、動力照明控制等部分或全部輔助設備信息的集成，實現信息共享、告警聯動等功能，為牽引變電所集中監(jiān)控和運維提供支撐。本文結合輔助監(jiān)控系統(tǒng)在高速鐵路工程中的實際應用，從系統(tǒng)架構、設備選型、方案實施、界面設計等方面進行探索，使系統(tǒng)具備智能巡檢、智能識別、系統(tǒng)聯動、實景重構等功能，能很好地滿足牽引變電所無人值守的需求。

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、深度學習等技術，實現牽引變電所管控由“人防”到“技防”的革命性轉變；在“橫向融合、縱向貫通”的設計原則下，打破與SCADA等系統(tǒng)之間的壁壘，實現資源共享，并利用物互聯技術，將海量全息感知數據實時匯入智能處理中心；實現智能巡檢、智能預警、綜合監(jiān)控、協調聯動等功能；形成局、段、牽引變電所三級架構（圖1），構建牽引變電所安全、高效、綠色、經濟、智能的運營模式。

圖1 輔助監(jiān)控系統(tǒng)架構

1.1 主站系統(tǒng)

輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)包括局級和段級兩級主站系統(tǒng)。局級輔助監(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，包括報警推圖、操作聯動及手動調閱視頻圖像等功能。段級輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)提供全景展示、智能巡檢管理與執(zhí)行、控制及聯動管理、綜合分析等功能。主站系統(tǒng)主要設備包括流媒體、圖像存儲、通信及應用、接口、NTP（網絡時間服務器）、病毒防護、網絡安全等服務器；數據處理網、存儲網及數據采集網等局域網絡設備；防火墻、磁盤陣列、維護工作站等。局級輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 局級輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)網絡

輔助監(jiān)控系統(tǒng)分別部署在局級、段級、牽引變電所，并可在車間部署輔助監(jiān)控復示終端。各級輔助監(jiān)控區(qū)及復示終端間的數據通信利用數據網的6C VPN承載。具體如下：局級輔助監(jiān)控通道采用冗余配置，網絡帶寬不應低于100 Mbps；段級輔助監(jiān)控區(qū)至各被控站點間應設置輔助監(jiān)控通道，采用冗余配置，通過數據網承載并利用傳輸專線向區(qū)間被控站點延伸。其中，各被控站點接入傳輸專線的帶寬不應低于20 Mbps，且該專線掛接被控站的數量不宜大于10個；段至車間可設置輔助監(jiān)控復示通道，承載輔助監(jiān)控復示信息，通道帶寬不應低于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總線方式組網。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，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、安全防范、火災報警、動力照明控制等設備設施，實現牽引變電所各類輔助監(jiān)控信息的采集、分析與上傳，以及設備的控制及聯動。監(jiān)控信息主要包括：（1）視頻監(jiān)控及巡檢信息：實時視頻流數據、巡檢照片、語音對話、自檢信息、告警信息等；（2）安全防范信息：所內門禁、紅外雙鑒/三鑒、激光對射、玻璃破碎等告警信息、自檢信息等；（3）火災報警信息：火災處理單元的現場探測信息、設備自檢信息等；（4）環(huán)境監(jiān)控信息：溫/濕度傳感器、水浸傳感器、SF6監(jiān)測傳感器、空調等設備運行信息、告警信息及自檢信息；（5）動力照明設備信息：燈光控制器、水泵、風機等動力照明設備的運行信息。

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、火災報警、動力照明控制等子系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分層架構，主要由間隔層和站控層設備組成，間隔層包括動環(huán)測控裝置、視頻服務器和前端輔助設備，站控層包括綜合應用服務器、網絡設備等。為滿足沿線低帶寬、低延時的應用需求，輔助監(jiān)控系統(tǒng)采用所內NVR（網絡視頻攝像機）連續(xù)存儲，主站訪問時才建立調閱傳輸通道，從而有效解決海量數據實時傳輸的瓶頸；對于報警、遙視、巡檢照片、聯動錄像等重要信息，在存儲于所內NVR的同時，主動推送至主站進行存儲，從而有效降低系統(tǒng)的延時；集團、段、所使用流媒體服務器實現音視頻的分發(fā)，當多個客戶端從流媒體服務器取流調取1路視頻時，主站流媒體服務器與被控站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訪問同所重要消息時產生的回傳帶寬問題；在網絡嚴重擁塞時，系統(tǒng)自動采用子碼流降低清晰度進行傳輸，以滿足實時應用需求。

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、熱成像測溫攝像機、激光遠望攝像機、匯聚交換機、視頻服務器及智能巡檢服務器等組成。通過前端安裝的高性能攝像機及監(jiān)控網絡，對牽引變電所重點需要監(jiān)控的一二次設備，即變壓器、斷路器、隔離開關、接地刀閘、壓互、流互、避雷器、高壓柜、保護屏等的運行狀態(tài)通過視頻記錄集中發(fā)送到當地的視頻服務器，并通過網絡進行遠程傳送，從而構成實時動態(tài)的遠程視頻監(jiān)控體系，即使變電所現場無人值班值守，其運行狀態(tài)也能及時地傳送給遠端的調度人員，調度人員可對現場設備的運行狀態(tài)進行有效準確的掌握及判斷，對各種突發(fā)狀況能夠采取及時有效的應對措施，從而實現變電所高效操控和安全運行。

根據貴港牽引變電所現場平面布置和設備布局情況，本次建設部署的各類型攝像機數量和安裝點位包含變電所周界區(qū)域、220 kV進線區(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器，但設備投運已久，報警可靠性降低，本次輔助監(jiān)控系統(tǒng)建設直接新建部署安全防范探測器，包括電子圍欄、紅外對射、紅外雙鑒、玻璃破碎探測、門禁管理等。

2.3 環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

微氣象站：在生產房屋屋頂設置1臺多要素微氣象站，與網絡號角揚聲器安裝在一起，實時監(jiān)測變電所外部環(huán)境數據，主要包括溫度、濕度、風速、風向、大氣壓、降雨量、光照強度等氣象數據，通過RS485總線將數據接入動環(huán)測控通信管理裝置，實現戶外設備工作環(huán)境監(jiān)測預警。

主控室溫濕度監(jiān)控：在主控制室設置1只溫濕度控制器，導軌安裝在墻面合適位置，同時聯動控制室內風機，并通過RS485總線將數據接入動環(huán)測控通信管理裝置，實現主控制室內設備工作環(huán)境監(jiān)測預警和風機自動控制。

集中接地箱溫度監(jiān)測：在集中接地箱各回流電纜接頭處及母排安裝無線溫度傳感器，匯聚柜內設置無線測溫收發(fā)器，收發(fā)器進行傳感器數據匯總并通過RS485總線接入動環(huán)測控通信管理裝置，實現集中接地箱電纜接頭工作溫度的在線監(jiān)測和實時預警。

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

2.4 火災報警子系統(tǒng)

貴港牽引變電所當前投運的氣體滅火系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，通過在氣體滅火控制器旁增加1臺聯動型火災報警控制器，先通過CAN聯網接口與氣體滅火控制器聯網，再通過RS232集成接口將火警、故障、動作等消防信息接入動環(huán)測控通信管理裝置，實時監(jiān)測關鍵設備區(qū)域的火災情況。輔助監(jiān)控系統(tǒng)通過火災報警系統(tǒng)與氣體滅火裝置、監(jiān)控攝像機、設備電源等的高效聯動，能夠及時預警和有效控制變電所火災，降低安全風險。

2.5 動力照明控制子系統(tǒng)

動力照明控制子系統(tǒng)主要包括照明控制、風機控制、空調控制、水泵控制等，系統(tǒng)按照設定事項（如溫度、濕度、風速、水浸等環(huán)境參數報警）自動對變電所各類輔助動力設備進行啟/?？刂?，工作人員也可以通過輔助監(jiān)控系統(tǒng)遠程操作控制設備的啟動和停止。

3 實施效果

輔助監(jiān)控系統(tǒng)的實際應用不僅滿足無人巡檢條件下達到人工現場巡視的效果，而且還要掃除人工巡視的盲區(qū)，為遠程操控人員提供更加科學的判斷依據，利用技術手段實現變電所在無人值守的情況下安全、高效、智能、綠色、經濟地運行。

3.1 全方位監(jiān)控

在牽引變電所所有一次設備和關鍵二次設備區(qū)域部署高清云臺攝像機，對設備外觀和指示表計進行監(jiān)控；部署測溫型雙目云臺攝像機，對設備工作溫度進行測量，實時測溫報警。同時改造了安全防范及門禁、環(huán)境傳感、火災報警、動力照明控制等監(jiān)控設備，全面監(jiān)控供電設備運行狀態(tài)，滿足現場應用需求?？茖W規(guī)劃攝像機點位及預置位，提供完善的自動巡檢、人工遠程巡檢及自定義巡檢等功能，實現變壓器、隔離開關、高壓母線、避雷針、蓄電池組、流互、壓互等設備設施重點部位的周期性、全方位的巡檢和告警，自動生成巡檢報告。

3.2 智能識別

對牽引變壓器油位刻度、戶外高壓斷路器分/合指示牌、隔離開關狀態(tài)、戶內高壓開關分/合指示牌、指示燈、各類儀表及各類設備外觀圖像進行智能分析和報警，并對安防信息進行圖像智能復核，消除誤報。發(fā)現監(jiān)控畫面中的異常情況，能以最快的方式發(fā)出警報，從而更加有效地協助工作人員預先發(fā)現缺陷，并最大限度地減少誤報和漏報。

3.3 監(jiān)控聯動

輔助監(jiān)控系統(tǒng)集成了各種報警、控制協議，可采集模擬量信號、開關量信號、總線信號，支持其他子系統(tǒng)的可靠接入，可以對環(huán)境監(jiān)測、安全防范、門禁、消防等子系統(tǒng)進行集成。系統(tǒng)集成改變了各系統(tǒng)獨立運行的局面，可與SCADA系統(tǒng)聯動，在操作開關設備或發(fā)生事故跳閘時聯動攝像機，實現多角度實時視頻監(jiān)控；并可自由設置所內動環(huán)、安防、火災報警等輔助設備之間的聯動關系，實現各種異常及故障情況下的高效管控。

3.4 在線測溫

對電氣設備和線路的熱缺陷進行探測，如變壓器、套管、斷路器、刀閘、互感器、電容器、避雷器、母線、導線等，對及時發(fā)現、處理、預防重大事故起到非常關鍵而有效的作用。在線測溫取代了值班人員采用便攜式紅外熱像儀定期對設備進行紅外掃描測溫的方式，提高了工作效率，實時監(jiān)控主要設備的溫度，解決設備過熱無法被及時發(fā)現的問題。

3.5 全景展示

通過采用GIS和BIM三維地圖模型，在現有資源管理系統(tǒng)數據庫的基礎上，以三維虛擬現實的形式展現牽引變電所的運行情況，支持巡檢過程三維模型與設備實時視頻的同步展示；結合GIS，直觀呈現線路、所亭、供電設備及輔助監(jiān)控設備各類實時監(jiān)測數據、報警等信息。為應急決策、過程監(jiān)管、現場指揮提供一目了然的技術手段。

4 結語

本文結合南廣鐵路貴港牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)的實施，根據國鐵集團的相關規(guī)范標準，結合現場實際，在系統(tǒng)架構、設備選型、工程實施、界面設計等方面進行思考，對智能巡檢、智能識別、系統(tǒng)聯動、實景重構等系統(tǒng)功能進行設計，實現了系統(tǒng)巡檢代替人工巡檢，提高了巡檢的準確性和可靠性，避免了人工巡檢可能出現的錯檢、漏檢甚至作業(yè)事故。通過系統(tǒng)告警聯動、智能識別等功能的應用，全面提升了牽引變電所的智能化運維水平，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值。