智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)在贛深鐵路牽引變電所無(wú)人化中的應(yīng)用

趙文勝

0 引言

隨著我國(guó)鐵路事業(yè)的蓬勃發(fā)展，牽引變電所作為鐵路牽引供電系統(tǒng)的核心，其數(shù)量也在逐年增長(zhǎng)。如今，鐵路行業(yè)對(duì)“安全、智能、經(jīng)濟(jì)”的需求不斷加大，牽引供電系統(tǒng)減能增效、綠色環(huán)保，牽引變電所無(wú)人值班值守運(yùn)行模式等均成為必然發(fā)展趨勢(shì)。為此，國(guó)鐵集團(tuán)于2018—2020年發(fā)布了一系列關(guān)于鐵路牽引變電所實(shí)施無(wú)人化工作的技術(shù)條件與政策文件，要求今后新建牽引變電所需按照無(wú)人值守的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一次性建設(shè)完成，既有牽引變電所則按照無(wú)人值守的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)逐步進(jìn)行改造。

輔助監(jiān)控系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)牽引變電所無(wú)人值守的重要硬件基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)牽引變電所亭內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行環(huán)境、安全防范及火災(zāi)報(bào)警等信息的集中監(jiān)測(cè)，報(bào)警信息與動(dòng)力照明等設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)向調(diào)度端上傳告警信息及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。輔助監(jiān)控系統(tǒng)不僅完善了既有牽引供電系統(tǒng)“五遙”（遙控、遙信、遙測(cè)、遙調(diào)、遙視）功能，同時(shí)，在保證安全、可靠供電的前提下，能夠完成牽引變電所亭值班人員例行工作內(nèi)容，減少鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的維護(hù)成本、增加運(yùn)營(yíng)效益。本文結(jié)合贛深鐵路建設(shè)工程中輔助監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，重點(diǎn)闡述其系統(tǒng)框架、設(shè)備配置、功能實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容，探究輔助監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于無(wú)人值守牽引變電所亭的重要意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

輔助監(jiān)控系統(tǒng)以機(jī)器視覺(jué)為核心，集成各類(lèi)變電所輔助子系統(tǒng)，以各類(lèi)豐富的傳感器代替人眼、人耳，對(duì)牽引變電所內(nèi)環(huán)境和設(shè)備進(jìn)行綜合感知和控制。贛深鐵路采用輔助監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)牽引變電所亭內(nèi)環(huán)境及設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控[1]，其采用主站系統(tǒng)與被控站系統(tǒng)的層級(jí)架構(gòu)，系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 輔助監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

輔助監(jiān)控系統(tǒng)主站通過(guò)與遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，完善遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)既有的“五遙”功能；遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)輔助監(jiān)控系統(tǒng)收集更多的“人眼”、“人耳”信息，能夠制定更完備的各種突發(fā)故障處理方案。被控站系統(tǒng)安裝在電氣化鐵路沿線各變電所亭，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所內(nèi)設(shè)備的綜合輔助監(jiān)控，并通過(guò)鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，連同調(diào)度端輔助監(jiān)控單元形成一個(gè)結(jié)構(gòu)完整、聯(lián)系緊密的多級(jí)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。視頻監(jiān)控、安全防范、環(huán)境監(jiān)測(cè)、火災(zāi)消防、動(dòng)力照明控制、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)等子系統(tǒng)集成于所亭級(jí)輔助監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)[2]，各子系統(tǒng)可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景需求靈活配置，可擴(kuò)展性強(qiáng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)上充分考慮功能可靠性和運(yùn)維便捷性，遵循模塊化、層次化設(shè)計(jì)原則，并具備圖形化展示功能，滿足牽引變電所亭安全運(yùn)行和無(wú)人值守的技術(shù)要求。

2 輔助監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用效果

由于輔助監(jiān)控被控站系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)能夠展示被控站所有應(yīng)用效果，因此，主站系統(tǒng)的應(yīng)用效果在此不再贅述。如圖1所示，牽引變電所輔助監(jiān)控被控站采用分層式的系統(tǒng)架構(gòu)[3]，主要包含間隔層及站控層。間隔層由前端輔助設(shè)備、動(dòng)環(huán)測(cè)控裝置及視頻服務(wù)器組成，站控層包含綜合應(yīng)用服務(wù)器、交換機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)通信單元等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。所亭級(jí)輔助監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)集成了視頻監(jiān)控、視頻巡檢、安全防范、環(huán)境監(jiān)測(cè)、火災(zāi)消防、動(dòng)力照明控制、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)等子系統(tǒng)[4]，本節(jié)對(duì)各子系統(tǒng)實(shí)施方案與應(yīng)用效果進(jìn)行簡(jiǎn)述。

2.1 視頻監(jiān)控及巡檢

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)通過(guò)攝像機(jī)對(duì)牽引變電所的工作環(huán)境及所內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為運(yùn)維人員提供設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，便于及時(shí)檢修[5]。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)配置高清攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)（NVR）等設(shè)備。攝像機(jī)主要安裝于需要巡視的重點(diǎn)場(chǎng)所，如二次設(shè)備室、高壓室、室外設(shè)備區(qū)等。攝像機(jī)一般選用高清的高速球機(jī)，經(jīng)同軸電纜或光纜連接至輔助監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)柜中的NVR[6]。NVR通過(guò)局域網(wǎng)與智能輔助監(jiān)控平臺(tái)管理機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)視頻巡檢和聯(lián)動(dòng)控制等功能。監(jiān)控平臺(tái)可從NVR中調(diào)閱攝像機(jī)列表，具備錄像管理、實(shí)時(shí)圖像顯示、攝像機(jī)參數(shù)設(shè)置等功能。當(dāng)相關(guān)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)變化或產(chǎn)生告警信號(hào)時(shí)，監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送調(diào)用預(yù)置位的命令給 NVR，觸發(fā)攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)，同時(shí)采集和傳輸監(jiān)控目標(biāo)的視頻信息，并控制攝像機(jī)進(jìn)行變焦、轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)圖像切換、視頻錄像、回放及逐幀畫(huà)面搜索，實(shí)現(xiàn)靈活的報(bào)警聯(lián)動(dòng)視頻功能。

紅外熱成像測(cè)溫系統(tǒng)是視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的重要組成部分，如圖2所示，采用非接觸的方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度及其運(yùn)行狀態(tài)，使得在設(shè)備發(fā)生過(guò)熱故障時(shí)安全、精確、直接地定位故障點(diǎn)，有助于維護(hù)人員迅速采取措施，防止問(wèn)題進(jìn)一步擴(kuò)大，將設(shè)備故障消滅在萌芽狀態(tài)。紅外熱成像測(cè)溫系統(tǒng)能夠全天候監(jiān)視牽引變電所一次設(shè)備主導(dǎo)流回路，采集變壓器、互感器、避雷器、導(dǎo)線、線夾等設(shè)備的熱像圖譜，通過(guò)同類(lèi)比較判斷法、表面溫度判斷法、圖像特征判斷法等評(píng)估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并在達(dá)到警戒值時(shí)進(jìn)行告警。

圖2 實(shí)測(cè)熱成像

視頻巡檢子系統(tǒng)通過(guò)采用遠(yuǎn)程智能巡視的手段，模擬和代替人工對(duì)牽引變電所進(jìn)行巡視。系統(tǒng)主要采用固定的紅外攝像機(jī)、高清攝像機(jī)，或采用導(dǎo)軌式/輪式巡檢機(jī)器人搭載不同種類(lèi)的攝像機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所24 h不間斷巡視。

視頻巡檢子系統(tǒng)在獲得巡視對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)后，通過(guò)智能圖像識(shí)別，對(duì)牽引變壓器油位表上的刻度、氣壓表指針、戶內(nèi)高壓開(kāi)關(guān)柜的分/合指示牌等進(jìn)行信息處理和判斷。系統(tǒng)一旦識(shí)別出異常，可自動(dòng)報(bào)警。系統(tǒng)通過(guò)軌道上的局放檢測(cè)儀檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部放電現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜全方位的局部放電監(jiān)測(cè)。

2.2 智能控制

輔助監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)照明、風(fēng)機(jī)、水泵、空調(diào)、門(mén)禁、攝像頭等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，并根據(jù)用戶需求配置上述輔助生產(chǎn)設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系[7]。聯(lián)動(dòng)控制在下述事件觸發(fā)后啟動(dòng)：（1）開(kāi)關(guān)量變化：包含開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化、告警信號(hào)變化、設(shè)備其他狀態(tài)信息變化等；（2）遙測(cè)越限：測(cè)量值超出系統(tǒng)設(shè)定的閾值，產(chǎn)生越限事件；（3）遙控操作：對(duì)設(shè)備進(jìn)行遙控操作，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)閉合、設(shè)備狀態(tài)改變等。

觸發(fā)后可實(shí)現(xiàn)的聯(lián)動(dòng)功能如下[8]：（1）遙控：控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、啟停等；（2）遙調(diào)：調(diào)整設(shè)備的檔位或數(shù)值量，使其達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)；（3）攝像機(jī)移動(dòng)至預(yù)置位、開(kāi)啟錄像功能等；（4）如果 3D電子地圖中配置好事件觸發(fā)關(guān)聯(lián)場(chǎng)景，當(dāng)出現(xiàn)告警事件時(shí)，能將畫(huà)面切換到對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景，并對(duì)報(bào)警設(shè)備進(jìn)行動(dòng)畫(huà)顯示等。

觸發(fā)后對(duì)可聯(lián)動(dòng)的動(dòng)作序列可進(jìn)行編輯，可以觸發(fā)多個(gè)連續(xù)的動(dòng)作，并且可以制定動(dòng)作序列的啟動(dòng)和退出條件。

傳統(tǒng)的事故處理程序?yàn)椋汗收铣霈F(xiàn)—人為發(fā)現(xiàn)—人力解決，輔助監(jiān)控系統(tǒng)的智能控制功能將事故處理程序變?yōu)椋汗收铣霈F(xiàn)—智能聯(lián)動(dòng)，從根本上解決了發(fā)現(xiàn)故障難、處理故障慢的問(wèn)題。由人為預(yù)先配置的智能聯(lián)動(dòng)，將故障發(fā)生信號(hào)直接融合進(jìn)故障解決方案中，減少了人為控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各種異常及故障情況下的全面高效管控。

2.3 在線監(jiān)測(cè)

贛深鐵路配置的接地及回流智能監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)如圖3所示，通過(guò)接地網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元、牽引變壓器鐵心接地狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元、回流電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元及前端傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變電所內(nèi)變壓器鐵心接地電流、土壤腐蝕狀態(tài)、地網(wǎng)完整性以及牽引回流的在線監(jiān)測(cè)。前端設(shè)備的監(jiān)測(cè)信息通過(guò)后臺(tái)服務(wù)器存儲(chǔ)和顯示，并根據(jù)設(shè)定的閾值觸發(fā)告警。

圖3 接地及回流智能監(jiān)測(cè)設(shè)備布置

2.4 環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全防范、火災(zāi)消防

環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要包括溫/濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、水浸探測(cè)器、SF6氣體探測(cè)器、水泵遠(yuǎn)程控制器等設(shè)備[9]，主要監(jiān)測(cè)控制室、高壓室以及戶外的環(huán)境溫度和濕度，戶外風(fēng)力、雨量、雪量以及排水溝、電纜溝的積水情況和高壓室SF6氣體含量、氧氣含量等。

安全防范子系統(tǒng)設(shè)備主要有激光對(duì)射探測(cè)器、碎窗探測(cè)器、蜂鳴器等。激光對(duì)射探測(cè)器安裝于變電所圍墻；碎窗探測(cè)器安裝于二次設(shè)備室和高壓室的窗戶；蜂鳴器設(shè)置于所內(nèi)房屋外側(cè)。激光對(duì)射探測(cè)器、碎窗探測(cè)器和蜂鳴器均采用硬接點(diǎn)接線方式接入動(dòng)環(huán)裝置，實(shí)現(xiàn)圍墻翻入報(bào)警、變電所房屋玻璃破碎告警、人畜闖入時(shí)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)鳴笛報(bào)警等。報(bào)警信息與視頻子系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，有告警時(shí)，攝像機(jī)轉(zhuǎn)到告警位置，并啟動(dòng)錄像。

火災(zāi)消防子系統(tǒng)設(shè)備主要包含感煙及感溫探測(cè)器、手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕、纜式線型定溫感溫火災(zāi)探測(cè)器等。纜式線型定溫感溫火災(zāi)探測(cè)器將監(jiān)測(cè)位置設(shè)置在電纜夾層，各報(bào)警信號(hào)通過(guò)硬接點(diǎn)接線的方式接入動(dòng)環(huán)裝置，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)火災(zāi)安全監(jiān)測(cè)以及電纜夾層線纜的火災(zāi)安全監(jiān)測(cè)?；馂?zāi)告警信息自動(dòng)聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)，完成起火位置錄像，自動(dòng)斷電，自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)、風(fēng)機(jī)等[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合國(guó)鐵集團(tuán)相關(guān)的文件規(guī)范以及贛深鐵路牽引變電所亭無(wú)人化值守工程應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)了工程實(shí)施過(guò)程中輔助監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)配置、功能實(shí)現(xiàn)等整體方案，為牽引變電所亭無(wú)人化的推廣提供參考與借鑒。輔助監(jiān)控系統(tǒng)在牽引變電所亭內(nèi)的實(shí)施及應(yīng)用，替代了變電所人工值守模式，有效提升了牽引變電所亭的運(yùn)維水平，減少人力成本，契合變電所智能化的發(fā)展方向。