高速铁路牵引变电所亭无人化方案设计研究

郭晓旭

0 引言

中国高速铁路通过十几年的迅速发展，已形成“四纵四横”高铁网。截至2019年年底，中国高速铁路运营里程已达3.5万公里以上，稳居世界第一[1]。牵引变电所作为高速铁路的“心脏”，对高速铁路安全、可靠、高效运营发挥着重要作用。牵引变电所的安全监测急需完整、系统、智能、人性化的解决办法[2]。

在既有高速铁路项目中，牵引变电所、开闭所均采用无人值班有人值守的模式，分区所和AT所采用无人值班无人值守的模式，每座牵引变电所、开闭所配置定员4人，人力资源投入较大。随着我国高速铁路运营里程的不断增加，节省人力资源和提质增效的需求更加迫切。为实现国铁集团电力牵引供电节支降耗、改革创新要求，牵引变电所、开闭所、分区所和AT所采用无人值班无人值守模式，既可以将大量的值守定员转为供电检修定员，减缓和节约各路局的运检压力及运营成本，又可以通过各类监测检测装置保证牵引变电所、开闭所、分区所和AT所各型设备安全可靠运行。

近期，国铁集团要求按照统一规划、统一标准、兼顾差异、分步实施的原则，做好铁路牵引变电所亭无人化实施工作。本文研究高速铁路不同建设阶段牵引变电所亭无人化设计方案，为推广实施牵引变电所亭无人化改造提供技术参考。

1 无人化设计总体方案

2018年9月7日，中国国家铁路集团有限公司发布了《牵引供变电所实施无人值班值守工作的指导意见》，要求各建设单位、运营单位、设计单位结合实际情况，在满足牵引变电所辅助监控系统暂行技术条件的前提下，在牵引变电所、开闭所、分区所、AT所实施采用无人值班、无人值守模式。

牵引变电所亭无人化方案设计应在传统牵引变电所亭设计方案基础上，加强安保、远程监控、远程监视功能，即在房屋土建方案、电气主接线、辅助监控、设备在线监测等方面进行详细设计，总体方案架构如图1所示。

图1 牵引变电所亭无人化方案

2 房屋土建方案

实现牵引变电所、开闭所、分区所、AT所的无人值守要求相应建筑物具有防盗反恐功能，具体方案如下：

（1）安装与围墙等高、具有防盗功能（不通透）的304型不锈钢材质院门，上加内外翻45°角尖刺，门锁应具备防盗防拆功能。

（2）实体围墙高度不应低于2.5 m，围墙上部应安装高度不小于50 cm（其中20 cm向外45°倾斜）的金属防护网，围墙上部应设周界入侵探测器。周界入侵探测器优先采用激光对射技术，远期可考虑采用红外双鉴、感应报警式电子围栏等技术。

（3）所内建筑物一楼应少设门窗，对于必要的门窗，应装设实体防护措施，采用防盗窗、防小动物进入的措施等。

3 电气主接线加强

无人值守的变电所亭要求所亭内相关开关设备需具备远程控制功能，且对综合自动化系统的功能提出更高要求：

（1）综合自动化系统需具备远方投切保护、召唤及修改定值、压互二次回路投切等功能，备自投应具有远方复归、重启通信管理机等功能；

（2）电压互感器、所用变压器回路的隔离开关需采用电动操作机构，并纳入综合自动化及远动控制系统；

（3）所内交直流屏及动力配电屏的空气开关均纳入远动控制；

（4）两回电压互感器回路应设电压继电器监视电压状态，并将信息上传远动系统。

综合自动化系统远传单元通信管理机的故障自启动原则上不纳入辅助监控系统。

4 辅助监控系统

4.1 总体要求

牵引变电所、开闭所、分区所、AT所辅助监控信息上传至铁路局供电调度所，搭建调度Ⅱ区（即辅助监控区），同时辅助监控系统信息上传到供电段主站系统，并复示给相关供电车间。

牵引变电所、开闭所、分区所、AT所采用两路20 Mbit/s带宽的辅助监控通道接入邻近车站；调度所主站、供电段主站接入数据网的带宽不低于100 Mbit/s，供电段至供电车间的辅助监控复示通道带宽不低于20 Mbit/s。

牵引变电所、开闭所、分区所、AT所辅助监控系统由视频监控及巡检、安全防范及门禁、环境监测、火灾报警、动力照明控制、设备在线监测等子系统及相关平台软硬件组成[3]，整体架构分为站控层、接入层、间隔层，如图2所示；实现对全所设备/设施的视频监控、巡视、环境信息采集报警、信息共享联动等功能，满足无人值守、远程监视牵引变电所的需求，各子系统按照适用经济的原则配置设备。

图2 辅助监控系统架构

为保证设备配置的经济性，辅助监控系统中监控、巡检摄像头应充分信息共享；在对既有牵引变电所亭无人化改造时，需充分利用既有安全监控系统设备，从而节约建设投资。此外，摄像机布置还需考虑美观、节约电缆及工程投资等，摄像头安装时，首先考虑既有围墙、架构、房屋等构筑物的可利用性，必须立杆安装的应满足电气安全距离要求，采用高杆时还需校核避雷针雷电防护范围。

4.2 视频监控及巡检子系统

视频监控及巡检子系统包括室内摄像机、室外摄像机、视频服务器等设备。视频监控摄像机按满足安全防范要求配置，巡检摄像机按照满足无人值守的要求配置。

4.2.1 摄像机配置的具体原则

（1）为清晰辨识人员体貌特征、进出机动车外观和号牌，辨别监控范围内人员活动情况，安防监控摄像机需满足大范围高清监视要求，具备区域入侵侦测、越界侦测、移动侦测等侦测功能。

（2）为满足安全防范要求，摄像机应能够全天候监视牵引变电所亭主要设备区域，能够辨识设备是否悬挂异物、是否严重破损等外观状态。

（3）为满足无人值守要求，摄像机需满足设备外观监视、巡视及应急指挥的基本需求；支持全天候及恶劣天气情况下巡视所内主变压器、高压设备、开关柜等设备运行状态。因此，巡检摄像机应能够清晰监视仪表指针和读数，可采用高速球形摄像机或枪式摄像机，对于变压器油面温控器等单一的仪表，结合经济性要求可采用枪式摄像机。

（4）为监视牵引变电所主导流回路设备的能力，可配置红外测温摄像机，每台红外测温摄像机应能监视一个供电回路的设备。

4.2.2 安防监控视频摄像机配置分析

在既有的综合视频监控设备基础上适当补强监控摄像机，全面监视变电所围墙、大门、设备区、房屋等区域，对非法侵入进行监视，以保障变电所场地及周围环境的安全。全所配置1台室外全景摄像机。

4.2.3 不同巡检对象的摄像机配置分析

为精准巡检，将牵引变电所亭按物理位置划分为高压进线区、变压器区、控制室、馈线室内外区、电缆夹层区进行摄像机配置，具体区域的巡检对象及相应摄像机配置如图3所示。

4.2.4 主导流回路的摄像机配置分析

（1）高压进线区域建议配置3台红外测温摄像机，监测进线侧互感器、避雷器、线夹、隔离开关触头等处的温度。

（2）对于27.5 kV配电装置采用室外布置的牵引变电所，建议配置2台红外测温摄像机，监测馈线侧互感器、避雷器、线夹、隔离开关触头等处的温度。

4.2.5 视频监控及巡检子系统算法需求分析

视频监控及巡检子系统一般利用图像识别技术、表面温度判断法、同类比较判断法、图像特征判断法判断运行状态是否正常，同时需具备与其他子系统进行报警联动的功能，从而满足运行管理对安全、巡视的需求。

图3 不同巡检对象的摄像机配置

系统利用固定巡检摄像机、红外测温摄像机、轨道巡检机器人、轮式巡检机器人，结合摄像机的预置位，按照所内巡视标准线路制定巡检计划，可手动或按时自动执行巡检计划。巡检过程中利用图像智能识别方法判断设备运行状态，每个巡检项目需形成相应的巡检记录。记录需包含本次巡检设备的运行状态、外观状态、相关部件温度等信息，在此基础上形成电子巡检报告。报告需涵盖巡检内容及巡检正常或异常结果图片，并存储于系统供上级管理人员确认。

4.3 环境监测子系统

4.3.1 配置分析

（1）牵引变电所亭室外需设置微气象站，采集环境温度、相对湿度、雨量、风速、雪量等基本气象参数。

（2）对于高压室、控制室等重要设备房间，每个房间建议配置1或2套温湿度传感器。含有SF6气体设备的高压配电室及电缆夹层需配置SF6探测器，SF6探测器应低位布置。电缆井、电缆沟等易积水区域应配置水浸传感器及水位传感器。

4.3.2 数据传输需求分析

（1）温湿度、气体传感器采集温湿度、气体信息，通过通信管理单元上传到综合应用服务器，使温湿度及气体数据实时在监控平台显示，温湿度、气体数据达到设定阈值时，综合测控装置可按照联动策略执行相关联动控制。

（2）风速传感器可准确测量空气流速，仪器内的转速传感器具备将风速数据上传到综合应用服务器的功能，从而将风速数据实时显示在监控平台上；此外，风速超过阈值时，站端系统能够上送报警信息，并做出联动处理，打开灯光，可利用摄像机查看场地状况。

（3）电缆沟内的水浸传感器可通过将开关量或输出报警信号传送给综合应用服务器；当水浸探测器发出报警时，综合测控装置能够启动智能控制流程，同时启动抽水泵排水。

4.4 安全防范及门禁子系统

4.4.1 配置分析

（1）围墙布置的周界入侵探测器宜采用激光对射技术，实现入侵破坏前的预警；对于其他形式的探测器应以报警并防止人身伤害为设计原则。

（2）控制室、高压室等出入口宜配置红外双鉴探测器；变电所入口大门应配置门禁；高压室、控制室、通信室大门可配置门禁；高压室、控制室、通信室窗户宜配置玻璃破碎探测器。

4.4.2 监测设备特征需求分析

（1）激光对射报警系统需具有不同的防区，当检测到入侵事件时，报警主机能够输出相应防区的报警信息到综合测控装置；综合测控装置能够将报警信息上传至综合应用服务器，并可根据预置规则联动相应功能：触发声光报警器，联动相应的灯光照明，调用摄像机预置位，启动录像等。

（2）系统能够针对牵引变电所周界场所特征，结合各种探测和传感技术的综合应用，实时展示安防设备的工作状态、告警状态，并可对安防设备进行布防和撤防，实现入侵破坏前的预警，并对非法侵入进行提示警告。

4.5 火灾报警子系统

火灾报警子系统可结合房建设施划分火灾探测区域，可分为高压室、控制室、电缆夹层等区域；火灾探测区域宜配置感温、感烟探测器。

4.6 动力照明控制子系统

动力照明控制子系统包括风机、水泵、灯光、空调等设备的控制回路及控制器。灯光控制可分组实现控制功能，其他设备控制宜设置为一对一控制。

5 智能牵引变电所亭在线监测

智能牵引变电所亭内设备的在线监测需满足智能化需求。牵引变压器、断路器、隔离开关、互感器、避雷器、GIS开关柜等设备均需配置智能组件，实现对上述设备运行状态的在线监测，设备监测点布局如图4所示。

图4 智能牵引变电所亭内设备监测点布局

结合图2可以看出，在线监测信息通过接入层上传至站控层的综合应用服务器的站端监测单元。站端监测单元由监测单元和通信管理单元构成。智能组件采集各类监测数据后建议以DL/T 860通信协议向监测单元传送。

站端监测单元的职能是获取、处理及转发所有状态监测数据，并具有数据分析诊断、监测预警及与综合应用服务器各类信息的综合展示和联动功能；具备对所有监测设备的监控管理功能。

以变压器智能组件柜为例，该智能组件柜需实现对变压器各在线监测单元采集传输数据的处理分析。牵引变压器故障判别流程可分为3个部分：（1）对原始数据的处理；（2）采用智能分析方法，如深度神经网络、机器学习等方法进行特征分析；（3）基于上述特征分析研究故障判据，对变压器异常状态进行识别。

6 结语

牵引变电所亭无人值班、无人值守工作在2018年就已开展，但由于无人值守变电所内设备类型及其故障状态种类繁多， 大多数运行中的变电所处于正常运行状态，设备的故障状态往往需要较长周期积累，既有的方案设计缺乏统一性、普适性。本文详细研究了高速铁路牵引变电所亭无人化设计方案，从房屋土建方案、电气主接线、辅助监控、设备在线监测方面开展监测设备配置研究、监测设备性能需求分析，为推动牵引变电所亭无人化发展提供技术参考。