辅助监控系统在既有高速铁路工程中的应用

胡金东

0 引言

随着我国铁路建设事业的突飞猛进，作为电气化铁路“心脏”的牵引变电所数量剧增。当下，铁路行业朝着“安全、高效、经济、绿色、智能”方向发展，牵引变电所的无人值守成为必然趋势。为此，原中国铁路总公司颁布了《牵引供变电所实施无人值班值守工作的指导意见》（工电函[2018]101号）以及《牵引变电所辅助监控系统暂行技术条件》（铁总科信[2018]144号）等文件，推进牵引变电所无人值守工作的有序开展。

辅助监控系统通过对牵引变电所内视频监控及巡检、环境监测、安全防范、火灾报警、动力照明控制等部分或全部辅助设备信息的集成，实现信息共享、告警联动等功能，为牵引变电所集中监控和运维提供支撑。本文结合辅助监控系统在高速铁路工程中的实际应用，从系统架构、设备选型、方案实施、界面设计等方面进行探索，使系统具备智能巡检、智能识别、系统联动、实景重构等功能，能很好地满足牵引变电所无人值守的需求。

1 辅助监控系统

辅助监控系统充分利用前沿人工智能、深度学习等技术，实现牵引变电所管控由“人防”到“技防”的革命性转变；在“横向融合、纵向贯通”的设计原则下，打破与SCADA等系统之间的壁垒，实现资源共享，并利用物互联技术，将海量全息感知数据实时汇入智能处理中心；实现智能巡检、智能预警、综合监控、协调联动等功能；形成局、段、牵引变电所三级架构（图1），构建牵引变电所安全、高效、绿色、经济、智能的运营模式。

图1 辅助监控系统架构

1.1 主站系统

辅助监控主站系统包括局级和段级两级主站系统。局级辅助监控主站系统主要与SCADA系统功能深度融合，为SCADA系统提供遥视功能，包括报警推图、操作联动及手动调阅视频图像等功能。段级辅助监控主站系统提供全景展示、智能巡检管理与执行、控制及联动管理、综合分析等功能。主站系统主要设备包括流媒体、图像存储、通信及应用、接口、NTP（网络时间服务器）、病毒防护、网络安全等服务器；数据处理网、存储网及数据采集网等局域网络设备；防火墙、磁盘阵列、维护工作站等。局级辅助监控主站系统如图2所示。

图2 局级辅助监控主站系统

1.2 系统网络

辅助监控系统分别部署在局级、段级、牵引变电所，并可在车间部署辅助监控复示终端。各级辅助监控区及复示终端间的数据通信利用数据网的6C VPN承载。具体如下：局级辅助监控通道采用冗余配置，网络带宽不应低于100 Mbps；段级辅助监控区至各被控站点间应设置辅助监控通道，采用冗余配置，通过数据网承载并利用传输专线向区间被控站点延伸。其中，各被控站点接入传输专线的带宽不应低于20 Mbps，且该专线挂接被控站的数量不宜大于10个；段至车间可设置辅助监控复示通道，承载辅助监控复示信息，通道带宽不应低于20 Mbps；区间至车站（或通信站）的辅助监控通道宜采用以太网总线方式组网。辅助监控系统通道总线汇聚如图3所示。

图3 牵引辅助监控通道总线汇聚

1.3 被控站系统

在牵引变电所内，辅助监控被控站系统（图4）提供完备的视频监控及巡检、环境监测、安全防范、火灾报警、动力照明控制等设备设施，实现牵引变电所各类辅助监控信息的采集、分析与上传，以及设备的控制及联动。监控信息主要包括：（1）视频监控及巡检信息：实时视频流数据、巡检照片、语音对话、自检信息、告警信息等；（2）安全防范信息：所内门禁、红外双鉴/三鉴、激光对射、玻璃破碎等告警信息、自检信息等；（3）火灾报警信息：火灾处理单元的现场探测信息、设备自检信息等；（4）环境监控信息：温/湿度传感器、水浸传感器、SF6监测传感器、空调等设备运行信息、告警信息及自检信息；（5）动力照明设备信息：灯光控制器、水泵、风机等动力照明设备的运行信息。

图4 牵引变电所辅助监控被控站系统

2 贵港变电所辅助监控系统实施方案

南广铁路贵港牵引变电所辅助监控被控站系统包含视频监控及巡检、安全防范及门禁、环境监测、火灾报警、动力照明控制等子系统。系统采用分层架构，主要由间隔层和站控层设备组成，间隔层包括动环测控装置、视频服务器和前端辅助设备，站控层包括综合应用服务器、网络设备等。为满足沿线低带宽、低延时的应用需求，辅助监控系统采用所内NVR（网络视频摄像机）连续存储，主站访问时才建立调阅传输通道，从而有效解决海量数据实时传输的瓶颈；对于报警、遥视、巡检照片、联动录像等重要信息，在存储于所内NVR的同时，主动推送至主站进行存储，从而有效降低系统的延时；集团、段、所使用流媒体服务器实现音视频的分发，当多个客户端从流媒体服务器取流调取1路视频时，主站流媒体服务器与被控站NVR之间只占用1路视频带宽，从而有效解决了主站众多用户同时访问同所重要消息时产生的回传带宽问题；在网络严重拥塞时，系统自动采用子码流降低清晰度进行传输，以满足实时应用需求。

2.1 视频监控及巡检子系统

视频监控及巡检子系统由高清摄像机、热成像测温摄像机、激光远望摄像机、汇聚交换机、视频服务器及智能巡检服务器等组成。通过前端安装的高性能摄像机及监控网络，对牵引变电所重点需要监控的一二次设备，即变压器、断路器、隔离开关、接地刀闸、压互、流互、避雷器、高压柜、保护屏等的运行状态通过视频记录集中发送到当地的视频服务器，并通过网络进行远程传送，从而构成实时动态的远程视频监控体系，即使变电所现场无人值班值守，其运行状态也能及时地传送给远端的调度人员，调度人员可对现场设备的运行状态进行有效准确的掌握及判断，对各种突发状况能够采取及时有效的应对措施，从而实现变电所高效操控和安全运行。

根据贵港牵引变电所现场平面布置和设备布局情况，本次建设部署的各类型摄像机数量和安装点位包含变电所周界区域、220 kV进线区域、牵引变区域、27.5 kV母线区域、27.5 kV馈线区域、线路接触网区域、主控制室等。

2.2 安全防范及门禁子系统

贵港牵引变电所既有的视频安全监控系统部署了一些安防探测器，但设备投运已久，报警可靠性降低，本次辅助监控系统建设直接新建部署安全防范探测器，包括电子围栏、红外对射、红外双鉴、玻璃破碎探测、门禁管理等。

2.3 环境监测子系统

微气象站：在生产房屋屋顶设置1台多要素微气象站，与网络号角扬声器安装在一起，实时监测变电所外部环境数据，主要包括温度、湿度、风速、风向、大气压、降雨量、光照强度等气象数据，通过RS485总线将数据接入动环测控通信管理装置，实现户外设备工作环境监测预警。

主控室温湿度监控：在主控制室设置1只温湿度控制器，导轨安装在墙面合适位置，同时联动控制室内风机，并通过RS485总线将数据接入动环测控通信管理装置，实现主控制室内设备工作环境监测预警和风机自动控制。

集中接地箱温度监测：在集中接地箱各回流电缆接头处及母排安装无线温度传感器，汇聚柜内设置无线测温收发器，收发器进行传感器数据汇总并通过RS485总线接入动环测控通信管理装置，实现集中接地箱电缆接头工作温度的在线监测和实时预警。

电缆水浸监测：在牵引变电所户外电缆沟低洼处和生产房屋电缆夹层入口处设置水浸传感器，监测电缆沟和电缆夹层积水情况，监测到水位异常即报警。报警信号就近接入I/O模块并通过RS485总线上传至动环测控通信管理装置。

2.4 火灾报警子系统

贵港牵引变电所当前投运的气体灭火系统运行状态良好，通过在气体灭火控制器旁增加1台联动型火灾报警控制器，先通过CAN联网接口与气体灭火控制器联网，再通过RS232集成接口将火警、故障、动作等消防信息接入动环测控通信管理装置，实时监测关键设备区域的火灾情况。辅助监控系统通过火灾报警系统与气体灭火装置、监控摄像机、设备电源等的高效联动，能够及时预警和有效控制变电所火灾，降低安全风险。

2.5 动力照明控制子系统

动力照明控制子系统主要包括照明控制、风机控制、空调控制、水泵控制等，系统按照设定事项（如温度、湿度、风速、水浸等环境参数报警）自动对变电所各类辅助动力设备进行启/停控制，工作人员也可以通过辅助监控系统远程操作控制设备的启动和停止。

3 实施效果

辅助监控系统的实际应用不仅满足无人巡检条件下达到人工现场巡视的效果，而且还要扫除人工巡视的盲区，为远程操控人员提供更加科学的判断依据，利用技术手段实现变电所在无人值守的情况下安全、高效、智能、绿色、经济地运行。

3.1 全方位监控

在牵引变电所所有一次设备和关键二次设备区域部署高清云台摄像机，对设备外观和指示表计进行监控；部署测温型双目云台摄像机，对设备工作温度进行测量，实时测温报警。同时改造了安全防范及门禁、环境传感、火灾报警、动力照明控制等监控设备，全面监控供电设备运行状态，满足现场应用需求。科学规划摄像机点位及预置位，提供完善的自动巡检、人工远程巡检及自定义巡检等功能，实现变压器、隔离开关、高压母线、避雷针、蓄电池组、流互、压互等设备设施重点部位的周期性、全方位的巡检和告警，自动生成巡检报告。

3.2 智能识别

对牵引变压器油位刻度、户外高压断路器分/合指示牌、隔离开关状态、户内高压开关分/合指示牌、指示灯、各类仪表及各类设备外观图像进行智能分析和报警，并对安防信息进行图像智能复核，消除误报。发现监控画面中的异常情况，能以最快的方式发出警报，从而更加有效地协助工作人员预先发现缺陷，并最大限度地减少误报和漏报。

3.3 监控联动

辅助监控系统集成了各种报警、控制协议，可采集模拟量信号、开关量信号、总线信号，支持其他子系统的可靠接入，可以对环境监测、安全防范、门禁、消防等子系统进行集成。系统集成改变了各系统独立运行的局面，可与SCADA系统联动，在操作开关设备或发生事故跳闸时联动摄像机，实现多角度实时视频监控；并可自由设置所内动环、安防、火灾报警等辅助设备之间的联动关系，实现各种异常及故障情况下的高效管控。

3.4 在线测温

对电气设备和线路的热缺陷进行探测，如变压器、套管、断路器、刀闸、互感器、电容器、避雷器、母线、导线等，对及时发现、处理、预防重大事故起到非常关键而有效的作用。在线测温取代了值班人员采用便携式红外热像仪定期对设备进行红外扫描测温的方式，提高了工作效率，实时监控主要设备的温度，解决设备过热无法被及时发现的问题。

3.5 全景展示

通过采用GIS和BIM三维地图模型，在现有资源管理系统数据库的基础上，以三维虚拟现实的形式展现牵引变电所的运行情况，支持巡检过程三维模型与设备实时视频的同步展示；结合GIS，直观呈现线路、所亭、供电设备及辅助监控设备各类实时监测数据、报警等信息。为应急决策、过程监管、现场指挥提供一目了然的技术手段。

4 结语

本文结合南广铁路贵港牵引变电所辅助监控系统的实施，根据国铁集团的相关规范标准，结合现场实际，在系统架构、设备选型、工程实施、界面设计等方面进行思考，对智能巡检、智能识别、系统联动、实景重构等系统功能进行设计，实现了系统巡检代替人工巡检，提高了巡检的准确性和可靠性，避免了人工巡检可能出现的错检、漏检甚至作业事故。通过系统告警联动、智能识别等功能的应用，全面提升了牵引变电所的智能化运维水平，大大减少了人力、物力成本，很好地满足了牵引变电所无人值守的需求，契合了智能变电所的发展方向，在后期高速铁路智能化改造工程中有一定的推广价值。