智能辅助监控系统在赣深铁路牵引变电所无人化中的应用

赵文胜

0 引言

随着我国铁路事业的蓬勃发展，牵引变电所作为铁路牵引供电系统的核心，其数量也在逐年增长。如今，铁路行业对“安全、智能、经济”的需求不断加大，牵引供电系统减能增效、绿色环保，牵引变电所无人值班值守运行模式等均成为必然发展趋势。为此，国铁集团于2018—2020年发布了一系列关于铁路牵引变电所实施无人化工作的技术条件与政策文件，要求今后新建牵引变电所需按照无人值守的相关标准一次性建设完成，既有牵引变电所则按照无人值守的相关标准逐步进行改造。

辅助监控系统作为实现牵引变电所无人值守的重要硬件基础，通过对牵引变电所亭内设备运行状态、运行环境、安全防范及火灾报警等信息的集中监测，报警信息与动力照明等设备的联动控制，实现向调度端上传告警信息及设备运行状态。辅助监控系统不仅完善了既有牵引供电系统“五遥”（遥控、遥信、遥测、遥调、遥视）功能，同时，在保证安全、可靠供电的前提下，能够完成牵引变电所亭值班人员例行工作内容，减少铁路运营过程中的维护成本、增加运营效益。本文结合赣深铁路建设工程中辅助监控系统的实际应用，重点阐述其系统框架、设备配置、功能实现等内容，探究辅助监控系统对于无人值守牵引变电所亭的重要意义。

1 系统架构

辅助监控系统以机器视觉为核心，集成各类变电所辅助子系统，以各类丰富的传感器代替人眼、人耳，对牵引变电所内环境和设备进行综合感知和控制。赣深铁路采用辅助监控系统实现了对牵引变电所亭内环境及设备的状态监控[1]，其采用主站系统与被控站系统的层级架构，系统架构见图1。

图1 辅助监控系统架构示意图

辅助监控系统主站通过与远动监控系统进行信息交互，完善远动监控系统既有的“五遥”功能；远动监控系统通过辅助监控系统收集更多的“人眼”、“人耳”信息，能够制定更完备的各种突发故障处理方案。被控站系统安装在电气化铁路沿线各变电所亭，实现对变电所内设备的综合辅助监控，并通过铁路数据通信网络，连同调度端辅助监控单元形成一个结构完整、联系紧密的多级联网系统。视频监控、安全防范、环境监测、火灾消防、动力照明控制、设备在线监测等子系统集成于所亭级辅助监控系统平台[2]，各子系统可根据应用场景需求灵活配置，可扩展性强。系统设计上充分考虑功能可靠性和运维便捷性，遵循模块化、层次化设计原则，并具备图形化展示功能，满足牵引变电所亭安全运行和无人值守的技术要求。

2 辅助监控系统的应用效果

由于辅助监控被控站系统的监控平台能够展示被控站所有应用效果，因此，主站系统的应用效果在此不再赘述。如图1所示，牵引变电所辅助监控被控站采用分层式的系统架构[3]，主要包含间隔层及站控层。间隔层由前端辅助设备、动环测控装置及视频服务器组成，站控层包含综合应用服务器、交换机、远动通信单元等网络设备。所亭级辅助监控系统平台集成了视频监控、视频巡检、安全防范、环境监测、火灾消防、动力照明控制、设备在线监测等子系统[4]，本节对各子系统实施方案与应用效果进行简述。

2.1 视频监控及巡检

视频监控子系统通过摄像机对牵引变电所的工作环境及所内设备运行状态进行实时监控，为运维人员提供设备当前的状态，便于及时检修[5]。视频监控子系统配置高清摄像机、网络视频录像机（NVR）等设备。摄像机主要安装于需要巡视的重点场所，如二次设备室、高压室、室外设备区等。摄像机一般选用高清的高速球机，经同轴电缆或光缆连接至辅助监控系统机柜中的NVR[6]。NVR通过局域网与智能辅助监控平台管理机通信，实现视频巡检和联动控制等功能。监控平台可从NVR中调阅摄像机列表，具备录像管理、实时图像显示、摄像机参数设置等功能。当相关监控设备状态变化或产生告警信号时，监控平台发送调用预置位的命令给 NVR，触发摄像机联动，同时采集和传输监控目标的视频信息，并控制摄像机进行变焦、转动，通过图像切换、视频录像、回放及逐帧画面搜索，实现灵活的报警联动视频功能。

红外热成像测温系统是视频监控子系统的重要组成部分，如图2所示，采用非接触的方式实时监测设备温度及其运行状态，使得在设备发生过热故障时安全、精确、直接地定位故障点，有助于维护人员迅速采取措施，防止问题进一步扩大，将设备故障消灭在萌芽状态。红外热成像测温系统能够全天候监视牵引变电所一次设备主导流回路，采集变压器、互感器、避雷器、导线、线夹等设备的热像图谱，通过同类比较判断法、表面温度判断法、图像特征判断法等评估设备的运行状态，并在达到警戒值时进行告警。

图2 实测热成像

视频巡检子系统通过采用远程智能巡视的手段，模拟和代替人工对牵引变电所进行巡视。系统主要采用固定的红外摄像机、高清摄像机，或采用导轨式/轮式巡检机器人搭载不同种类的摄像机等设备，实现对变电所24 h不间断巡视。

视频巡检子系统在获得巡视对象的标准图谱数据库后，通过智能图像识别，对牵引变压器油位表上的刻度、气压表指针、户内高压开关柜的分/合指示牌等进行信息处理和判断。系统一旦识别出异常，可自动报警。系统通过轨道上的局放检测仪检测开关柜内部放电现象，可实现开关柜全方位的局部放电监测。

2.2 智能控制

辅助监控系统可实现对照明、风机、水泵、空调、门禁、摄像头等设备的远程控制，并根据用户需求配置上述辅助生产设备间的联动关系[7]。联动控制在下述事件触发后启动：（1）开关量变化：包含开关状态变化、告警信号变化、设备其他状态信息变化等；（2）遥测越限：测量值超出系统设定的阈值，产生越限事件；（3）遥控操作：对设备进行遥控操作，导致开关闭合、设备状态改变等。

触发后可实现的联动功能如下[8]：（1）遥控：控制设备的开关状态、启停等；（2）遥调：调整设备的档位或数值量，使其达到目标状态；（3）摄像机移动至预置位、开启录像功能等；（4）如果 3D电子地图中配置好事件触发关联场景，当出现告警事件时，能将画面切换到对应的场景，并对报警设备进行动画显示等。

触发后对可联动的动作序列可进行编辑，可以触发多个连续的动作，并且可以制定动作序列的启动和退出条件。

传统的事故处理程序为：故障出现—人为发现—人力解决，辅助监控系统的智能控制功能将事故处理程序变为：故障出现—智能联动，从根本上解决了发现故障难、处理故障慢的问题。由人为预先配置的智能联动，将故障发生信号直接融合进故障解决方案中，减少了人为控制环节，实现各种异常及故障情况下的全面高效管控。

2.3 在线监测

赣深铁路配置的接地及回流智能监测子系统如图3所示，通过接地网状态监测单元、牵引变压器铁心接地状态监测单元、回流电缆状态监测单元及前端传感器，实现对牵引变电所内变压器铁心接地电流、土壤腐蚀状态、地网完整性以及牵引回流的在线监测。前端设备的监测信息通过后台服务器存储和显示，并根据设定的阈值触发告警。

图3 接地及回流智能监测设备布置

2.4 环境监测、安全防范、火灾消防

环境监测子系统主要包括温/湿度传感器、风速传感器、水浸探测器、SF6气体探测器、水泵远程控制器等设备[9]，主要监测控制室、高压室以及户外的环境温度和湿度，户外风力、雨量、雪量以及排水沟、电缆沟的积水情况和高压室SF6气体含量、氧气含量等。

安全防范子系统设备主要有激光对射探测器、碎窗探测器、蜂鸣器等。激光对射探测器安装于变电所围墙；碎窗探测器安装于二次设备室和高压室的窗户；蜂鸣器设置于所内房屋外侧。激光对射探测器、碎窗探测器和蜂鸣器均采用硬接点接线方式接入动环装置，实现围墙翻入报警、变电所房屋玻璃破碎告警、人畜闯入时现场自动鸣笛报警等。报警信息与视频子系统联动，有告警时，摄像机转到告警位置，并启动录像。

火灾消防子系统设备主要包含感烟及感温探测器、手动火灾报警按钮、缆式线型定温感温火灾探测器等。缆式线型定温感温火灾探测器将监测位置设置在电缆夹层，各报警信号通过硬接点接线的方式接入动环装置，实现室内火灾安全监测以及电缆夹层线缆的火灾安全监测。火灾告警信息自动联动摄像机，完成起火位置录像，自动断电，自动关闭空调、风机等[5]。

3 结语

本文结合国铁集团相关的文件规范以及赣深铁路牵引变电所亭无人化值守工程应用实例，总结了工程实施过程中辅助监控系统架构、系统配置、功能实现等整体方案，为牵引变电所亭无人化的推广提供参考与借鉴。辅助监控系统在牵引变电所亭内的实施及应用，替代了变电所人工值守模式，有效提升了牵引变电所亭的运维水平，减少人力成本，契合变电所智能化的发展方向。