牽引變電所智能安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研究

曾慶釗， 劉　巍， 張　浩， 侯啟方

(1　天津凱發(fā)電氣股份有限公司， 天津 300392；2　中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司， 西安 710043)

作為軌道交通供電系統(tǒng)的重要設(shè)施，牽引變電所的運行安全直接影響到整個系統(tǒng)的正常運行，因此對牽引變電所運行安全的實時監(jiān)控十分必要。牽引變電所的安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、遠程控制和智能聯(lián)動等幾大組成部分，其內(nèi)容涵蓋了計算機、傳感器、新材料、信息處理、網(wǎng)絡(luò)通信、電氣缺陷特征分析、圖像智能識別、光機電一體化等多個領(lǐng)域、多個學科的高端技術(shù)的交叉研究、開發(fā)和應用。隨著相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，各種監(jiān)控產(chǎn)品也層出不窮，但目前的安全監(jiān)測系統(tǒng)都存在各自為政、缺乏聯(lián)系、功能匱乏、操作生硬的缺陷，急需完整、系統(tǒng)、智能、人性化的解決辦法，尚未存在針對牽引變電所的完整的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)[1-2]。

1　牽引變電所智能安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成及架構(gòu)

為了實現(xiàn)對牽引變電所的全面智能安全監(jiān)控，考慮到與其他系統(tǒng)的無縫連接。系統(tǒng)的設(shè)計采用IEC 61850標準定義的變電站自動化系統(tǒng)架構(gòu)，分為過程層、間隔層和站控層，并可實現(xiàn)IEC 61850客戶端和服務器端的基本功能[3-5]。

過程層實現(xiàn)現(xiàn)場終端傳感設(shè)備的信號采集、測量、控制。主要包括綜合測控裝置、變壓器熱過負荷保護裝置、接觸網(wǎng)熱過負荷保護裝置、環(huán)境監(jiān)測裝置、攝像機等信號采集、測量、控制裝置；間隔層主要完成信息采集、處理、傳輸、通道切換、信息遠傳、系統(tǒng)對時等任務，包括通信管理單元和通信切換單元；站控層實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的五防操作、數(shù)據(jù)圖像顯示、記錄、視頻聯(lián)動、智能自動控制等任務。監(jiān)控系統(tǒng)配置有多種通信規(guī)約和通信接口，便于其他智能設(shè)備納入監(jiān)控系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。系統(tǒng)裝置通信部分由以太網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)現(xiàn)場總線組成，通信媒介包括網(wǎng)線、光纖等。

統(tǒng)一的系統(tǒng)把環(huán)境、視頻、火災消防、采暖通風、照明、SF6、安全防范、門禁、熱過負荷、在線監(jiān)測等所有功能及檢測量在監(jiān)控系統(tǒng)主界面上進行一體化顯示和控制。系統(tǒng)內(nèi)的熱過負荷監(jiān)測子系統(tǒng)、在線監(jiān)測子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、門禁控制子系統(tǒng)、空調(diào)及設(shè)備控制子系統(tǒng)、安全防范子系統(tǒng)、消防報警子系統(tǒng)、SF6監(jiān)測報警子系統(tǒng)等各子系統(tǒng)之間通過設(shè)置進行聯(lián)動。所有能采集到系統(tǒng)中的信息，都可以作為聯(lián)動的判斷條件，所有平臺中可控的對象，都可以作為聯(lián)動執(zhí)行對象。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

為了迎合智能化變電所的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)設(shè)計還需要考慮與其他變電所系統(tǒng)的聯(lián)動，本系統(tǒng)在設(shè)計時考慮通過硬件和軟件的方式和站內(nèi)綜合自動化系統(tǒng)進行聯(lián)動，實現(xiàn)用戶自定義的設(shè)備聯(lián)動，包括現(xiàn)場設(shè)備操作聯(lián)動視頻、綜合自動化系統(tǒng)告警聯(lián)動門禁視頻等。具體包括：

(1)通過對溫濕度的監(jiān)測可以智能啟動或關(guān)閉空調(diào)和風機，對空調(diào)進行智能遙控。

(2)環(huán)境設(shè)備和火災、電源系統(tǒng)的聯(lián)動，在判斷環(huán)境異常的條件下切斷其他系統(tǒng)的電源，啟動火災報警或噴淋。SF6雙氣監(jiān)測超標時智能啟動門禁和風機，阻斷危險區(qū)間的通道并啟動對流，對環(huán)境進行隔離改善，監(jiān)測空氣恢復正常后，可智能恢復現(xiàn)場。

(3)各個子系統(tǒng)發(fā)生異常時，可觸發(fā)攝像機轉(zhuǎn)到異常位置進行監(jiān)測，實現(xiàn)遠程實時了解異常情況，采取措施或在事后方便進行錄像的追溯。

通過對數(shù)據(jù)庫的配置可以滿足用戶新的聯(lián)動需求，方便有效的實現(xiàn)用戶需求的變更。

聯(lián)動啟動機制主要在以下幾種事件下觸發(fā)：

(1)開關(guān)量變化。主要包括告警信號的變化、開關(guān)狀態(tài)變化、設(shè)備其他狀態(tài)變化。

(2)遙測越限。系統(tǒng)中的測量值超出設(shè)定閾值，超過設(shè)定的最大最小值產(chǎn)生越限事件時。

(3)遙控操作。在操作界面對所屬設(shè)備進行遙控操作，開關(guān)的閉合、設(shè)備狀態(tài)控制等。

觸發(fā)后可聯(lián)動的動作包括：

(1)遙控。對開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)進行控制、啟停等。

(2)遙調(diào)。對設(shè)備的檔位或數(shù)值量進行調(diào)整，達到目標狀態(tài)。

(3)控制攝像機調(diào)整到預置位置、啟動錄像等。

2　牽引變電所智能安全監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

牽引變電所智能安全監(jiān)控系統(tǒng)是一個大型自動化智能系統(tǒng)。其中涉及到實現(xiàn)對變電所內(nèi)設(shè)施及環(huán)境的全面監(jiān)控所需的各種設(shè)備如：工業(yè)計算機及顯示器、硬盤錄像機、變壓器熱過負荷保護裝置、接觸網(wǎng)熱過負荷保護裝置、攝像機、探測器等。為了實現(xiàn)對這些設(shè)備的統(tǒng)一有效管理，采用了通信管理裝置、綜合測控裝置等綜合信息管理裝置，并且需實現(xiàn)綜合化的智能軟件平臺。智能安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺采用基于組件的C/S+B/S混合模式的體系架構(gòu)和實時監(jiān)控應用的分布式運行環(huán)境、以IEC 61850網(wǎng)絡(luò)通信為核心、支持分層分布的應用體系結(jié)構(gòu)。為了滿足系統(tǒng)平臺的兼容性和可擴展性，在設(shè)計時，軟件平臺采用了4個技術(shù)層進行架構(gòu)：第1層是商用的標準運行環(huán)境，包括計算機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫；第2層是實時監(jiān)控軟件平臺，包括監(jiān)控應用平臺和實時運行平臺等；第3層是基于該平臺的核心業(yè)務應用，包括環(huán)境監(jiān)控、消防監(jiān)控、安全防護監(jiān)控、暖通照明監(jiān)控，還集成了視頻監(jiān)控、在線監(jiān)測和聯(lián)動控制等系統(tǒng)；第4層是拓展和深化的應用，主要為設(shè)備狀態(tài)評估、優(yōu)化、決策、專業(yè)分析等。軟件平臺架構(gòu)如圖2。

圖2　智能安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3　牽引變電所智能安全監(jiān)控系統(tǒng)試驗研究

為了測試本系統(tǒng)的現(xiàn)場使用效果，我們在京滬高鐵鄭陸牽引變電所進行了系統(tǒng)搭建和測試工作。安裝采用以H3C 3600為核心交換機的千兆以太網(wǎng)，將接觸網(wǎng)、變壓器熱過負荷保護裝置以及通信管理機、系統(tǒng)平臺、綜合測控裝置、安全防范系統(tǒng)、在線監(jiān)測等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成局域網(wǎng)，現(xiàn)場終端傳感設(shè)備以硬接點或485串行MODBUS規(guī)約方式接入綜合測控裝置和通信管理機。實時采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)分析、處理?，F(xiàn)場機柜布局示意圖如圖3所示。

圖3　機柜布局圖

測試中，我們分別針對系統(tǒng)基本功能，系統(tǒng)與其他系統(tǒng)及設(shè)備的通信接口、系統(tǒng)聯(lián)動功能、系統(tǒng)的IEC 61850通信接口進行了測試，進行測試的系統(tǒng)界面如圖4所示。測試結(jié)果顯示系統(tǒng)基本功能正常，綜合聯(lián)動功能正?？煽?，系統(tǒng)與其他系統(tǒng)及設(shè)備間的通信接口連接穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸正確，同時系統(tǒng)支持基于IEC 61850標準的國際信息交互模型。

4　結(jié)　論

牽引變電所智能安全監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對牽引變電所中多種信息的集中采集、傳輸、分析與應用，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的交互應用，從根本上消除產(chǎn)生信息孤島的局面，從而保障鐵路供電系統(tǒng)運行安全，提高在線監(jiān)測水平及智能預警水平。

圖4　系統(tǒng)測試界面