鐵路樞紐變電所無(wú)人化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

佟崗

中國(guó)鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司供電部，黑龍江哈爾濱，150006

0 引言

隨著高鐵建設(shè)快速發(fā)展，對(duì)鐵路樞紐變電所的規(guī)模、安全等級(jí)、可靠性等要求越來(lái)越高。如中國(guó)鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司調(diào)度所變電所為哈爾濱局調(diào)度大樓（調(diào)度所）等重要用戶(hù)提供可靠電源，是哈爾濱鐵路地區(qū)樞紐變電所，位于調(diào)度大樓地下一層，主要供電設(shè)備采用中置開(kāi)關(guān)柜、微機(jī)繼電保護(hù)、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、交直流蓄電池、智能儀表等，各種開(kāi)關(guān)均具備遠(yuǎn)程操作功能。為了保障變電所的穩(wěn)定運(yùn)行，需進(jìn)行人工巡檢作業(yè)，但工作效率低、巡檢效果差、浪費(fèi)人力資源。近年來(lái)，為適應(yīng)鐵路改革需要，減少值班員工作強(qiáng)度，直至取消值班員巡檢作業(yè)流程，哈局集團(tuán)公司從各方面做了初步探索，研究巡檢方式逐步向智能化、自動(dòng)化、無(wú)人化發(fā)展方向。本文就鐵路樞紐變電所無(wú)人化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出切合實(shí)際的技術(shù)方案，將各自動(dòng)化功能進(jìn)行整合，新增智能防雷監(jiān)測(cè)、接地電阻監(jiān)測(cè)功能，安裝巡檢機(jī)器人、視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)變電所的視頻巡檢、電力監(jiān)控、智能防雷、接地監(jiān)測(cè)等功能，并通過(guò)系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、診斷分析、告警輸出、聯(lián)動(dòng)控制和智慧運(yùn)維管理[1]。通過(guò)對(duì)變電所的無(wú)人化系統(tǒng)進(jìn)行改造，推動(dòng)哈局集團(tuán)公司鐵路樞紐變電所無(wú)人化系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)程。

1 鐵路樞紐變電所無(wú)人化系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 鐵路樞紐變電所

哈爾濱鐵路樞紐變電所是10/0.4千伏電力變電所，設(shè)4臺(tái)變壓器（2*3150千伏安，2*2500千伏安），引入兩路10kV電源，主接線(xiàn)為二進(jìn)六出，單母線(xiàn)分段運(yùn)行方式。全所遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控高、低壓斷路器的狀態(tài)、電流、電壓、電量、功率因數(shù)、無(wú)功補(bǔ)償、故障信號(hào)等信息，納入哈爾濱供電段電力調(diào)度臺(tái)，數(shù)據(jù)通信通道為光纜通道，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的2路（≥2M）獨(dú)立主、備專(zhuān)用光纖通信數(shù)據(jù)通道。

該所為調(diào)度所通信、信號(hào)、信息、防災(zāi)系統(tǒng)、SCADA、BAS、FAS、消防設(shè)備（消防泵、防排煙風(fēng)機(jī)、氣體滅火設(shè)備、消防電梯等）、變電所自用電、應(yīng)急照明、調(diào)度大廳照明等設(shè)施供電，所帶負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷，中斷供電將造成哈牡、哈佳、哈大、哈齊客專(zhuān)運(yùn)輸秩序混亂，條件耦合將造成高鐵設(shè)備損壞，甚至人身傷亡事故。

1.2 鐵路樞紐變電所無(wú)人化系統(tǒng)的目標(biāo)

通過(guò)改造安裝巡檢機(jī)器人、視頻監(jiān)控、智能防雷監(jiān)測(cè)箱、接地電阻監(jiān)測(cè)箱，實(shí)現(xiàn)變電所的視頻巡檢、電力監(jiān)控、智能防雷、接地監(jiān)測(cè)等功能，并通過(guò)系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、診斷分析、告警輸出、聯(lián)動(dòng)控制和智慧運(yùn)維管理，完成鐵路樞紐變電所無(wú)人化系統(tǒng)目標(biāo)。

2 鐵路樞紐變電所無(wú)人化系統(tǒng)的技術(shù)特征

由于鐵路變電所無(wú)人化系統(tǒng)沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件，本次改造參照中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)公司發(fā)布的《牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》（TJ/GD025-2018）、《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》（GB/T 30155）、《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50217）、《視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50395） 及《高級(jí)視頻編解碼協(xié)議》（ITU-T H.265）等文件，并結(jié)合哈局實(shí)際情況，考慮到改造資金、變電所設(shè)備、位置及工程難度，沒(méi)有完全照搬牽引所無(wú)人化標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，優(yōu)先改造涉及智能巡檢以及與電力遠(yuǎn)動(dòng)相結(jié)合的項(xiàng)目，新增智能防雷、智能接地等現(xiàn)場(chǎng)急需項(xiàng)目。由于變電所在調(diào)度大樓內(nèi)，對(duì)于采集所內(nèi)門(mén)禁、激光對(duì)射、玻璃破碎等安全防范信息，采集溫、濕度傳感器、水浸傳感器、SF6監(jiān)測(cè)傳感器等環(huán)境監(jiān)控信息項(xiàng)目暫緩實(shí)施。

（1）系統(tǒng)由所內(nèi)新設(shè)輔助監(jiān)控設(shè)備和系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)成。系統(tǒng)平臺(tái)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通信接口，采集所內(nèi)輔助監(jiān)控設(shè)備信息，并將監(jiān)控和報(bào)警信息上傳，實(shí)現(xiàn)信息共享與告警聯(lián)動(dòng)功能，并接入智能一次設(shè)備的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。輔助監(jiān)控系統(tǒng)包含視頻監(jiān)控及巡檢、智能防雷、智能接地等子系統(tǒng)，采用分層架構(gòu)，由設(shè)備層、通訊層和站控層組成，設(shè)備層包括測(cè)控裝置、視頻服務(wù)器和輔助設(shè)備，通訊層層包括綜合應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，站控層包括值班員監(jiān)控后臺(tái)等[2]。

（2）采用導(dǎo)軌式巡檢機(jī)器人，全面覆蓋所內(nèi)巡檢對(duì)象，包括智能防雷監(jiān)測(cè)、接地電阻監(jiān)測(cè)、電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等，同時(shí)不影響所內(nèi)既有設(shè)備正常運(yùn)行。導(dǎo)軌式視頻巡檢機(jī)器人由巡檢機(jī)器人、軌道總成、升降云臺(tái)、高清攝像機(jī)等組成，提供自動(dòng)巡檢、定點(diǎn)巡檢和遙控巡檢等可移動(dòng)的視頻監(jiān)控功能。每臺(tái)巡檢機(jī)器人具有256個(gè)預(yù)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，智能分析每次巡檢的最短巡航線(xiàn)路，通過(guò)水平直線(xiàn)、環(huán)形移動(dòng)和垂直升降移動(dòng)，快速、精確定位到每個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象的最佳觀測(cè)位置，實(shí)現(xiàn)清晰、高效、無(wú)盲區(qū)的視頻監(jiān)控，代替人工完成對(duì)變電所設(shè)備和環(huán)境的監(jiān)控及巡檢。主要技術(shù)參數(shù)：采用吊頂懸掛安裝，雙柱式最大升降1.5米，通信接口1路RJ45。

（3）實(shí)現(xiàn)巡檢工作智慧化，任何一個(gè)分項(xiàng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位出現(xiàn)異常狀態(tài)，能及時(shí)調(diào)動(dòng)巡檢機(jī)器人進(jìn)行針對(duì)性巡檢。具備視頻和圖像的自動(dòng)識(shí)別功能，自動(dòng)給出所內(nèi)狀態(tài)的結(jié)論性信息，省去人工分析判斷的環(huán)節(jié)，提升巡檢效率和狀態(tài)分析的準(zhǔn)確度。

（4）采用熔斷組合式智能SPD，具備雷電浪涌防護(hù)性能，支持SPD狀態(tài)、雷擊情況的監(jiān)測(cè)和上傳，實(shí)現(xiàn)防雷功能的透明化監(jiān)測(cè)。熔斷組合SPD本體集成了后備保護(hù)裝置，縮短了泄流路徑，殘壓值更低，提升了保護(hù)效果。ISPU系列電源SPD，采用整體綜合解決方案，在材料和結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，增加失效保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)了全電流無(wú)盲區(qū)保護(hù)，避免了壓敏電阻失效起火的隱患，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防雷模塊運(yùn)行狀態(tài)和受雷擊情況、后備保護(hù)裝置狀況等，并在上位機(jī)統(tǒng)一顯示[3]。

（5）實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)式接地電阻監(jiān)測(cè)，替代人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作，智能接地檢測(cè)箱設(shè)置于變電所接地裝置側(cè)，用于測(cè)量地網(wǎng)接地電阻值及其變化情況，測(cè)量時(shí)不需要從接地系統(tǒng)中分離被測(cè)接地極，能自動(dòng)濾波、變頻和選擇合適量程，具有檢測(cè)便捷、抗干擾能力好、測(cè)試值準(zhǔn)確穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。支持測(cè)量時(shí)段靈活設(shè)置，保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，避免對(duì)其他設(shè)備造成干擾。

（6）軟件支持電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入和監(jiān)測(cè)，通過(guò)兼容性的接口設(shè)計(jì)和軟件功能模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)功能的拓展和二次開(kāi)發(fā)。具備監(jiān)控變電所內(nèi)設(shè)備的功能，提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、診斷分析、告警輸出和聯(lián)動(dòng)控制等功能，并利用視頻巡檢、關(guān)聯(lián)攝錄和圖像識(shí)別等技術(shù)來(lái)替代人工去現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所的智慧運(yùn)維管理。

（7）系統(tǒng)具備大數(shù)據(jù)分析能力，對(duì)視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、SPD運(yùn)行數(shù)據(jù)、接地阻值數(shù)據(jù)、電力遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析運(yùn)算，識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，診斷異常狀態(tài)，及時(shí)向管理人員提供告警信息。

3 鐵路樞紐變電所無(wú)人化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)組成

變電所共安裝視頻巡檢機(jī)器人兩套、智能SPD4臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)1臺(tái)，智能接地檢測(cè)箱6臺(tái)。在哈爾濱供電段調(diào)度監(jiān)控中心設(shè)置變電所無(wú)人化系統(tǒng)設(shè)備及軟件一套、NVR和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)各一臺(tái)。

3.2 實(shí)現(xiàn)功能

（1）系統(tǒng)視頻顯示、儲(chǔ)存及回放?？梢詫?shí)時(shí)圖像進(jìn)行監(jiān)視，視頻圖像隨意可調(diào)，支持視頻及輔助視頻端口的本地輸出，支持1/2/4/16畫(huà)面預(yù)覽，預(yù)覽通道可選。支持多個(gè)預(yù)置點(diǎn)、巡航軌跡，每天可設(shè)定6個(gè)以上錄像時(shí)間段，不同時(shí)段的錄像開(kāi)啟模式可獨(dú)立設(shè)置，支持按通道號(hào)、錄像類(lèi)型、文件類(lèi)型、起止時(shí)間查詢(xún)錄像文件。支持手動(dòng)錄像、定時(shí)錄像和告警錄制模式。支持電子放大預(yù)覽及屏蔽指定通道。支持視頻移動(dòng)、丟失、遮擋、輸入異常檢測(cè)。采用云臺(tái)控制時(shí)，支持局部放大、鼠標(biāo)跟蹤功能[4]。

（2）視頻監(jiān)控設(shè)備控制。支持對(duì)攝像儀視角、方位、焦距、光圈的調(diào)整，可后臺(tái)設(shè)置攝像機(jī)參數(shù)，包括設(shè)置預(yù)置位、區(qū)域名稱(chēng)、區(qū)域遮蓋等。具備聯(lián)動(dòng)操作功能，當(dāng)操作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)，攝像機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)錄像并調(diào)整到該設(shè)備?？梢酝ㄟ^(guò)用戶(hù)名、密碼識(shí)別并分配操作權(quán)限來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全管理，保證控制的唯一性?？蓪?duì)前端設(shè)備進(jìn)行完整的遠(yuǎn)程控制：如云臺(tái)支持上、下、左、右移動(dòng)及步長(zhǎng)、速度控制，云臺(tái)停止等?？梢允孪却_定布防/撤防策略，進(jìn)行當(dāng)?shù)鼗蛳到y(tǒng)遠(yuǎn)程控制。

（3）視頻巡檢。實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所遠(yuǎn)程智能巡檢，可以模擬和替代人工巡檢。支持自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)巡檢，可實(shí)現(xiàn)自定義巡視線(xiàn)路、步驟、對(duì)象、項(xiàng)目等。具備巡檢記錄功能，在巡檢時(shí)判斷設(shè)備運(yùn)行是否正常。如果設(shè)備異常自動(dòng)報(bào)警。巡檢結(jié)束生成記錄表，可按巡檢時(shí)間、巡檢裝置等進(jìn)行查詢(xún)。

（4）智能圖像識(shí)別。對(duì)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行指示視頻圖像智能分析，實(shí)時(shí)判斷設(shè)備狀態(tài)。對(duì)儀表的視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，判斷儀表讀數(shù)并智能報(bào)警。對(duì)巡檢設(shè)備能智能識(shí)別設(shè)備狀態(tài)是否正常，監(jiān)測(cè)量上傳到后臺(tái)輔助監(jiān)控系統(tǒng)。

（5）視頻服務(wù)器。支持模擬和數(shù)字式攝像機(jī)，通道數(shù)不小于16路。采用國(guó)際通用的H.264/MPEG4或MJPEG視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，性能穩(wěn)定可靠?？瑟?dú)立設(shè)置通道的視頻編碼參數(shù)，支持10M/100M/1000Mbps自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口。

（6）攝像機(jī)支持各種安裝方式，操作方便，具備多語(yǔ)言菜單及操作提示功能。支持定時(shí)啟動(dòng)預(yù)置點(diǎn)各種掃描功能。支持?jǐn)嚯娪洃浌δ?。支持視頻丟失、遮擋告警等功能。

（7）軟件配置。具備多級(jí)架構(gòu)，具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。軟件畫(huà)面、各類(lèi)報(bào)表支持漢字功能，軟件支持系統(tǒng)擴(kuò)充，不必重新組裝軟件，只需配置新增設(shè)備。

系統(tǒng)平臺(tái)軟件具備形象化的畫(huà)面展示功能，靈活的組網(wǎng)能力，大數(shù)據(jù)信息的高效處理功能。

4 鐵路樞紐變電所無(wú)人化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 自動(dòng)化視頻巡檢及聯(lián)動(dòng)巡檢技術(shù)

采用導(dǎo)軌式視頻巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所設(shè)備進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障、缺陷和異常，提高巡檢效率和質(zhì)量。自定義配置巡檢線(xiàn)路、巡檢時(shí)間、巡檢步驟、巡檢對(duì)象和巡檢項(xiàng)目等，自動(dòng)保存巡檢記錄和巡檢圖像。視頻聯(lián)動(dòng)巡檢，當(dāng)電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、智能SPD、智能接地箱等發(fā)出告警信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制巡檢機(jī)器人移動(dòng)到報(bào)警點(diǎn)或相關(guān)設(shè)備，進(jìn)行錄像并截取告警時(shí)刻范圍內(nèi)的視頻圖像永久保存[5]。

4.2 智能識(shí)別及診斷技術(shù)

精準(zhǔn)識(shí)別開(kāi)關(guān)柜面板的分合閘指示燈、遙控指示旋鈕位置（就地、遠(yuǎn)方）、故障報(bào)警燈、每一排最外側(cè)的柜子是否傾斜。設(shè)備報(bào)警與視頻攝錄關(guān)聯(lián)，并結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)，診斷是否誤報(bào)警，替代人工去現(xiàn)場(chǎng)巡檢和確認(rèn)。

4.3 電力遠(yuǎn)動(dòng)信息接入技術(shù)

與變電所電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)OPC服務(wù)接口，獲得各配電回路的三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，斷路器分合閘狀態(tài)、斷路器遙控位置、變壓器的三相溫度和風(fēng)機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)等信息，以及相關(guān)故障報(bào)警顯示等位置信息，在變電所無(wú)人化系統(tǒng)中顯示，并將上述監(jiān)測(cè)結(jié)果與視頻巡檢結(jié)果進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)。

4.4 熔斷組合防護(hù)及SPD智能監(jiān)測(cè)技術(shù)

SPD內(nèi)置智能檢測(cè)模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防雷模塊的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常信息自動(dòng)記錄事件并發(fā)出告警，實(shí)時(shí)檢測(cè)每根保護(hù)線(xiàn)纜受雷擊情況，記錄雷擊電流的大小和發(fā)生的時(shí)間，對(duì)防雷模塊的劣化程度進(jìn)行分析，顯示防雷模塊實(shí)時(shí)壽命狀態(tài)，監(jiān)測(cè)到防雷模塊故障、損壞或劣化超限時(shí)自動(dòng)報(bào)警。

4.5 接地電阻在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及抗干擾技術(shù)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變電所內(nèi)接地網(wǎng)電阻值、可靠接地狀況，能濾除地網(wǎng)中的近頻、同頻干擾信號(hào)，保證數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確度。檢測(cè)便捷、抗干擾能力好、測(cè)試值準(zhǔn)確穩(wěn)定。能對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，發(fā)現(xiàn)異常則立即告警。

4.6 智慧運(yùn)維管理技術(shù)

對(duì)采集到的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提供日、月、年、任意時(shí)間周期的統(tǒng)計(jì)和查詢(xún)功能，提供統(tǒng)計(jì)報(bào)表。對(duì)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和安全隱患，提供專(zhuān)業(yè)運(yùn)維管理方案，協(xié)助用戶(hù)簡(jiǎn)化運(yùn)維流程、提高運(yùn)維效率，實(shí)現(xiàn)變電所的智慧運(yùn)維管理。

5 結(jié)語(yǔ)

2020年11月，該系統(tǒng)在中國(guó)鐵路哈爾濱局集團(tuán)公司調(diào)度所變電所安裝使用，通過(guò)對(duì)所內(nèi)輔助設(shè)備的信息采集，并將監(jiān)控和報(bào)警信息上傳，實(shí)現(xiàn)了巡檢工作智慧化。經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)設(shè)備、技術(shù)參數(shù)及監(jiān)測(cè)巡檢功能均效果良好，其統(tǒng)一監(jiān)測(cè)、智能化分析診斷、智慧運(yùn)維管理功能優(yōu)勢(shì)突出，適合鐵路樞紐變電所無(wú)人化系統(tǒng)需要。