淺析高鐵牽引變電所無人值守方案設(shè)計(jì)

安科瑞 陳聰

【摘要】本文結(jié)合牽引變電所無人值守的要求，闡述了無人值守牽引變電所與傳統(tǒng)牽引變電所的區(qū)別，并以京張高鐵為例結(jié)合智能牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用，詳細(xì)闡述了高速鐵路牽引變電所無人值守的設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】無人值守；智能牽引供電系統(tǒng)；輔助監(jiān)控系統(tǒng)

1. 引言

國鐵集團(tuán)非常重視牽引變電所無人化發(fā)展，繼在京張高鐵各牽引變電所亭設(shè)置了智能牽引供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了牽引變電所的無人值班值守后，先后下發(fā)了《國鐵集團(tuán)關(guān)于做好鐵路牽引變電所無人化實(shí)施工作的通知》（鐵工電電[2020]84號）、《鐵路電力牽引供電無人值守工程設(shè)計(jì)施工補(bǔ)充規(guī)定》（鐵建設(shè)[2020]112號）等文件，進(jìn)一步明確了無人值守牽引變電所的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合京張高鐵智能牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，提出無人值守牽引變電所亭的設(shè)計(jì)方案。

1.無人值守牽引變電所的設(shè)施組成

京張高鐵智能牽引供電系統(tǒng)以智能牽引供電設(shè)施為基礎(chǔ)，運(yùn)用測量、傳感、控制、通信、信息、人工智能等技術(shù)，以信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化、互動化為特征，以“安全運(yùn)行、系統(tǒng)可控、狀態(tài)可視、運(yùn)維可循”的運(yùn)維管理智能化為目標(biāo)，具備全息感知、多維融合、重構(gòu)自愈、智能運(yùn)維特性，為鐵路提供安全可靠、快捷的牽引動力。京張高鐵設(shè)置的輔助監(jiān)控系統(tǒng)通過綜合聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)牽引變電所亭統(tǒng)一監(jiān)控和統(tǒng)一管理，通過系統(tǒng)無縫級聯(lián)實(shí)現(xiàn)分級控制、分域使用。不間斷的多媒體多方位實(shí)時監(jiān)視，使調(diào)度室的值班人員擁有身臨其境的感覺，*地降低了維護(hù)人員的工作量，提高運(yùn)維管理的效率，完整實(shí)現(xiàn)了牽引變電所亭的無人值班值守，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，為鐵路安全、可靠、高質(zhì)量、*運(yùn)行提供了保障。

2.無人值守牽引變電所的特點(diǎn)

為實(shí)現(xiàn)牽引變電所亭的無人值守，需要對傳統(tǒng)有人值守的牽引變電所進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。無人值守牽引變電所與有人值守傳統(tǒng)牽引變電所在隔離開關(guān)設(shè)計(jì)、交直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)、一次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)等方面均有較大區(qū)別。

2.1隔離開關(guān)設(shè)計(jì)方案

在傳統(tǒng)牽引變電所中，檢修回路、27.5kV高壓母線分段用的隔離開關(guān)通常采用手動操作機(jī)構(gòu)。在無人值守牽引變電所中，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動控制，所有隔離開關(guān)均采用電動操作機(jī)構(gòu)，并納入遠(yuǎn)動系統(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)無人值守。

2.2交直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)交直流系統(tǒng)只是在進(jìn)線及重要的饋線回路設(shè)置了電動操作機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)無人值守，所有進(jìn)線及饋線開關(guān)均配置電動操作機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的告警、位置節(jié)點(diǎn)，可通過監(jiān)控單元與綜合自動化系統(tǒng)的通信接口實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)的遙控、遙信。

2.3一次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)

牽引變電所實(shí)現(xiàn)無人值守后，對所內(nèi)一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視顯得非常重要。對一次設(shè)備可采用“一次設(shè)備本體+傳感器+智能組件”的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，然后通過輔助監(jiān)控系統(tǒng)對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測。牽引供電一次設(shè)備主要包括牽引變壓器、自耦變壓器、高壓斷路器、互感器、避雷器、組合電器、27.5kVGIS開關(guān)柜等。

3.輔助監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

輔助監(jiān)控系統(tǒng)由部署在調(diào)度室和供電段的輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)（以下簡稱主站系統(tǒng)）、部署在各牽引變電所亭的輔助監(jiān)控子系統(tǒng)組成。

3.1輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)作為統(tǒng)一管理平臺，實(shí)現(xiàn)與管轄范圍內(nèi)所有牽引變電所級系統(tǒng)的互聯(lián)，構(gòu)建一套符合規(guī)范要求的遠(yuǎn)程巡視、監(jiān)控、監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一管理、分級控制、分域使用，使變電所前端的智能輔助監(jiān)控站級系統(tǒng)能夠互聯(lián)互通，滿足智能巡視監(jiān)控系統(tǒng)化、全局化、整體化的發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)綜合維護(hù)維修的全流程化管理。京張高鐵在北京局客專調(diào)度室SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)置局級供電調(diào)度輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)，在北京供電段設(shè)置供電段級輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)，兩級主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輔助監(jiān)控的數(shù)據(jù)管理、視頻巡檢、聯(lián)動（故障跳閘現(xiàn)場視頻查看和停送電操作設(shè)備視頻確認(rèn)等）等功能。局級主站系統(tǒng)在權(quán)限上具有優(yōu)先級，在段級主站上可以實(shí)現(xiàn)對各所亭設(shè)備的巡檢、狀態(tài)監(jiān)測等。

另外，京張高鐵各牽引變電所亭實(shí)現(xiàn)了全BIM設(shè)計(jì)。在調(diào)度室及供電段的輔助監(jiān)控主站上可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)景、三維BIM模型的統(tǒng)一展示、告警，為實(shí)現(xiàn)無人值守提供了良好的保障。圖1所示為在調(diào)度室輔助監(jiān)控主站上顯示的所亭實(shí)景和BIM模型的結(jié)合展示。

圖1在調(diào)度所輔助監(jiān)控系統(tǒng)主站觀察到的各所亭實(shí)景和BIM模型

3.2輔助監(jiān)控子系統(tǒng)

新建京張鐵路在牽引變電所、分區(qū)所、AT所、開閉所設(shè)置了輔助監(jiān)控子系統(tǒng)，各所亭輔助監(jiān)控子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對牽引變電所亭各種輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的整合、優(yōu)化、管理及控制，主要包括視頻監(jiān)控/巡檢子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、安全防范子系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警子系統(tǒng)、動力照明控制子系統(tǒng)，接入27.5kV電纜監(jiān)測子系統(tǒng)、SF6氣體監(jiān)測子系統(tǒng)、智能一次設(shè)備監(jiān)測子系統(tǒng)，并具備接入或擴(kuò)展其他監(jiān)控子系統(tǒng)的條件。其實(shí)現(xiàn)了對智能一次設(shè)備的在線監(jiān)測、對輔助設(shè)備的管理控制，具備智能圖像識別、智能聯(lián)動和控制功能。各輔助系統(tǒng)內(nèi)部模塊間可以進(jìn)行信息交互，并且具備與廣域保護(hù)測控系統(tǒng)的信息共享及信息互動。圖2為牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。綜合考慮投資等因素，牽引變電所、分區(qū)所、AT所、開閉所的輔助監(jiān)控子系統(tǒng)采用差異化配置。本文以牽引變電所為例，簡單介紹其輔助監(jiān)控子系統(tǒng)配置方案。

圖2變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

3.2.1視頻巡檢子系統(tǒng)

視頻巡檢子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對全所電氣設(shè)備狀態(tài)、安裝地點(diǎn)及周邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時巡視及監(jiān)控，利用圖像識別技術(shù)判斷各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，同時與其他子系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警聯(lián)動，滿足運(yùn)行管理對安全、巡視的要求。京張高鐵普通半室外布置牽引變電所在控制室及室外設(shè)備區(qū)設(shè)置了固定式巡檢攝像頭，在室外設(shè)備區(qū)設(shè)置了紅外測溫?cái)z像機(jī)，在27.5kV高壓室設(shè)置了軌道式巡檢系統(tǒng)。按照“看得清、看得全、經(jīng)濟(jì)合理”的原則，在室外220kV進(jìn)線系統(tǒng)及牽引變壓器區(qū)域共設(shè)置3臺紅外攝像機(jī)、8臺高清固定攝像機(jī)（帶云臺），在27.5kV饋線區(qū)域設(shè)置1臺紅外攝像機(jī)、2臺高清固定攝像機(jī)（帶云臺），在27.5kV高壓室設(shè)置1臺軌道式巡檢系統(tǒng)。利用各攝像機(jī)及其預(yù)置位，根據(jù)所內(nèi)巡視要求制定巡檢計(jì)劃，可手動或按時自動執(zhí)行巡檢計(jì)劃。巡檢過程中利用圖像智能識別判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，巡檢完畢后形成巡檢記錄，并自動形成巡檢報(bào)告，報(bào)告涵蓋巡檢內(nèi)容及巡檢正?；虍惓＝Y(jié)果圖片，存儲于系統(tǒng)供供電段或局級輔助監(jiān)控主站管理人員確認(rèn)。

3.2.2環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)主要包括溫濕度監(jiān)測部分、風(fēng)速監(jiān)測部分、水浸監(jiān)測部分。溫濕度傳感器采集溫濕度、氣體信息，將監(jiān)測信息上傳到智能環(huán)境綜合監(jiān)控主機(jī)。智能環(huán)境綜合監(jiān)控主機(jī)按照統(tǒng)一規(guī)約上送至綜合應(yīng)用服務(wù)器。通過信息交互使主站系統(tǒng)及其他系統(tǒng)能隨時查閱設(shè)備運(yùn)行場地的環(huán)境溫濕度情況，并與相關(guān)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動（如根據(jù)室內(nèi)溫度情況遠(yuǎn)程開閉空調(diào)等）。所內(nèi)設(shè)置風(fēng)速傳感器，風(fēng)速傳感器將監(jiān)測到的信息上傳至智能環(huán)境綜合監(jiān)控主機(jī)，智能環(huán)境綜合監(jiān)控主機(jī)按照統(tǒng)一規(guī)約上送至綜合應(yīng)用服務(wù)器。通過信息交互使主站系統(tǒng)及其他系統(tǒng)能隨時查閱設(shè)備運(yùn)行場地的風(fēng)速，并做出相應(yīng)的處理。在電纜夾層和電纜溝內(nèi)設(shè)置水浸傳感器，當(dāng)水浸傳感器監(jiān)測到積水時，通過開關(guān)量輸出報(bào)警信號至智能環(huán)境綜合監(jiān)控主機(jī)，啟動水泵排水。

3.2.3安全防范子系統(tǒng)

安全防范子系統(tǒng)主要包括設(shè)置在變電所亭圍墻上的激光對射報(bào)警、門禁控制系統(tǒng)、玻璃破碎探測器等。當(dāng)激光對射檢測到入侵情況時，不僅將報(bào)警信息上傳至主站系統(tǒng)，觸發(fā)聲光報(bào)警器，還可聯(lián)動燈光照明，調(diào)用攝像機(jī)預(yù)置位，啟動錄像。在牽引變電所亭的大門、生產(chǎn)房屋面向室外設(shè)備區(qū)的大門處設(shè)置門禁系統(tǒng)，可提高無人值守變電所的實(shí)時監(jiān)控能力和出入權(quán)限的管理能力，提高運(yùn)行維護(hù)的效率，并大大降低人力成本。在生產(chǎn)房屋各窗戶處設(shè)置玻璃破碎探測器，當(dāng)檢測到入侵事件時，不僅將報(bào)警信息上傳至主站系統(tǒng)，觸發(fā)聲光報(bào)警器，還可聯(lián)動燈光照明，調(diào)用攝像機(jī)預(yù)置位，啟動錄像。

3.2.4門禁子系統(tǒng)

京張高鐵各牽引變電所亭設(shè)置了門禁子系統(tǒng)，在進(jìn)所大門、控制室及高壓室大門處設(shè)置門禁終端。門禁控制系統(tǒng)與視頻巡檢子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，可以提高無人值守變電所的實(shí)時監(jiān)控能力和出入權(quán)限的管理能力，*杜絕管理漏洞，提高運(yùn)行維護(hù)的效率，并大大降低人力成本。

3.2.5動力照明控制系統(tǒng)

牽引變電所內(nèi)的相關(guān)輔助控制設(shè)備較多，許多設(shè)備都只能在前端進(jìn)行控制，為了滿足牽引變電所無人化要求，需對所內(nèi)的動力照明等設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，如遠(yuǎn)程打開照明燈光、風(fēng)機(jī)、水泵、空調(diào)等，可通過主站系統(tǒng)將變電所輔助控制設(shè)備集中、整合，能夠遠(yuǎn)程手動、聯(lián)動控制所內(nèi)的動力照明設(shè)備。

4.安科瑞AcrelCloud-1000變電所運(yùn)維云平臺

4.1概述

基于互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)、移動通訊等技術(shù)開發(fā)的云端管理平臺，滿足用戶或運(yùn)維公司監(jiān)測眾多變電所回路運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運(yùn)行溫度、現(xiàn)場設(shè)備或環(huán)境視頻場景等需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一個*，集中存儲、統(tǒng)一管理，方便使用，支持具有權(quán)限的用戶通過電腦、手機(jī)、PAD等各類終端鏈接訪問、接收報(bào)警，并完成有關(guān)設(shè)備日常和定期巡檢和派單等管理工作。

4.2應(yīng)用場所

適用于電信、金融、交通、能源、*衛(wèi)生、文體、教育科研、農(nóng)林水利、商業(yè)服務(wù)、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)的新建、擴(kuò)建和改建。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)可分為四層：即感知層、傳輸層、應(yīng)用層和展示層。

感知層：包含變電所安裝的多功能儀表、溫濕度監(jiān)測裝置、攝像頭、開關(guān)量采集裝置等。除攝像頭外，其它設(shè)備通過RS485總線接入現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)RS485端口。

傳輸層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動采集現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲，并通過交換機(jī)把數(shù)據(jù)上傳至*的服務(wù)器端口，網(wǎng)絡(luò)故障時數(shù)據(jù)可存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。

應(yīng)用層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，若變電所數(shù)量小于30個則應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以合一配置。服務(wù)器需要具備固定IP地址，以接收各智能網(wǎng)關(guān)主動傳送過來的數(shù)據(jù)。

展示層：用戶通過手機(jī)、平板、電腦等多終端的方式訪問平臺信息。

4.4系統(tǒng)功能

4.4.1用能月報(bào)

用能月報(bào)支持用戶按總用電量、變電站名稱、變電站編號等查詢所管理站所的用電量，

4.4.2站點(diǎn)監(jiān)測

站點(diǎn)監(jiān)測包括概況、運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)日事件記錄、當(dāng)日逐時用電曲線、用電概況。

4.4.3變壓器狀態(tài)

變壓器狀態(tài)支持用戶查詢所有或京張個站所的變壓器功率、負(fù)荷率、等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，支持按負(fù)荷率、功率等升、降序排名。

4.4.4運(yùn)維

運(yùn)維展示當(dāng)前用戶管理的有關(guān)變電所在地圖上位置及總量信息。

4.4.5配電圖

配電圖展示被選中的變電所的配電信息，配電圖顯示各回路的開關(guān)狀態(tài)、電流等運(yùn)行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)查詢。

4.4.6視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時畫面（視頻直播），選中京張一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

4.4.7電力運(yùn)行報(bào)表

電力運(yùn)行報(bào)表顯示選定站所選定設(shè)備各回路*采集間隔運(yùn)行參數(shù)和電能抄表的實(shí)時值及平均值行統(tǒng)計(jì)。

4.4.8報(bào)警信息

對平臺所有報(bào)警信息進(jìn)行分析。

4.4.9任務(wù)管理

任務(wù)管理頁面可以發(fā)布巡檢或消缺任務(wù)，查看巡檢或消缺任務(wù)的狀態(tài)和完成情況，可以點(diǎn)擊查看任務(wù)查看具體的巡檢信息。

4.4.10用戶報(bào)告

用戶報(bào)告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并列出在該周期內(nèi)巡檢時發(fā)現(xiàn)的各類缺陷及處理情況。

4.4.11APP監(jiān)測

3.12APP支 電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)”、“設(shè)備檔案”、“待辦事項(xiàng)”、“巡檢記錄”、“缺陷記錄”、“文檔管理”和“用戶報(bào)告”七大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報(bào)警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢、用戶報(bào)告、文檔管理等。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5.結(jié)束語

通過分析無人值守牽引變電所與傳統(tǒng)牽引變電所的差異，提出無人值守變電所設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，結(jié)合京張高鐵智能牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及原中國鐵路總公司印發(fā)的《牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》，提出牽引變電所亭無人值守方案，為后續(xù)變電所無人值守方案設(shè)計(jì)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

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