高鐵牽引變電所智能聯(lián)動調(diào)度監(jiān)控實驗平臺建設(shè)

屈志堅, 周銳霖, 袁慎高, 孫旭兵

(華東交通大學 電氣與自動化工程學院, 江西 南昌 330013)

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)水平的提升,無人值守牽引變電所在我國高鐵沿線逐漸普及,因此需要引入大量監(jiān)控設(shè)備來確保鐵路沿線牽引動力負荷的可靠供電[1-3],已有牽引變電所監(jiān)控系統(tǒng)大多單獨立項,設(shè)備間相互獨立、分散管理,需要值班人員花費大量精力來收集、分析和處理多源廣域故障報警信息[4-5]。牽引變電所智能監(jiān)控系統(tǒng)遵循“無人值班,少人值守”原則實現(xiàn)了視頻監(jiān)控、消防報警、照明控制、周界防范、微機遠程監(jiān)控等系統(tǒng)的一體化集成[6],讓原本相互獨立的系統(tǒng)按照預先設(shè)置的邏輯順序進行聯(lián)動,可以將事故危害降至最低。

針對高鐵牽引變電所智能聯(lián)動調(diào)度監(jiān)控技術(shù)在工程應用中剛剛起步[7],學校缺乏相關(guān)教學實例及實驗設(shè)備的狀況,課題組在我國卓越工程師教育培養(yǎng)計劃支持下,依托江西省軌道交通電氣化與自動化工程研究中心,與北京太格時代自動化系統(tǒng)設(shè)備有限公司合作建成了擁有先進技術(shù)裝備的鐵道供電綜合調(diào)度監(jiān)控實驗室,配備了以網(wǎng)絡高速球機和各類傳感器為核心的環(huán)境監(jiān)控實驗系統(tǒng),并通過SQL數(shù)據(jù)庫與原有遠動監(jiān)控實驗平臺進行智能聯(lián)動,使學生能夠通過實驗掌握系統(tǒng)操作方法及工作原理[8-10]。

在實驗平臺后期建設(shè)中,課題組計劃將鐵路行業(yè)實習實訓與學校優(yōu)質(zhì)的理論教學融合在一起[11-12],培養(yǎng)一批具有良好工程素養(yǎng)的軌道交通電氣化領(lǐng)域技術(shù)人才,實現(xiàn)人才培養(yǎng)與企業(yè)就業(yè)的無縫銜接[13]。

1 傳感器選型

1.1 熱釋電紅外傳感器

防范外來人員入侵是保障牽引變電所安全運營的基本要求。熱釋電紅外傳感器接收人體輻射出的紅外線并產(chǎn)生一個電壓信號,作為判斷是否有人入侵的依據(jù)。該器件具有功耗小、響應速度快、抗干擾特性強的優(yōu)點,可以作為牽引變電所周界防范系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)采集部件。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱釋電紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

熱釋電紅外傳感器前端安裝的菲涅爾透鏡通過特殊光學原理將波長在8～14 μm之外的紅外線濾除,而人體輻射出的10 μm紅外線則能通過透鏡照射到雙元探測器上。雙元探測器由兩塊反向串聯(lián)的熱釋電晶體組成,可以抵消環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的熱釋電流,同時受鐵電體極化特征影響,人體移動產(chǎn)生的交變紅外線照射則會使熱釋電晶體表面溫度不斷變化,并在元件兩端表現(xiàn)出電荷釋放的現(xiàn)象,電荷信號不能直接使用,需要被阻抗高達104MΩ的偏置電阻放大為電壓信號,并經(jīng)源級跟隨器阻抗匹配后才能從S端輸出。

1.2 散射式光電感煙火災探測器

目前常用的感煙火災探測器主要分為離子式感煙火災探測器和光電式感煙火災探測器兩大類,由于前者在工作時帶有一定放射性,并且需要定期更換镅源,給回收工作帶來諸多麻煩,因此本文選用散射式光電感煙火災探測器作為消防報警系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)采集部件,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 散射式光電感煙探測器結(jié)構(gòu)圖

散射式光電感煙火災探測器是依據(jù)光線通過氣溶膠粒子時,部分光線會向多方面改變方向的原理制成的。在探測器檢測氣室內(nèi)安裝有一個紅外探頭和一個光敏探頭,在正常情況下,紅外探頭發(fā)出的平行光束不會照射到光敏探頭上,而當火災發(fā)生時,大量煙霧粒子將涌入檢測氣室,因此平行光束會被散射至光敏探頭上,從而產(chǎn)生光電流,驅(qū)動后續(xù)報警模塊工作。

1.3 熱電偶溫度傳感器

牽引變電所一次設(shè)備在長期承受大電流過負荷沖擊的情況下,還要經(jīng)受風雨、酷暑、嚴寒等惡劣自然條件的考驗,為了防止因氧化、過載或故障導致高壓設(shè)備接頭處或?qū)Ь€溫度過高,需要對設(shè)備運行溫度進行監(jiān)測。本文在穿墻套管線夾、隔離開關(guān)電連線夾等處布置熱電偶溫度傳感器采集設(shè)備運行溫度。

“熱電偶”是由不同材料的導體A和B組成的閉合回路,在A、B的結(jié)點上會因自由電子擴散而產(chǎn)生接觸電動勢,如圖3所示。

圖3 接觸電動勢產(chǎn)生原理圖

自由電子從密度大的金屬A處擴散到密度小的金屬B處,從而在A、B之間產(chǎn)生一個場強不斷增大的電荷空間,促使自由電子做從B到A的反向漂移運動,直到自由電子的擴散與漂移達到動態(tài)平衡。在金屬A、B結(jié)點處的電動勢產(chǎn)生eAB(T)的表達式為

(1)

其中：T為接觸處的熱力學溫度；k為玻爾茲曼常數(shù),k=1.38×10-23J/K；e為電子電荷,e=1.6×10-19C；nA和nB分別代表金屬A、B的自由電子密度,滿足nA>nB。

熱電偶有2個結(jié)點,置于被測溫度T處的結(jié)點被稱為測量端,置于參考溫度T0處的結(jié)點被稱為參考端,如圖4所示。

圖4 熱電偶結(jié)構(gòu)圖

由于兩結(jié)點溫度不同,產(chǎn)生的接觸電動勢也不同,因此將在兩結(jié)點間形成熱電動勢EAB(T,T0)：

EAB(T,T0)≈eAB(T)-eAB(T0)

(2)

(3)

國際計量委員會通過多次精密測試,公布了8種通用熱電偶在參考端溫度T0為0℃時,測量端溫度T與輸出熱電動勢EAB(T,0)之間的對應關(guān)系表,計算機依據(jù)該表反推測量端溫度值,判斷溫度是否超標。

2 智能聯(lián)動調(diào)度監(jiān)控實驗平臺架構(gòu)

2.1 遠動監(jiān)控實驗系統(tǒng)

針對牽引變電所的選址是由地理條件及鐵路網(wǎng)延伸方向決定,站所與站所間、站所與供電調(diào)度指揮中心間相隔十分遙遠的現(xiàn)實情況,為了實現(xiàn)對廣域分散的電力生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視與控制,并讓學生進一步了解掌握遠動系統(tǒng)的工作原理及操作方法,學校在鐵道供電綜合調(diào)度監(jiān)控實驗室內(nèi)搭建了基于分層式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的遠動監(jiān)控實驗平臺。該平臺包括調(diào)度指揮中心、數(shù)據(jù)傳輸通道和遠動測控終端3部分,其基本結(jié)構(gòu)框圖見圖5。

圖5 遠動監(jiān)控實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

RTU是調(diào)度指揮中心與本地執(zhí)行機構(gòu)進行通信的“中轉(zhuǎn)站”,一方面,它將采集到的設(shè)備運行模擬量、開關(guān)量通過鐵路專用數(shù)據(jù)通道傳輸?shù)街笓]中心,供值班人員參考；另一方面,它接收來自中心的遙控命令,實現(xiàn)對設(shè)備的功能控制。

調(diào)度指揮中心由調(diào)度主機、工程師終端、數(shù)據(jù)庫服務器、模擬屏工作機、打印機5部分組成,主要功能如下:

(1) 調(diào)度主機是調(diào)度控制中心的核心部件,可以采集RTU中的數(shù)據(jù),并在模擬屏上實時顯示現(xiàn)場監(jiān)控畫面、遙測曲線圖、事件報警信息及日生產(chǎn)報表和月生產(chǎn)報表,使值班人員能夠清晰直觀地了解牽引變電所內(nèi)一、二次側(cè)設(shè)備工作狀態(tài)。在調(diào)度控制中心內(nèi)應至少設(shè)置2臺調(diào)度主機和1臺WEB主機,調(diào)度主機間互為熱備,以保證系統(tǒng)運行地安全性和穩(wěn)定性,WEB主機則向上級主站提供復示信息瀏覽服務。

(2) 數(shù)據(jù)庫服務器中存儲了全所設(shè)備的歷史運行數(shù)據(jù),包括電壓、電流遙測數(shù)據(jù)、開關(guān)量變位等事件順序記錄、事故報警信息以及遙控操作記錄等,是實現(xiàn)遠動監(jiān)控實驗平臺過程監(jiān)視、故障檢測與診斷、現(xiàn)場設(shè)備運行控制及參數(shù)調(diào)整等功能的基礎(chǔ)。本文在數(shù)據(jù)庫服務器上裝載的是開源數(shù)據(jù)庫MySQL。

2.2 環(huán)境監(jiān)控實驗系統(tǒng)

針對現(xiàn)有遠動監(jiān)控實驗系統(tǒng)缺乏必要的可視化管理工具,且無法對溫度、濕度、氟化硫氣體濃度、火情等環(huán)境因素進行監(jiān)控的問題,本文補充建設(shè)了以網(wǎng)絡高速球機和各類傳感器為核心的環(huán)境監(jiān)控實驗系統(tǒng),該系統(tǒng)包含視頻監(jiān)控系統(tǒng)、周界防范系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)和電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)等,在后期工作中擬追加建設(shè)照明控制和氟化硫氣體濃度監(jiān)控等實驗子系統(tǒng),各子系統(tǒng)依照一定邏輯進行智能聯(lián)動,可以將突發(fā)故障危害降至最低,系統(tǒng)基本框架如圖6所示。

現(xiàn)場傳感器首先將采集到的環(huán)境異常數(shù)據(jù)存儲至主控室故障報警數(shù)據(jù)庫服務器內(nèi),之后通過人工手動操作或系統(tǒng)自動觸發(fā)聯(lián)動邏輯,使相應控制器按照一定順序及時間間隔執(zhí)行動作,以維持所內(nèi)工作環(huán)境平衡。具體聯(lián)動邏輯有:

a：一旦接收到異常報警信號,照明控制系統(tǒng)自動打開,視頻監(jiān)控子系統(tǒng)命令網(wǎng)絡高速球機巡航至報警預置點進行拍攝,以確認此區(qū)域是否確實發(fā)生災情,在后續(xù)描述的聯(lián)動邏輯中,該步驟作為第一步被省略；

b：當光電式感煙火災探測器傳來火災報警,噴淋頭灑水滅火,同時門禁系統(tǒng)關(guān)閉,方便室內(nèi)人員疏散和消防人員進入滅火；

c：當熱釋電紅外傳感器傳來人員入侵報警,門禁系統(tǒng)打開,防止人員進入牽引變電所進行非法活動；

d：當熱電偶溫度傳感器傳來溫度異常報警,空調(diào)機打開以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度,同時門禁系統(tǒng)打開,防止冷氣或暖氣外泄；

e：氟化硫氣體在高壓電弧作用下會被分解為二氧化硫、硫化氫等有毒氣體,對人體健康造成危害,因此布置電化學傳感器對上述氣體濃度進行監(jiān)測,一旦濃度超標,抽風機打開,將毒性氣體排出,同時門禁系統(tǒng)關(guān)閉,方便室內(nèi)人員疏散。

其中,聯(lián)動邏輯c、d與b、e對門禁系統(tǒng)的操作存在明顯沖突,因此需要明確聯(lián)動邏輯執(zhí)行優(yōu)先級。若事件集合{c,d}與{b,e}中有故障同時發(fā)生,則應優(yōu)先響應{b,e}事件集,即關(guān)閉門禁系統(tǒng),而忽略{c,d}中的門禁系統(tǒng)打開操作。若通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)確認為誤報警,可以手動中斷聯(lián)動任務。

3 實驗平臺應用案例

3.1 局域網(wǎng)通信的智能聯(lián)動設(shè)計

智能聯(lián)動調(diào)度監(jiān)控實驗平臺在主控室內(nèi)便可完成對全所設(shè)備運行狀況的監(jiān)測及聯(lián)動命令的自動下達。根據(jù)其硬件分布地理范圍有限的特點,本文搭建局域網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)各設(shè)備間的快速通信和數(shù)據(jù)共享,具有誤碼率低、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單的特點。周界防范智能聯(lián)動硬件架構(gòu)見圖7。

圖7 周界防范智能聯(lián)動案例硬件架構(gòu)

除了能在本地顯示屏上播放實時監(jiān)控畫面外,主控室聯(lián)動主機A、B也能通過訪問網(wǎng)絡高速球機IP地址的方式進行距離監(jiān)控或查詢硬盤錄像機中的歷史視頻圖像數(shù)據(jù)。設(shè)備連接界面如圖8(a)所示。聯(lián)動主機A與B互連,以便將A中的入侵報警信息同步到B中,B在輪詢到報警記錄后會命令網(wǎng)絡高速球機聯(lián)動至相應位置進行拍攝,主機互接界面如圖8(b)所示。

圖8 局域網(wǎng)設(shè)備互連界面

至此,聯(lián)動主機之間、聯(lián)動主機與網(wǎng)絡高速球機之間便能互相進行通信,為后續(xù)聯(lián)動功能的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

3.2 周界防范聯(lián)動實驗

本實驗以2人為一組展開測試,學生甲模擬外界入侵人員沿垂直于熱釋電紅外探頭方向做往返運動,學生乙依次打開聯(lián)動主機A、B上的異常環(huán)境數(shù)據(jù)采集服務和聯(lián)動邏輯服務,觀察系統(tǒng)工作情況。

主機A收集熱釋電紅外傳感器傳來的監(jiān)測數(shù)據(jù),并將入侵開始及結(jié)束信息過濾出來,插入到故障報警數(shù)據(jù)庫中。入侵信息采集與插入如圖9所示。

圖9 入侵信息的采集和插入

主機B輪詢故障報警數(shù)據(jù)表中，當記錄為入侵開始信息時,命令高速球機聯(lián)動至報警區(qū)域進行監(jiān)控；當記錄為入侵結(jié)束信息時,延時5 s使高速球機將監(jiān)控對象切換為設(shè)備控制屏。周界防范聯(lián)動測試效果見圖10。學生甲、乙互換角色后進行第二次實驗,步驟同上。

圖10 周界防范聯(lián)動測試效果

3.3 隔離開關(guān)聯(lián)動實驗

在對高鐵牽引變電所內(nèi)電氣設(shè)備進行檢修時,為了保障維護人員生命財產(chǎn)安全,需要將隔離開關(guān)斷開,使待維修部分與帶電部分之間形成足夠大的空氣絕緣間隔；而受銹蝕、受潮、凍冰、機構(gòu)損毀等缺陷影響,隔離開關(guān)可能發(fā)生拒動或分合閘不到位的問題,因此在調(diào)度指揮中心下達“倒閘操作”遙控命令后,視頻監(jiān)控系統(tǒng)應使高速球機聯(lián)動至隔離開關(guān)處進行拍攝,以確認分閘動作是否正確執(zhí)行。

學生甲打開聯(lián)動主機A上的遠動數(shù)據(jù)采集服務,實時監(jiān)測隔離開關(guān)分合閘操作開關(guān)量,每次分合閘操作都會被插入到故障報警數(shù)據(jù)庫中。隔離開關(guān)分合閘信息采集與插入見圖11。

圖11 隔離開關(guān)分合閘信息的采集和插入

學生乙打開聯(lián)動主機B上的聯(lián)動邏輯服務,當輪詢到故障報警數(shù)據(jù)表中隔離開關(guān)分閘記錄時,命令高速球機聯(lián)動至隔離開關(guān)處進行監(jiān)控,當輪詢到隔離開關(guān)合閘記錄時,延時5 s使高速球機將監(jiān)控對象切換為設(shè)備控制屏。隔離開關(guān)聯(lián)動實驗測試效果見圖12。學生甲、乙互換角色后進行第二次實驗,步驟同上。

圖12 隔離開關(guān)聯(lián)動測試效果

4 結(jié)語

本文依托江西省軌道交通電氣化與自動化工程研究中心建設(shè)的牽引變電所智能監(jiān)控實驗平臺,可以為軌道交通電氣化專業(yè)的學生提供生動有趣的“高鐵牽引變電所智能聯(lián)動調(diào)度監(jiān)控”實踐教學環(huán)節(jié),加深了學生對系統(tǒng)智能聯(lián)動邏輯流程的理解,提高了學生的專業(yè)技能和工程素養(yǎng)。

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