電氣化鐵路供電環境監控系統關鍵技術

邢挺

[摘? ? 要]電氣化鐵路對供電系統的安全性和穩定性有很高的要求，對運營管理提出了巨大的挑戰。為更好地提高電氣化鐵路的供電系統管理效率和質量，采用監控系統對供電系統環境進行監控是一個可行的方案。文章介紹鐵路供電環境監測的現狀和存在的問題，分析系統的功能及性能需求，在此基礎上研究電氣化鐵路供電環境監控系統的軟、硬件總體架構，重點探討其主要功能模塊的關鍵技術。文章的研究可以為鐵路運營管理部門提供有益的參考。

[關鍵詞]電氣化;鐵路;供電;環境;監控系統

[中圖分類號]U223 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–0–03

Research on Key Technologies of Power Supply Environment

Monitoring System for Electrified Railway

Xing Ting

[Abstract]Electrified railways have very high requirements for the safety and stability of the power supply system， which poses a huge challenge to the operation and management. In order to better improve the management efficiency and quality of the power supply system of electrified railways， it is a feasible solution to use a monitoring system to monitor the power supply system environment. This paper introduces the current situation and existing problems of railway power supply environment monitoring， analyzes the system's functions and performance requirements， and studies the software and hardware overall architecture of the electrified railway power supply environment monitoring system on this basis， and focuses on the main functional modules. Key technology. The research of this article can provide useful reference for railway operation management department.

[Keywords]electrification; railway; power supply; environment; monitoring system

隨著鐵路建設的發展，我國鐵路運營里程不斷增加，這對鐵路的日常運行維護工作提出了更高的要求。鐵路供電系統是電氣化鐵路的核心組成部分，其供電質量和供電穩定性對于鐵路的正常運行有著直接的影響。但日益增加的鐵路電氣設備和日益復雜的供電體系，使電氣化鐵路的供電環境也更加復雜。在信息技術日益發達的今天，通過信息化、智能化、自動化等手段解決鐵路供電網的運維問題已是一種必然趨勢，電氣化鐵路供電系統的運營管理模式也在朝著無人值守的模式轉變。基于此，本文對電氣化鐵路供電環境監控系統進行了深入探討。

1 鐵路供電環境監測現狀

隨著信息技術的發展，當前鐵路系統中已經引入了大量的信息化管理平臺，這其中就包括很多供電管理系統。與本文研究的供電環境監測系統類型的管理平臺實際上在近年也已經有所應用，并且取得了一定的成效，這充分證明了鐵路供電環境監測系統在鐵路領域的發展空間。但在實踐中也發現，現有的系統仍然存在一些缺陷。

現有系統主要包括視頻監視、防災告警、圍墻對射、防盜、門禁等子系統，功能相對比較豐富，但各子系統往往是獨立建設的，缺乏統一的數據接口，數據共享比較困難。而且由于設計理念和開發技術的不同，在系統維護升級過程中往往需要多個運維單位進行操作，可維護性和可擴展性都受到了嚴重的限制。在具體的使用方面，一些視頻監控設備較老，畫面質量較差，部分甚至無法監測;火災、水災和盜竊破壞等問題不能做到預告監測，只有事故發生后才會出現提示，缺乏早期災害監測能力;目前的監控系統一般是獨立運行的，缺乏聯動機制，使用起來仍需要大量的人工介入。隨著技術的進步，通過開發一套新的供電環境監測平臺解決以上問題變得更加迫切。

2 系統需求分析

電氣化鐵路供電環境監控的目標就是要通過對供電現場環境的監控來發現各種安全風險并進行預警，使值班人員可以及時處理問題或者事先預防事故的發生。監控平臺的應用，是電氣化鐵路供電系統運營維護實現“無人值班、無人值守”模式的重要一步。通過監控系統，需要將現場環境各項參數和實時畫面直接呈現到調度中心的大屏幕上，使值班員可以集中管理牽引網、變電所、高壓柜等電氣設備或網絡，實時了解供電系統運行環境和設備安全運行狀態。為了滿足電氣化鐵路的安全運營要求，在具體功能方面，系統應具備視頻監控、環境監測、智能聯動等功能，提供語音告警功能和電子地圖功能，視頻資料和環境數據要實現安全存儲，系統控制應直觀化、人性化，提高工作效率。在性能方面，系統平臺的設計應滿足先進性、實用性、穩定性、安全性、智能性、靈活性等要求。

3 系統總體設計

為解決當前監控系統存在的問題，進一步節省人力、物力，降低各種風險因素對鐵路電力系統造成危害，鐵路行業已經出臺了相應的鐵路供電調度系統設計規范，這對于系統的設計提出了更高的要求。根據電氣化鐵路供電系統環境監控的實際需求，結合一般信息化系統的技術特征，本系統主要對視頻監控、火災探測、溫濕度控制、水浸告警、侵界告警等內容進行了研究。

3.1 系統硬件結構設計

在鐵路沿線的每變電所和每段供電區域都安裝一個監控主機，其功能是實時記錄和分析相應區域范圍內的攝像機和探測器上傳的數據，并提供一些基本的設備控制操作，如轉動攝像頭、補光燈、空調等。在供電系統的關鍵位置安裝高清攝像機，可以遠程查看供電系統中的環境情況及設備運行狀態。環境數據采集設備包括煙火探測器、火災探測器、水浸探測器、紅外探測器、地震探測器、碎窗探測器和定位設備，以上探測器所采集的數據和基于定位系統的電子圍欄信息都會實時發送到告警主機上，一旦發現異常情況，告警主機會對所有告警信息進行匯總并發送給服務器。為保證供電系統的物理安全，采用刷卡式門禁系統對進出供電場所的人員進行身份驗證。若未授權的人員闖入會發出告警和提示。通過溫濕度計探測用電環境室內的溫度和濕度，當數據不在預設范圍時，系統會自動開啟空調或加濕機對環境溫濕度進行調節。調度中心通過大屏展示整個供電系統的實時環境和運行情況，對各類問題進行遠程處理。

3.2 系統軟件架構設計

本系統采用層次化設計思路，將系統劃分為硬件設施層、網絡傳輸層、數據持久層、中間件和應用層。其中硬件設施層是指支撐系統運行的服務器、采集設備等，用于采集鐵路供電系統的各項環境數據;網絡傳輸層采用無線和有線相結合的傳輸方式，為環境數據提供上傳通道;數據持久層由數據庫系統組成，用于存儲供電環境數據和分析結果;中間件是系統開發的支持組件，可提高開發效率;應用層為用戶提供各種業務功能，用戶通過界面功能模塊即可進行各種應用操作。

4 主要功能模塊及其關鍵技術

4.1 視頻監控模塊

視頻監控模塊的功能是對供電系統環境和設備進行圖像采集，并與其他子系統進行聯動。該模塊采用了1080P網絡高清高速攝像機和千兆三層交換機方案搭建，不僅能提供高畫質的監控圖像，還能實現智能化分析功能。當其他子系統發現異常情況時，可以調用距離最近的攝像機自動對準異常點，從而更直觀地了解現場情況。為了記錄更多的視頻歷史數據，在調度主站增加了磁盤陣列，提高了存儲容量和數據的安全性。

攝像機的圖像信息是以數據流的方式，通過TCP協議傳輸至調度中心視頻服務器，由后臺程序通過視頻服務器接口實現數據接收的。在接收數據前，首先設置攝像頭為客戶端，服務器為服務端，由攝像頭向服務器主動發起TCP連接，服務端與其建立連接后，攝像頭一方面會向服務器主動攝像頭視頻流，另一方面會主動操作數設備的告警信息和狀態數據。調度中心的值守人員可以直接發送控制類命令到視頻服務器，對攝像頭進行遠程控制。視頻服務器接口是自行開發的，對各個廠家的攝像機接口均有較好的兼容性。

4.2 火災探測模塊

以當前的技術水平，火災探測有很多種方式，根據鐵路供電系統的環境特點，本系統采用了氣體煙火探測器和纜式火災探測器相結合的火災探測方式。該探測方案與傳統的點式火災探測器相比，其探測范圍更廣、精度更高且具備主動預警能力。通過在變電站所的屋頂安裝火災探測器，可以提前感知室內設施起火情況，一旦出現火情，氣體探測會首先感應到并發出告警，主機收到告警信號后與消防設備聯動進行滅火。纜式火災探測器是一種感溫電纜，通過自身熱感效應動態監測高溫異常，可以準確識別火災早期狀態，以便及時采取防范措施。

4.3 溫濕度控制模塊

溫濕度是重要的環境參數，也是本系統監測的重點之一。溫濕度對于電氣設備的運行效率有重要的影響，過高的溫度容易使電氣設備發熱而面臨故障風險，濕度過大則易腐蝕設備結構和電路，加速設備損壞。通過溫濕度的監測，可以實時掌握室內溫濕度情況，事先設置好適宜設備工作的溫濕度范圍，一旦實際數值超過該范圍，立即通過程序自動控制空調、除濕機、加濕機等設備進行聯動，將室內溫濕度維持在該范圍內，為電氣設備提供一個最佳工作環境。

4.4 水浸告警模塊

鐵路沿線線路長，供電設備多，工作環境惡劣，由于大量電氣設備和線路直接暴露在室外，因而很容易受到外部天氣的影響。在雨季或暴雨天氣時，許多供電場所會出現積水現象，如果積水過多就會直接造成設備短路，影響鐵路的安全運行。本系統采用水浸探測器對積水進行檢測，如果水位超過設定值就會向監控主機告警，指示操作人員及時排水，避免高、低壓設備浸水侵蝕。當水位下降到安全值后，告警自動解除。

4.5 侵入告警模塊

為了防止有人或動物非法闖入鐵路供電場所，系統采用碎窗探測器、電子圍欄和門禁三種技術對入侵進行檢測。碎窗探測器就是對周邊玻璃的破碎狀態進行探測，一般原理是采用聲控-次聲波雙技術來精確區分金屬響聲和門窗敲擊，達到碎窗探測的目的。電子圍欄是當前廣泛采用的周界防盜告警系統，電子圍欄可以有脈沖型電子圍欄、張力型電子圍欄、GPS電子圍欄等類型。其中脈沖型電子圍欄和張力型電子圍欄均屬于物理圍欄，而GPS屬于電子圍欄。考慮到鐵路沿線過長，本系統采用GPS電子圍欄系統對關鍵供電場所進行設防，一旦有非法侵入就會發出告警信息。

采用幕簾式紅外探測器對人員的走動進行檢測，將探測范圍限定在門口區域，可以最大程度避免誤判。刷卡式門禁系統需要出入人員刷卡驗證，對于未授權的卡片或無卡人員，一旦非法闖入將會觸發告警。

5 結束語

交通強國，鐵路先行。近年來國家對鐵路事業高度重視，我國鐵路線網的覆蓋范圍也逐步擴大，這對鐵路運營管理提出更大的挑戰。牽引供電作為電氣化鐵路行車安全的重要環節，是直接影響鐵路供電安全的因素，因而本文提出采用專業化的監控系統對電氣化鐵路的供電環境進行監控的技術方案。本系統的應用，使用戶可以遠程實時了解供電系統運行環境和設備運行狀態，在事故的早期階段及時地發現異常并進行預防，避免事故的發生或不良影響的進一步擴大。本系統滿足鐵路供電系統的運營管理需求，有效提高了電氣化鐵路的智能化運營管理水平，具有一定的應用推廣前景。

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