高速鐵路牽引變電所亭無人化方案設計研究

郭曉旭

0 引言

中國高速鐵路通過十幾年的迅速發展，已形成“四縱四橫”高鐵網。截至2019年年底，中國高速鐵路運營里程已達3.5萬公里以上，穩居世界第一[1]。牽引變電所作為高速鐵路的“心臟”，對高速鐵路安全、可靠、高效運營發揮著重要作用。牽引變電所的安全監測急需完整、系統、智能、人性化的解決辦法[2]。

在既有高速鐵路項目中，牽引變電所、開閉所均采用無人值班有人值守的模式，分區所和AT所采用無人值班無人值守的模式，每座牽引變電所、開閉所配置定員4人，人力資源投入較大。隨著我國高速鐵路運營里程的不斷增加，節省人力資源和提質增效的需求更加迫切。為實現國鐵集團電力牽引供電節支降耗、改革創新要求，牽引變電所、開閉所、分區所和AT所采用無人值班無人值守模式，既可以將大量的值守定員轉為供電檢修定員，減緩和節約各路局的運檢壓力及運營成本，又可以通過各類監測檢測裝置保證牽引變電所、開閉所、分區所和AT所各型設備安全可靠運行。

近期，國鐵集團要求按照統一規劃、統一標準、兼顧差異、分步實施的原則，做好鐵路牽引變電所亭無人化實施工作。本文研究高速鐵路不同建設階段牽引變電所亭無人化設計方案，為推廣實施牽引變電所亭無人化改造提供技術參考。

1 無人化設計總體方案

2018年9月7日，中國國家鐵路集團有限公司發布了《牽引供變電所實施無人值班值守工作的指導意見》，要求各建設單位、運營單位、設計單位結合實際情況，在滿足牽引變電所輔助監控系統暫行技術條件的前提下，在牽引變電所、開閉所、分區所、AT所實施采用無人值班、無人值守模式。

牽引變電所亭無人化方案設計應在傳統牽引變電所亭設計方案基礎上，加強安保、遠程監控、遠程監視功能，即在房屋土建方案、電氣主接線、輔助監控、設備在線監測等方面進行詳細設計，總體方案架構如圖1所示。

圖1 牽引變電所亭無人化方案

2 房屋土建方案

實現牽引變電所、開閉所、分區所、AT所的無人值守要求相應建筑物具有防盜反恐功能，具體方案如下：

（1）安裝與圍墻等高、具有防盜功能（不通透）的304型不銹鋼材質院門，上加內外翻45°角尖刺，門鎖應具備防盜防拆功能。

（2）實體圍墻高度不應低于2.5 m，圍墻上部應安裝高度不小于50 cm（其中20 cm向外45°傾斜）的金屬防護網，圍墻上部應設周界入侵探測器。周界入侵探測器優先采用激光對射技術，遠期可考慮采用紅外雙鑒、感應報警式電子圍欄等技術。

（3）所內建筑物一樓應少設門窗，對于必要的門窗，應裝設實體防護措施，采用防盜窗、防小動物進入的措施等。

3 電氣主接線加強

無人值守的變電所亭要求所亭內相關開關設備需具備遠程控制功能，且對綜合自動化系統的功能提出更高要求：

（1）綜合自動化系統需具備遠方投切保護、召喚及修改定值、壓互二次回路投切等功能，備自投應具有遠方復歸、重啟通信管理機等功能；

（2）電壓互感器、所用變壓器回路的隔離開關需采用電動操作機構，并納入綜合自動化及遠動控制系統；

（3）所內交直流屏及動力配電屏的空氣開關均納入遠動控制；

（4）兩回電壓互感器回路應設電壓繼電器監視電壓狀態，并將信息上傳遠動系統。

綜合自動化系統遠傳單元通信管理機的故障自啟動原則上不納入輔助監控系統。

4 輔助監控系統

4.1 總體要求

牽引變電所、開閉所、分區所、AT所輔助監控信息上傳至鐵路局供電調度所，搭建調度Ⅱ區（即輔助監控區），同時輔助監控系統信息上傳到供電段主站系統，并復示給相關供電車間。

牽引變電所、開閉所、分區所、AT所采用兩路20 Mbit/s帶寬的輔助監控通道接入鄰近車站；調度所主站、供電段主站接入數據網的帶寬不低于100 Mbit/s，供電段至供電車間的輔助監控復示通道帶寬不低于20 Mbit/s。

牽引變電所、開閉所、分區所、AT所輔助監控系統由視頻監控及巡檢、安全防范及門禁、環境監測、火災報警、動力照明控制、設備在線監測等子系統及相關平臺軟硬件組成[3]，整體架構分為站控層、接入層、間隔層，如圖2所示；實現對全所設備/設施的視頻監控、巡視、環境信息采集報警、信息共享聯動等功能，滿足無人值守、遠程監視牽引變電所的需求，各子系統按照適用經濟的原則配置設備。

圖2 輔助監控系統架構

為保證設備配置的經濟性，輔助監控系統中監控、巡檢攝像頭應充分信息共享；在對既有牽引變電所亭無人化改造時，需充分利用既有安全監控系統設備，從而節約建設投資。此外，攝像機布置還需考慮美觀、節約電纜及工程投資等，攝像頭安裝時，首先考慮既有圍墻、架構、房屋等構筑物的可利用性，必須立桿安裝的應滿足電氣安全距離要求，采用高桿時還需校核避雷針雷電防護范圍。

4.2 視頻監控及巡檢子系統

視頻監控及巡檢子系統包括室內攝像機、室外攝像機、視頻服務器等設備。視頻監控攝像機按滿足安全防范要求配置，巡檢攝像機按照滿足無人值守的要求配置。

4.2.1 攝像機配置的具體原則

（1）為清晰辨識人員體貌特征、進出機動車外觀和號牌，辨別監控范圍內人員活動情況，安防監控攝像機需滿足大范圍高清監視要求，具備區域入侵偵測、越界偵測、移動偵測等偵測功能。

（2）為滿足安全防范要求，攝像機應能夠全天候監視牽引變電所亭主要設備區域，能夠辨識設備是否懸掛異物、是否嚴重破損等外觀狀態。

（3）為滿足無人值守要求，攝像機需滿足設備外觀監視、巡視及應急指揮的基本需求；支持全天候及惡劣天氣情況下巡視所內主變壓器、高壓設備、開關柜等設備運行狀態。因此，巡檢攝像機應能夠清晰監視儀表指針和讀數，可采用高速球形攝像機或槍式攝像機，對于變壓器油面溫控器等單一的儀表，結合經濟性要求可采用槍式攝像機。

（4）為監視牽引變電所主導流回路設備的能力，可配置紅外測溫攝像機，每臺紅外測溫攝像機應能監視一個供電回路的設備。

4.2.2 安防監控視頻攝像機配置分析

在既有的綜合視頻監控設備基礎上適當補強監控攝像機，全面監視變電所圍墻、大門、設備區、房屋等區域，對非法侵入進行監視，以保障變電所場地及周圍環境的安全。全所配置1臺室外全景攝像機。

4.2.3 不同巡檢對象的攝像機配置分析

為精準巡檢，將牽引變電所亭按物理位置劃分為高壓進線區、變壓器區、控制室、饋線室內外區、電纜夾層區進行攝像機配置，具體區域的巡檢對象及相應攝像機配置如圖3所示。

4.2.4 主導流回路的攝像機配置分析

（1）高壓進線區域建議配置3臺紅外測溫攝像機，監測進線側互感器、避雷器、線夾、隔離開關觸頭等處的溫度。

（2）對于27.5 kV配電裝置采用室外布置的牽引變電所，建議配置2臺紅外測溫攝像機，監測饋線側互感器、避雷器、線夾、隔離開關觸頭等處的溫度。

4.2.5 視頻監控及巡檢子系統算法需求分析

視頻監控及巡檢子系統一般利用圖像識別技術、表面溫度判斷法、同類比較判斷法、圖像特征判斷法判斷運行狀態是否正常，同時需具備與其他子系統進行報警聯動的功能，從而滿足運行管理對安全、巡視的需求。

圖3 不同巡檢對象的攝像機配置

系統利用固定巡檢攝像機、紅外測溫攝像機、軌道巡檢機器人、輪式巡檢機器人，結合攝像機的預置位，按照所內巡視標準線路制定巡檢計劃，可手動或按時自動執行巡檢計劃。巡檢過程中利用圖像智能識別方法判斷設備運行狀態，每個巡檢項目需形成相應的巡檢記錄。記錄需包含本次巡檢設備的運行狀態、外觀狀態、相關部件溫度等信息，在此基礎上形成電子巡檢報告。報告需涵蓋巡檢內容及巡檢正常或異常結果圖片，并存儲于系統供上級管理人員確認。

4.3 環境監測子系統

4.3.1 配置分析

（1）牽引變電所亭室外需設置微氣象站，采集環境溫度、相對濕度、雨量、風速、雪量等基本氣象參數。

（2）對于高壓室、控制室等重要設備房間，每個房間建議配置1或2套溫濕度傳感器。含有SF6氣體設備的高壓配電室及電纜夾層需配置SF6探測器，SF6探測器應低位布置。電纜井、電纜溝等易積水區域應配置水浸傳感器及水位傳感器。

4.3.2 數據傳輸需求分析

（1）溫濕度、氣體傳感器采集溫濕度、氣體信息，通過通信管理單元上傳到綜合應用服務器，使溫濕度及氣體數據實時在監控平臺顯示，溫濕度、氣體數據達到設定閾值時，綜合測控裝置可按照聯動策略執行相關聯動控制。

（2）風速傳感器可準確測量空氣流速，儀器內的轉速傳感器具備將風速數據上傳到綜合應用服務器的功能，從而將風速數據實時顯示在監控平臺上；此外，風速超過閾值時，站端系統能夠上送報警信息，并做出聯動處理，打開燈光，可利用攝像機查看場地狀況。

（3）電纜溝內的水浸傳感器可通過將開關量或輸出報警信號傳送給綜合應用服務器；當水浸探測器發出報警時，綜合測控裝置能夠啟動智能控制流程，同時啟動抽水泵排水。

4.4 安全防范及門禁子系統

4.4.1 配置分析

（1）圍墻布置的周界入侵探測器宜采用激光對射技術，實現入侵破壞前的預警；對于其他形式的探測器應以報警并防止人身傷害為設計原則。

（2）控制室、高壓室等出入口宜配置紅外雙鑒探測器；變電所入口大門應配置門禁；高壓室、控制室、通信室大門可配置門禁；高壓室、控制室、通信室窗戶宜配置玻璃破碎探測器。

4.4.2 監測設備特征需求分析

（1）激光對射報警系統需具有不同的防區，當檢測到入侵事件時，報警主機能夠輸出相應防區的報警信息到綜合測控裝置；綜合測控裝置能夠將報警信息上傳至綜合應用服務器，并可根據預置規則聯動相應功能：觸發聲光報警器，聯動相應的燈光照明，調用攝像機預置位，啟動錄像等。

（2）系統能夠針對牽引變電所周界場所特征，結合各種探測和傳感技術的綜合應用，實時展示安防設備的工作狀態、告警狀態，并可對安防設備進行布防和撤防，實現入侵破壞前的預警，并對非法侵入進行提示警告。

4.5 火災報警子系統

火災報警子系統可結合房建設施劃分火災探測區域，可分為高壓室、控制室、電纜夾層等區域；火災探測區域宜配置感溫、感煙探測器。

4.6 動力照明控制子系統

動力照明控制子系統包括風機、水泵、燈光、空調等設備的控制回路及控制器。燈光控制可分組實現控制功能，其他設備控制宜設置為一對一控制。

5 智能牽引變電所亭在線監測

智能牽引變電所亭內設備的在線監測需滿足智能化需求。牽引變壓器、斷路器、隔離開關、互感器、避雷器、GIS開關柜等設備均需配置智能組件，實現對上述設備運行狀態的在線監測，設備監測點布局如圖4所示。

圖4 智能牽引變電所亭內設備監測點布局

結合圖2可以看出，在線監測信息通過接入層上傳至站控層的綜合應用服務器的站端監測單元。站端監測單元由監測單元和通信管理單元構成。智能組件采集各類監測數據后建議以DL/T 860通信協議向監測單元傳送。

站端監測單元的職能是獲取、處理及轉發所有狀態監測數據，并具有數據分析診斷、監測預警及與綜合應用服務器各類信息的綜合展示和聯動功能；具備對所有監測設備的監控管理功能。

以變壓器智能組件柜為例，該智能組件柜需實現對變壓器各在線監測單元采集傳輸數據的處理分析。牽引變壓器故障判別流程可分為3個部分：（1）對原始數據的處理；（2）采用智能分析方法，如深度神經網絡、機器學習等方法進行特征分析；（3）基于上述特征分析研究故障判據，對變壓器異常狀態進行識別。

6 結語

牽引變電所亭無人值班、無人值守工作在2018年就已開展，但由于無人值守變電所內設備類型及其故障狀態種類繁多， 大多數運行中的變電所處于正常運行狀態，設備的故障狀態往往需要較長周期積累，既有的方案設計缺乏統一性、普適性。本文詳細研究了高速鐵路牽引變電所亭無人化設計方案，從房屋土建方案、電氣主接線、輔助監控、設備在線監測方面開展監測設備配置研究、監測設備性能需求分析，為推動牽引變電所亭無人化發展提供技術參考。