基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的變配電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)研究

代 茜

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 電氣化研究設(shè)計(jì)院，北京 100071）

鐵路作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，在國(guó)家的運(yùn)輸任務(wù)與戰(zhàn)略意義上都起著舉足輕重的作用。鐵路供電系統(tǒng)是整個(gè)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，是確保調(diào)度指揮、信號(hào)、通信、旅客服務(wù)等系統(tǒng)重要負(fù)荷安全、可靠、不間斷運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施，其供電質(zhì)量的好壞直接影響到高速列車運(yùn)行的正常與否。因此，鐵路供電系統(tǒng)中電力設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)（簡(jiǎn)稱：運(yùn)維）工作尤為重要。

鐵路電力設(shè)備主要集中于變配電所內(nèi)，大部分變配電所仍采用人工的方式對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行日常巡檢，存在人力成本高、勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)大、工作效率低等問(wèn)題。此外，隨著我國(guó)電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)里程的快速增長(zhǎng)，亟須由傳統(tǒng)的人工巡視向智能巡視、遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)展，保障變配電所供電安全與穩(wěn)定，提升變配電所運(yùn)維效率，降低人員管理及設(shè)備維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)變配電所在“無(wú)人值守”模式下的正常運(yùn)行[1]。

基于鐵路一線電力運(yùn)維工作現(xiàn)狀及需求，本文針對(duì)變配電所日常運(yùn)維內(nèi)容，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的輔助監(jiān)控系統(tǒng)，增強(qiáng)鐵路供電管理能力，提高配電所運(yùn)維工作的自動(dòng)化、智能化水平[2]。

1 鐵路變配電所運(yùn)維現(xiàn)狀

鐵路變配電所是鐵路供電系統(tǒng)的重要組成部分，為鐵路運(yùn)行提供電力支持。隨著鐵路的快速發(fā)展，變配電所的數(shù)量不斷增加，這使得配電所運(yùn)維工作量加大，偏遠(yuǎn)地區(qū)變配電所的運(yùn)維難度大。

目前，變配電所的巡檢采用定期巡視加手工記錄數(shù)據(jù)的方式，設(shè)備檢測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)均由巡檢人員按照要求執(zhí)行和記錄。這種方式存在人工成本高、錄入效率低、易出現(xiàn)錯(cuò)記漏記等影響運(yùn)檢質(zhì)量的情況[2-3]。

2 變配電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)整體方案

變配電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：輔助監(jiān)控系統(tǒng)）由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層組成[4]，如圖1所示。

圖1 輔助監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 感知層

感知層是輔助監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，采用先進(jìn)的感知技術(shù)，對(duì)變配電所內(nèi)設(shè)備、環(huán)境、安防等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和識(shí)別。根據(jù)采集信息不同的類型，感知層將前端設(shè)備分為6 個(gè)子系統(tǒng)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)變配電所內(nèi)各類監(jiān)測(cè)設(shè)備的泛在連接。感知層各類傳感器采集的信息通過(guò)專用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)上傳至平臺(tái)層。

2.3 平臺(tái)層

平臺(tái)層是輔助監(jiān)控系統(tǒng)的核心單元。（1）由于監(jiān)測(cè)設(shè)備具有數(shù)量多、種類多、部署位置分散等特點(diǎn)，平臺(tái)層的網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)能夠?qū)σ曨l監(jiān)控及巡檢子系統(tǒng)上傳的信息進(jìn)行存儲(chǔ)、整理和初步數(shù)據(jù)處理；（2）動(dòng)環(huán)主機(jī)能夠匯總、存儲(chǔ)和初步處理環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、安全防范及門(mén)禁子系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警子系統(tǒng)和動(dòng)力照明控制子系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)和信息；（3）在線監(jiān)測(cè)主機(jī)能夠?qū)υ诰€監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)做匯總、存儲(chǔ)和初步整理；（4）網(wǎng)絡(luò)層的智能分析服務(wù)器能夠調(diào)用網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)、動(dòng)環(huán)主機(jī)、在線監(jiān)測(cè)主機(jī)等設(shè)備所存儲(chǔ)/上傳/已完成初步處理的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序管理，并按照系統(tǒng)功能需求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理，為應(yīng)用層提供支撐。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層采用圖像識(shí)別、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變配電所電力設(shè)備狀態(tài)信息展示、各類儀表數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)配置的功能。此外，應(yīng)用層還能夠?qū)崿F(xiàn)變配電所電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)警，自動(dòng)生成巡檢報(bào)表，提高變配電所管理水平和運(yùn)行質(zhì)量，緩解運(yùn)維人員的工作壓力，有效提高運(yùn)維效率。

3 變配電所前端監(jiān)測(cè)設(shè)備布置及實(shí)現(xiàn)功能

3.1 視頻監(jiān)控及巡檢子系統(tǒng)

（1）變電區(qū)不僅部署了雙光譜熱成像球機(jī)，能夠?qū)ψ儔浩鳌⒒ジ衅鳌⒈芾灼鳌?dǎo)線、線夾等設(shè)備進(jìn)行紅外溫度監(jiān)測(cè)和外觀巡視，還部署了高清攝像機(jī)監(jiān)測(cè)變壓器油溫和油位、避雷器放電計(jì)數(shù)器儀表并上傳至系統(tǒng)進(jìn)行圖像識(shí)別。

（2）高壓室內(nèi)設(shè)導(dǎo)軌式攝像機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行巡視、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、儀表識(shí)別。

（3）控制室設(shè)置高清球機(jī)進(jìn)行安防監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、儀表識(shí)別。

（4）調(diào)壓器室設(shè)雙光譜熱成像球機(jī)對(duì)調(diào)壓器進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和油位表監(jiān)測(cè)。

3.2 在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

在高壓室中，根據(jù)高壓柜的類型在高壓柜內(nèi)部署無(wú)線測(cè)溫傳感器和局部放電傳感器，無(wú)線測(cè)溫傳感器設(shè)于斷路器觸頭及電纜頭上用以監(jiān)測(cè)觸頭溫度；局部放電傳感器貼壁安裝于柜內(nèi)或柜外縫隙處用以監(jiān)測(cè)局部放電信號(hào)。傳感器將信息通過(guò)無(wú)線的方式傳輸至高壓室內(nèi)的在線監(jiān)測(cè)主機(jī)箱進(jìn)行信息的匯集、存儲(chǔ)、處理并上傳至輔助監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，用于對(duì)高壓柜內(nèi)設(shè)備超溫、絕緣異常的現(xiàn)象進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患。

3.3 其他子系統(tǒng)

（1）變配電所房頂設(shè)風(fēng)速傳感器和雨量傳感器，房屋外壁、高壓室、控制室、調(diào)壓室內(nèi)設(shè)溫濕度傳感器，用于監(jiān)測(cè)配電所外部及各室內(nèi)部風(fēng)速、雨量、溫濕度等環(huán)境信息；電纜溝集水井或最低處設(shè)水浸傳感器，用于監(jiān)測(cè)電纜溝積水情況。

（2）變配電所控制室內(nèi)根據(jù)需求設(shè)燈光控制模塊、風(fēng)機(jī)控制箱、空調(diào)控制單元對(duì)照明、風(fēng)機(jī)、空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，按照系統(tǒng)設(shè)置當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)與其他設(shè)備聯(lián)動(dòng)。

（3）變配電所控制室內(nèi)根據(jù)火災(zāi)規(guī)范文件設(shè)感溫感煙探測(cè)器、手動(dòng)報(bào)警按鈕、聲光報(bào)警器、火災(zāi)報(bào)警控制器，用于監(jiān)測(cè)火災(zāi)并報(bào)警。

（4）各個(gè)監(jiān)測(cè)終端采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳至各系統(tǒng)主機(jī)/控制單元，后上傳至輔助監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所內(nèi)設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境信息、安防信息的全面監(jiān)控、智能巡檢和自動(dòng)報(bào)警。

4 變配電所聯(lián)動(dòng)和遠(yuǎn)程控制方案

輔助監(jiān)控系統(tǒng)利用物互聯(lián)技術(shù)，將變配電所內(nèi)大量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳后臺(tái)處理中心，實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控、智能預(yù)警和協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)的功能，通過(guò)系統(tǒng)后臺(tái)設(shè)置聯(lián)動(dòng)時(shí)間段、報(bào)警觸發(fā)閾值、聯(lián)動(dòng)觸發(fā)條件、觸發(fā)聯(lián)動(dòng)動(dòng)作、復(fù)位條件、復(fù)位動(dòng)作等相關(guān)參數(shù)配置聯(lián)動(dòng)規(guī)則。聯(lián)動(dòng)觸發(fā)后系統(tǒng)自動(dòng)記錄觸發(fā)、動(dòng)作、復(fù)位全過(guò)程至歷史數(shù)據(jù)中供后期查詢使用。

系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能由特定告警信號(hào)觸發(fā)，由某個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備按照系統(tǒng)設(shè)置完成觸發(fā)動(dòng)作[5-7]，其聯(lián)動(dòng)策略如圖2 所示。

圖2 輔助監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)策略

變配電所內(nèi)可能出現(xiàn)發(fā)生火災(zāi)、盜竊、設(shè)備過(guò)熱、電纜頭局部放電、電纜溝積水過(guò)多、儀器儀表數(shù)據(jù)超過(guò)閾值等影響配電所安全運(yùn)行的情況，利用輔助監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行智能聯(lián)動(dòng)處理，遇到突發(fā)情況，在無(wú)值守人員在場(chǎng)時(shí)及時(shí)作出處理并后臺(tái)報(bào)警通知相關(guān)工作人員，有效防止事故進(jìn)一步升級(jí)。

5 輔助監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

變配電所輔助監(jiān)控采用模塊化、智能化的設(shè)計(jì)思路，對(duì)變配電所內(nèi)視頻監(jiān)控及巡檢、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全防范、火災(zāi)報(bào)警和動(dòng)力照明控制等部分或全部輔助設(shè)備信息進(jìn)行集成，系統(tǒng)平臺(tái)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口，采集所內(nèi)輔助設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)信息共享與告警聯(lián)動(dòng)功能，并將監(jiān)控和報(bào)警信息上傳。

輔助監(jiān)控系統(tǒng)軟件具備靈活的多級(jí)架構(gòu)，采用層次化、模塊化結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)，具有良好的擴(kuò)展性和適應(yīng)性。用戶在工作站通過(guò)系統(tǒng)軟件向輔助監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送指令，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)置功能。

按照應(yīng)用功能場(chǎng)景，輔助監(jiān)控系統(tǒng)的功能及其之間的關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能關(guān)系示意

輔助監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)終端軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能配置和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理，滿足配電所在無(wú)人值守的條件下的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警，有效地保障了配電所正常運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)方案，將智能物聯(lián)技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合，將多個(gè)子系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行多系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)全所視頻監(jiān)視、環(huán)境信息監(jiān)測(cè)、安全防范、火災(zāi)報(bào)警、動(dòng)力照明控制、設(shè)備巡檢、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)等功能的高度集成和一體化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了信息共享、告警聯(lián)動(dòng)、故障預(yù)警、智能巡檢的功能。未來(lái)，將進(jìn)一步研究基于物聯(lián)網(wǎng)框架的鐵路變配電所智能運(yùn)維管理系統(tǒng)，以達(dá)到“無(wú)人值守”條件下變配電所供電安全、穩(wěn)定，運(yùn)維高效，減員增效的目標(biāo)。