鐵路樞紐變電所無人化系統關鍵技術研究與應用

佟崗

中國鐵路哈爾濱局集團有限公司供電部，黑龍江哈爾濱，150006

0 引言

隨著高鐵建設快速發展，對鐵路樞紐變電所的規模、安全等級、可靠性等要求越來越高。如中國鐵路哈爾濱局集團有限公司調度所變電所為哈爾濱局調度大樓（調度所）等重要用戶提供可靠電源，是哈爾濱鐵路地區樞紐變電所，位于調度大樓地下一層，主要供電設備采用中置開關柜、微機繼電保護、綜合自動化系統、交直流蓄電池、智能儀表等，各種開關均具備遠程操作功能。為了保障變電所的穩定運行，需進行人工巡檢作業，但工作效率低、巡檢效果差、浪費人力資源。近年來，為適應鐵路改革需要，減少值班員工作強度，直至取消值班員巡檢作業流程，哈局集團公司從各方面做了初步探索，研究巡檢方式逐步向智能化、自動化、無人化發展方向。本文就鐵路樞紐變電所無人化系統的關鍵技術進行研究，提出切合實際的技術方案，將各自動化功能進行整合，新增智能防雷監測、接地電阻監測功能，安裝巡檢機器人、視頻監控，實現變電所的視頻巡檢、電力監控、智能防雷、接地監測等功能，并通過系統軟件進行數據統計、診斷分析、告警輸出、聯動控制和智慧運維管理[1]。通過對變電所的無人化系統進行改造，推動哈局集團公司鐵路樞紐變電所無人化系統發展進程。

1 鐵路樞紐變電所無人化系統簡介

1.1 鐵路樞紐變電所

哈爾濱鐵路樞紐變電所是10/0.4千伏電力變電所，設4臺變壓器（2*3150千伏安，2*2500千伏安），引入兩路10kV電源，主接線為二進六出，單母線分段運行方式。全所遠動監控高、低壓斷路器的狀態、電流、電壓、電量、功率因數、無功補償、故障信號等信息，納入哈爾濱供電段電力調度臺，數據通信通道為光纜通道，采用點對點的2路（≥2M）獨立主、備專用光纖通信數據通道。

該所為調度所通信、信號、信息、防災系統、SCADA、BAS、FAS、消防設備（消防泵、防排煙風機、氣體滅火設備、消防電梯等）、變電所自用電、應急照明、調度大廳照明等設施供電，所帶負荷為一級負荷，中斷供電將造成哈牡、哈佳、哈大、哈齊客專運輸秩序混亂，條件耦合將造成高鐵設備損壞，甚至人身傷亡事故。

1.2 鐵路樞紐變電所無人化系統的目標

通過改造安裝巡檢機器人、視頻監控、智能防雷監測箱、接地電阻監測箱，實現變電所的視頻巡檢、電力監控、智能防雷、接地監測等功能，并通過系統軟件進行數據統計、診斷分析、告警輸出、聯動控制和智慧運維管理，完成鐵路樞紐變電所無人化系統目標。

2 鐵路樞紐變電所無人化系統的技術特征

由于鐵路變電所無人化系統沒有相關標準文件，本次改造參照中國國家鐵路集團公司發布的《牽引變電所輔助監控系統暫行技術條件》（TJ/GD025-2018）、《智能變電站技術導則》（GB/T 30155）、《電力工程電纜設計規范》（GB 50217）、《視頻安防監控系統工程設計規范》（GB 50395） 及《高級視頻編解碼協議》（ITU-T H.265）等文件，并結合哈局實際情況，考慮到改造資金、變電所設備、位置及工程難度，沒有完全照搬牽引所無人化標準內容，優先改造涉及智能巡檢以及與電力遠動相結合的項目，新增智能防雷、智能接地等現場急需項目。由于變電所在調度大樓內，對于采集所內門禁、激光對射、玻璃破碎等安全防范信息，采集溫、濕度傳感器、水浸傳感器、SF6監測傳感器等環境監控信息項目暫緩實施。

（1）系統由所內新設輔助監控設備和系統平臺構成。系統平臺通過標準通信接口，采集所內輔助監控設備信息，并將監控和報警信息上傳，實現信息共享與告警聯動功能，并接入智能一次設備的在線監測數據。輔助監控系統包含視頻監控及巡檢、智能防雷、智能接地等子系統，采用分層架構，由設備層、通訊層和站控層組成，設備層包括測控裝置、視頻服務器和輔助設備，通訊層層包括綜合應用服務器、網絡設備，站控層包括值班員監控后臺等[2]。

（2）采用導軌式巡檢機器人，全面覆蓋所內巡檢對象，包括智能防雷監測、接地電阻監測、電力遠動系統數據監測等，同時不影響所內既有設備正常運行。導軌式視頻巡檢機器人由巡檢機器人、軌道總成、升降云臺、高清攝像機等組成，提供自動巡檢、定點巡檢和遙控巡檢等可移動的視頻監控功能。每臺巡檢機器人具有256個預置監測點，智能分析每次巡檢的最短巡航線路，通過水平直線、環形移動和垂直升降移動，快速、精確定位到每個監測對象的最佳觀測位置，實現清晰、高效、無盲區的視頻監控，代替人工完成對變電所設備和環境的監控及巡檢。主要技術參數：采用吊頂懸掛安裝，雙柱式最大升降1.5米，通信接口1路RJ45。

（3）實現巡檢工作智慧化，任何一個分項的監測點位出現異常狀態，能及時調動巡檢機器人進行針對性巡檢。具備視頻和圖像的自動識別功能，自動給出所內狀態的結論性信息，省去人工分析判斷的環節，提升巡檢效率和狀態分析的準確度。

（4）采用熔斷組合式智能SPD，具備雷電浪涌防護性能，支持SPD狀態、雷擊情況的監測和上傳，實現防雷功能的透明化監測。熔斷組合SPD本體集成了后備保護裝置，縮短了泄流路徑，殘壓值更低，提升了保護效果。ISPU系列電源SPD，采用整體綜合解決方案，在材料和結構上進一步優化和改進，增加失效保護裝置，實現了全電流無盲區保護，避免了壓敏電阻失效起火的隱患，實現本質安全。實時監測防雷模塊運行狀態和受雷擊情況、后備保護裝置狀況等，并在上位機統一顯示[3]。

（5）實現在線式接地電阻監測，替代人工現場測試工作，智能接地檢測箱設置于變電所接地裝置側，用于測量地網接地電阻值及其變化情況，測量時不需要從接地系統中分離被測接地極，能自動濾波、變頻和選擇合適量程，具有檢測便捷、抗干擾能力好、測試值準確穩定等優勢。支持測量時段靈活設置，保證測量數據準確性，避免對其他設備造成干擾。

（6）軟件支持電力遠動系統數據接入和監測，通過兼容性的接口設計和軟件功能模塊化設計，實現功能的拓展和二次開發。具備監控變電所內設備的功能，提供數據統計、診斷分析、告警輸出和聯動控制等功能，并利用視頻巡檢、關聯攝錄和圖像識別等技術來替代人工去現場確認，實現對變電所的智慧運維管理。

（7）系統具備大數據分析能力，對視頻監測數據、SPD運行數據、接地阻值數據、電力遠動數據進行統一分析運算，識別系統運行規律，診斷異常狀態，及時向管理人員提供告警信息。

3 鐵路樞紐變電所無人化系統的現場應用

3.1 監控系統組成

變電所共安裝視頻巡檢機器人兩套、智能SPD4臺和網絡交換機1臺，智能接地檢測箱6臺。在哈爾濱供電段調度監控中心設置變電所無人化系統設備及軟件一套、NVR和網絡交換機各一臺。

3.2 實現功能

（1）系統視頻顯示、儲存及回放。可以實時圖像進行監視，視頻圖像隨意可調，支持視頻及輔助視頻端口的本地輸出，支持1/2/4/16畫面預覽，預覽通道可選。支持多個預置點、巡航軌跡，每天可設定6個以上錄像時間段，不同時段的錄像開啟模式可獨立設置，支持按通道號、錄像類型、文件類型、起止時間查詢錄像文件。支持手動錄像、定時錄像和告警錄制模式。支持電子放大預覽及屏蔽指定通道。支持視頻移動、丟失、遮擋、輸入異常檢測。采用云臺控制時，支持局部放大、鼠標跟蹤功能[4]。

（2）視頻監控設備控制。支持對攝像儀視角、方位、焦距、光圈的調整，可后臺設置攝像機參數，包括設置預置位、區域名稱、區域遮蓋等。具備聯動操作功能，當操作人員對設備進行遠程控制時，攝像機自動啟動錄像并調整到該設備。可以通過用戶名、密碼識別并分配操作權限來實現系統安全管理，保證控制的唯一性。可對前端設備進行完整的遠程控制：如云臺支持上、下、左、右移動及步長、速度控制，云臺停止等。可以事先確定布防/撤防策略，進行當地或系統遠程控制。

（3）視頻巡檢。實現對變電所遠程智能巡檢，可以模擬和替代人工巡檢。支持自動或手動啟動巡檢，可實現自定義巡視線路、步驟、對象、項目等。具備巡檢記錄功能，在巡檢時判斷設備運行是否正常。如果設備異常自動報警。巡檢結束生成記錄表，可按巡檢時間、巡檢裝置等進行查詢。

（4）智能圖像識別。對監控設備運行指示視頻圖像智能分析，實時判斷設備狀態。對儀表的視頻圖像進行實時分析，判斷儀表讀數并智能報警。對巡檢設備能智能識別設備狀態是否正常，監測量上傳到后臺輔助監控系統。

（5）視頻服務器。支持模擬和數字式攝像機，通道數不小于16路。采用國際通用的H.264/MPEG4或MJPEG視頻壓縮標準，性能穩定可靠。可獨立設置通道的視頻編碼參數，支持10M/100M/1000Mbps自適應網絡接口。

（6）攝像機支持各種安裝方式，操作方便，具備多語言菜單及操作提示功能。支持定時啟動預置點各種掃描功能。支持斷電記憶功能。支持視頻丟失、遮擋告警等功能。

（7）軟件配置。具備多級架構，具有良好的適應性和擴展性。軟件畫面、各類報表支持漢字功能，軟件支持系統擴充，不必重新組裝軟件，只需配置新增設備。

系統平臺軟件具備形象化的畫面展示功能，靈活的組網能力，大數據信息的高效處理功能。

4 鐵路樞紐變電所無人化系統的關鍵技術研究

4.1 自動化視頻巡檢及聯動巡檢技術

采用導軌式視頻巡檢機器人，實現對變電所設備進行巡檢，及時發現設備的故障、缺陷和異常，提高巡檢效率和質量。自定義配置巡檢線路、巡檢時間、巡檢步驟、巡檢對象和巡檢項目等，自動保存巡檢記錄和巡檢圖像。視頻聯動巡檢，當電力遠動系統、智能SPD、智能接地箱等發出告警信號時，系統自動控制巡檢機器人移動到報警點或相關設備，進行錄像并截取告警時刻范圍內的視頻圖像永久保存[5]。

4.2 智能識別及診斷技術

精準識別開關柜面板的分合閘指示燈、遙控指示旋鈕位置（就地、遠方）、故障報警燈、每一排最外側的柜子是否傾斜。設備報警與視頻攝錄關聯，并結合圖像識別技術，診斷是否誤報警，替代人工去現場巡檢和確認。

4.3 電力遠動信息接入技術

與變電所電力遠動系統通過OPC服務接口，獲得各配電回路的三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等數據，斷路器分合閘狀態、斷路器遙控位置、變壓器的三相溫度和風機啟動狀態等信息，以及相關故障報警顯示等位置信息，在變電所無人化系統中顯示，并將上述監測結果與視頻巡檢結果進行對比確認。

4.4 熔斷組合防護及SPD智能監測技術

SPD內置智能檢測模塊，實時監測防雷模塊的運行狀態，發現異常信息自動記錄事件并發出告警，實時檢測每根保護線纜受雷擊情況，記錄雷擊電流的大小和發生的時間，對防雷模塊的劣化程度進行分析，顯示防雷模塊實時壽命狀態，監測到防雷模塊故障、損壞或劣化超限時自動報警。

4.5 接地電阻在線監測及抗干擾技術

實時監測變電所內接地網電阻值、可靠接地狀況，能濾除地網中的近頻、同頻干擾信號，保證數據精度和準確度。檢測便捷、抗干擾能力好、測試值準確穩定。能對監測數據進行診斷分析，發現異常則立即告警。

4.6 智慧運維管理技術

對采集到的子系統數據，提供日、月、年、任意時間周期的統計和查詢功能，提供統計報表。對子系統數據進行診斷分析，及時發現問題和安全隱患，提供專業運維管理方案，協助用戶簡化運維流程、提高運維效率，實現變電所的智慧運維管理。

5 結語

2020年11月，該系統在中國鐵路哈爾濱局集團公司調度所變電所安裝使用，通過對所內輔助設備的信息采集，并將監控和報警信息上傳，實現了巡檢工作智慧化。經過一年多的運行，該系統運行穩定，各項設備、技術參數及監測巡檢功能均效果良好，其統一監測、智能化分析診斷、智慧運維管理功能優勢突出，適合鐵路樞紐變電所無人化系統需要。