淺談鐵路樞紐變電所無人化運維技術(shù)研究與應用

摘要：現(xiàn)階段，鐵路變電所人工巡檢作業(yè)效率低、巡檢效果差、浪費人力資源，為適應鐵路整改需要，巡檢方式逐步向智能化、自動化、無人化方向發(fā)展。本文就鐵路樞紐變電所無人化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，提出自動化影像巡檢及聯(lián)動巡檢技術(shù)、智能識別及診斷技術(shù)、電力遠動信息接入技術(shù)、熔斷組合防護及SPD智能監(jiān)測技術(shù)、接地電阻在線監(jiān)測及抗干擾技術(shù)、智慧運維管理技術(shù)等切合實際的技術(shù)方案。結(jié)合工程項目對變電所的相關(guān)供電設(shè)備及無人化系統(tǒng)進行改造，經(jīng)過一年多的運行，效果良好，為鐵路樞紐變電所無人化系統(tǒng)發(fā)展探索出新通道。

關(guān)鍵詞：鐵路變電所；無人化系統(tǒng)應用；自動化

0、引言

隨著高鐵建設(shè)快速發(fā)展，對鐵路樞紐變電所的規(guī)模、重要等級、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(diào)度所變電所為哈爾濱局調(diào)度大樓(調(diào)度所)等重要用戶提供可靠電源，是哈爾濱鐵路地區(qū)樞紐變電所，位于調(diào)度大樓地下一層，主要供電設(shè)備采用中置開關(guān)柜、微機繼電保護、綜合自動化系統(tǒng)、交直流蓄電池、智能儀表等，各種開關(guān)均具備遠程操作功能。為了保障變電所的穩(wěn)定運行，需進行人工巡檢作業(yè)，但工作效率低、巡檢效果差、浪費人力資源。近年來，為適應鐵路整改需要，減少值班員工作強度，直至取消值班員巡檢作業(yè)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(fā)展方向。本文就鐵路樞紐變電所無人化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，提出切合實際的技術(shù)方案，將各自動化功能進行整合，新增智能防雷監(jiān)測、接地電阻監(jiān)測功能，安裝巡檢機器人、影像監(jiān)控，實現(xiàn)變電所的影像巡檢、電力監(jiān)控、智能防雷、接地監(jiān)測等功能，并通過系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、診斷分析、告警輸出、聯(lián)動控制和智慧運維管理。通過對變電所的無人化系統(tǒng)進行改造，推動哈局集團公司鐵路樞紐變電所無人化系統(tǒng)發(fā)展進程。

1. 鐵路樞紐變電所無人化系統(tǒng)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(shè)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，單獨母線分段運行方式。全所遠動監(jiān)控高、低壓斷路器的狀態(tài)、電流、電壓、電量、功率因數(shù)、無功補償、故障信號等信息，納入哈爾濱供電段電力調(diào)度臺，數(shù)據(jù)通信通道為光纜通道，采用點對點的2路(≥2M)單獨主、備專用光纖通信數(shù)據(jù)通道。

該所為調(diào)度所通信、信號、信息、防災系統(tǒng)、SCADA、BAS、FAS、消防設(shè)備(消防泵、防排煙風機、氣體滅火設(shè)備、消防電梯等)、變電所自用電、應急照明、調(diào)度大廳照明等設(shè)施供電，所帶負荷為首要負荷，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(shè)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(tǒng)的目標

通過改造安裝巡檢機器人、影像監(jiān)控、智能防雷監(jiān)測箱、接地電阻監(jiān)測箱，實現(xiàn)變電所的影像巡檢、電力監(jiān)控、智能防雷、接地監(jiān)測等功能，并通過系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、診斷分析、告警輸出、聯(lián)動控制和智慧運維管理，完成鐵路樞紐變電所無人化系統(tǒng)目標。

2、鐵路樞紐變電所無人化系統(tǒng)的技術(shù)特征

由于鐵路變電所無人化系統(tǒng)沒有相關(guān)標準文件，本次改造參照中國國家鐵路集團公司發(fā)布的《牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》(TJ/GD025-2018)、《智能變電站技術(shù)導則》(GB/T30155)、《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》(GB50217)、《影像安防監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》(GB50395)及《重要影像編解碼協(xié)議》(ITU-TH.265)等文件，并結(jié)合哈局實際情況，考慮到改造資金、變電所設(shè)備、位置及工程難度，沒有照搬牽引所無人化標準內(nèi)容，優(yōu)先改造涉及智能巡檢以及與電力遠動相結(jié)合的項目，新增智能防雷、智能接地等現(xiàn)場急需項目。由于變電所在調(diào)度大樓內(nèi)，對于采集所內(nèi)門禁、激光對射、玻璃破碎等重要防范信息，采集溫、濕度傳感器、水浸傳感器、SF6監(jiān)測傳感器等環(huán)境監(jiān)控信息項目暫緩實施。

（1）系統(tǒng)由所內(nèi)新設(shè)輔助監(jiān)控設(shè)備和系統(tǒng)平臺構(gòu)成。系統(tǒng)平臺通過標準通信接口，采集所內(nèi)輔助監(jiān)控設(shè)備信息，并將監(jiān)控和警報信息上傳，實現(xiàn)信息共享與告警聯(lián)動功能，并接入智能一次設(shè)備的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。輔助監(jiān)控系統(tǒng)包含影像監(jiān)控及巡檢、智能防雷、智能接地等子系統(tǒng)，采用分層架構(gòu)，由設(shè)備層、通訊層和站控層組成，設(shè)備層包括測控裝置、影像服務(wù)器和輔助設(shè)備，通訊層層包括綜合應用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，站控層包括值班員監(jiān)控后臺等。

(2)采用導軌式巡檢機器人，多方面覆蓋所內(nèi)巡檢對象，包括智能防雷監(jiān)測、接地電阻監(jiān)測、電力遠動系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測等，同時不影響所內(nèi)既有設(shè)備正常運行。導軌式影像巡檢機器人由巡檢機器人、軌道總成、升降云臺、高清錄像機等組成，提供自動巡檢、定點巡檢和遙控巡檢等可移動的影像監(jiān)控功能。每臺巡檢機器人具有256個預置監(jiān)測點，智能分析每次巡檢的較短巡航線路，通過水平直線、環(huán)形移動和垂直升降移動，快速、準確定位到每個監(jiān)測對象的較佳觀測位置，實現(xiàn)清晰、、無盲區(qū)的影像監(jiān)控，代替人工完成對變電所設(shè)備和環(huán)境的監(jiān)控及巡檢。主要技術(shù)參數(shù)：采用吊頂懸掛安裝，雙柱式大幅度升降1.5米，通信接口1路RJ45。

(3)實現(xiàn)巡檢工作智慧化，任何一個分項的監(jiān)測點位出現(xiàn)異常狀態(tài)，能及時調(diào)動巡檢機器人進行針對性巡檢。具備影像和圖像的自動識別功能，自動給出所內(nèi)狀態(tài)的結(jié)論性信息，省去人工分析判斷的環(huán)節(jié)，提升巡檢效率和狀態(tài)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(tài)、雷擊情況的監(jiān)測和上傳，實現(xiàn)防雷功能的透明化監(jiān)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(jié)構(gòu)上進一步優(yōu)化和改進，增加失效保護裝置，實現(xiàn)了全電流無盲區(qū)保護，避免了壓敏電阻失效起火的隱患，實現(xiàn)本質(zhì)重要。實時監(jiān)測防雷模塊運行狀態(tài)和受雷擊情況、后備保護裝置狀況等，并在上位機統(tǒng)一顯示。

(5)實現(xiàn)在線式接地電阻監(jiān)測，替代人工現(xiàn)場測試工作，智能接地檢測箱設(shè)置于變電所接地裝置側(cè)，用于測量地網(wǎng)接地電阻值及其變化情況，測量時不需要從接地系統(tǒng)中分離被測接地線，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(wěn)定等優(yōu)勢。支持測量時段靈活設(shè)置，保證測量數(shù)據(jù)準確性，避免對其他設(shè)備造成干擾。

(6)軟件支持電力遠動系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入和監(jiān)測，通過兼容性的接口設(shè)計和軟件功能模塊化設(shè)計，實現(xiàn)功能的拓展和二次開發(fā)。具備監(jiān)控變電所內(nèi)設(shè)備的功能，提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計、診斷分析、告警輸出和聯(lián)動控制等功能，并利用影像巡檢、關(guān)聯(lián)攝錄和圖像識別等技術(shù)來替代人工去現(xiàn)場確認，實現(xiàn)對變電所的智慧運維管理。

(7)系統(tǒng)具備大數(shù)據(jù)分析能力，對影像監(jiān)測數(shù)據(jù)、SPD運行數(shù)據(jù)、接地阻值數(shù)據(jù)、電力遠動數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一分析運算，識別系統(tǒng)運行規(guī)律，診斷異常狀態(tài)，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(tǒng)的現(xiàn)場應用

3.1監(jiān)控系統(tǒng)組成

變電所共安裝影像巡檢機器人兩套、智能SPD4臺和網(wǎng)絡(luò)交換機1臺，智能接地檢測箱6臺。在哈爾濱供電段調(diào)度監(jiān)控中點設(shè)置變電所無人化系統(tǒng)設(shè)備及軟件一套、NVR和網(wǎng)絡(luò)交換機各一臺。

3.2實現(xiàn)功能

(1)系統(tǒng)影像顯示、儲存及回放。可以實時圖像進行監(jiān)視，影像圖像隨意可調(diào)，支持影像及輔助影像端口的本地輸出，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(shè)定6個以上錄像時間段，不同時段的錄像開啟模式可單獨設(shè)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覆蓋通道。支持影像移動、丟失、遮擋、輸入異常檢測。采用云臺控制時，支持局部放大、鼠標定位功能。

(2)影像監(jiān)控設(shè)備控制。支持對拍攝儀視角、方位、焦距、光圈的調(diào)整，可后臺設(shè)置錄像機參數(shù)，包括設(shè)置預置位、區(qū)域名稱、區(qū)域遮蓋等。具備聯(lián)動操作功能，當操作人員對設(shè)備進行遠程控制時，錄像機自動啟動錄像并調(diào)整到該設(shè)備。可以通過用戶名、數(shù)字識別并分配操作權(quán)限來實現(xiàn)系統(tǒng)重要管理，保證控制的單一性。可對前端設(shè)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?shù)鼗蛳到y(tǒng)遠程控制。

(3)影像巡檢。實現(xiàn)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(xiàn)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(shè)備運行是否正常。如果設(shè)備異常自動警報。巡檢結(jié)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(jiān)控設(shè)備運行指示影像圖像智能分析，實時判斷設(shè)備狀態(tài)。對儀表的影像圖像進行實時分析，判斷儀表讀數(shù)并智能警報。對巡檢設(shè)備能智能識別設(shè)備狀態(tài)是否正常，監(jiān)測量上傳到后臺輔助監(jiān)控系統(tǒng)。

(5)影像服務(wù)器。支持模擬和數(shù)字式錄像機，通道數(shù)不小于16路。采用國際通用的H.264/MPEG4或MJPEG影像壓縮標準，性能穩(wěn)定可靠。可單獨設(shè)置通道的影像編碼參數(shù)，支持10M/100M/1000Mbps自適應網(wǎng)絡(luò)接口。

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

(7)軟件配置。具備多級架構(gòu)，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(tǒng)擴充，不必重新組裝軟件，只需配置新增設(shè)備。

系統(tǒng)平臺軟件具備形象化的畫面展示功能，靈活的組網(wǎng)能力，大數(shù)據(jù)信息的處理功能。

4、鐵路樞紐變電所無人化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1自動化影像巡檢及聯(lián)動巡檢技術(shù)

采用導軌式影像巡檢機器人，實現(xiàn)對變電所設(shè)備進行巡檢，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障、缺失和異常，提高巡檢效率和質(zhì)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。影像聯(lián)動巡檢，當電力遠動系統(tǒng)、智能SPD、智能接地箱等發(fā)出告警信號時，系統(tǒng)自動控制巡檢機器人移動到警報點或相關(guān)設(shè)備，進行錄像并截取告警時刻范圍內(nèi)的影像圖像長久保存。

4.2智能識別及診斷技術(shù)

較準識別開關(guān)柜面板的分合閘指示燈、遙控指示旋鈕位置(就地、遠方)、故障警報燈、每一排外側(cè)的柜子是否傾斜。設(shè)備警報與影像攝錄關(guān)聯(lián)，并結(jié)合圖像識別技術(shù)，診斷是否誤警報，替代人工去現(xiàn)場巡檢和確認。

4.3電力遠動信息接入技術(shù)

與變電所電力遠動系統(tǒng)通過OPC服務(wù)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(shù)等數(shù)據(jù)，斷路器分合閘狀態(tài)、斷路器遙控位置、變壓器的三相溫度和風機啟動狀態(tài)等信息，以及相關(guān)故障警報顯示等位置信息，在變電所無人化系統(tǒng)中顯示，并將上述監(jiān)測結(jié)果與影像巡檢結(jié)果進行對比確認。

4.4熔斷組合防護及SPD智能監(jiān)測技術(shù)

SPD內(nèi)置智能檢測模塊，實時監(jiān)測防雷模塊的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常信息自動記錄事件并發(fā)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(fā)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(tài)，監(jiān)測到防雷模塊故障、損壞或劣化超自動警報。

4.5接地電阻在線監(jiān)測及抗干擾技術(shù)

實時監(jiān)測變電所內(nèi)接地網(wǎng)電阻值、可靠接地狀況，能濾除地網(wǎng)中的近頻、同頻干擾信號，保證數(shù)據(jù)精度和準確度。檢測便捷、抗干擾能力好、測試值準確穩(wěn)定。能對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行診斷分析，發(fā)現(xiàn)異常則立即告警。

4.6智慧運維管理技術(shù)

對采集到的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提供日、月、年、任意時間周期的統(tǒng)計和查詢功能，提供統(tǒng)計報表。對子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行診斷分析，及時發(fā)現(xiàn)問題和重要隱患，提供運維管理方案，協(xié)助用戶簡化運維流程、提高運維效率，實現(xiàn)變電所的智慧運維管理。

5、安科瑞AcrelCloud-1000變電所運維云平臺

5.1概述

基于互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)、移動通訊等技術(shù)開發(fā)的云端管理平臺，滿足用戶或運維公司監(jiān)測眾多變電所回路運行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現(xiàn)場設(shè)備或環(huán)境影像場景等需求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)一個中點，集中存儲、統(tǒng)一管理，方便使用，支持具有權(quán)限的用戶通過電腦、手機、PAD等各類終端鏈接訪問、接收警報，并完成有關(guān)設(shè)備日常和定期巡檢和派單獨等管理工作。

5.2應用場所

適用于電信、金融、交通、能源、醫(yī)療衛(wèi)生、文體、教育科研、農(nóng)林水利、商業(yè)服務(wù)、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運行維護系統(tǒng)的新建、擴建和改建。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)可分為四層：即感知層、傳輸層、應用層和展示層。

感知層：包含變電所安裝的多功能儀表、溫濕度監(jiān)測裝置、拍攝頭、開關(guān)量采集裝置等。除拍攝頭外，其它設(shè)備通過RS485總線接入現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)RS485端口。

傳輸層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)和交換機等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動采集現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲，并通過交換機把數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端口，網(wǎng)絡(luò)故障時數(shù)據(jù)可存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。

應用層：包含應用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，若變電所數(shù)量小于30個則應用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以合一配置。服務(wù)器需要具備固定IP地址，以接收各智能網(wǎng)關(guān)主動傳送過來的數(shù)據(jù)。

展示層：用戶通過手機、平板、電腦等多終端的方式訪問平臺信息。

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1用能月報

用能月報支持用戶按總用電量、變電站名稱、變電站編號等查詢所管理站所的用電量，查詢跨度可設(shè)置為月。

5.4.2站點監(jiān)測

站點監(jiān)測包括概況、運行狀態(tài)、當日事件記錄、當日逐時用電曲線、用電概況。

5.4.3變壓器狀態(tài)

變壓器狀態(tài)支持用戶查詢所有或某個站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，支持按負荷率、功率等升、降序排名。

5.4.5配電圖

配電圖展示被選中的變電所的配電信息，配電圖顯示各回路的開關(guān)狀態(tài)、電流等運行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細運行參數(shù)查詢。

5.4.6影像監(jiān)控

影像監(jiān)控展示了當前實時畫面（影像直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)影像信息。

5.4.7電力運行報表

電力運行報表顯示選定站所選定設(shè)備各回路采集間隔運行參數(shù)和電能抄表的實時值及平均值行統(tǒng)計。

5.4.8警報信息

對平臺所有警報信息進行分析。

5.4.9任務(wù)管理

任務(wù)管理頁面可以發(fā)布巡檢或消缺任務(wù)，查看巡檢或消缺任務(wù)的狀態(tài)和完成情況，可以點擊查看任務(wù)查看具體的巡檢信息。

5.4.10用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、警報事件等進行統(tǒng)計分析，并列出在該周期內(nèi)巡檢時發(fā)現(xiàn)的各類缺失及處理情況。

5.4.11APP監(jiān)測

3.12APP支 電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"、“缺失記錄"、“文檔管理"和“用戶報告"七大模塊，支持一次圖、需量、用電量、影像、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件警報查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢、用戶報告、文檔管理等。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6、結(jié)束語

2020年11月，該系統(tǒng)在中國鐵路哈爾濱局集團公司調(diào)度所變電所安裝使用，通過對所內(nèi)輔助設(shè)備的信息采集，并將監(jiān)控和警報信息上傳，實現(xiàn)了巡檢工作智慧化。經(jīng)過一年多的運行，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項設(shè)備、技術(shù)參數(shù)及監(jiān)測巡檢功能均效果良好，其統(tǒng)一監(jiān)測、智能化分析診斷、智慧運維管理功能優(yōu)勢突出，適合鐵路樞紐變電所無人化系統(tǒng)需要。

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