淺談鐵路樞紐變電所無人化運維技術研究與應用

淺談鐵路樞紐變電所無人化運維技術研究與應用

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

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)的關鍵技術進行研究，提出自動化影像巡檢及聯(lián)動巡檢技術、智能識別及診斷技術、電力遠動信息接入技術、熔斷組合防護及SPD智能監(jiān)測技術、接地電阻在線監(jiān)測及抗干擾技術、智慧運維管理技術等切合實際的技術方案。結合工程項目對變電所的相關供電設備及無人化系統(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(qū)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(tǒng)、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(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(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。

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。

該所為調度所通信、信號、信息、防災系統(tǒng)、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)的技術特征

由于鐵路變電所無人化系統(tǒng)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(fā)布的《牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術條件》(TJ/GD025-2018)、《智能變電站技術導則》(GB/T30155)、《電力工程電纜設計規(guī)范》(GB50217)、《影像安防監(jiān)控系統(tǒng)工程設計規(guī)范》(GB50395)及《重要影像編解碼協(xié)議》(ITU-TH.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(nèi)容，優(yōu)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(xiàn)場急需項目。由于變電所在調度大樓內(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)新設輔助監(jiān)控設備和系統(tǒng)平臺構成。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，由設備層、通訊層和站控層組成，設備層包括測控裝置、影像服務器和輔助設備，通訊層層包括綜合應用服務器、網(wǎng)絡設備，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備和環(huán)境的監(jiān)控及巡檢。主要技術參數(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，在材料和結構上進一步優(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，智能接地檢測箱設置于變電所接地裝置側，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置，保證測量數(shù)據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)接入和監(jiān)測，通過兼容性的接口設計和軟件功能模塊化設計，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、關聯(lián)攝錄和圖像識別等技術來替代人工去現(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)絡交換機1臺，智能接地檢測箱6臺。在哈爾濱供電段調度監(jiān)控中點設置變電所無人化系統(tǒng)設備及軟件一套、NVR和網(wǎng)絡交換機各一臺。

3.2實現(xiàn)功能

(1)系統(tǒng)影像顯示、儲存及回放?？梢詫崟r圖像進行監(jiān)視，影像圖像隨意可調，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指定通道。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)控設備控制。支持對拍攝儀視角、方位、焦距、光圈的調整，可后臺設置錄像機參數(shù)，包括設置預置位、區(qū)域名稱、區(qū)域遮蓋等。具備聯(lián)動操作功能，當操作人員對設備進行遠程控制時，錄像機自動啟動錄像并調整到該設備?？梢酝ㄟ^用戶名、數(shù)字識別并分配操作權限來實現(xiàn)系統(tǒng)重要管理，保證控制的單一性?？蓪η岸嗽O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，在巡檢時判斷設備運行是否正常。如果設備異常自動警報。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(jiān)控設備運行指示影像圖像智能分析，實時判斷設備狀態(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。對巡檢設備能智能識別設備狀態(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。可單獨設置通道的影像編碼參數(shù)，支持10M/100M/1000Mbps自適應網(wǎng)絡接口。

(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，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)的關鍵技術研究

4.1自動化影像巡檢及聯(lián)動巡檢技術

采用導軌式影像巡檢機器人，實現(xiàn)對變電所設備進行巡檢，及時發(fā)現(xiàn)設備的故障、缺失和異常，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。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設備，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

較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)、故障警報燈、每一排外側的柜子是否傾斜。設備警報與影像攝錄關聯(lián)，并結合圖像識別技術，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

與變電所電力遠動系統(tǒng)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(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)測結果與影像巡檢結果進行對比確認。

4.4熔斷組合防護及SPD智能監(jiān)測技術

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、損壞或劣化超限時自動警報。

4.5接地電阻在線監(jiān)測及抗干擾技術

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

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，并完成有關設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、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)結構

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、開關量采集裝置等。除拍攝頭外，其它設備通過RS485總線接入現(xiàn)場智能網(wǎng)關RS485端口。

傳輸層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關和交換機等設備。智能網(wǎng)關主動采集現(xiàn)場設備層設備的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉換，數(shù)據(jù)存儲，并通過交換機把數(shù)據(jù)上傳至指定的服務器端口，網(wǎng)絡故障時數(shù)據(jù)可存儲在本地，待網(wǎng)絡恢復時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務器端數(shù)據(jù)不丟失。

應用層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器，若變電所數(shù)量小于30個則應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器可以合一配置。服務器需要具備固定IP地址，以接收各智能網(wǎng)關主動傳送過來的數(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備各回路指定采集間隔運行參數(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任務管理

任務管理頁面可以發(fā)布巡檢或消缺任務，查看巡檢或消缺任務的狀態(tài)和完成情況，可以點擊查看任務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、電能質量、各種事件警報查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢、用戶報告、文檔管理等。

審核編輯 黃宇