高速鐵路電力遠動箱變輔助系統研究

張自學 劉奎 喬會超 王剛 王超 曹長安

收稿日期：2024-01-12

作者簡介：張自學（1975—），男，本科，高級工程師，研究方向：項目管理。

摘要 作為在高速鐵路運行中為通信信號傳遞提供充足電力的關鍵系統，電力遠動箱變結構的運行穩定性至關重要，為了更好地提升箱式變電站的運行可靠性，則需要為其創建輔助系統完善應用。基于此，文章以某一高速鐵路電力遠動箱式變電站為例，為其創建了專屬的輔助系統，其中包含三維可視化系統、物聯網系統、數據采集與分析系統、大數據展示系統以及硬件結構等，基于每一部分展開設計研究，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞 高速鐵路；箱式變電站；輔助系統

中圖分類號 U226文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0005-04

0 引言

隨著國民經濟高速發展，為滿足出行條件，高速鐵路的建設里程逐步延長，逐漸覆蓋到更加廣闊的地域范圍，此情況對于高速鐵路的各項功能提出了更高要求。作為影響高速鐵路運行過程中信號傳遞的重要電力系統結構，遠動箱式變電站的設計至關重要。基于復雜的運行工況環境，要求電力遠動箱變系統具有始終穩定的供電狀態，而實現這一目標，就需要為其搭建相適配的輔助系統，通過動態化、可視化監控箱變結構，才能夠在出現任何異常問題時及時加以處理，保障箱變始終處于良好持續供電狀態。

1 三維可視化系統設計

該文結合某高速鐵路電力遠動箱變在實際當中的運行情況，為解決運行到復雜環境下供電信號不穩的問題，為其創建相適配的智能輔助系統，基于全場景可視化的系統結構，滿足電力遠動箱變在任何狀態下的實時動態化監控，從而滿足對其電力信號的有效控制。該輔助系統在設計過程中最為關鍵的就是三維可視化系統（如圖1所示），在該子系統的設計中主要是滿足各場景下的應用編輯以及可視化處理[1]。

1.1 場景項目管理模塊

基于可視化原則，該系統模塊應當充分滿足電力遠動箱變運動全過程可視化場景項目高效管理需求。該模塊在設計時，需要滿足場景項目新增要求，通過創建空白場景的方式，為電力遠動箱變的運行可視化巡檢搭建多個場景同步顯示功能。且要求滿足場景編輯功能，可進入場景編輯界面中對箱變運動情況進行標記。自動對場景加以保存，并將已發布的HTML格式場景導入其中，滿足對箱變運行全過程中的場景實時預覽要求。最終向巡檢控制中心加以傳遞時，同樣應以HTML格式加以處理。

1.2 模型庫

模型庫是對電力遠動箱變全場景模型加以預置的重要模塊，在預置箱變模型時，包括一個常用模型，要求在模型庫中所預置的模型與電力遠動箱變結構相一致，包括在箱變設備面板上的端口指示燈等，按照一致狀態效果加以展示。且模型庫設計時應滿足后續持續添加模型自定義擴展需求，模型數量無上限。

1.3 場景應用編輯模塊

場景應用編輯應具備模型導入、刪除、交互以及部署等功能。

設計場景應用下的模型導入功能時，支持如GLTF、GLB等不同格式的主流模型導入要求。

可通過后臺進行模型刪除處理，刪除不必要模型，避免影響箱變可視化巡檢效率。在交互設計中滿足箱變場景縮放、旋轉等操作要求，便于利用輔助系統操作模型觀察箱變運行細節。

按照要求在場景內對箱變模型進行隨意拖拽，放置指定位置，可編輯箱變模型大小、位置、角度等數據。滿足對箱變模型信息的配置需求。如在確定某一箱變模型之后，可對其設置名稱進行標記，或是完成模型編號的綁定。基于模型部署功能設計，滿足箱變模型差異性狀態下配置的效果，如邊框亮度、閃爍顏色等，在其上方添加標注，同時滿足后續交互的持續開發需求[2]。

與此同時，基于場景應用的編輯，要求在可視化的原則下滿足箱變模型應用場景的燈光、背景等變化設計。包括預置環境光、點光、半球光、平行光等在內的不同光效。設置純色、晝、夜等不同環境背景，支持場景視角的自定義旋轉變化。

1.4 三維可視化場景模塊

該模塊下的設計，將場景在頁面內加以嵌入，并支持對場景縮放、旋轉等操作。通過點擊可視化模塊的系統界面搜索框，可對設備編號加以搜索，并點擊定位完成對該編號下的箱變模型三維空間跳轉。箱變模型彈出對應面板之后，應詳細顯示模型具體信息。

應用三維可視化場景，對高速鐵路電力遠動箱變展開單位建模，全面采集攝像機、紅外傳感設備等各類傳感器的數據，以3D立體模型顯示各類數據，基于數字化的視角，對現實中箱變應用的全場景要素模擬還原。完成數據采集后，對其展開實時動態化的計算與處理，確保可借助于輔助系統完成直接連接現實箱變設備結構，從而在三維模型中展示箱變設備運行數據，根據箱變設備的運行情況動態變化，展開實施監控。

如箱變結構中的形成開關出現變化，在三維立體模型中，也應及時根據采集數據完成相應變化。在模型中顯示高低壓柜的各類開關位置以及其當前實時狀態，如指示燈顏色等。在可視化模型中電機攝像頭，則可獲得對應監控畫面。

三維模型中的紅外傳感器可對變壓器溫度加以監控采集，對照警戒值，若出現超出警戒值狀態，可觀察到三維模型中的變壓器模型此時為紅色異常狀況，并連接現實中變壓器設備給出預警。

借助避雷器裝置在模型中對高壓柜雷擊動作進行記錄，對漏電情況進行預警，異常狀態時均可在模型中觀察到對應裝置為紅色[3]。同時，裝置溫濕度傳感器、煙霧感知系統等，超過預定檢測值自動報警閃爍。

2 物聯網系統設計

2.1 物聯網設備管理模塊

輔助系統中的物聯網系統結構（如圖2所示），通過與物聯網技術相互融合，實現對箱變運行過程中的全設備聯網管理。

圖2 物聯網系統架構圖

基于產品管理功能的設計要求，在物聯網技術下實現統一化的產品管理，包括產品分類、自定義告警、物理模型以及設備授權碼等。

設備管理要求滿足物聯網下的全設備控制，包括滿足設備實時動態化監測、設備定位、定時、分組、分享、禁用以及實施動態監管。

物模型管理則是基于物聯網技術的應用角度，完成設備狀態、檢測數據的屬性管理，設備執行任務下的特定管理，主動向云端上報設備事件等基礎功能。

2.2 攝像機管理模塊

借助輔助系統對箱變設備展開輔助運行監控，利用物聯網技術與攝像技術設備聯合，對箱變運行行為進行拍攝，以圖像模式進行記錄。基于物聯網系統對攝像機展開管理，包括對其拍攝路徑、硬盤記錄數據等加以管理，可自主添加設備基礎信息并進行編輯修改。

3 數據采集及分析系統設計

3.1 變配電設備監控模塊

根據箱變設備的運行條件，則在其供電過程中應當創建基于數據采集的變配電設備監控模塊，從而更好地對箱變供電狀態加以監控，保障其穩定供電。

該模塊下設計高壓柜、低壓柜以及變壓器狀態檢測等相應的功能結構。

在高壓柜狀態檢測中，應當滿足對電纜頭的測溫數據自動采集與分析要求，并創建采集日志（如圖3所示），若超出預設溫度，應及時進行預警。滿足對避雷器放電監測裝置數據的分析，同樣在超出預設參數后預警，在可視化模型中加以顯示。

在高壓環網柜中增加局部放電與弧光保護在線監測裝置，通過對柜內的局部放電、光強信號與電流信號連續在線監測，將采集的數據整理后向三維可視化系統模塊加以傳遞。

圖3 數據采集日志流程圖

在低壓柜狀態監測功能中，設計母線無線測溫裝置，對母排溫度進行監測，若發現溫度數據異常（過熱或是急劇升溫）等情況應按照報警參數值標準發出預警，基于三維模型顯示。同時結合雙485通信數顯表對低壓側參數加以采集，完成可視化電力數據監控。

變壓器狀態檢測功能則應當滿足對熱成像數據的分析，根據三維模型中的設備溫度狀況展開研判，若超出溫度預警值應及時上傳數據并可視化顯示。同時利用在線檢測裝置對變壓器側局部放電展開連續監測，對其內部放電情況進行檢測。

3.2 電源系統監控模塊

為滿足箱變結構的自動化電力調度需求，該文中的電力遠動箱變系統借助于智能設計方式，完成對一次設備開關的動態化監控。電源系統為雙電源自動切換以及不間斷電源設計的方式，進一步滿足了在高速鐵路運行過程中電力信號的穩定傳輸要求。基于這樣的電力系統結構，在電源系統監控模塊中，基礎功能的設計，主要是對UPS電池進行動態化監測，實時監控電池性能，將數據及時向三維可視化系統加以傳遞。

3.3 環控系統模塊

相較于常規的變電站，箱變的重點問題在于對室內環境加以模擬，也就是對箱變內環境展開有效的控制，同時，結合其在高速鐵路的運行過程中具有較長的里程時間，各種環境不定因素均會對箱變結構的環境控制造成一定的影響。因此，對環境控制系統展開合理的設計至關重要。

該系統中設計了溫度采集功能，通過安裝物聯網溫感裝置對箱變不同格室內溫度進行采集、預警并加以模擬顯示。

水浸報警模塊則是通過裝置水浸感知系統的方式與物聯網連接完成對電纜夾層的水浸情況進行采集并匯總，若水位超出安全范圍，則進行預警并完成三維可視化顯示。

煙感報警系統通過將煙霧感知裝置安裝在箱變結構內的不同位置，完成分散化數據采集，聯動預警顯示。

空調聯動控制模塊，負責對箱變內空調數據進行收集整合，研判數據參數，與溫濕度傳感器聯動，對比環境數據，對箱變環境進行調節。

3.4 視頻系統模塊

采集視頻信息，對本地錄像機硬盤加以查閱，完成視頻數據本地儲存與查閱，具備實時預覽、調取、預置等功能。

3.5 安防系統模塊

基于對箱變的安防管理需求，創建智能門禁系統，對進出人員信息進行采集，包括人臉識別、權限設置等，嚴格限制人員進出，并對門開啟、關閉時間等進行記錄，在監控后臺系統上傳備份，便于值班人員進行查看。

3.6 智能巡視模塊

智能視頻巡視則在根據SDK完成圖像獲取后，展開圖像識別，分別觀察高低壓柜的開關狀態以及信號指示燈等狀態，并向三維可視化模型場景推送圖像巡視結果。

4 大數據展示系統設計

在大數據展示系統設計中，創建顯示屏，為輔助系統的各項圖像、數據、視頻等提供可視化的承載媒介，基于顯示屏對箱變結構進行展示。

4.1 系統首頁

系統首頁設計時，負責對高速鐵路運行線路上鄰近電力遠動箱變數量加以展示，在顯示屏上清晰直觀地顯示箱變正常、異常以及告警等設備數量。顯示設備總數，并展示關鍵箱變設備總數。顯示屏上同步顯示24 h高速鐵路電力遠動箱變的詳細告警信息，包括遠動箱變編號、告警原因、時間、參數以及箱變現行狀態等。同時，在系統首頁右側，設置檢索欄，輸入編號，可檢索對應箱變設備，可詳細查驗某一指定箱變數據。

4.2 箱變監控功能

箱變監控功能與系統首頁之間存在著部分重疊，包括展示箱變告警信息等。除此之外，監控功能負責在顯示屏上顯示箱變監控設備溫濕度數據、電纜頭溫度、局部放電等數據，表示為曲線圖。同時，可通過對屏幕上的攝像機圖標加以點擊，實現與視頻監控系統的連接，在顯示屏上顯示箱變內部實時圖像，觀察箱變開關以及指示燈，便于及時發出控制指令。

4.3 智能巡視功能

通過在大屏幕展示模塊中對當前高速鐵路運行線路中所有的箱變數量加以展示，以模擬線路圖的方式顯示每一節點箱變結構。

基于多個箱式變電站物聯網連接狀態，可在大屏幕上完成對單個箱變巡視方法的自主選擇，包括手動、自動等方式，并對巡視數據進行整合，繪制完整的巡視報告。基于自動巡視狀態，可對預置箱變中的設備工況進行選擇查看。

4.4 告警

屏幕對當前高速鐵路運行狀態的動態化箱變告警情況加以顯示，對告警信息自動記錄儲存，可隨時查閱告警歷史。顯示告警狀態變更，如對箱變溫度加以告警，在經過相關人員處理后，屏幕顯示告警處理完成標識。同時滿足告警一鍵轉工單。

4.5 設備管理

在該部分中對高速鐵路整條線路上的箱變設備數據進行整合，整理成設備清單模式，可詳細查閱有關箱變設備編號、型號、生產日期、使用年限等基本數據，便于根據以上信息決定是否更換或維修箱變。

4.6 數據統計

顯示所有箱變監測數據，包括環境溫濕度、電纜頭溫度、局部放電等，基于動態化的數據變化實時顯示箱變內設備狀態。支持通過大數據顯示屏導出數據。

5 硬件結構

該次為高速鐵路電力遠動箱變所設計的輔助系統中的硬件結構主要為智能網關，其為F-G100型號智能網關，具有1個wan口、4個lan口、5個rs485以及1個232口。其應用拓撲如圖4所示。

6 結束語

作為在高速鐵路運行過程中維持穩定供電的重要電力系統結構，電力遠動箱變為保持良好供電效果，需要為其搭建輔助系統，通過創建更加智能的三維可視化巡檢系統，借助物聯網、可視化等技術，對箱變進行實時動態監控，便于及時應對異常告警信息，保持電力供應穩定，保障高速鐵路通信信號及時可靠，提升鐵路運行安全性。

圖4 F-G100智能網關應用拓撲圖

參考文獻

[1]楊尊習. 用于列車控制的通信系統可靠性能分析鐵路電力遠動控制技術[J]. 中華建設， 2023（8）： 178-180.

[2]黃成. 基于鐵路10 kV電力線路故障在線監測技術研究[J]. 電工技術， 2023（8）： 175-177+180.

[3]張菁華， 鄭榮， 馬紅巖. 遠動控制技術在電力系統中的應用研究[J]. 光源與照明， 2023（1）： 213-215.