牽引變電所智能安全監控系統的設計與研究

曾慶釗， 劉　巍， 張　浩， 侯啟方

(1　天津凱發電氣股份有限公司， 天津 300392；2　中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043)

作為軌道交通供電系統的重要設施，牽引變電所的運行安全直接影響到整個系統的正常運行，因此對牽引變電所運行安全的實時監控十分必要。牽引變電所的安全監控系統主要包括：視頻監控、環境監測、遠程控制和智能聯動等幾大組成部分，其內容涵蓋了計算機、傳感器、新材料、信息處理、網絡通信、電氣缺陷特征分析、圖像智能識別、光機電一體化等多個領域、多個學科的高端技術的交叉研究、開發和應用。隨著相關領域技術的不斷發展，各種監控產品也層出不窮，但目前的安全監測系統都存在各自為政、缺乏聯系、功能匱乏、操作生硬的缺陷，急需完整、系統、智能、人性化的解決辦法，尚未存在針對牽引變電所的完整的智能安全監控系統[1-2]。

1　牽引變電所智能安全監控系統的組成及架構

為了實現對牽引變電所的全面智能安全監控，考慮到與其他系統的無縫連接。系統的設計采用IEC 61850標準定義的變電站自動化系統架構，分為過程層、間隔層和站控層，并可實現IEC 61850客戶端和服務器端的基本功能[3-5]。

過程層實現現場終端傳感設備的信號采集、測量、控制。主要包括綜合測控裝置、變壓器熱過負荷保護裝置、接觸網熱過負荷保護裝置、環境監測裝置、攝像機等信號采集、測量、控制裝置；間隔層主要完成信息采集、處理、傳輸、通道切換、信息遠傳、系統對時等任務，包括通信管理單元和通信切換單元；站控層實現現場設備的五防操作、數據圖像顯示、記錄、視頻聯動、智能自動控制等任務。監控系統配置有多種通信規約和通信接口，便于其他智能設備納入監控系統進行統一管理。系統裝置通信部分由以太網絡和工業現場總線組成，通信媒介包括網線、光纖等。

統一的系統把環境、視頻、火災消防、采暖通風、照明、SF6、安全防范、門禁、熱過負荷、在線監測等所有功能及檢測量在監控系統主界面上進行一體化顯示和控制。系統內的熱過負荷監測子系統、在線監測子系統、環境監測子系統、視頻監控子系統、門禁控制子系統、空調及設備控制子系統、安全防范子系統、消防報警子系統、SF6監測報警子系統等各子系統之間通過設置進行聯動。所有能采集到系統中的信息，都可以作為聯動的判斷條件，所有平臺中可控的對象，都可以作為聯動執行對象。系統架構如圖1所示。

圖1　系統架構設計

為了迎合智能化變電所的發展趨勢，系統設計還需要考慮與其他變電所系統的聯動，本系統在設計時考慮通過硬件和軟件的方式和站內綜合自動化系統進行聯動，實現用戶自定義的設備聯動，包括現場設備操作聯動視頻、綜合自動化系統告警聯動門禁視頻等。具體包括：

(1)通過對溫濕度的監測可以智能啟動或關閉空調和風機，對空調進行智能遙控。

(2)環境設備和火災、電源系統的聯動，在判斷環境異常的條件下切斷其他系統的電源，啟動火災報警或噴淋。SF6雙氣監測超標時智能啟動門禁和風機，阻斷危險區間的通道并啟動對流，對環境進行隔離改善，監測空氣恢復正常后，可智能恢復現場。

(3)各個子系統發生異常時，可觸發攝像機轉到異常位置進行監測，實現遠程實時了解異常情況，采取措施或在事后方便進行錄像的追溯。

通過對數據庫的配置可以滿足用戶新的聯動需求，方便有效的實現用戶需求的變更。

聯動啟動機制主要在以下幾種事件下觸發：

(1)開關量變化。主要包括告警信號的變化、開關狀態變化、設備其他狀態變化。

(2)遙測越限。系統中的測量值超出設定閾值，超過設定的最大最小值產生越限事件時。

(3)遙控操作。在操作界面對所屬設備進行遙控操作，開關的閉合、設備狀態控制等。

觸發后可聯動的動作包括：

(1)遙控。對開關設備的狀態進行控制、啟停等。

(2)遙調。對設備的檔位或數值量進行調整，達到目標狀態。

(3)控制攝像機調整到預置位置、啟動錄像等。

2　牽引變電所智能安全監控系統的實現

牽引變電所智能安全監控系統是一個大型自動化智能系統。其中涉及到實現對變電所內設施及環境的全面監控所需的各種設備如：工業計算機及顯示器、硬盤錄像機、變壓器熱過負荷保護裝置、接觸網熱過負荷保護裝置、攝像機、探測器等。為了實現對這些設備的統一有效管理，采用了通信管理裝置、綜合測控裝置等綜合信息管理裝置，并且需實現綜合化的智能軟件平臺。智能安全監控系統軟件平臺采用基于組件的C/S+B/S混合模式的體系架構和實時監控應用的分布式運行環境、以IEC 61850網絡通信為核心、支持分層分布的應用體系結構。為了滿足系統平臺的兼容性和可擴展性，在設計時，軟件平臺采用了4個技術層進行架構：第1層是商用的標準運行環境，包括計算機操作系統、網絡、數據庫；第2層是實時監控軟件平臺，包括監控應用平臺和實時運行平臺等；第3層是基于該平臺的核心業務應用，包括環境監控、消防監控、安全防護監控、暖通照明監控，還集成了視頻監控、在線監測和聯動控制等系統；第4層是拓展和深化的應用，主要為設備狀態評估、優化、決策、專業分析等。軟件平臺架構如圖2。

圖2　智能安全監控系統軟件架構

3　牽引變電所智能安全監控系統試驗研究

為了測試本系統的現場使用效果，我們在京滬高鐵鄭陸牽引變電所進行了系統搭建和測試工作。安裝采用以H3C 3600為核心交換機的千兆以太網，將接觸網、變壓器熱過負荷保護裝置以及通信管理機、系統平臺、綜合測控裝置、安全防范系統、在線監測等網絡設備組成局域網，現場終端傳感設備以硬接點或485串行MODBUS規約方式接入綜合測控裝置和通信管理機。實時采集數據傳輸到數據處理系統，進行數據分析、處理。現場機柜布局示意圖如圖3所示。

圖3　機柜布局圖

測試中，我們分別針對系統基本功能，系統與其他系統及設備的通信接口、系統聯動功能、系統的IEC 61850通信接口進行了測試，進行測試的系統界面如圖4所示。測試結果顯示系統基本功能正常，綜合聯動功能正常可靠，系統與其他系統及設備間的通信接口連接穩定、數據傳輸正確，同時系統支持基于IEC 61850標準的國際信息交互模型。

4　結　論

牽引變電所智能安全監控系統可以實現對牽引變電所中多種信息的集中采集、傳輸、分析與應用，實現與其他系統的交互應用，從根本上消除產生信息孤島的局面，從而保障鐵路供電系統運行安全，提高在線監測水平及智能預警水平。

圖4　系統測試界面