高速鐵路牽引變電所亭無人化方案設(shè)計研究

郭曉旭

0 引言

中國高速鐵路通過十幾年的迅速發(fā)展，已形成“四縱四橫”高鐵網(wǎng)。截至2019年年底，中國高速鐵路運(yùn)營里程已達(dá)3.5萬公里以上，穩(wěn)居世界第一[1]。牽引變電所作為高速鐵路的“心臟”，對高速鐵路安全、可靠、高效運(yùn)營發(fā)揮著重要作用。牽引變電所的安全監(jiān)測急需完整、系統(tǒng)、智能、人性化的解決辦法[2]。

在既有高速鐵路項目中，牽引變電所、開閉所均采用無人值班有人值守的模式，分區(qū)所和AT所采用無人值班無人值守的模式，每座牽引變電所、開閉所配置定員4人，人力資源投入較大。隨著我國高速鐵路運(yùn)營里程的不斷增加，節(jié)省人力資源和提質(zhì)增效的需求更加迫切。為實現(xiàn)國鐵集團(tuán)電力牽引供電節(jié)支降耗、改革創(chuàng)新要求，牽引變電所、開閉所、分區(qū)所和AT所采用無人值班無人值守模式，既可以將大量的值守定員轉(zhuǎn)為供電檢修定員，減緩和節(jié)約各路局的運(yùn)檢壓力及運(yùn)營成本，又可以通過各類監(jiān)測檢測裝置保證牽引變電所、開閉所、分區(qū)所和AT所各型設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

近期，國鐵集團(tuán)要求按照統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、兼顧差異、分步實施的原則，做好鐵路牽引變電所亭無人化實施工作。本文研究高速鐵路不同建設(shè)階段牽引變電所亭無人化設(shè)計方案，為推廣實施牽引變電所亭無人化改造提供技術(shù)參考。

1 無人化設(shè)計總體方案

2018年9月7日，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司發(fā)布了《牽引供變電所實施無人值班值守工作的指導(dǎo)意見》，要求各建設(shè)單位、運(yùn)營單位、設(shè)計單位結(jié)合實際情況，在滿足牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術(shù)條件的前提下，在牽引變電所、開閉所、分區(qū)所、AT所實施采用無人值班、無人值守模式。

牽引變電所亭無人化方案設(shè)計應(yīng)在傳統(tǒng)牽引變電所亭設(shè)計方案基礎(chǔ)上，加強(qiáng)安保、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)視功能，即在房屋土建方案、電氣主接線、輔助監(jiān)控、設(shè)備在線監(jiān)測等方面進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，總體方案架構(gòu)如圖1所示。

圖1 牽引變電所亭無人化方案

2 房屋土建方案

實現(xiàn)牽引變電所、開閉所、分區(qū)所、AT所的無人值守要求相應(yīng)建筑物具有防盜反恐功能，具體方案如下：

（1）安裝與圍墻等高、具有防盜功能（不通透）的304型不銹鋼材質(zhì)院門，上加內(nèi)外翻45°角尖刺，門鎖應(yīng)具備防盜防拆功能。

（2）實體圍墻高度不應(yīng)低于2.5 m，圍墻上部應(yīng)安裝高度不小于50 cm（其中20 cm向外45°傾斜）的金屬防護(hù)網(wǎng)，圍墻上部應(yīng)設(shè)周界入侵探測器。周界入侵探測器優(yōu)先采用激光對射技術(shù)，遠(yuǎn)期可考慮采用紅外雙鑒、感應(yīng)報警式電子圍欄等技術(shù)。

（3）所內(nèi)建筑物一樓應(yīng)少設(shè)門窗，對于必要的門窗，應(yīng)裝設(shè)實體防護(hù)措施，采用防盜窗、防小動物進(jìn)入的措施等。

3 電氣主接線加強(qiáng)

無人值守的變電所亭要求所亭內(nèi)相關(guān)開關(guān)設(shè)備需具備遠(yuǎn)程控制功能，且對綜合自動化系統(tǒng)的功能提出更高要求：

（1）綜合自動化系統(tǒng)需具備遠(yuǎn)方投切保護(hù)、召喚及修改定值、壓互二次回路投切等功能，備自投應(yīng)具有遠(yuǎn)方復(fù)歸、重啟通信管理機(jī)等功能；

（2）電壓互感器、所用變壓器回路的隔離開關(guān)需采用電動操作機(jī)構(gòu)，并納入綜合自動化及遠(yuǎn)動控制系統(tǒng)；

（3）所內(nèi)交直流屏及動力配電屏的空氣開關(guān)均納入遠(yuǎn)動控制；

（4）兩回電壓互感器回路應(yīng)設(shè)電壓繼電器監(jiān)視電壓狀態(tài)，并將信息上傳遠(yuǎn)動系統(tǒng)。

綜合自動化系統(tǒng)遠(yuǎn)傳單元通信管理機(jī)的故障自啟動原則上不納入輔助監(jiān)控系統(tǒng)。

4 輔助監(jiān)控系統(tǒng)

4.1 總體要求

牽引變電所、開閉所、分區(qū)所、AT所輔助監(jiān)控信息上傳至鐵路局供電調(diào)度所，搭建調(diào)度Ⅱ區(qū)（即輔助監(jiān)控區(qū)），同時輔助監(jiān)控系統(tǒng)信息上傳到供電段主站系統(tǒng)，并復(fù)示給相關(guān)供電車間。

牽引變電所、開閉所、分區(qū)所、AT所采用兩路20 Mbit/s帶寬的輔助監(jiān)控通道接入鄰近車站；調(diào)度所主站、供電段主站接入數(shù)據(jù)網(wǎng)的帶寬不低于100 Mbit/s，供電段至供電車間的輔助監(jiān)控復(fù)示通道帶寬不低于20 Mbit/s。

牽引變電所、開閉所、分區(qū)所、AT所輔助監(jiān)控系統(tǒng)由視頻監(jiān)控及巡檢、安全防范及門禁、環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)報警、動力照明控制、設(shè)備在線監(jiān)測等子系統(tǒng)及相關(guān)平臺軟硬件組成[3]，整體架構(gòu)分為站控層、接入層、間隔層，如圖2所示；實現(xiàn)對全所設(shè)備/設(shè)施的視頻監(jiān)控、巡視、環(huán)境信息采集報警、信息共享聯(lián)動等功能，滿足無人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)視牽引變電所的需求，各子系統(tǒng)按照適用經(jīng)濟(jì)的原則配置設(shè)備。

圖2 輔助監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

為保證設(shè)備配置的經(jīng)濟(jì)性，輔助監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控、巡檢攝像頭應(yīng)充分信息共享；在對既有牽引變電所亭無人化改造時，需充分利用既有安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備，從而節(jié)約建設(shè)投資。此外，攝像機(jī)布置還需考慮美觀、節(jié)約電纜及工程投資等，攝像頭安裝時，首先考慮既有圍墻、架構(gòu)、房屋等構(gòu)筑物的可利用性，必須立桿安裝的應(yīng)滿足電氣安全距離要求，采用高桿時還需校核避雷針雷電防護(hù)范圍。

4.2 視頻監(jiān)控及巡檢子系統(tǒng)

視頻監(jiān)控及巡檢子系統(tǒng)包括室內(nèi)攝像機(jī)、室外攝像機(jī)、視頻服務(wù)器等設(shè)備。視頻監(jiān)控攝像機(jī)按滿足安全防范要求配置，巡檢攝像機(jī)按照滿足無人值守的要求配置。

4.2.1 攝像機(jī)配置的具體原則

（1）為清晰辨識人員體貌特征、進(jìn)出機(jī)動車外觀和號牌，辨別監(jiān)控范圍內(nèi)人員活動情況，安防監(jiān)控攝像機(jī)需滿足大范圍高清監(jiān)視要求，具備區(qū)域入侵偵測、越界偵測、移動偵測等偵測功能。

（2）為滿足安全防范要求，攝像機(jī)應(yīng)能夠全天候監(jiān)視牽引變電所亭主要設(shè)備區(qū)域，能夠辨識設(shè)備是否懸掛異物、是否嚴(yán)重破損等外觀狀態(tài)。

（3）為滿足無人值守要求，攝像機(jī)需滿足設(shè)備外觀監(jiān)視、巡視及應(yīng)急指揮的基本需求；支持全天候及惡劣天氣情況下巡視所內(nèi)主變壓器、高壓設(shè)備、開關(guān)柜等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。因此，巡檢攝像機(jī)應(yīng)能夠清晰監(jiān)視儀表指針和讀數(shù)，可采用高速球形攝像機(jī)或槍式攝像機(jī)，對于變壓器油面溫控器等單一的儀表，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性要求可采用槍式攝像機(jī)。

（4）為監(jiān)視牽引變電所主導(dǎo)流回路設(shè)備的能力，可配置紅外測溫攝像機(jī)，每臺紅外測溫攝像機(jī)應(yīng)能監(jiān)視一個供電回路的設(shè)備。

4.2.2 安防監(jiān)控視頻攝像機(jī)配置分析

在既有的綜合視頻監(jiān)控設(shè)備基礎(chǔ)上適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)監(jiān)控攝像機(jī)，全面監(jiān)視變電所圍墻、大門、設(shè)備區(qū)、房屋等區(qū)域，對非法侵入進(jìn)行監(jiān)視，以保障變電所場地及周圍環(huán)境的安全。全所配置1臺室外全景攝像機(jī)。

4.2.3 不同巡檢對象的攝像機(jī)配置分析

為精準(zhǔn)巡檢，將牽引變電所亭按物理位置劃分為高壓進(jìn)線區(qū)、變壓器區(qū)、控制室、饋線室內(nèi)外區(qū)、電纜夾層區(qū)進(jìn)行攝像機(jī)配置，具體區(qū)域的巡檢對象及相應(yīng)攝像機(jī)配置如圖3所示。

4.2.4 主導(dǎo)流回路的攝像機(jī)配置分析

（1）高壓進(jìn)線區(qū)域建議配置3臺紅外測溫攝像機(jī)，監(jiān)測進(jìn)線側(cè)互感器、避雷器、線夾、隔離開關(guān)觸頭等處的溫度。

（2）對于27.5 kV配電裝置采用室外布置的牽引變電所，建議配置2臺紅外測溫攝像機(jī)，監(jiān)測饋線側(cè)互感器、避雷器、線夾、隔離開關(guān)觸頭等處的溫度。

4.2.5 視頻監(jiān)控及巡檢子系統(tǒng)算法需求分析

視頻監(jiān)控及巡檢子系統(tǒng)一般利用圖像識別技術(shù)、表面溫度判斷法、同類比較判斷法、圖像特征判斷法判斷運(yùn)行狀態(tài)是否正常，同時需具備與其他子系統(tǒng)進(jìn)行報警聯(lián)動的功能，從而滿足運(yùn)行管理對安全、巡視的需求。

圖3 不同巡檢對象的攝像機(jī)配置

系統(tǒng)利用固定巡檢攝像機(jī)、紅外測溫攝像機(jī)、軌道巡檢機(jī)器人、輪式巡檢機(jī)器人，結(jié)合攝像機(jī)的預(yù)置位，按照所內(nèi)巡視標(biāo)準(zhǔn)線路制定巡檢計劃，可手動或按時自動執(zhí)行巡檢計劃。巡檢過程中利用圖像智能識別方法判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，每個巡檢項目需形成相應(yīng)的巡檢記錄。記錄需包含本次巡檢設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、外觀狀態(tài)、相關(guān)部件溫度等信息，在此基礎(chǔ)上形成電子巡檢報告。報告需涵蓋巡檢內(nèi)容及巡檢正常或異常結(jié)果圖片，并存儲于系統(tǒng)供上級管理人員確認(rèn)。

4.3 環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

4.3.1 配置分析

（1）牽引變電所亭室外需設(shè)置微氣象站，采集環(huán)境溫度、相對濕度、雨量、風(fēng)速、雪量等基本氣象參數(shù)。

（2）對于高壓室、控制室等重要設(shè)備房間，每個房間建議配置1或2套溫濕度傳感器。含有SF6氣體設(shè)備的高壓配電室及電纜夾層需配置SF6探測器，SF6探測器應(yīng)低位布置。電纜井、電纜溝等易積水區(qū)域應(yīng)配置水浸傳感器及水位傳感器。

4.3.2 數(shù)據(jù)傳輸需求分析

（1）溫濕度、氣體傳感器采集溫濕度、氣體信息，通過通信管理單元上傳到綜合應(yīng)用服務(wù)器，使溫濕度及氣體數(shù)據(jù)實時在監(jiān)控平臺顯示，溫濕度、氣體數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定閾值時，綜合測控裝置可按照聯(lián)動策略執(zhí)行相關(guān)聯(lián)動控制。

（2）風(fēng)速傳感器可準(zhǔn)確測量空氣流速，儀器內(nèi)的轉(zhuǎn)速傳感器具備將風(fēng)速數(shù)據(jù)上傳到綜合應(yīng)用服務(wù)器的功能，從而將風(fēng)速數(shù)據(jù)實時顯示在監(jiān)控平臺上；此外，風(fēng)速超過閾值時，站端系統(tǒng)能夠上送報警信息，并做出聯(lián)動處理，打開燈光，可利用攝像機(jī)查看場地狀況。

（3）電纜溝內(nèi)的水浸傳感器可通過將開關(guān)量或輸出報警信號傳送給綜合應(yīng)用服務(wù)器；當(dāng)水浸探測器發(fā)出報警時，綜合測控裝置能夠啟動智能控制流程，同時啟動抽水泵排水。

4.4 安全防范及門禁子系統(tǒng)

4.4.1 配置分析

（1）圍墻布置的周界入侵探測器宜采用激光對射技術(shù)，實現(xiàn)入侵破壞前的預(yù)警；對于其他形式的探測器應(yīng)以報警并防止人身傷害為設(shè)計原則。

（2）控制室、高壓室等出入口宜配置紅外雙鑒探測器；變電所入口大門應(yīng)配置門禁；高壓室、控制室、通信室大門可配置門禁；高壓室、控制室、通信室窗戶宜配置玻璃破碎探測器。

4.4.2 監(jiān)測設(shè)備特征需求分析

（1）激光對射報警系統(tǒng)需具有不同的防區(qū)，當(dāng)檢測到入侵事件時，報警主機(jī)能夠輸出相應(yīng)防區(qū)的報警信息到綜合測控裝置；綜合測控裝置能夠?qū)缶畔⑸蟼髦辆C合應(yīng)用服務(wù)器，并可根據(jù)預(yù)置規(guī)則聯(lián)動相應(yīng)功能：觸發(fā)聲光報警器，聯(lián)動相應(yīng)的燈光照明，調(diào)用攝像機(jī)預(yù)置位，啟動錄像等。

（2）系統(tǒng)能夠針對牽引變電所周界場所特征，結(jié)合各種探測和傳感技術(shù)的綜合應(yīng)用，實時展示安防設(shè)備的工作狀態(tài)、告警狀態(tài)，并可對安防設(shè)備進(jìn)行布防和撤防，實現(xiàn)入侵破壞前的預(yù)警，并對非法侵入進(jìn)行提示警告。

4.5 火災(zāi)報警子系統(tǒng)

火災(zāi)報警子系統(tǒng)可結(jié)合房建設(shè)施劃分火災(zāi)探測區(qū)域，可分為高壓室、控制室、電纜夾層等區(qū)域；火災(zāi)探測區(qū)域宜配置感溫、感煙探測器。

4.6 動力照明控制子系統(tǒng)

動力照明控制子系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、水泵、燈光、空調(diào)等設(shè)備的控制回路及控制器。燈光控制可分組實現(xiàn)控制功能，其他設(shè)備控制宜設(shè)置為一對一控制。

5 智能牽引變電所亭在線監(jiān)測

智能牽引變電所亭內(nèi)設(shè)備的在線監(jiān)測需滿足智能化需求。牽引變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、互感器、避雷器、GIS開關(guān)柜等設(shè)備均需配置智能組件，實現(xiàn)對上述設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測，設(shè)備監(jiān)測點(diǎn)布局如圖4所示。

圖4 智能牽引變電所亭內(nèi)設(shè)備監(jiān)測點(diǎn)布局

結(jié)合圖2可以看出，在線監(jiān)測信息通過接入層上傳至站控層的綜合應(yīng)用服務(wù)器的站端監(jiān)測單元。站端監(jiān)測單元由監(jiān)測單元和通信管理單元構(gòu)成。智能組件采集各類監(jiān)測數(shù)據(jù)后建議以DL/T 860通信協(xié)議向監(jiān)測單元傳送。

站端監(jiān)測單元的職能是獲取、處理及轉(zhuǎn)發(fā)所有狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并具有數(shù)據(jù)分析診斷、監(jiān)測預(yù)警及與綜合應(yīng)用服務(wù)器各類信息的綜合展示和聯(lián)動功能；具備對所有監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)控管理功能。

以變壓器智能組件柜為例，該智能組件柜需實現(xiàn)對變壓器各在線監(jiān)測單元采集傳輸數(shù)據(jù)的處理分析。牽引變壓器故障判別流程可分為3個部分：（1）對原始數(shù)據(jù)的處理；（2）采用智能分析方法，如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行特征分析；（3）基于上述特征分析研究故障判據(jù)，對變壓器異常狀態(tài)進(jìn)行識別。

6 結(jié)語

牽引變電所亭無人值班、無人值守工作在2018年就已開展，但由于無人值守變電所內(nèi)設(shè)備類型及其故障狀態(tài)種類繁多， 大多數(shù)運(yùn)行中的變電所處于正常運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備的故障狀態(tài)往往需要較長周期積累，既有的方案設(shè)計缺乏統(tǒng)一性、普適性。本文詳細(xì)研究了高速鐵路牽引變電所亭無人化設(shè)計方案，從房屋土建方案、電氣主接線、輔助監(jiān)控、設(shè)備在線監(jiān)測方面開展監(jiān)測設(shè)備配置研究、監(jiān)測設(shè)備性能需求分析，為推動牽引變電所亭無人化發(fā)展提供技術(shù)參考。