輔助監(jiān)控系統(tǒng)在既有高速鐵路工程中的應(yīng)用

胡金東

0 引言

隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的突飛猛進，作為電氣化鐵路“心臟”的牽引變電所數(shù)量劇增。當(dāng)下，鐵路行業(yè)朝著“安全、高效、經(jīng)濟、綠色、智能”方向發(fā)展，牽引變電所的無人值守成為必然趨勢。為此，原中國鐵路總公司頒布了《牽引供變電所實施無人值班值守工作的指導(dǎo)意見》（工電函[2018]101號）以及《牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》（鐵總科信[2018]144號）等文件，推進牽引變電所無人值守工作的有序開展。

輔助監(jiān)控系統(tǒng)通過對牽引變電所內(nèi)視頻監(jiān)控及巡檢、環(huán)境監(jiān)測、安全防范、火災(zāi)報警、動力照明控制等部分或全部輔助設(shè)備信息的集成，實現(xiàn)信息共享、告警聯(lián)動等功能，為牽引變電所集中監(jiān)控和運維提供支撐。本文結(jié)合輔助監(jiān)控系統(tǒng)在高速鐵路工程中的實際應(yīng)用，從系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備選型、方案實施、界面設(shè)計等方面進行探索，使系統(tǒng)具備智能巡檢、智能識別、系統(tǒng)聯(lián)動、實景重構(gòu)等功能，能很好地滿足牽引變電所無人值守的需求。

1 輔助監(jiān)控系統(tǒng)

輔助監(jiān)控系統(tǒng)充分利用前沿人工智能、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，實現(xiàn)牽引變電所管控由“人防”到“技防”的革命性轉(zhuǎn)變；在“橫向融合、縱向貫通”的設(shè)計原則下，打破與SCADA等系統(tǒng)之間的壁壘，實現(xiàn)資源共享，并利用物互聯(lián)技術(shù)，將海量全息感知數(shù)據(jù)實時匯入智能處理中心；實現(xiàn)智能巡檢、智能預(yù)警、綜合監(jiān)控、協(xié)調(diào)聯(lián)動等功能；形成局、段、牽引變電所三級架構(gòu)（圖1），構(gòu)建牽引變電所安全、高效、綠色、經(jīng)濟、智能的運營模式。

圖1 輔助監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 主站系統(tǒng)

輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)包括局級和段級兩級主站系統(tǒng)。局級輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)主要與SCADA系統(tǒng)功能深度融合，為SCADA系統(tǒng)提供遙視功能，包括報警推圖、操作聯(lián)動及手動調(diào)閱視頻圖像等功能。段級輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)提供全景展示、智能巡檢管理與執(zhí)行、控制及聯(lián)動管理、綜合分析等功能。主站系統(tǒng)主要設(shè)備包括流媒體、圖像存儲、通信及應(yīng)用、接口、NTP（網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器）、病毒防護、網(wǎng)絡(luò)安全等服務(wù)器；數(shù)據(jù)處理網(wǎng)、存儲網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集網(wǎng)等局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；防火墻、磁盤陣列、維護工作站等。局級輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 局級輔助監(jiān)控主站系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

輔助監(jiān)控系統(tǒng)分別部署在局級、段級、牽引變電所，并可在車間部署輔助監(jiān)控復(fù)示終端。各級輔助監(jiān)控區(qū)及復(fù)示終端間的數(shù)據(jù)通信利用數(shù)據(jù)網(wǎng)的6C VPN承載。具體如下：局級輔助監(jiān)控通道采用冗余配置，網(wǎng)絡(luò)帶寬不應(yīng)低于100 Mbps；段級輔助監(jiān)控區(qū)至各被控站點間應(yīng)設(shè)置輔助監(jiān)控通道，采用冗余配置，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)承載并利用傳輸專線向區(qū)間被控站點延伸。其中，各被控站點接入傳輸專線的帶寬不應(yīng)低于20 Mbps，且該專線掛接被控站的數(shù)量不宜大于10個；段至車間可設(shè)置輔助監(jiān)控復(fù)示通道，承載輔助監(jiān)控復(fù)示信息，通道帶寬不應(yīng)低于20 Mbps；區(qū)間至車站（或通信站）的輔助監(jiān)控通道宜采用以太網(wǎng)總線方式組網(wǎng)。輔助監(jiān)控系統(tǒng)通道總線匯聚如圖3所示。

圖3 牽引輔助監(jiān)控通道總線匯聚

1.3 被控站系統(tǒng)

在牽引變電所內(nèi)，輔助監(jiān)控被控站系統(tǒng)（圖4）提供完備的視頻監(jiān)控及巡檢、環(huán)境監(jiān)測、安全防范、火災(zāi)報警、動力照明控制等設(shè)備設(shè)施，實現(xiàn)牽引變電所各類輔助監(jiān)控信息的采集、分析與上傳，以及設(shè)備的控制及聯(lián)動。監(jiān)控信息主要包括：（1）視頻監(jiān)控及巡檢信息：實時視頻流數(shù)據(jù)、巡檢照片、語音對話、自檢信息、告警信息等；（2）安全防范信息：所內(nèi)門禁、紅外雙鑒/三鑒、激光對射、玻璃破碎等告警信息、自檢信息等；（3）火災(zāi)報警信息：火災(zāi)處理單元的現(xiàn)場探測信息、設(shè)備自檢信息等；（4）環(huán)境監(jiān)控信息：溫/濕度傳感器、水浸傳感器、SF6監(jiān)測傳感器、空調(diào)等設(shè)備運行信息、告警信息及自檢信息；（5）動力照明設(shè)備信息：燈光控制器、水泵、風(fēng)機等動力照明設(shè)備的運行信息。

圖4 牽引變電所輔助監(jiān)控被控站系統(tǒng)

2 貴港變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)實施方案

南廣鐵路貴港牽引變電所輔助監(jiān)控被控站系統(tǒng)包含視頻監(jiān)控及巡檢、安全防范及門禁、環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)報警、動力照明控制等子系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分層架構(gòu)，主要由間隔層和站控層設(shè)備組成，間隔層包括動環(huán)測控裝置、視頻服務(wù)器和前端輔助設(shè)備，站控層包括綜合應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。為滿足沿線低帶寬、低延時的應(yīng)用需求，輔助監(jiān)控系統(tǒng)采用所內(nèi)NVR（網(wǎng)絡(luò)視頻攝像機）連續(xù)存儲，主站訪問時才建立調(diào)閱傳輸通道，從而有效解決海量數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)钠款i；對于報警、遙視、巡檢照片、聯(lián)動錄像等重要信息，在存儲于所內(nèi)NVR的同時，主動推送至主站進行存儲，從而有效降低系統(tǒng)的延時；集團、段、所使用流媒體服務(wù)器實現(xiàn)音視頻的分發(fā)，當(dāng)多個客戶端從流媒體服務(wù)器取流調(diào)取1路視頻時，主站流媒體服務(wù)器與被控站NVR之間只占用1路視頻帶寬，從而有效解決了主站眾多用戶同時訪問同所重要消息時產(chǎn)生的回傳帶寬問題；在網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重?fù)砣麜r，系統(tǒng)自動采用子碼流降低清晰度進行傳輸，以滿足實時應(yīng)用需求。

2.1 視頻監(jiān)控及巡檢子系統(tǒng)

視頻監(jiān)控及巡檢子系統(tǒng)由高清攝像機、熱成像測溫攝像機、激光遠(yuǎn)望攝像機、匯聚交換機、視頻服務(wù)器及智能巡檢服務(wù)器等組成。通過前端安裝的高性能攝像機及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對牽引變電所重點需要監(jiān)控的一二次設(shè)備，即變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘、壓互、流互、避雷器、高壓柜、保護屏等的運行狀態(tài)通過視頻記錄集中發(fā)送到當(dāng)?shù)氐囊曨l服務(wù)器，并通過網(wǎng)絡(luò)進行遠(yuǎn)程傳送，從而構(gòu)成實時動態(tài)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控體系，即使變電所現(xiàn)場無人值班值守，其運行狀態(tài)也能及時地傳送給遠(yuǎn)端的調(diào)度人員，調(diào)度人員可對現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)進行有效準(zhǔn)確的掌握及判斷，對各種突發(fā)狀況能夠采取及時有效的應(yīng)對措施，從而實現(xiàn)變電所高效操控和安全運行。

根據(jù)貴港牽引變電所現(xiàn)場平面布置和設(shè)備布局情況，本次建設(shè)部署的各類型攝像機數(shù)量和安裝點位包含變電所周界區(qū)域、220 kV進線區(qū)域、牽引變區(qū)域、27.5 kV母線區(qū)域、27.5 kV饋線區(qū)域、線路接觸網(wǎng)區(qū)域、主控制室等。

2.2 安全防范及門禁子系統(tǒng)

貴港牽引變電所既有的視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)部署了一些安防探測器，但設(shè)備投運已久，報警可靠性降低，本次輔助監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)直接新建部署安全防范探測器，包括電子圍欄、紅外對射、紅外雙鑒、玻璃破碎探測、門禁管理等。

2.3 環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

微氣象站：在生產(chǎn)房屋屋頂設(shè)置1臺多要素微氣象站，與網(wǎng)絡(luò)號角揚聲器安裝在一起，實時監(jiān)測變電所外部環(huán)境數(shù)據(jù)，主要包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓、降雨量、光照強度等氣象數(shù)據(jù)，通過RS485總線將數(shù)據(jù)接入動環(huán)測控通信管理裝置，實現(xiàn)戶外設(shè)備工作環(huán)境監(jiān)測預(yù)警。

主控室溫濕度監(jiān)控：在主控制室設(shè)置1只溫濕度控制器，導(dǎo)軌安裝在墻面合適位置，同時聯(lián)動控制室內(nèi)風(fēng)機，并通過RS485總線將數(shù)據(jù)接入動環(huán)測控通信管理裝置，實現(xiàn)主控制室內(nèi)設(shè)備工作環(huán)境監(jiān)測預(yù)警和風(fēng)機自動控制。

集中接地箱溫度監(jiān)測：在集中接地箱各回流電纜接頭處及母排安裝無線溫度傳感器，匯聚柜內(nèi)設(shè)置無線測溫收發(fā)器，收發(fā)器進行傳感器數(shù)據(jù)匯總并通過RS485總線接入動環(huán)測控通信管理裝置，實現(xiàn)集中接地箱電纜接頭工作溫度的在線監(jiān)測和實時預(yù)警。

電纜水浸監(jiān)測：在牽引變電所戶外電纜溝低洼處和生產(chǎn)房屋電纜夾層入口處設(shè)置水浸傳感器，監(jiān)測電纜溝和電纜夾層積水情況，監(jiān)測到水位異常即報警。報警信號就近接入I/O模塊并通過RS485總線上傳至動環(huán)測控通信管理裝置。

2.4 火災(zāi)報警子系統(tǒng)

貴港牽引變電所當(dāng)前投運的氣體滅火系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，通過在氣體滅火控制器旁增加1臺聯(lián)動型火災(zāi)報警控制器，先通過CAN聯(lián)網(wǎng)接口與氣體滅火控制器聯(lián)網(wǎng)，再通過RS232集成接口將火警、故障、動作等消防信息接入動環(huán)測控通信管理裝置，實時監(jiān)測關(guān)鍵設(shè)備區(qū)域的火災(zāi)情況。輔助監(jiān)控系統(tǒng)通過火災(zāi)報警系統(tǒng)與氣體滅火裝置、監(jiān)控攝像機、設(shè)備電源等的高效聯(lián)動，能夠及時預(yù)警和有效控制變電所火災(zāi)，降低安全風(fēng)險。

2.5 動力照明控制子系統(tǒng)

動力照明控制子系統(tǒng)主要包括照明控制、風(fēng)機控制、空調(diào)控制、水泵控制等，系統(tǒng)按照設(shè)定事項（如溫度、濕度、風(fēng)速、水浸等環(huán)境參數(shù)報警）自動對變電所各類輔助動力設(shè)備進行啟/?？刂疲ぷ魅藛T也可以通過輔助監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作控制設(shè)備的啟動和停止。

3 實施效果

輔助監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用不僅滿足無人巡檢條件下達到人工現(xiàn)場巡視的效果，而且還要掃除人工巡視的盲區(qū)，為遠(yuǎn)程操控人員提供更加科學(xué)的判斷依據(jù)，利用技術(shù)手段實現(xiàn)變電所在無人值守的情況下安全、高效、智能、綠色、經(jīng)濟地運行。

3.1 全方位監(jiān)控

在牽引變電所所有一次設(shè)備和關(guān)鍵二次設(shè)備區(qū)域部署高清云臺攝像機，對設(shè)備外觀和指示表計進行監(jiān)控；部署測溫型雙目云臺攝像機，對設(shè)備工作溫度進行測量，實時測溫報警。同時改造了安全防范及門禁、環(huán)境傳感、火災(zāi)報警、動力照明控制等監(jiān)控設(shè)備，全面監(jiān)控供電設(shè)備運行狀態(tài)，滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。科學(xué)規(guī)劃攝像機點位及預(yù)置位，提供完善的自動巡檢、人工遠(yuǎn)程巡檢及自定義巡檢等功能，實現(xiàn)變壓器、隔離開關(guān)、高壓母線、避雷針、蓄電池組、流互、壓互等設(shè)備設(shè)施重點部位的周期性、全方位的巡檢和告警，自動生成巡檢報告。

3.2 智能識別

對牽引變壓器油位刻度、戶外高壓斷路器分/合指示牌、隔離開關(guān)狀態(tài)、戶內(nèi)高壓開關(guān)分/合指示牌、指示燈、各類儀表及各類設(shè)備外觀圖像進行智能分析和報警，并對安防信息進行圖像智能復(fù)核，消除誤報。發(fā)現(xiàn)監(jiān)控畫面中的異常情況，能以最快的方式發(fā)出警報，從而更加有效地協(xié)助工作人員預(yù)先發(fā)現(xiàn)缺陷，并最大限度地減少誤報和漏報。

3.3 監(jiān)控聯(lián)動

輔助監(jiān)控系統(tǒng)集成了各種報警、控制協(xié)議，可采集模擬量信號、開關(guān)量信號、總線信號，支持其他子系統(tǒng)的可靠接入，可以對環(huán)境監(jiān)測、安全防范、門禁、消防等子系統(tǒng)進行集成。系統(tǒng)集成改變了各系統(tǒng)獨立運行的局面，可與SCADA系統(tǒng)聯(lián)動，在操作開關(guān)設(shè)備或發(fā)生事故跳閘時聯(lián)動攝像機，實現(xiàn)多角度實時視頻監(jiān)控；并可自由設(shè)置所內(nèi)動環(huán)、安防、火災(zāi)報警等輔助設(shè)備之間的聯(lián)動關(guān)系，實現(xiàn)各種異常及故障情況下的高效管控。

3.4 在線測溫

對電氣設(shè)備和線路的熱缺陷進行探測，如變壓器、套管、斷路器、刀閘、互感器、電容器、避雷器、母線、導(dǎo)線等，對及時發(fā)現(xiàn)、處理、預(yù)防重大事故起到非常關(guān)鍵而有效的作用。在線測溫取代了值班人員采用便攜式紅外熱像儀定期對設(shè)備進行紅外掃描測溫的方式，提高了工作效率，實時監(jiān)控主要設(shè)備的溫度，解決設(shè)備過熱無法被及時發(fā)現(xiàn)的問題。

3.5 全景展示

通過采用GIS和BIM三維地圖模型，在現(xiàn)有資源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，以三維虛擬現(xiàn)實的形式展現(xiàn)牽引變電所的運行情況，支持巡檢過程三維模型與設(shè)備實時視頻的同步展示；結(jié)合GIS，直觀呈現(xiàn)線路、所亭、供電設(shè)備及輔助監(jiān)控設(shè)備各類實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警等信息。為應(yīng)急決策、過程監(jiān)管、現(xiàn)場指揮提供一目了然的技術(shù)手段。

4 結(jié)語

本文結(jié)合南廣鐵路貴港牽引變電所輔助監(jiān)控系統(tǒng)的實施，根據(jù)國鐵集團的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場實際，在系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備選型、工程實施、界面設(shè)計等方面進行思考，對智能巡檢、智能識別、系統(tǒng)聯(lián)動、實景重構(gòu)等系統(tǒng)功能進行設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)巡檢代替人工巡檢，提高了巡檢的準(zhǔn)確性和可靠性，避免了人工巡檢可能出現(xiàn)的錯檢、漏檢甚至作業(yè)事故。通過系統(tǒng)告警聯(lián)動、智能識別等功能的應(yīng)用，全面提升了牽引變電所的智能化運維水平，大大減少了人力、物力成本，很好地滿足了牽引變電所無人值守的需求，契合了智能變電所的發(fā)展方向，在后期高速鐵路智能化改造工程中有一定的推廣價值。