牵引变电所智能安全监控系统的设计与研究

曾庆钊， 刘　巍， 张　浩， 侯启方

(1　天津凯发电气股份有限公司， 天津 300392；2　中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043)

作为轨道交通供电系统的重要设施，牵引变电所的运行安全直接影响到整个系统的正常运行，因此对牵引变电所运行安全的实时监控十分必要。牵引变电所的安全监控系统主要包括：视频监控、环境监测、远程控制和智能联动等几大组成部分，其内容涵盖了计算机、传感器、新材料、信息处理、网络通信、电气缺陷特征分析、图像智能识别、光机电一体化等多个领域、多个学科的高端技术的交叉研究、开发和应用。随着相关领域技术的不断发展，各种监控产品也层出不穷，但目前的安全监测系统都存在各自为政、缺乏联系、功能匮乏、操作生硬的缺陷，急需完整、系统、智能、人性化的解决办法，尚未存在针对牵引变电所的完整的智能安全监控系统[1-2]。

1　牵引变电所智能安全监控系统的组成及架构

为了实现对牵引变电所的全面智能安全监控，考虑到与其他系统的无缝连接。系统的设计采用IEC 61850标准定义的变电站自动化系统架构，分为过程层、间隔层和站控层，并可实现IEC 61850客户端和服务器端的基本功能[3-5]。

过程层实现现场终端传感设备的信号采集、测量、控制。主要包括综合测控装置、变压器热过负荷保护装置、接触网热过负荷保护装置、环境监测装置、摄像机等信号采集、测量、控制装置；间隔层主要完成信息采集、处理、传输、通道切换、信息远传、系统对时等任务，包括通信管理单元和通信切换单元；站控层实现现场设备的五防操作、数据图像显示、记录、视频联动、智能自动控制等任务。监控系统配置有多种通信规约和通信接口，便于其他智能设备纳入监控系统进行统一管理。系统装置通信部分由以太网络和工业现场总线组成，通信媒介包括网线、光纤等。

统一的系统把环境、视频、火灾消防、采暖通风、照明、SF6、安全防范、门禁、热过负荷、在线监测等所有功能及检测量在监控系统主界面上进行一体化显示和控制。系统内的热过负荷监测子系统、在线监测子系统、环境监测子系统、视频监控子系统、门禁控制子系统、空调及设备控制子系统、安全防范子系统、消防报警子系统、SF6监测报警子系统等各子系统之间通过设置进行联动。所有能采集到系统中的信息，都可以作为联动的判断条件，所有平台中可控的对象，都可以作为联动执行对象。系统架构如图1所示。

图1　系统架构设计

为了迎合智能化变电所的发展趋势，系统设计还需要考虑与其他变电所系统的联动，本系统在设计时考虑通过硬件和软件的方式和站内综合自动化系统进行联动，实现用户自定义的设备联动，包括现场设备操作联动视频、综合自动化系统告警联动门禁视频等。具体包括：

(1)通过对温湿度的监测可以智能启动或关闭空调和风机，对空调进行智能遥控。

(2)环境设备和火灾、电源系统的联动，在判断环境异常的条件下切断其他系统的电源，启动火灾报警或喷淋。SF6双气监测超标时智能启动门禁和风机，阻断危险区间的通道并启动对流，对环境进行隔离改善，监测空气恢复正常后，可智能恢复现场。

(3)各个子系统发生异常时，可触发摄像机转到异常位置进行监测，实现远程实时了解异常情况，采取措施或在事后方便进行录像的追溯。

通过对数据库的配置可以满足用户新的联动需求，方便有效的实现用户需求的变更。

联动启动机制主要在以下几种事件下触发：

(1)开关量变化。主要包括告警信号的变化、开关状态变化、设备其他状态变化。

(2)遥测越限。系统中的测量值超出设定阈值，超过设定的最大最小值产生越限事件时。

(3)遥控操作。在操作界面对所属设备进行遥控操作，开关的闭合、设备状态控制等。

触发后可联动的动作包括：

(1)遥控。对开关设备的状态进行控制、启停等。

(2)遥调。对设备的档位或数值量进行调整，达到目标状态。

(3)控制摄像机调整到预置位置、启动录像等。

2　牵引变电所智能安全监控系统的实现

牵引变电所智能安全监控系统是一个大型自动化智能系统。其中涉及到实现对变电所内设施及环境的全面监控所需的各种设备如：工业计算机及显示器、硬盘录像机、变压器热过负荷保护装置、接触网热过负荷保护装置、摄像机、探测器等。为了实现对这些设备的统一有效管理，采用了通信管理装置、综合测控装置等综合信息管理装置，并且需实现综合化的智能软件平台。智能安全监控系统软件平台采用基于组件的C/S+B/S混合模式的体系架构和实时监控应用的分布式运行环境、以IEC 61850网络通信为核心、支持分层分布的应用体系结构。为了满足系统平台的兼容性和可扩展性，在设计时，软件平台采用了4个技术层进行架构：第1层是商用的标准运行环境，包括计算机操作系统、网络、数据库；第2层是实时监控软件平台，包括监控应用平台和实时运行平台等；第3层是基于该平台的核心业务应用，包括环境监控、消防监控、安全防护监控、暖通照明监控，还集成了视频监控、在线监测和联动控制等系统；第4层是拓展和深化的应用，主要为设备状态评估、优化、决策、专业分析等。软件平台架构如图2。

图2　智能安全监控系统软件架构

3　牵引变电所智能安全监控系统试验研究

为了测试本系统的现场使用效果，我们在京沪高铁郑陆牵引变电所进行了系统搭建和测试工作。安装采用以H3C 3600为核心交换机的千兆以太网，将接触网、变压器热过负荷保护装置以及通信管理机、系统平台、综合测控装置、安全防范系统、在线监测等网络设备组成局域网，现场终端传感设备以硬接点或485串行MODBUS规约方式接入综合测控装置和通信管理机。实时采集数据传输到数据处理系统，进行数据分析、处理。现场机柜布局示意图如图3所示。

图3　机柜布局图

测试中，我们分别针对系统基本功能，系统与其他系统及设备的通信接口、系统联动功能、系统的IEC 61850通信接口进行了测试，进行测试的系统界面如图4所示。测试结果显示系统基本功能正常，综合联动功能正常可靠，系统与其他系统及设备间的通信接口连接稳定、数据传输正确，同时系统支持基于IEC 61850标准的国际信息交互模型。

4　结　论

牵引变电所智能安全监控系统可以实现对牵引变电所中多种信息的集中采集、传输、分析与应用，实现与其他系统的交互应用，从根本上消除产生信息孤岛的局面，从而保障铁路供电系统运行安全，提高在线监测水平及智能预警水平。

图4　系统测试界面