高速铁路电力远动箱变辅助系统研究

张自学 刘奎 乔会超 王刚 王超 曹长安

收稿日期：2024-01-12

作者简介：张自学（1975—），男，本科，高级工程师，研究方向：项目管理。

摘要 作为在高速铁路运行中为通信信号传递提供充足电力的关键系统，电力远动箱变结构的运行稳定性至关重要，为了更好地提升箱式变电站的运行可靠性，则需要为其创建辅助系统完善应用。基于此，文章以某一高速铁路电力远动箱式变电站为例，为其创建了专属的辅助系统，其中包含三维可视化系统、物联网系统、数据采集与分析系统、大数据展示系统以及硬件结构等，基于每一部分展开设计研究，以期为相关人员提供参考。

关键词 高速铁路；箱式变电站；辅助系统

中图分类号 U226文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）11-0005-04

0 引言

随着国民经济高速发展，为满足出行条件，高速铁路的建设里程逐步延长，逐渐覆盖到更加广阔的地域范围，此情况对于高速铁路的各项功能提出了更高要求。作为影响高速铁路运行过程中信号传递的重要电力系统结构，远动箱式变电站的设计至关重要。基于复杂的运行工况环境，要求电力远动箱变系统具有始终稳定的供电状态，而实现这一目标，就需要为其搭建相适配的辅助系统，通过动态化、可视化监控箱变结构，才能够在出现任何异常问题时及时加以处理，保障箱变始终处于良好持续供电状态。

1 三维可视化系统设计

该文结合某高速铁路电力远动箱变在实际当中的运行情况，为解决运行到复杂环境下供电信号不稳的问题，为其创建相适配的智能辅助系统，基于全场景可视化的系统结构，满足电力远动箱变在任何状态下的实时动态化监控，从而满足对其电力信号的有效控制。该辅助系统在设计过程中最为关键的就是三维可视化系统（如图1所示），在该子系统的设计中主要是满足各场景下的应用编辑以及可视化处理[1]。

1.1 场景项目管理模块

基于可视化原则，该系统模块应当充分满足电力远动箱变运动全过程可视化场景项目高效管理需求。该模块在设计时，需要满足场景项目新增要求，通过创建空白场景的方式，为电力远动箱变的运行可视化巡检搭建多个场景同步显示功能。且要求满足场景编辑功能，可进入场景编辑界面中对箱变运动情况进行标记。自动对场景加以保存，并将已发布的HTML格式场景导入其中，满足对箱变运行全过程中的场景实时预览要求。最终向巡检控制中心加以传递时，同样应以HTML格式加以处理。

1.2 模型库

模型库是对电力远动箱变全场景模型加以预置的重要模块，在预置箱变模型时，包括一个常用模型，要求在模型库中所预置的模型与电力远动箱变结构相一致，包括在箱变设备面板上的端口指示灯等，按照一致状态效果加以展示。且模型库设计时应满足后续持续添加模型自定义扩展需求，模型数量无上限。

1.3 场景应用编辑模块

场景应用编辑应具备模型导入、删除、交互以及部署等功能。

设计场景应用下的模型导入功能时，支持如GLTF、GLB等不同格式的主流模型导入要求。

可通过后台进行模型删除处理，删除不必要模型，避免影响箱变可视化巡检效率。在交互设计中满足箱变场景缩放、旋转等操作要求，便于利用辅助系统操作模型观察箱变运行细节。

按照要求在场景内对箱变模型进行随意拖拽，放置指定位置，可编辑箱变模型大小、位置、角度等数据。满足对箱变模型信息的配置需求。如在确定某一箱变模型之后，可对其设置名称进行标记，或是完成模型编号的绑定。基于模型部署功能设计，满足箱变模型差异性状态下配置的效果，如边框亮度、闪烁颜色等，在其上方添加标注，同时满足后续交互的持续开发需求[2]。

与此同时，基于场景应用的编辑，要求在可视化的原则下满足箱变模型应用场景的灯光、背景等变化设计。包括预置环境光、点光、半球光、平行光等在内的不同光效。设置纯色、昼、夜等不同环境背景，支持场景视角的自定义旋转变化。

1.4 三维可视化场景模块

该模块下的设计，将场景在页面内加以嵌入，并支持对场景缩放、旋转等操作。通过点击可视化模块的系统界面搜索框，可对设备编号加以搜索，并点击定位完成对该编号下的箱变模型三维空间跳转。箱变模型弹出对应面板之后，应详细显示模型具体信息。

应用三维可视化场景，对高速铁路电力远动箱变展开单位建模，全面采集摄像机、红外传感设备等各类传感器的数据，以3D立体模型显示各类数据，基于数字化的视角，对现实中箱变应用的全场景要素模拟还原。完成数据采集后，对其展开实时动态化的计算与处理，确保可借助于辅助系统完成直接连接现实箱变设备结构，从而在三维模型中展示箱变设备运行数据，根据箱变设备的运行情况动态变化，展开实施监控。

如箱变结构中的形成开关出现变化，在三维立体模型中，也应及时根据采集数据完成相应变化。在模型中显示高低压柜的各类开关位置以及其当前实时状态，如指示灯颜色等。在可视化模型中电机摄像头，则可获得对应监控画面。

三维模型中的红外传感器可对变压器温度加以监控采集，对照警戒值，若出现超出警戒值状态，可观察到三维模型中的变压器模型此时为红色异常状况，并连接现实中变压器设备给出预警。

借助避雷器装置在模型中对高压柜雷击动作进行记录，对漏电情况进行预警，异常状态时均可在模型中观察到对应装置为红色[3]。同时，装置温湿度传感器、烟雾感知系统等，超过预定检测值自动报警闪烁。

2 物联网系统设计

2.1 物联网设备管理模块

辅助系统中的物联网系统结构（如图2所示），通过与物联网技术相互融合，实现对箱变运行过程中的全设备联网管理。

图2 物联网系统架构图

基于产品管理功能的设计要求，在物联网技术下实现统一化的产品管理，包括产品分类、自定义告警、物理模型以及设备授权码等。

设备管理要求满足物联网下的全设备控制，包括满足设备实时动态化监测、设备定位、定时、分组、分享、禁用以及实施动态监管。

物模型管理则是基于物联网技术的应用角度，完成设备状态、检测数据的属性管理，设备执行任务下的特定管理，主动向云端上报设备事件等基础功能。

2.2 摄像机管理模块

借助辅助系统对箱变设备展开辅助运行监控，利用物联网技术与摄像技术设备联合，对箱变运行行为进行拍摄，以图像模式进行记录。基于物联网系统对摄像机展开管理，包括对其拍摄路径、硬盘记录数据等加以管理，可自主添加设备基础信息并进行编辑修改。

3 数据采集及分析系统设计

3.1 变配电设备监控模块

根据箱变设备的运行条件，则在其供电过程中应当创建基于数据采集的变配电设备监控模块，从而更好地对箱变供电状态加以监控，保障其稳定供电。

该模块下设计高压柜、低压柜以及变压器状态检测等相应的功能结构。

在高压柜状态检测中，应当满足对电缆头的测温数据自动采集与分析要求，并创建采集日志（如图3所示），若超出预设温度，应及时进行预警。满足对避雷器放电监测装置数据的分析，同样在超出预设参数后预警，在可视化模型中加以显示。

在高压环网柜中增加局部放电与弧光保护在线监测装置，通过对柜内的局部放电、光强信号与电流信号连续在线监测，将采集的数据整理后向三维可视化系统模块加以传递。

图3 数据采集日志流程图

在低压柜状态监测功能中，设计母线无线测温装置，对母排温度进行监测，若发现温度数据异常（过热或是急剧升温）等情况应按照报警参数值标准发出预警，基于三维模型显示。同时结合双485通信数显表对低压侧参数加以采集，完成可视化电力数据监控。

变压器状态检测功能则应当满足对热成像数据的分析，根据三维模型中的设备温度状况展开研判，若超出温度预警值应及时上传数据并可视化显示。同时利用在线检测装置对变压器侧局部放电展开连续监测，对其内部放电情况进行检测。

3.2 电源系统监控模块

为满足箱变结构的自动化电力调度需求，该文中的电力远动箱变系统借助于智能设计方式，完成对一次设备开关的动态化监控。电源系统为双电源自动切换以及不间断电源设计的方式，进一步满足了在高速铁路运行过程中电力信号的稳定传输要求。基于这样的电力系统结构，在电源系统监控模块中，基础功能的设计，主要是对UPS电池进行动态化监测，实时监控电池性能，将数据及时向三维可视化系统加以传递。

3.3 环控系统模块

相较于常规的变电站，箱变的重点问题在于对室内环境加以模拟，也就是对箱变内环境展开有效的控制，同时，结合其在高速铁路的运行过程中具有较长的里程时间，各种环境不定因素均会对箱变结构的环境控制造成一定的影响。因此，对环境控制系统展开合理的设计至关重要。

该系统中设计了温度采集功能，通过安装物联网温感装置对箱变不同格室内温度进行采集、预警并加以模拟显示。

水浸报警模块则是通过装置水浸感知系统的方式与物联网连接完成对电缆夹层的水浸情况进行采集并汇总，若水位超出安全范围，则进行预警并完成三维可视化显示。

烟感报警系统通过将烟雾感知装置安装在箱变结构内的不同位置，完成分散化数据采集，联动预警显示。

空调联动控制模块，负责对箱变内空调数据进行收集整合，研判数据参数，与温湿度传感器联动，对比环境数据，对箱变环境进行调节。

3.4 视频系统模块

采集视频信息，对本地录像机硬盘加以查阅，完成视频数据本地储存与查阅，具备实时预览、调取、预置等功能。

3.5 安防系统模块

基于对箱变的安防管理需求，创建智能门禁系统，对进出人员信息进行采集，包括人脸识别、权限设置等，严格限制人员进出，并对门开启、关闭时间等进行记录，在监控后台系统上传备份，便于值班人员进行查看。

3.6 智能巡视模块

智能视频巡视则在根据SDK完成图像获取后，展开图像识别，分别观察高低压柜的开关状态以及信号指示灯等状态，并向三维可视化模型场景推送图像巡视结果。

4 大数据展示系统设计

在大数据展示系统设计中，创建显示屏，为辅助系统的各项图像、数据、视频等提供可视化的承载媒介，基于显示屏对箱变结构进行展示。

4.1 系统首页

系统首页设计时，负责对高速铁路运行线路上邻近电力远动箱变数量加以展示，在显示屏上清晰直观地显示箱变正常、异常以及告警等设备数量。显示设备总数，并展示关键箱变设备总数。显示屏上同步显示24 h高速铁路电力远动箱变的详细告警信息，包括远动箱变编号、告警原因、时间、参数以及箱变现行状态等。同时，在系统首页右侧，设置检索栏，输入编号，可检索对应箱变设备，可详细查验某一指定箱变数据。

4.2 箱变监控功能

箱变监控功能与系统首页之间存在着部分重叠，包括展示箱变告警信息等。除此之外，监控功能负责在显示屏上显示箱变监控设备温湿度数据、电缆头温度、局部放电等数据，表示为曲线图。同时，可通过对屏幕上的摄像机图标加以点击，实现与视频监控系统的连接，在显示屏上显示箱变内部实时图像，观察箱变开关以及指示灯，便于及时发出控制指令。

4.3 智能巡视功能

通过在大屏幕展示模块中对当前高速铁路运行线路中所有的箱变数量加以展示，以模拟线路图的方式显示每一节点箱变结构。

基于多个箱式变电站物联网连接状态，可在大屏幕上完成对单个箱变巡视方法的自主选择，包括手动、自动等方式，并对巡视数据进行整合，绘制完整的巡视报告。基于自动巡视状态，可对预置箱变中的设备工况进行选择查看。

4.4 告警

屏幕对当前高速铁路运行状态的动态化箱变告警情况加以显示，对告警信息自动记录储存，可随时查阅告警历史。显示告警状态变更，如对箱变温度加以告警，在经过相关人员处理后，屏幕显示告警处理完成标识。同时满足告警一键转工单。

4.5 设备管理

在该部分中对高速铁路整条线路上的箱变设备数据进行整合，整理成设备清单模式，可详细查阅有关箱变设备编号、型号、生产日期、使用年限等基本数据，便于根据以上信息决定是否更换或维修箱变。

4.6 数据统计

显示所有箱变监测数据，包括环境温湿度、电缆头温度、局部放电等，基于动态化的数据变化实时显示箱变内设备状态。支持通过大数据显示屏导出数据。

5 硬件结构

该次为高速铁路电力远动箱变所设计的辅助系统中的硬件结构主要为智能网关，其为F-G100型号智能网关，具有1个wan口、4个lan口、5个rs485以及1个232口。其应用拓扑如图4所示。

6 结束语

作为在高速铁路运行过程中维持稳定供电的重要电力系统结构，电力远动箱变为保持良好供电效果，需要为其搭建辅助系统，通过创建更加智能的三维可视化巡检系统，借助物联网、可视化等技术，对箱变进行实时动态监控，便于及时应对异常告警信息，保持电力供应稳定，保障高速铁路通信信号及时可靠，提升铁路运行安全性。

图4 F-G100智能网关应用拓扑图

参考文献

[1]杨尊习. 用于列车控制的通信系统可靠性能分析铁路电力远动控制技术[J]. 中华建设， 2023（8）： 178-180.

[2]黄成. 基于铁路10 kV电力线路故障在线监测技术研究[J]. 电工技术， 2023（8）： 175-177+180.

[3]张菁华， 郑荣， 马红岩. 远动控制技术在电力系统中的应用研究[J]. 光源与照明， 2023（1）： 213-215.