基于物联网架构的变配电所辅助监控系统研究

代 茜

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司 电气化研究设计院，北京 100071）

铁路作为国民经济的命脉，在国家的运输任务与战略意义上都起着举足轻重的作用。铁路供电系统是整个铁路运输系统的重要组成部分，是确保调度指挥、信号、通信、旅客服务等系统重要负荷安全、可靠、不间断运行的基础设施，其供电质量的好坏直接影响到高速列车运行的正常与否。因此，铁路供电系统中电力设备的运营维护（简称：运维）工作尤为重要。

铁路电力设备主要集中于变配电所内，大部分变配电所仍采用人工的方式对电力设备进行日常巡检，存在人力成本高、劳动风险大、工作效率低等问题。此外，随着我国电气化铁路运营里程的快速增长，亟须由传统的人工巡视向智能巡视、远程监控发展，保障变配电所供电安全与稳定，提升变配电所运维效率，降低人员管理及设备维护成本，实现变配电所在“无人值守”模式下的正常运行[1]。

基于铁路一线电力运维工作现状及需求，本文针对变配电所日常运维内容，提出了基于物联网架构的辅助监控系统，增强铁路供电管理能力，提高配电所运维工作的自动化、智能化水平[2]。

铁路变配电所是铁路供电系统的重要组成部分，为铁路运行提供电力支持。随着铁路的快速发展，变配电所的数量不断增加，这使得配电所运维工作量加大，偏远地区变配电所的运维难度大。

目前，变配电所的巡检采用定期巡视加手工记录数据的方式，设备检测、数据统计均由巡检人员按照要求执行和记录。这种方式存在人工成本高、录入效率低、易出现错记漏记等影响运检质量的情况[2-3]。

变配电所辅助监控系统（简称：辅助监控系统）由感知层、网络层、平台层和应用层组成[4]，如图1所示。

图1 辅助监控系统结构

2.1 感知层

感知层是辅助监控系统的基础部分，采用先进的感知技术，对变配电所内设备、环境、安防等信息进行实时采集和识别。根据采集信息不同的类型，感知层将前端设备分为6 个子系统。

2.2 网络层

网络层实现变配电所内各类监测设备的泛在连接。感知层各类传感器采集的信息通过专用数据传输网上传至平台层。

2.3 平台层

平台层是辅助监控系统的核心单元。（1）由于监测设备具有数量多、种类多、部署位置分散等特点，平台层的网络硬盘录像机能够对视频监控及巡检子系统上传的信息进行存储、整理和初步数据处理；
（2）动环主机能够汇总、存储和初步处理环境监测子系统、安全防范及门禁子系统、火灾报警子系统和动力照明控制子系统上传的数据和信息；
（3）在线监测主机能够对在线监测子系统传输的数据做汇总、存储和初步整理；
（4）网络层的智能分析服务器能够调用网络硬盘录像机、动环主机、在线监测主机等设备所存储/上传/已完成初步处理的数据，实现数据的有序管理，并按照系统功能需求，对数据进行深度处理，为应用层提供支撑。

2.4 应用层

应用层采用图像识别、大数据分析、人工智能等技术，实现变配电所电力设备状态信息展示、各类仪表数据查询、参数配置的功能。此外，应用层还能够实现变配电所电力设备运行状态评估、故障预警，自动生成巡检报表，提高变配电所管理水平和运行质量，缓解运维人员的工作压力，有效提高运维效率。

3.1 视频监控及巡检子系统

（1）变电区不仅部署了双光谱热成像球机，能够对变压器、互感器、避雷器、导线、线夹等设备进行红外温度监测和外观巡视，还部署了高清摄像机监测变压器油温和油位、避雷器放电计数器仪表并上传至系统进行图像识别。

（2）高压室内设导轨式摄像机对开关柜进行巡视、状态监测、仪表识别。

（3）控制室设置高清球机进行安防监测、设备状态监测、仪表识别。

（4）调压器室设双光谱热成像球机对调压器进行温度监测和油位表监测。

3.2 在线监测子系统

在高压室中，根据高压柜的类型在高压柜内部署无线测温传感器和局部放电传感器，无线测温传感器设于断路器触头及电缆头上用以监测触头温度；
局部放电传感器贴壁安装于柜内或柜外缝隙处用以监测局部放电信号。传感器将信息通过无线的方式传输至高压室内的在线监测主机箱进行信息的汇集、存储、处理并上传至辅助监控系统平台，用于对高压柜内设备超温、绝缘异常的现象进行在线监测，及时发现设备隐患。

3.3 其他子系统

（1）变配电所房顶设风速传感器和雨量传感器，房屋外壁、高压室、控制室、调压室内设温湿度传感器，用于监测配电所外部及各室内部风速、雨量、温湿度等环境信息；
电缆沟集水井或最低处设水浸传感器，用于监测电缆沟积水情况。

（2）变配电所控制室内根据需求设灯光控制模块、风机控制箱、空调控制单元对照明、风机、空调等设备进行远程控制，按照系统设置当发生报警时与其他设备联动。

（3）变配电所控制室内根据火灾规范文件设感温感烟探测器、手动报警按钮、声光报警器、火灾报警控制器，用于监测火灾并报警。

（4）各个监测终端采集数据并将数据上传至各系统主机/控制单元，后上传至辅助监控系统后台，实现对所内设备状态和环境信息、安防信息的全面监控、智能巡检和自动报警。

辅助监控系统利用物互联技术，将变配电所内大量的数据实时上传后台处理中心，实现综合监控、智能预警和协调联动的功能，通过系统后台设置联动时间段、报警触发阈值、联动触发条件、触发联动动作、复位条件、复位动作等相关参数配置联动规则。联动触发后系统自动记录触发、动作、复位全过程至历史数据中供后期查询使用。

系统联动功能由特定告警信号触发，由某个或多个子系统的一个或多个设备按照系统设置完成触发动作[5-7]，其联动策略如图2 所示。

图2 辅助监控系统联动策略

变配电所内可能出现发生火灾、盗窃、设备过热、电缆头局部放电、电缆沟积水过多、仪器仪表数据超过阈值等影响配电所安全运行的情况，利用辅助监控系统进行智能联动处理，遇到突发情况，在无值守人员在场时及时作出处理并后台报警通知相关工作人员，有效防止事故进一步升级。

变配电所辅助监控采用模块化、智能化的设计思路，对变配电所内视频监控及巡检、环境监测、安全防范、火灾报警和动力照明控制等部分或全部辅助设备信息进行集成，系统平台通过标准接口，采集所内辅助设备信息，实现信息共享与告警联动功能，并将监控和报警信息上传。

辅助监控系统软件具备灵活的多级架构，采用层次化、模块化结构和面向对象程序设计，具有良好的扩展性和适应性。用户在工作站通过系统软件向辅助监控系统发送指令，即可实现系统内置功能。

按照应用功能场景，辅助监控系统的功能及其之间的关系，如图3 所示。

图3 系统功能关系示意

辅助监控系统通过终端软件实现系统功能配置和现场设备管理，满足配电所在无人值守的条件下的设备状态监测和故障报警，有效地保障了配电所正常运行。

本文提出了基于物联网架构的辅助综合监控系统方案，将智能物联技术和大数据处理技术相结合，将多个子系统按照标准接口进行多系统融合，实现对全所视频监视、环境信息监测、安全防范、火灾报警、动力照明控制、设备巡检、设备在线监测等功能的高度集成和一体化监控，实现了信息共享、告警联动、故障预警、智能巡检的功能。未来，将进一步研究基于物联网框架的铁路变配电所智能运维管理系统，以达到“无人值守”条件下变配电所供电安全、稳定，运维高效，减员增效的目标。