浅析高铁牵引变电所无人值守方案设计

程瑜

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

【摘要】本文结合牵引变电所无人值守的要求，阐述了无人值守牵引变电所与传统牵引变电所的区别，并以京张高铁为例结合智能牵引供电系统的应用，详细阐述了高速铁路牵引变电所无人值守的设计方案。

引言

国铁集团非常重视牵引变电所无人化发展，继在京张高铁各牵引变电所亭设置了智能牵引供电系统，实现了牵引变电所的无人值班值守后，先后下发了《国铁集团关于做好铁路牵引变电所无人化实施工作的通知》（铁工电电[2020]84号）、《铁路电力牵引供电无人值守工程设计施工补充规定》（铁建设[2020]112号）等文件，进一步明确了无人值守牵引变电所的设计标准。本文结合京张高铁智能牵引供电系统的设计方案，提出无人值守牵引变电所亭的设计方案。

1.无人值守牵引变电所的设施组成

京张高铁智能牵引供电系统以智能牵引供电设施为基础，运用测量、传感、控制、通信、信息、人工智能等技术，以信息化、网络化、自动化、互动化为特征，以“安全运行、系统可控、状态可视、运维可循”的运维管理智能化为目标，具备全息感知、多维融合、重构自愈、智能运维特性，为铁路提供安全可靠、快捷的牵引动力。京张高铁设置的辅助监控系统通过综合联网实现牵引变电所亭统一监控和统一管理，通过系统无缝级联实现分级控制、分域使用。不间断的多媒体多方位实时监视，使调度室的值班人员拥有身临其境的感觉，*地降低了维护人员的工作量，提高运维管理的效率，完整实现了牵引变电所亭的无人值班值守，产生了良好的经济效益和社会效益，为铁路安全、可靠、高质量、*运行提供了保障。

2.无人值守牵引变电所的特点

为实现牵引变电所亭的无人值守，需要对传统有人值守的牵引变电所进行适当调整。无人值守牵引变电所与有人值守传统牵引变电所在隔离开关设计、交直流系统设计、一次设备在线监测系统等方面均有较大区别。

2.1隔离开关设计方案

在传统牵引变电所中，检修回路、27.5kV高压母线分段用的隔离开关通常采用手动操作机构。在无人值守牵引变电所中，为实现远动控制，所有隔离开关均采用电动操作机构，并纳入远动系统，以便实现无人值守。

2.2交直流系统设计

传统交直流系统只是在进线及重要的馈线回路设置了电动操作机构。为了实现无人值守，所有进线及馈线开关均配置电动操作机构和相应的告警、位置节点，可通过监控单元与综合自动化系统的通信接口实现所有开关的遥控、遥信。

2.3一次设备在线监测系统

牵引变电所实现无人值守后，对所内一次设备运行状态的监视显得非常重要。对一次设备可采用“一次设备本体+传感器+智能组件”的设计方案，实现对设备运行状态的实时监测，然后通过辅助监控系统对监测到的数据进行分析，实现对设备状态的实时监测。牵引供电一次设备主要包括牵引变压器、自耦变压器、高压断路器、互感器、避雷器、组合电器、27.5kVGIS开关柜等。

3.辅助监控系统的设计方案

辅助监控系统由部署在调度室和供电段的辅助监控主站系统（以下简称主站系统）、部署在各牵引变电所亭的辅助监控子系统组成。

3.1辅助监控主站系统

主站系统作为统一管理平台，实现与管辖范围内所有牵引变电所级系统的互联，构建一套符合规范要求的远程巡视、监控、监测平台，实现统一监控、统一管理、分级控制、分域使用，使变电所前端的智能辅助监控站级系统能够互联互通，满足智能巡视监控系统化、全局化、整体化的发展需求，实现综合维护维修的全流程化管理。京张高铁在北京局客专调度室SCADA系统的基础上设置局级供电调度辅助监控主站系统，在北京供电段设置供电段级辅助监控主站系统，两级主站系统实现辅助监控的数据管理、视频巡检、联动（故障跳闸现场视频查看和停送电操作设备视频确认等）等功能。局级主站系统在权限上具有优先级，在段级主站上可以实现对各所亭设备的巡检、状态监测等。

另外，京张高铁各牵引变电所亭实现了全BIM设计。在调度室及供电段的辅助监控主站上可以实现现场实景、三维BIM模型的统一展示、告警，为实现无人值守提供了良好的保障。图1所示为在调度室辅助监控主站上显示的所亭实景和BIM模型的结合展示。

图1在调度所辅助监控系统主站观察到的各所亭实景和BIM模型

3.2辅助监控子系统

新建京张铁路在牵引变电所、分区所、AT所、开闭所设置了辅助监控子系统，各所亭辅助监控子系统实现对牵引变电所亭各种辅助生产系统的整合、优化、管理及控制，主要包括视频监控/巡检子系统、环境监测子系统、安全防范子系统、火灾报警子系统、动力照明控制子系统，接入27.5kV电缆监测子系统、SF6气体监测子系统、智能一次设备监测子系统，并具备接入或扩展其他监控子系统的条件。其实现了对智能一次设备的在线监测、对辅助设备的管理控制，具备智能图像识别、智能联动和控制功能。各辅助系统内部模块间可以进行信息交互，并且具备与广域保护测控系统的信息共享及信息互动。图2为牵引变电所辅助监控系统构成示意图。综合考虑投资等因素，牵引变电所、分区所、AT所、开闭所的辅助监控子系统采用差异化配置。本文以牵引变电所为例，简单介绍其辅助监控子系统配置方案。

图2变电所辅助监控系统构成示意图

3.2.1视频巡检子系统

视频巡检子系统主要负责对全所电气设备状态、安装地点及周边环境进行实时巡视及监控，利用图像识别技术判断各设备的运行状态是否正常，同时与其他子系统进行报警联动，满足运行管理对安全、巡视的要求。京张高铁普通半室外布置牵引变电所在控制室及室外设备区设置了固定式巡检摄像头，在室外设备区设置了红外测温摄像机，在27.5kV高压室设置了轨道式巡检系统。按照“看得清、看得全、经济合理”的原则，在室外220kV进线系统及牵引变压器区域共设置3台红外摄像机、8台高清固定摄像机（带云台），在27.5kV馈线区域设置1台红外摄像机、2台高清固定摄像机（带云台），在27.5kV高压室设置1台轨道式巡检系统。利用各摄像机及其预置位，根据所内巡视要求制定巡检计划，可手动或按时自动执行巡检计划。巡检过程中利用图像智能识别判断设备运行状态，巡检完毕后形成巡检记录，并自动形成巡检报告，报告涵盖巡检内容及巡检正常或异常结果图片，存储于系统供供电段或局级辅助监控主站管理人员确认。

3.2.2环境监测子系统

环境监测子系统主要包括温湿度监测部分、风速监测部分、水浸监测部分。温湿度传感器采集温湿度、气体信息，将监测信息上传到智能环境综合监控主机。智能环境综合监控主机按照统一规约上送至综合应用服务器。通过信息交互使主站系统及其他系统能随时查阅设备运行场地的环境温湿度情况，并与相关设备进行联动（如根据室内温度情况远程开闭空调等）。所内设置风速传感器，风速传感器将监测到的信息上传至智能环境综合监控主机，智能环境综合监控主机按照统一规约上送至综合应用服务器。通过信息交互使主站系统及其他系统能随时查阅设备运行场地的风速，并做出相应的处理。在电缆夹层和电缆沟内设置水浸传感器，当水浸传感器监测到积水时，通过开关量输出报警信号至智能环境综合监控主机，启动水泵排水。

3.2.3安全防范子系统

安全防范子系统主要包括设置在变电所亭围墙上的激光对射报警、门禁控制系统、玻璃破碎探测器等。当激光对射检测到入侵情况时，不仅将报警信息上传至主站系统，触发声光报警器，还可联动灯光照明，调用摄像机预置位，启动录像。在牵引变电所亭的大门、生产房屋面向室外设备区的大门处设置门禁系统，可提高无人值守变电所的实时监控能力和出入权限的管理能力，提高运行维护的效率，并大大降低人力成本。在生产房屋各窗户处设置玻璃破碎探测器，当检测到入侵事件时，不仅将报警信息上传至主站系统，触发声光报警器，还可联动灯光照明，调用摄像机预置位，启动录像。

3.2.4门禁子系统

京张高铁各牵引变电所亭设置了门禁子系统，在进所大门、控制室及高压室大门处设置门禁终端。门禁控制系统与视频巡检子系统进行联动，可以提高无人值守变电所的实时监控能力和出入权限的管理能力，*杜绝管理漏洞，提高运行维护的效率，并大大降低人力成本。

3.2.5动力照明控制系统

牵引变电所内的相关辅助控制设备较多，许多设备都只能在前端进行控制，为了满足牵引变电所无人化要求，需对所内的动力照明等设备实现远程控制功能，如远程打开照明灯光、风机、水泵、空调等，可通过主站系统将变电所辅助控制设备集中、整合，能够远程手动、联动控制所内的动力照明设备。

4.安科瑞AcrelCloud-1000变电所运维云平台

4.1概述

基于互联网＋、大数据、移动通讯等技术开发的云端管理平台，满足用户或运维公司监测众多变电所回路运行状态和参数、室内环境温湿度、电缆及母线运行温度、现场设备或环境视频场景等需求，实现数据一个*，集中存储、统一管理，方便使用，支持具有权限的用户通过电脑、手机、PAD等各类终端链接访问、接收报警，并完成有关设备日常和定期巡检和派单等管理工作。

4.2应用场所

适用于电信、金融、交通、能源、*卫生、文体、教育科研、农林水利、商业服务、公用事业等行业变配电运行维护系统的新建、扩建和改建。

4.3系统结构

系统可分为四层：即感知层、传输层、应用层和展示层。

感知层：包含变电所安装的多功能仪表、温湿度监测装置、摄像头、开关量采集装置等。除摄像头外，其它设备通过RS485总线接入现场智能网关RS485端口。

传输层：包含现场智能网关和交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过交换机把数据上传至*的服务器端口，网络故障时数据可存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

应用层：包含应用服务器和数据库服务器，若变电所数量小于30个则应用服务器和数据库服务器可以合一配置。服务器需要具备固定IP地址，以接收各智能网关主动传送过来的数据。

展示层：用户通过手机、平板、电脑等多终端的方式访问平台信息。

4.4系统功能

4.4.1用能月报

用能月报支持用户按总用电量、变电站名称、变电站编号等查询所管理站所的用电量，

4.4.2站点监测

站点监测包括概况、运行状态、当日事件记录、当日逐时用电曲线、用电概况。

4.4.3变压器状态

变压器状态支持用户查询所有或京张个站所的变压器功率、负荷率、等运行状态数据，支持按负荷率、功率等升、降序排名。

4.4.4运维

运维展示当前用户管理的有关变电所在地图上位置及总量信息。

4.4.5配电图

配电图展示被选中的变电所的配电信息，配电图显示各回路的开关状态、电流等运行状态及信息，支持电压、电流、功率等详细运行参数查询。

4.4.6视频监控

视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中京张一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

4.4.7电力运行报表

电力运行报表显示选定站所选定设备各回路*采集间隔运行参数和电能抄表的实时值及平均值行统计。

4.4.8报警信息

对平台所有报警信息进行分析。

4.4.9任务管理

任务管理页面可以发布巡检或消缺任务，查看巡检或消缺任务的状态和完成情况，可以点击查看任务查看具体的巡检信息。

4.4.10用户报告

用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析，并列出在该周期内巡检时发现的各类缺陷及处理情况。

4.4.11APP监测

3.12APP支 电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”、“缺陷记录”、“文档管理”和“用户报告”七大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询、用户报告、文档管理等。

4.5系统硬件配置

应用场合	型号	外观图	型号、规格
变电所运维云平台	AcrelCloud-1000		AcrelCloud-1000变电所运维云平台基于互联网＋、大数据、移动通讯等技术开发的云端管理平台，满足用户或运维公司监测众多变电所回路运行状态和参数、室内环境温湿度、电缆及母线运行温度、现场设备或环境视频场景等需求，实现数据一个*，集中存储、统一管理，方便使用，支持具有权限的用户通过电脑、手机、PAD等各类终端链接访问、接收报警，并完成有关设备日常和定期巡检和派单等管理工作。
网关	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。
	扩展模块ANet-485		M485模块：4路光耦隔离RS485
	扩展模块ANet-M4G		M4G模块：支持4G全网通
中压进线	AM6-L		三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护
	APM810		三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In；四象限电能；实时及需量；电流、电压不平衡度；负载电流柱状图显示；66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录；2-63次谐波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD显示；
中压进线	APView500		相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压／电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动／闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G,16D0+22D1,通讯 2RS485+1RS232+1GPS,3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口，支持U盘读取数据，支持61850协议。
中压馈线	AM6-L		三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护
	APM810		三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In；四象限电能；实时及需量；电流、电压不平衡度；负载电流柱状图显示；66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录；2-63次谐波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD显示；
低压进线	AEM96		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级,无功电能精度2级；工作温度：-10℃～+55℃；相对湿度：≤95不结露
低压出线	AEM72		三相电参量U、1、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、低压出线分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3x1.5(6)A,有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级
	ADW300		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目*）
无线测温	ATE-400		合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A,测温范围－50-125℃,测量精度±1℃;传输距离空旷150米
	ATC-600		两种工作模式：终端、中继。ATC600-Z做中继透传，ATC600-Z到ATC600-C的传输距离空旷1000m,ATC600-C可接收ATE系列传感器、 AHE等传输的数据，1路485,2路报警出口。
环境温湿度	WHD		WHD温湿度控制器产品主要用于中高压开关柜、端子箱、环网柜、箱变等设备内部温度和湿度调节控制。工作电源：AC/DC85～265V工作温度：-40.0℃～99.9℃工作湿度：0RH～99RH
水浸传感器	RS-SJ-*-2		接触式水浸传感器，监测变电所、电缆沟、控制室等场所积水情况，工作电源：DC10-30V工作温度：－20℃+60℃工作湿度：0%RH~80%RH响应时间：1s继电器输出：常开触点。
摄像机	CS-C5C-3B1WFR		支持720P高清图像，*支持分辨率可达到130万像素（1280*960)内置麦克风与扬声器具有语音双向对讲功能，支持萤石云互联网服务，通过手机、PC等终端实现远程互动和视频观看。
烟雾传感器	BRJ-307		光电式烟雾传感：电源正*（DC12V):+12V 继电器输出：常开触点
门禁	MC-58(常开型）		常开型；感应距离：30-50mm材质：锌合金，银灰色电度，干接点输出。
配套附件	ARTU-K16		常开型；感应距离：30-50mm材质：锌合金，银灰色电度干接点输出
	KDYA-DG30-24K		输出DC24V;24V电源

5.结束语

通过分析无人值守牵引变电所与传统牵引变电所的差异，提出无人值守变电所设计的特点，结合京张高铁智能牵引供电系统的设计及原中国铁路总公司印发的《牵引变电所辅助监控系统暂行技术条件》，提出牵引变电所亭无人值守方案，为后续变电所无人值守方案设计提供借鉴。

审核编辑：汤梓红