2024年2月23日发(作者：)

铁路无人化牵引变电所智能巡检系统研究

摘要：随着我国铁路事业的蓬勃发展，牵引变电所作为铁路牵引供电系统的核心，其数量也在逐年增长。如今，铁路行业对“安全、智能、经济”的需求不断加大，牵引供电系统减能增效、绿色环保，牵引变电所无人值班值守运行模式等均成为必然发展趋势。

关键词：铁路；无人化牵引；变电所；智能巡检

引言

辅助监控系统作为实现牵引变电所无人值守的重要硬件基础，通过对牵引变电所亭内设备运行状态、运行环境、安全防范及火灾报警等信息的集中监测，报警信息与动力照明等设备的联动控制，实现向调度端上传告警信息及设备运行状态。在保证安全、可靠供电的前提下，能够完成牵引变电所亭值班人员例行工作内容，减少铁路运营过程中的维护成本、增加运营效益。

1变电所在线监测系统

深圳地铁变电所在线监测系统主要从中心级在线监测系统、站级在线监测系统、站内智能巡检机器人系统及接口协议等方面进行系统平台化设计。

1.1中心级在线监测系统

中心级在线监测系统包括变电设备数据中心系统（一台一档系统）、变电所辅助监控中心系统、安全生产管理系统、综合辅助系统、变电设备故障预测与健康管理（PHM）系统，实现与现有的企业资产管理（EAM）系统、PSCADA系统的数据共享。

1.2站级在线监测系统

变电所站级在线监测系统分为站控层、网络层、现场层。站控层由辅助监控通信及应用控制器、视频存储服务器（NVR）、环网交换机等构成；网络层由通信接口装置、汇聚交换机等构成；现场层由巡检视频设备（35kV及1500V开关柜室、控制室、整流变压器室、动力变压器室）、环境监测设备等构成，通过轨道巡检机器人系统和在线监测高清云台摄像机完成变电所内视频巡检设备、环境监测设备等数据集中采集、分析和存储、转发以及现场操作等功能。

1.3站内智能巡检机器人系统

为满足对智能变电所运维检修的精益化管理要求，深圳地铁建立智能巡检机器人系统，实现对变电所设备运行状态及运行环境检测。采用智能机器人的智能化巡检作为人工巡检的有效替代，并通过统一的监测平台对巡检数据进行对比和趋势分析，及时发现变电所电力设备运行情况和环境中存在的安全隐患及故障先兆，提高变电所设备运维的自动化和智能化水平，确保变电所设备安全可靠运行。智能巡检机器人系统由轨道式巡检机器人、通信系统和后台控制系统组成。其中轨道式巡检机器人用于执行设定任务，监测设备运行状态并反馈相关信息；通过载波完成本地通信，基于光纤将机器人数据从本地站端传入后台主控室；机器人专网可接入办公内网，实现与在线监测系统的后台通信；巡检机器人后台对传入数据进行综合分析和研判。

2辅助监控系统的应用效果

由于辅助监控被控站系统的监控平台能够展示被控站所有应用效果，因此，主站系统的应用效果在此不再赘述。牵引变电所辅助监控被控站采用分层式的系统架构，主要包含间隔层及站控层。间隔层由前端辅助设备、动环测控装置及视频服务器组成，站控层包含综合应用服务器、交换机、远动通信单元等网络设备。所亭级辅助监控系统平台集成了视频监控、视频巡检、安全防范、环境监测、火灾消防、动力照明控制、设备在线监测等子系统，本节对各子系统实施方案与应用效果进行简述。

2.1视频监控及巡检

视频监控子系统通过摄像机对牵引变电所的工作环境及所内设备运行状态进行实时监控，为运维人员提供设备当前的状态，便于及时检修。视频监控子系统配置高清摄像机、网络视频录像机（NVR）等设备。摄像机主要安装于需要巡视的重点场所，如二次设备室、高压室、室外设备区等。摄像机一般选用高清的高速球机，经同轴电缆或光缆连接至辅助监控系统机柜中的NVR。NVR通过局域网与智能辅助监控平台管理机通信，实现视频巡检和联动控制等功能。监控平台可从NVR中调阅摄像机列表，具备录像管理、实时图像显示、摄像机参数设置等功能。

2.2智能控制

辅助监控系统可实现对照明、风机、水泵、空调、门禁、摄像头等设备的远程控制，并根据用户需求配置上述辅助生产设备间的联动关系[7]。联动控制在下述事件触发后启动：（1）开关量变化：包含开关状态变化、告警信号变化、设备其他状态信息变化等；（2）遥测越限：测量值超出系统设定的阈值，产生越限事件；（3）遥控操作：对设备进行遥控操作，导致开关闭合、设备状态改变等。触发后可实现的联动功能如下：（1）遥控：控制设备的开关状态、启停等；（2）遥调：调整设备的档位或数值量，使其达到目标状态；（3）摄像机移动至预置位、开启录像功能等；（4）如果3D电子地图中配置好事件触发关联场景，当出现告警事件时，能将画面切换到对应的场景，并对报警设备进行动画显示等。触发后对可联动的动作序列可进行编辑，可以触发多个连续的动作，并且可以制定动作序列的启动和退出条件。

3控制系统硬件设计

3.1主控模块设计

主控模块以微控制器STM32F103RBT6为核心，其他外围电路均是使用该芯片的外设进行拓展；程序通过SWD接口烧录到微控制器；I2C总线连接外部数据存储电路，具有掉电数据不丢失的功能；滴答定时器实时监控机器人状态，并定时上传位置、速度信息到监控中心；看门狗防止程序跑飞，自动复位；TIM1输出PWM信号控制机器人移动；TIM2和TIM3采用编码器模式分别获取水平和垂直两

个方向上的编码器数据；SPI总线连接硬件TCP/IP协议栈芯片W5500，再经网络变压器HR911105A与外界进行以太网通信；USART1、USART2和USART3经RS485电路分别与避障雷达模块、局放检测仪和激光雷达传感器相连。

3.2电源模块设计

系统将交流220V引入交流220V端子排，给电力载波模块、照明灯、声光报警器、网络交换机、单相交流电机和开关电源供电；交流220V经双路可调输出开关电源输出直流24V和5V到指定端子排；直流24V端子排给HBS57驱动器、避障雷达模块、散热风扇、局放检测仪、云台供电；直流5V端子排给主控电路板、光电开关、增量式编码器和激光雷达传感器供电。

3.3运动模块设计

由一种新型的电机传动运动结构和移动结构组成。移动平台采用齿轮与齿条啮合的传动方式，步进电机和水平编码器分别与联轴器、齿轮相连，再和轨道上的齿条啮合。同时，前后导向轮均设计有限位轮对其进行左右限位，防止车体结构掉落。在升降机构上，电机、绕线轮和垂直编码器通过联轴器同轴连接。相较于传统的蜗轮蜗杆减速器，不仅避免蜗轮蜗杆发热量大的缺点，还简化了机械结构的空间排布，使安装调试更为简便。在动力驱动上，水平移动模块采用步进电机和HBS57驱动器作为动力驱动，垂直升降模块采用带刹车功能的单相交流电机作为动力驱动。在运动反馈上，两者均采用增量式编码器。在限位检测上，轨道始末装有挡板，通过机身前后的光电开关进行水平限位，通过机身下方的激光雷达传感器照射局放盒上层板进行垂直限位。而且，机器人周身装有避障雷达，由多个传感器组成测距模组。该模组应用超声波技术对物体障碍物进行距离探测，由控制盒和多个传感器组成，通过RS485接口与主控模块进行通信，机器人通过获取测距信息来判断周身有无障碍。

结语

本文结合国铁集团相关的文件规范以及赣深铁路牵引变电所亭无人化值守工程应用实例，总结了工程实施过程中辅助监控系统架构、系统配置、功能实现等整体方案，为牵引变电所亭无人化的推广提供参考与借鉴。辅助监控系统在牵引

变电所亭内的实施及应用，替代了变电所人工值守模式，有效提升了牵引变电所亭的运维水平，减少人力成本，契合变电所智能化的发展方向。

参考文献

[1]李然.铁路牵引变电所智能巡测系统设计研究[J].中国设备工程，2020（1）：153-155.

[2]安英霞.牵引变电所综合辅助监控系统技术研究[J].电气化铁道，2018，29（3）：1-3+10.

[3]胡金东.辅助监控系统在既有高速铁路工程中的应用[J].电气化铁道，2021，32（2）：32-36.