电气化铁路供电环境监控系统关键技术

邢挺

[摘    要]电气化铁路对供电系统的安全性和稳定性有很高的要求，对运营管理提出了巨大的挑战。为更好地提高电气化铁路的供电系统管理效率和质量，采用监控系统对供电系统环境进行监控是一个可行的方案。文章介绍铁路供电环境监测的现状和存在的问题，分析系统的功能及性能需求，在此基础上研究电气化铁路供电环境监控系统的软、硬件总体架构，重点探讨其主要功能模块的关键技术。文章的研究可以为铁路运营管理部门提供有益的参考。

[关键词]电气化;铁路;供电;环境;监控系统

[中图分类号]U223 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）11–0–03

Research on Key Technologies of Power Supply Environment

Monitoring System for Electrified Railway

Xing Ting

[Abstract]Electrified railways have very high requirements for the safety and stability of the power supply system， which poses a huge challenge to the operation and management. In order to better improve the management efficiency and quality of the power supply system of electrified railways， it is a feasible solution to use a monitoring system to monitor the power supply system environment. This paper introduces the current situation and existing problems of railway power supply environment monitoring， analyzes the system's functions and performance requirements， and studies the software and hardware overall architecture of the electrified railway power supply environment monitoring system on this basis， and focuses on the main functional modules. Key technology. The research of this article can provide useful reference for railway operation management department.

[Keywords]electrification; railway; power supply; environment; monitoring system

隨着铁路建设的发展，我国铁路运营里程不断增加，这对铁路的日常运行维护工作提出了更高的要求。铁路供电系统是电气化铁路的核心组成部分，其供电质量和供电稳定性对于铁路的正常运行有着直接的影响。但日益增加的铁路电气设备和日益复杂的供电体系，使电气化铁路的供电环境也更加复杂。在信息技术日益发达的今天，通过信息化、智能化、自动化等手段解决铁路供电网的运维问题已是一种必然趋势，电气化铁路供电系统的运营管理模式也在朝着无人值守的模式转变。基于此，本文对电气化铁路供电环境监控系统进行了深入探讨。

1 铁路供电环境监测现状

随着信息技术的发展，当前铁路系统中已经引入了大量的信息化管理平台，这其中就包括很多供电管理系统。与本文研究的供电环境监测系统类型的管理平台实际上在近年也已经有所应用，并且取得了一定的成效，这充分证明了铁路供电环境监测系统在铁路领域的发展空间。但在实践中也发现，现有的系统仍然存在一些缺陷。

现有系统主要包括视频监视、防灾告警、围墙对射、防盗、门禁等子系统，功能相对比较丰富，但各子系统往往是独立建设的，缺乏统一的数据接口，数据共享比较困难。而且由于设计理念和开发技术的不同，在系统维护升级过程中往往需要多个运维单位进行操作，可维护性和可扩展性都受到了严重的限制。在具体的使用方面，一些视频监控设备较老，画面质量较差，部分甚至无法监测;火灾、水灾和盗窃破坏等问题不能做到预告监测，只有事故发生后才会出现提示，缺乏早期灾害监测能力;目前的监控系统一般是独立运行的，缺乏联动机制，使用起来仍需要大量的人工介入。随着技术的进步，通过开发一套新的供电环境监测平台解决以上问题变得更加迫切。

2 系统需求分析

电气化铁路供电环境监控的目标就是要通过对供电现场环境的监控来发现各种安全风险并进行预警，使值班人员可以及时处理问题或者事先预防事故的发生。监控平台的应用，是电气化铁路供电系统运营维护实现“无人值班、无人值守”模式的重要一步。通过监控系统，需要将现场环境各项参数和实时画面直接呈现到调度中心的大屏幕上，使值班员可以集中管理牵引网、变电所、高压柜等电气设备或网络，实时了解供电系统运行环境和设备安全运行状态。为了满足电气化铁路的安全运营要求，在具体功能方面，系统应具备视频监控、环境监测、智能联动等功能，提供语音告警功能和电子地图功能，视频资料和环境数据要实现安全存储，系统控制应直观化、人性化，提高工作效率。在性能方面，系统平台的设计应满足先进性、实用性、稳定性、安全性、智能性、灵活性等要求。

3 系统总体设计

为解决当前监控系统存在的问题，进一步节省人力、物力，降低各种风险因素对铁路电力系统造成危害，铁路行业已经出台了相应的铁路供电调度系统设计规范，这对于系统的设计提出了更高的要求。根据电气化铁路供电系统环境监控的实际需求，结合一般信息化系统的技术特征，本系统主要对视频监控、火灾探测、温湿度控制、水浸告警、侵界告警等内容进行了研究。

3.1 系统硬件结构设计

在铁路沿线的每变电所和每段供电区域都安装一个监控主机，其功能是实时记录和分析相应区域范围内的摄像机和探测器上传的数据，并提供一些基本的设备控制操作，如转动摄像头、补光灯、空调等。在供电系统的关键位置安装高清摄像机，可以远程查看供电系统中的环境情况及设备运行状态。环境数据采集设备包括烟火探测器、火灾探测器、水浸探测器、红外探测器、地震探测器、碎窗探测器和定位设备，以上探测器所采集的数据和基于定位系统的电子围栏信息都会实时发送到告警主机上，一旦发现异常情况，告警主机会对所有告警信息进行汇总并发送给服务器。为保证供电系统的物理安全，采用刷卡式门禁系统对进出供电场所的人员进行身份验证。若未授权的人员闯入会发出告警和提示。通过温湿度计探测用电环境室内的温度和湿度，当数据不在预设范围时，系统会自动开启空调或加湿机对环境温湿度进行调节。调度中心通过大屏展示整个供电系统的实时环境和运行情况，对各类问题进行远程处理。

3.2 系统软件架构设计

本系统采用层次化设计思路，将系统划分为硬件设施层、网络传输层、数据持久层、中间件和应用层。其中硬件设施层是指支撑系统运行的服务器、采集设备等，用于采集铁路供电系统的各项环境数据;网络传输层采用无线和有线相结合的传输方式，为环境数据提供上传通道;数据持久层由数据库系统组成，用于存储供电环境数据和分析结果;中间件是系统开发的支持组件，可提高开发效率;应用层为用户提供各种业务功能，用户通过界面功能模块即可进行各种应用操作。

4 主要功能模块及其关键技术

4.1 视频监控模块

视频监控模块的功能是对供电系统环境和设备进行图像采集，并与其他子系统进行联动。该模块采用了1080P网络高清高速摄像机和千兆三层交换机方案搭建，不仅能提供高画质的监控图像，还能实现智能化分析功能。当其他子系统发现异常情况时，可以调用距离最近的摄像机自动对准异常点，从而更直观地了解现场情况。为了记录更多的视频历史数据，在调度主站增加了磁盘阵列，提高了存储容量和数据的安全性。

摄像机的图像信息是以数据流的方式，通过TCP协议传输至调度中心视频服务器，由后台程序通过视频服务器接口实现数据接收的。在接收数据前，首先设置摄像头为客户端，服务器为服务端，由摄像头向服务器主动发起TCP连接，服务端与其建立连接后，摄像头一方面会向服务器主动摄像头视频流，另一方面会主动操作数设备的告警信息和状态数据。调度中心的值守人员可以直接发送控制类命令到视频服务器，对摄像头进行远程控制。视频服务器接口是自行开发的，对各个厂家的摄像机接口均有较好的兼容性。

4.2 火灾探测模块

以当前的技术水平，火灾探测有很多种方式，根据铁路供电系统的环境特点，本系统采用了气体烟火探测器和缆式火灾探测器相结合的火灾探测方式。该探测方案与传统的点式火灾探测器相比，其探测范围更广、精度更高且具备主动预警能力。通过在变电站所的屋顶安装火灾探测器，可以提前感知室内设施起火情况，一旦出现火情，气体探测会首先感应到并发出告警，主机收到告警信号后与消防设备联动进行灭火。缆式火灾探测器是一种感温电缆，通过自身热感效应动态监测高温异常，可以准确识别火灾早期状态，以便及时采取防范措施。

4.3 温湿度控制模块

温湿度是重要的环境参数，也是本系统监测的重点之一。温湿度对于电气设备的运行效率有重要的影响，过高的温度容易使电气设备发热而面临故障风险，湿度过大则易腐蚀设备结构和电路，加速设备损坏。通过温湿度的监测，可以实时掌握室内温湿度情况，事先设置好适宜设备工作的温湿度范围，一旦实际数值超过该范围，立即通过程序自动控制空调、除湿机、加湿机等设备进行联动，将室内温湿度维持在该范围内，为电气设备提供一个最佳工作环境。

4.4 水浸告警模块

铁路沿线线路长，供电设备多，工作环境恶劣，由于大量电气设备和线路直接暴露在室外，因而很容易受到外部天气的影响。在雨季或暴雨天气时，许多供电场所会出现积水现象，如果积水过多就会直接造成设备短路，影响铁路的安全运行。本系统采用水浸探测器对积水进行检测，如果水位超过设定值就会向监控主机告警，指示操作人员及时排水，避免高、低压设备浸水侵蚀。当水位下降到安全值后，告警自动解除。

4.5 侵入告警模块

为了防止有人或动物非法闯入铁路供电场所，系统采用碎窗探测器、电子围栏和门禁三种技术对入侵进行检测。碎窗探测器就是对周边玻璃的破碎状态进行探测，一般原理是采用声控-次声波双技术来精确区分金属响声和门窗敲击，达到碎窗探测的目的。电子围栏是当前广泛采用的周界防盗告警系统，电子围栏可以有脉冲型电子围栏、张力型电子围栏、GPS电子围栏等类型。其中脉冲型电子围栏和张力型电子围栏均属于物理围栏，而GPS属于电子围栏。考虑到铁路沿线过长，本系统采用GPS电子围栏系统对关键供电场所进行设防，一旦有非法侵入就会发出告警信息。

采用幕帘式红外探测器对人员的走动进行检测，将探测范围限定在门口区域，可以最大程度避免误判。刷卡式门禁系统需要出入人员刷卡验证，对于未授权的卡片或无卡人员，一旦非法闯入将会触发告警。

5 结束语

交通强国，铁路先行。近年来国家对铁路事业高度重视，我国铁路线网的覆蓋范围也逐步扩大，这对铁路运营管理提出更大的挑战。牵引供电作为电气化铁路行车安全的重要环节，是直接影响铁路供电安全的因素，因而本文提出采用专业化的监控系统对电气化铁路的供电环境进行监控的技术方案。本系统的应用，使用户可以远程实时了解供电系统运行环境和设备运行状态，在事故的早期阶段及时地发现异常并进行预防，避免事故的发生或不良影响的进一步扩大。本系统满足铁路供电系统的运营管理需求，有效提高了电气化铁路的智能化运营管理水平，具有一定的应用推广前景。

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