智能變電站雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張?zhí)? 于立濤, 王黎, 康正, 郝福友

(1.國網(wǎng)青島供電公司, 青島 266000； 2.山東安信源信息技術(shù)有限公司, 濟(jì)南 250100)

0 引言

在智能變電站中，變壓器是電力系統(tǒng)設(shè)備的重要組成部分，也是價(jià)格最貴的部件，在電網(wǎng)電壓等級不斷提升，電力輸送容量逐漸增加的趨勢下，變壓器故障直接威脅著電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與可靠性，嚴(yán)重時(shí)還會引發(fā)電網(wǎng)癱瘓。一直以來，電力系統(tǒng)內(nèi)部在變壓器運(yùn)行的維護(hù)工作上，主要利用的方式是預(yù)防維修與事后維修。然而，預(yù)防維修需要進(jìn)行停電檢修，會對供電的可靠性與穩(wěn)定性造成影響，而定期檢修中會適當(dāng)更換部分設(shè)備，但是其中一些是不必進(jìn)行更換的，經(jīng)濟(jì)性相對較差。而智能變電站所利用設(shè)備具有其自身的獨(dú)特優(yōu)勢，即具備較高的可靠性、集成性、環(huán)保性等等。所以，常規(guī)檢測方式根本不能滿足現(xiàn)代化狀態(tài)維護(hù)的發(fā)展需求，對此，為了確保電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性、安全性與經(jīng)濟(jì)性，電力設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展發(fā)展與應(yīng)用。特別是基于智能對設(shè)備遙控操作、變電站設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控等要求十分迫切，但既有站端變電站，在各自的區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)行自我管理，尚未與其他相關(guān)部分實(shí)現(xiàn)有機(jī)連接，這樣一來，勢必會造成系統(tǒng)資源利用率下降，系統(tǒng)管理成本加大，而監(jiān)控系統(tǒng)能夠設(shè)備功能單一化，甚至出現(xiàn)漏洞等各種不良現(xiàn)象，進(jìn)而阻礙對智能變電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控與巡視[1]。

1 雙視監(jiān)測巡檢系統(tǒng)

1.1 原理

基于紅外熱成像儀器與可視監(jiān)控儀器等設(shè)備，通過紅外熱成像掃描系統(tǒng)，把被檢測物體所形成的紅外線輻射到探測器上，構(gòu)成紅外熱圖像，以此對被測物體的表面溫度及其分析進(jìn)行分辨，并依據(jù)溫度相關(guān)信息進(jìn)一步判別物體運(yùn)行狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)物體遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1.2 特性

1.2.1 靈敏度較高

雙視監(jiān)測巡檢系統(tǒng)一般都是利用非致冷長波焦平面紅外熱成像儀，一旦物體進(jìn)入儀器視場內(nèi)部，都能夠監(jiān)測到其溫度分布狀態(tài)，并通過顯示屏成像。紅外熱成像儀器具有非常高的靈敏度，能夠準(zhǔn)確對物體設(shè)備表面的1%度溫差進(jìn)行全方位辨別，以此精確診斷物體的熱狀態(tài)變化。

1.2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測不受影響

雙視監(jiān)測巡檢系統(tǒng)通過紅外熱像儀不需要接觸物體，所以，即使是大型變電站與大型發(fā)電機(jī)組及其串補(bǔ)平臺等電力設(shè)備都能夠進(jìn)行監(jiān)測。紅外熱成像儀器在電磁波的干擾下，不會受到任何影響，即使是在強(qiáng)電磁場狀態(tài)下，輸變電站與高壓線等位置，都可以使用紅外熱成像儀進(jìn)行監(jiān)測。

1.2.3 監(jiān)測效率高，數(shù)據(jù)可以兼容

雙視監(jiān)測巡檢系統(tǒng)能夠通過被檢測設(shè)備的熱分布狀態(tài)在觀察屏上進(jìn)行同步顯示，并檢測故障點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)后臺計(jì)算機(jī)能夠快速分析和處理數(shù)據(jù)圖像。溫度數(shù)據(jù)圖像在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還能夠進(jìn)行多次重復(fù)利用，以此為電力設(shè)備故障預(yù)警提供更有利的資源作為依據(jù)。

1.3 優(yōu)勢

1.3.1 實(shí)現(xiàn)了無人值守

雙視監(jiān)測巡檢系統(tǒng)能夠在同一平臺上安裝可見光視頻監(jiān)測儀與紅外熱成像儀，監(jiān)測信息則可以基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，然后轉(zhuǎn)換成圖像，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控并同步顯示，還可以選取多元化方式報(bào)警監(jiān)測的具體狀況，以此實(shí)現(xiàn)無人值守，大大節(jié)約人力成本。

1.3.2 便捷性、高效性得以提高

就變電站與負(fù)荷較大的線路來講，定期紅外測溫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較分析，能夠幫助發(fā)現(xiàn)設(shè)備與導(dǎo)線的異常，并對雷擊桿塔導(dǎo)線，在線路不能安排停電等各種狀況時(shí)，通過熱成像儀測試相關(guān)部件，就測試結(jié)果進(jìn)一步判斷其運(yùn)動狀況，一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)采取措施消除安全隱患。

1.3.3 系統(tǒng)兼容與二次開發(fā)性較強(qiáng)

以雙視監(jiān)測巡檢系統(tǒng)為基礎(chǔ)，借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，詳細(xì)記錄報(bào)警狀況與異常圖像，可以提供歷史性數(shù)據(jù)信息資源進(jìn)行查詢，支持定制巡航路線、定時(shí)巡航以及次數(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)本地監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控的有機(jī)融合，并與其他相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫銜接[1-2]。

2 智能變電站雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)的功能設(shè)置

2.1 功能需求

就電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)要求明確指出，智能變電站必須具備基于組件化、標(biāo)準(zhǔn)化、就地化等原則的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其需要對高壓電氣設(shè)備做全方位的參數(shù)監(jiān)測、診斷分析、故障定時(shí)定位、預(yù)警、遠(yuǎn)程監(jiān)測等等。還有部分專家提出了利用離線實(shí)驗(yàn)、帶電檢測、在線檢測等各種數(shù)據(jù)集成管理方式，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)分析、遠(yuǎn)程診斷為一體的狀態(tài)檢測體系。在預(yù)警系統(tǒng)中，在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)作為關(guān)鍵部分進(jìn)行構(gòu)建，在視頻監(jiān)控前端系統(tǒng)與后端管理平臺系統(tǒng)的輔助下，實(shí)時(shí)監(jiān)測變電站的所有形態(tài)，以此避免發(fā)生高壓電器設(shè)備事故。所以，智能變電站雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)具備以下各項(xiàng)功能，其一，巡檢監(jiān)控，提供全天候任務(wù)列表，通過用戶自定義的時(shí)間與范圍進(jìn)行自動化巡檢；其二，能夠同時(shí)進(jìn)行多通道實(shí)時(shí)溫度檢測或者安全監(jiān)控；其三，可以進(jìn)行多通道監(jiān)控區(qū)域的混合監(jiān)視；其四，在無作業(yè)任務(wù)的時(shí)候，可以針對變電站的關(guān)鍵部位進(jìn)行全面錄像，以此發(fā)揮安防作用[3-4]。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能變電站雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)主要包含兩部分，即視頻前端系統(tǒng)與后端管理平臺系統(tǒng)，利用分層、分級、分域、分權(quán)等各種方式加以構(gòu)建。切實(shí)結(jié)合瀏覽器與服務(wù)器架構(gòu)的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，硬件與軟件模塊化設(shè)計(jì)，雙視監(jiān)測技術(shù)，智能圖像與溫度分析，融合各種監(jiān)控功能于一體，進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而最大程度上兼容既有監(jiān)控系統(tǒng)。而監(jiān)控系統(tǒng)還引進(jìn)了最為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)壓縮技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，以網(wǎng)線為載體，就可以解決多路紅外熱像和CCD圖像的數(shù)字化實(shí)時(shí)傳輸與圖像融合等相關(guān)問題，用戶可以根據(jù)CCD圖像進(jìn)一步確定故障發(fā)生的具體位置，還能夠點(diǎn)擊紅外圖像的任何位置，顯示此位置的CCD圖像并加以測溫。另外，基于網(wǎng)線還可以控制云臺、設(shè)置儀器、自動預(yù)警與錄像，以此有利于順利進(jìn)行安裝施工，大大降低故障的發(fā)生幾率[5]。

3 雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)的基本工作流程

雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)的基本工作流程具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本流程

在用戶利用客戶端登陸系統(tǒng)，并進(jìn)行初始化操作之后，系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。紅外熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)控目標(biāo)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸并儲存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分別轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端與系統(tǒng)服務(wù)中加以顯示與整理分析。溫度計(jì)算服務(wù)器解碼紅外視頻流，以獲取紅外圖像，并基于溫度計(jì)算法，換算灰度值為溫度值，從而得到目標(biāo)的溫度信息，然后加以存儲，傳輸?shù)娇蛻舳松巷@示，同時(shí)還要詳細(xì)檢查目標(biāo)的溫度是否控制在預(yù)置范圍內(nèi)，一旦超出范圍，及時(shí)報(bào)警。另外，在系統(tǒng)服務(wù)器中，還能夠進(jìn)一步分析CCD圖像，在檢測到異常時(shí)，能夠及時(shí)預(yù)警。系統(tǒng)服務(wù)器在報(bào)警的時(shí)候，會向客戶端與遠(yuǎn)程開關(guān)發(fā)送報(bào)警命令。在客戶端接收到命令之后，會通過程序界面顯示信息，并進(jìn)行警示動作。而遠(yuǎn)程開關(guān)接收到命令之后，在會在輸出口生成開關(guān)信號，以此對報(bào)警器報(bào)警進(jìn)行控制[6-7]。

4 雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能變電站雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)具體如圖2所示。

圖2 雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu)主要包含三大組成部分，即服務(wù)器的監(jiān)控平臺、工作站的第三方監(jiān)控系統(tǒng)、平臺的架構(gòu)系統(tǒng)。其中平臺用戶都是利用瀏覽器訪問系統(tǒng)，因?yàn)楦綦x了數(shù)據(jù)庫，平臺與工作站自行維護(hù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)交換主要利用DII控件，而服務(wù)器程序則是基于JNI調(diào)用DII控件，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸則是由DII控制，DII控件可以與工作站系統(tǒng)之間之間對接，以此獲取所需數(shù)據(jù)信息，并通過Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。而缺乏DII接口的部分功能，則應(yīng)該利用Hessian方式經(jīng)過工作站骨架流程，獲得數(shù)據(jù)信息以供平臺使用，數(shù)據(jù)通過基于Http的序列化協(xié)議實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步傳輸[8-10]。

5 智能變電站雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

5.1 硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)通過全數(shù)字化一線通網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸，并合理控制監(jiān)控器。監(jiān)測系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具體如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

其中監(jiān)控器和監(jiān)控服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸只需要借助一根網(wǎng)線進(jìn)行連接即可，這就在很大程度上降低了系統(tǒng)安裝布線的復(fù)雜性與難度，還能夠有效提升監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，以此節(jié)約更多系統(tǒng)安裝成本，保證系統(tǒng)的的安全性、可靠性、抗干擾性、兼容性與擴(kuò)展性得到明顯提高。通過全數(shù)字化一線通進(jìn)行熱圖像采集，用戶或者監(jiān)控系統(tǒng)可以對其開展實(shí)時(shí)二次溫度分析與故障真實(shí)性審核[11-13]。

5.2 系統(tǒng)運(yùn)行

智能變電站雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)直接優(yōu)化了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的多項(xiàng)功能，其具有較強(qiáng)的全數(shù)字紅外熱成像功能，能夠切實(shí)將設(shè)備運(yùn)行的熱分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)反映，以后臺軟件的分析功能為輔助，可以對設(shè)備熱故障狀況進(jìn)行全程觀察，并在區(qū)域圖上行實(shí)時(shí)預(yù)警，而且平臺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析功能，能生動、直觀地將變電站設(shè)備狀態(tài)與數(shù)據(jù)信息展示出來，以供管理者查看，及時(shí)把可能會出現(xiàn)的故障與事故從根源上消除。不僅如此，雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)還具備紅外監(jiān)控防盜和現(xiàn)場圖像等延伸功能。通過對管理范圍內(nèi)的變電站關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測系統(tǒng)在很大程度上可以代替手持式紅外熱成像設(shè)備。另外，工作人員也無需長時(shí)間在現(xiàn)場巡視，這就代表著設(shè)備巡視與維護(hù)將要真正意義上進(jìn)入狀態(tài)檢修環(huán)節(jié)，也就是根據(jù)系統(tǒng)在線監(jiān)控反映的實(shí)際狀況，指導(dǎo)檢修維修工作順利進(jìn)行，以此有效節(jié)約投入成本[8,14,15]。

5.3 系統(tǒng)可靠性分析

智能變電站雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)的部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中配置了一定的容錯(cuò)機(jī)制，以此保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。其中主服務(wù)器利用定時(shí)查詢的方法，監(jiān)測其他設(shè)備運(yùn)行狀況，一旦檢測到設(shè)備失效，則利用容錯(cuò)機(jī)制直接切換到容錯(cuò)模式下，不必停止運(yùn)行，但是需要報(bào)警，提示相關(guān)技術(shù)人員及時(shí)維護(hù)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，服務(wù)器是核心部分，如果出現(xiàn)宕機(jī)狀態(tài)，勢必會直接威脅系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在數(shù)據(jù)庫中保存所有數(shù)據(jù)，服務(wù)程序運(yùn)行時(shí)，不會單獨(dú)保存系統(tǒng)數(shù)據(jù)，服務(wù)程序立足于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)信息快速重新啟動，將會處于相同狀態(tài)。

6 總結(jié)

綜上所述，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)智能變電站雙視實(shí)時(shí)在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)，對設(shè)備進(jìn)行可視化與紅外監(jiān)測，并以計(jì)算機(jī)技術(shù)為輔助，切實(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘與統(tǒng)計(jì)分析，智能處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，以此實(shí)現(xiàn)基本功能、運(yùn)行、決策、檢修、指導(dǎo)等各種延伸功能。這一系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用之后，將在MIS網(wǎng)絡(luò)范圍之內(nèi)，利用相關(guān)部門計(jì)算機(jī)，能夠隨時(shí)對變電站的設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全方位監(jiān)測，其勢必會進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)智能化管理與現(xiàn)場實(shí)時(shí)調(diào)度，從而充分將其優(yōu)勢作用發(fā)揮出來，在保證變電站穩(wěn)定有序運(yùn)行的同時(shí)，為變電站帶來良好的綜合效益。