智慧變電站監(jiān)控系統(tǒng)智能聯(lián)動技術淺析

嚴亞兵，黎剛，李輝，毛文奇，潘華，尹超勇

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南長沙410007)

0 引言

隨著綠色低碳能源技術革命的深入推進,對電力系統(tǒng)的建設提出了更高要求,在傳統(tǒng)功能基礎上需進一步擴展和豐富。設備狀態(tài)評估是變電站運維的關鍵一環(huán)[1],研究采用先進傳感技術對變電站設備狀態(tài)參量、消防、環(huán)境、動力等進行全面采集,如利用超聲波帶電檢測等在線監(jiān)測裝置實現(xiàn)對主設備狀態(tài)的多維度評估[2-3]。充分應用通信數(shù)據(jù)網(wǎng)和人工智能、移動互聯(lián)等現(xiàn)代信息技術,建設狀態(tài)全面感知、信息互聯(lián)共享的智慧變電站；實現(xiàn)變電站 “操作一鍵順控、設備自動巡檢、主輔設備智能聯(lián)動”等智能應用,深入推進變電站運維管理智能化、現(xiàn)代化；提升變電站安全水平,提高變電站運檢質量,大幅增加運維效益,真正促進變電站運維向無人化發(fā)展[4-6]。智慧變電站建設中,二次監(jiān)控子系統(tǒng)的智能聯(lián)動集中體現(xiàn)了電力設備的泛在物聯(lián),是實現(xiàn)變電站智慧化運維的核心基礎。

目前,已有部分研究工作圍繞變電站二次監(jiān)控子系統(tǒng)的聯(lián)動展開[7-8]。文獻 [9]探討了視頻監(jiān)視系統(tǒng)和智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動采用的主要方式,分析了不同聯(lián)動方式的適用前景。該研究主要圍繞智能變電站,不能完全適用于智慧變電站的建設。文獻 [10]從管理的角度對智能變電站內輔助設備監(jiān)控子系統(tǒng)之間的部分聯(lián)動方式進行了梳理,具有一定的工程參考價值。對變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動控制研究可以實現(xiàn)智能巡檢工作[11],有效提高變電站運維效率。文獻 [12]對消防聯(lián)動在變電站火災預防方面的應用進行了探討,指出了相關優(yōu)點與不足?？偟膩砜?現(xiàn)有變電站建設中,主設備與輔助設備監(jiān)控子系統(tǒng)之間的智能聯(lián)動研究仍然處于起步階段,相關研究工作較少。智慧變電站建設仍處于探索階段,與之相關的智能聯(lián)動技術還需深入研究。

本文在對輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)基本結構與軟件架構的基礎上,分析了智慧變電站智能聯(lián)動技術的實現(xiàn)方式與相關聯(lián)動功能的作用,并利用模擬案例對部分智能聯(lián)動功能進行了直觀展示。

1 智慧變電站輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 智慧變電站輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)基本結構

輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)的建設有助于實現(xiàn)變電站的無人值守[13]。輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)的基本結構如圖1所示,主要由輔助設備監(jiān)控主機、工作站、運檢網(wǎng)關機、巡檢機器人主機、視頻監(jiān)控主機、智能分析單元、就地模塊等組成,系統(tǒng)分別接入在線監(jiān)測、巡檢機器人、視頻監(jiān)控、消防、安全防范、環(huán)境監(jiān)測、SF6監(jiān)測、照明控制、智能鎖控等子系統(tǒng)。其中,各構成部分的主要功能如下:

圖1 智慧變電站輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)結構

1)輔助設備監(jiān)控主機實現(xiàn)Ⅱ區(qū)輔助設備數(shù)據(jù)接入、運行監(jiān)視、操作控制、智能聯(lián)動、權限管理、系統(tǒng)配置、存儲管理等功能。

2)輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)工作站實現(xiàn)圖形界面規(guī)范化展示、運行監(jiān)視及操作控制等人機交互功能。

3)視頻監(jiān)控主機實現(xiàn)Ⅳ區(qū)工業(yè)攝像機數(shù)據(jù)接入、操作控制、系統(tǒng)配置及轉發(fā)服務等功能,相關視頻監(jiān)控 (紅外攝像頭)可實現(xiàn)對一次設備局部發(fā)熱等狀態(tài)實現(xiàn)監(jiān)測[14]。

4)巡檢機器人主機實現(xiàn)Ⅳ區(qū)巡檢機器人設備數(shù)據(jù)接入、上傳、信令下發(fā)等功能,結合圖像分析算法,可實現(xiàn)部分設備的常規(guī)巡視[15]。

5)輔助設備運檢網(wǎng)關機實現(xiàn)Ⅱ區(qū)變電站輔助設備信息接收上傳、操作控制信息下發(fā)等功能。

6)就地模塊負責在線監(jiān)測、安全防范、環(huán)境監(jiān)測、SF6監(jiān)測、照明控制等輔助設備數(shù)據(jù)接入處理,其中門禁以及各類在線監(jiān)測采用專用就地模塊。

7)就地模塊采用本地部署或區(qū)域集中部署,直接與輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)主機和輔助設備運檢網(wǎng)關機交互數(shù)據(jù)；當就地模塊斷電時,監(jiān)控系統(tǒng)應能通過測控裝置識別通信中斷并報警。

8)智能鎖控直接與輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)主機和輔助設備運檢網(wǎng)關機交互數(shù)據(jù),有效降低人員誤開二次屏柜風險[16]。

9)消防專用傳輸單元負責變電站火災報警、消防滅火等消防設備數(shù)據(jù)接入處理。

1.2 變電站輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構

智慧變電站輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構采用標準化、模塊化設計封裝,則軟件架構具備良好的移植性、可擴展性,可適用不同規(guī)模的變電站應用。圖2給出了推薦采用的輔助設備監(jiān)控系統(tǒng) (簡稱輔控系統(tǒng))軟件模塊架構。

圖2 智慧變電站輔控系統(tǒng)軟件模塊架構示意圖

從圖2中可以看出,輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構總體上由硬件層、操作系統(tǒng)層、通訊處理層、數(shù)據(jù)處理層、公共服務層、業(yè)務應用層和表現(xiàn)層組成。其中,智慧變電站智能聯(lián)動的配置管理在公共服務層實現(xiàn),通過該軟件模塊對全站各類子系統(tǒng)間的聯(lián)動進行配置與管理。

2 智慧變電站監(jiān)控子系統(tǒng)智能聯(lián)動技術

2.1 智慧變電站內智能聯(lián)動的技術實現(xiàn)方式

智慧變電站內智能聯(lián)動總體可分為主設備監(jiān)控系統(tǒng)與輔控子系統(tǒng)/視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動、輔控子系統(tǒng)間及其輔控子系統(tǒng)/視頻監(jiān)控系統(tǒng)間聯(lián)動兩大類。圖3為某智慧變電站內各類智能聯(lián)動實現(xiàn)所對應的信息流。需要指出的是,在智慧變電站智能聯(lián)動控制策略設計中,需考慮電力系統(tǒng)網(wǎng)絡安全分區(qū)的特殊要求,防止出現(xiàn)部分聯(lián)動所需信息無法獲取的情況。

從圖3中可以看出,受網(wǎng)絡安全分區(qū)的限制,主設備監(jiān)控與輔控子系統(tǒng)/視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動僅考慮信息的單向流動。主設備監(jiān)控系統(tǒng)通過防火墻與輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)通信,采用DL/T 634.5104—2009協(xié)議或UDP協(xié)議。主設備監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)給輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)信息內容主要包括一次設備的遙控預置、變位信號、非電量告警信號、單體一次設備融合后的總告警信號和保護動作跳閘信號等。

圖3 智慧變電站內智能聯(lián)動信息流

圖3 中布置在安全Ⅱ區(qū)的輔控子系統(tǒng)之間的聯(lián)動可以直接進行信息交互,聯(lián)動功能設計更為方便,但輔控子系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)之間的聯(lián)動仍然只能進行單向的信息傳輸。在智能聯(lián)動執(zhí)行過程中,輔助設備監(jiān)控主機通過正向隔離裝置與視頻監(jiān)控主機單向通信,采用UDP協(xié)議。輔助設備監(jiān)控主機發(fā)給視頻監(jiān)控主機的聯(lián)動信息包括一次設備的遙控預置、變位、非電量告警信號、保護動作跳閘信號等主設備信息,和燈光設備的遙控開啟命令、消防設備的遙信變位信號、氧氣在線監(jiān)測的遙測告警信號、輔助設備融合后的總告警信號等輔助設備信息兩個部分內容。

2.2 智慧變電站監(jiān)控子系統(tǒng)聯(lián)動功能

在智慧變電站中涉及聯(lián)動的子系統(tǒng)較多,聯(lián)動控制策略配置復雜,為清晰展示各子系統(tǒng)間聯(lián)動關系,以某智慧變電站為例,給出了典型智慧變電站智能聯(lián)動控制策略,具體見表1。該表格僅從宏觀角度整理變電站各子系統(tǒng)之間聯(lián)動的關系。隨著智慧變電站技術的進一步發(fā)展,其監(jiān)控子系統(tǒng)之間的聯(lián)動關系將更為完善。

從表1中可以看出,主設備監(jiān)控系統(tǒng)與視頻監(jiān)控、機器人、照明控制、在線監(jiān)測等子系統(tǒng)存在聯(lián)動關系。這一類型的聯(lián)動事件通過主設備遙控預置、主設備變位信號、主設備監(jiān)控系統(tǒng)告警信號觸發(fā),聯(lián)動對應視頻預置位或巡檢機器人對事件進行視頻預覽、錄像,更進一步則是對相關一次設備的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集記錄。主設備監(jiān)控系統(tǒng)與照明控制系統(tǒng)的聯(lián)動則主要是方便相關攝像頭的錄像。

表1 智慧變電站監(jiān)控子系統(tǒng)智能聯(lián)動關系

輔助設備監(jiān)控中多個子系統(tǒng)之間存在聯(lián)動關系。為方便梳理子系統(tǒng)之間的聯(lián)動功能,以聯(lián)動觸發(fā)源為依據(jù),對輔控系統(tǒng)子系統(tǒng)之間的聯(lián)動進行梳理。

1)視頻監(jiān)控系統(tǒng)觸發(fā)的聯(lián)動功能。這一聯(lián)動功能主要依靠人工智能圖像識別對變電站內人員、動物行為分析及環(huán)境偵測后,觸發(fā)安全防范、環(huán)境監(jiān)測、照明控制、消防、鎖控、在線監(jiān)測等子系統(tǒng),發(fā)出告警信號并聯(lián)動相關應急措施,防止站內事故發(fā)生。

2)安全防范子系統(tǒng)觸發(fā)的聯(lián)動功能。該聯(lián)動功能由安全防范子系統(tǒng)中的門禁系統(tǒng)和防入侵系統(tǒng)動作引起。其中門禁系統(tǒng)主要根據(jù)人員刷卡開門時聯(lián)動視頻監(jiān)控子系統(tǒng)對相關行為進行錄像記錄；防入侵系統(tǒng)中電子圍欄、紅外對射探測器、雙鑒探測器等安防設備報警時,則聯(lián)動攝像機對入侵點進行抓拍并實時存儲錄像,聯(lián)動照明控制子系統(tǒng)開啟相關區(qū)域燈光以輔助攝像機的工作。

3)消防子系統(tǒng)動作時主要是聯(lián)動安防子系統(tǒng)控制與逃生通道相關的門鎖打開,聯(lián)動照明控制子系統(tǒng)控制開啟相關區(qū)域燈光,聯(lián)動環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)控制關閉對應區(qū)域風機。

4)在線監(jiān)測子系統(tǒng)在發(fā)出告警或異常信息時,聯(lián)動相關攝像頭進行告警、異常信息確認；在進行局部放電測試時,可聯(lián)動照明控制子系統(tǒng)與環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)以減少相關設備對監(jiān)測的影響。

5)智能鎖控子系統(tǒng)觸發(fā)的聯(lián)動主要是用于啟動相應視頻攝像機對開鎖事件進行記錄。

6)環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)觸發(fā)的聯(lián)動事件主要是在檢測到SF6、O2濃度越限及越限復歸發(fā)生后,自動控制啟動、停止風機,并聯(lián)動安防子系統(tǒng),啟動、停止聲光報警,調用相關攝像機進行環(huán)境信息確認。

7)智能機器人巡檢子系統(tǒng)在運行過程中需聯(lián)動照明控制子系統(tǒng)開啟相關區(qū)域燈光,聯(lián)動安防子系統(tǒng)控制相關區(qū)域門禁。

3 智慧變電站智能聯(lián)動技術應用案例

為更為直觀展示智慧變電站智能聯(lián)動的應用效果,選取部分模擬案例進行說明。

3.1 主變壓器告警聯(lián)動視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

主變壓器狀態(tài)對變電站的正常運行有至關重要的影響。智慧變電站中,可利用智能聯(lián)動對主變壓器進行全天候實時監(jiān)測,并根據(jù)主變壓器告警信息聯(lián)動相關攝像機,以方便運維人員對現(xiàn)場情況的及時研判。實驗中測控裝置模擬主變壓器告警信號,視頻監(jiān)控子系統(tǒng)即會調動相關攝像頭運動至預置位,并對模擬表計進行識別,以輔助運維人員研判主變壓器狀態(tài)。

3.2 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)聯(lián)動安防系統(tǒng)

3.2.1 遺留物品偵測

為防止變電站內作業(yè)人員在工作區(qū)域遺留物品而危害設備安全運行,可利用圖像識別技術,配置物品遺留偵測,并通過聯(lián)動站內安防子系統(tǒng)聲光報警,及時提醒工作人員移出相關遺留物品。

3.2.2 人員行為管控

利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡算法對碼流進行分析,識別站內工作人員安全帽佩戴情況。當出現(xiàn)違規(guī)佩戴情況時,則聯(lián)動安防子系統(tǒng)對相關人員發(fā)出告警信號,可實現(xiàn)對現(xiàn)場作業(yè)人員行為的實時管控。

4 結語

智能聯(lián)動技術作為智慧變電站的建設核心之一,是保障變電站運維智慧化的重要手段。本文對智慧變電站輔助設備監(jiān)控系統(tǒng)的構成及軟件架構進行了梳理,分析了站端主設備監(jiān)控與輔助設備監(jiān)控子系統(tǒng)/視頻監(jiān)控系統(tǒng)、輔助設備監(jiān)控子系統(tǒng)之間及其與視頻監(jiān)控系統(tǒng)之間智能聯(lián)動的技術實現(xiàn)方式及聯(lián)動功能作用?；诂F(xiàn)場實際設置的模擬案例直觀展示了智能聯(lián)動技術對變電站智慧化運維的促進作用。目前智慧變電站智能聯(lián)動技術仍然處于發(fā)展初期,為促進電力物聯(lián)網(wǎng)建設,后續(xù)仍需深化對這一技術的研究。