基于數(shù)據(jù)集成的電網(wǎng)全渠道一體化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

謝 楓，岳 虎，王 莉，劉曉偉，李雪梅

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司營銷服務(wù)中心（計量中心），北京 100045；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100045）

由于變電所設(shè)備陳舊、儀器老化、無人值班，使得監(jiān)控數(shù)據(jù)難以遠程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心的工作人員不能正確判斷前端變電站發(fā)生的具體情況和事件[1]。極大地降低了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，無法及時有效地控制事故的發(fā)生[2]。

各種變電所事故頻發(fā)，設(shè)備陳舊，火災(zāi)時有發(fā)生，給國家財產(chǎn)造成巨大損失，對人民生命構(gòu)成極大威脅。加之一些變電站使用昂貴的電力設(shè)備，偷竊事件屢見不鮮，增加了犯罪事件的發(fā)生率。這一切從根本上對電網(wǎng)造成了不良影響，威脅到系統(tǒng)設(shè)備的安全運行[3]。

在現(xiàn)有的電力監(jiān)控系統(tǒng)中，通過獨立的VQC裝置和網(wǎng)絡(luò)VQC系統(tǒng)，可以對已發(fā)生的異常、故障和事故進行報警和顯示，但不能有效地監(jiān)控電力系統(tǒng)的安全隱患?；跀?shù)據(jù)集成的電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)已迫在眉睫，能夠及時發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全隱患和薄弱環(huán)節(jié)，及時消除安全隱患。電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)大大提高了電力系統(tǒng)運行的安全性和可靠性，為實現(xiàn)用戶高質(zhì)量用電提供技術(shù)保障。

1 監(jiān)控系統(tǒng)組成

視頻信號經(jīng)H.264協(xié)議壓縮后，可以同時傳輸多個信號。此協(xié)議能有效降低對數(shù)據(jù)通信的占用，采用TCP/positive或UDP協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)傳輸[4-6]。按照監(jiān)測系統(tǒng)的類型和特點，將整個系統(tǒng)劃分為配電站、計算機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和用戶監(jiān)測中心三大部分。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 現(xiàn)場變電站

采用穩(wěn)定性高、處理能力強的工控機進行信號的采集、處理和存儲。并配備高頻率CPU用戶大容量硬盤，便于大量的數(shù)據(jù)傳輸和計算，可長時間連續(xù)運行。每個監(jiān)控點均安裝攝像機來采集視頻信號（由解碼器控制鏡頭聚焦和PTZ控制）[7-8]。變電站的現(xiàn)場監(jiān)控結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變電站現(xiàn)場監(jiān)控結(jié)構(gòu)

計算機與報警器通過RS485端口相連，并在控制中心對攝像機和PTZ采集信號進行存儲管理[9-10]。PTZ的攝像機和遙控器由計算機控制，報警裝置連接到控制中心。采用視頻采集卡對攝像機采集的視頻信號進行采集與組織，以高性能視頻采集卡代替原有的視頻采集卡，Video將視頻信號壓縮為H.264視頻數(shù)據(jù)，并將其存儲在監(jiān)控中心的計算機中，使得Video更適用于網(wǎng)絡(luò)傳輸[11]。

1.2 站端系統(tǒng)

主機房配有監(jiān)控圖形終端，實現(xiàn)變電站現(xiàn)場監(jiān)控與視頻聯(lián)動[12]。設(shè)置環(huán)境監(jiān)控主機，實現(xiàn)網(wǎng)站視頻、語音、環(huán)境信息的實時處理、傳輸、存儲等功能。并將所采集的流媒體信息及輔助通信信息同時轉(zhuǎn)發(fā)，作為通信網(wǎng)關(guān)。這些視頻使用本地視頻錄制，并存儲于網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)高清視頻服務(wù)器(NVR)。影像資料之分辨率不得少于720P(1 280*720)，儲存時間不得少于30天。具備本地手動記錄、定時記錄、報警觸發(fā)記錄、屏幕切換檢測記錄等功能，以BMP/JPG格式保存任意播放圖像，能播放任意攝像機的歷史圖像和報警視頻[13-14]?；胤欧绞街С致齽幼鳌⒄Ｋ俣?、快速等等?？刂茦俏蓓敯惭b風(fēng)速傳感器，實時監(jiān)測樓頂風(fēng)速。當風(fēng)速過大時，報警裝置將啟動，將報警信息上傳并下達到當?shù)夭僮髡竞捅O(jiān)控中心的圖形終端，工作站有語音報警提示[15-16]。

1.3 視頻聯(lián)動系統(tǒng)

為了達到防錯、監(jiān)控、視頻的互補與協(xié)調(diào)的目的，并實現(xiàn)遠程控制操作、現(xiàn)場切換操作、報警視頻聯(lián)動等功能，需與監(jiān)控器生產(chǎn)廠家合作，向防誤系統(tǒng)和遙控視頻監(jiān)控器發(fā)送全部開合狀態(tài)，在此過程中，防誤系統(tǒng)必須阻止監(jiān)控系統(tǒng)的遠程操作。視頻聯(lián)動結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 視頻聯(lián)動結(jié)構(gòu)

1.4 運維站

運維站包括以太網(wǎng)交換機、流式服務(wù)器、通信服務(wù)器、報警服務(wù)器、監(jiān)控工作站等。為了確保系統(tǒng)的可靠性，服務(wù)器同時使用活動和備用冗余配置。流服務(wù)器實現(xiàn)音視頻的實時轉(zhuǎn)發(fā)和分發(fā)功能，把每個分站的流視頻轉(zhuǎn)發(fā)到多個客戶端。如果需要多個客戶同時訪問視頻數(shù)據(jù)，服務(wù)器就會接收并復(fù)制這些數(shù)據(jù)信息，然后在局域網(wǎng)中重放，使多個客戶同時接收這些數(shù)據(jù)信息。通信服務(wù)端與各變電站的信息處理機進行通信，采集電力環(huán)境數(shù)據(jù)、SCADA數(shù)據(jù)等，并轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控工作站和控制中心。

報警器處理各種報警信息，分為一般報警、重要報警和緊急報警。應(yīng)急警報先于重要警報，重要警報先于一般警報?；谟脩舻男枰?，可以設(shè)定報警等級。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

為了給系統(tǒng)提供更加精準的數(shù)據(jù)，需采用數(shù)據(jù)集成方法對電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行歸一化處理，以處理結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)計監(jiān)測報警功能。

2.1 基于數(shù)據(jù)集成的電網(wǎng)數(shù)據(jù)歸一化處理

確定電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理對象待評價物元為：

式（1）中：Fj表示評價等級；a1,a2,…,an表示評價等級的n個不同特征；h1j,h2j,…,hnj表示評價等級對應(yīng)的取值范圍；anj和bnj分別為hnj的取值邊界。

當評價指標實際測試電網(wǎng)數(shù)據(jù)超過邊界范圍時，為此無法預(yù)測其他關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，需要進一步完善評價和規(guī)劃目標。根據(jù)待評估的事項說明，可得到：

對待評價物元進行規(guī)格化處理，可得：

通過歸一化處理后，可將全部數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸信道內(nèi)，避免出現(xiàn)監(jiān)控過程延遲現(xiàn)象。

2.2 監(jiān)測報警功能

監(jiān)控系統(tǒng)檢測到火災(zāi)或非法入侵時，自動發(fā)出報警信息，并自動調(diào)整攝像機位置，自動記錄故障位置圖像。監(jiān)控中心工作人員可通過監(jiān)控系統(tǒng)屏幕，同時發(fā)出相應(yīng)的報警信號，查看相應(yīng)的報警信息。

2.2.1 報警聯(lián)動功能

發(fā)生聯(lián)機報警信號時，可以執(zhí)行下列操作：1）自動插入報警點圖像；2）有關(guān)區(qū)域自動開啟照明系統(tǒng)；3）自開警報，延時關(guān)閉；4）自動顯示彈出報警文本對話框，生成并保存報警記錄；5）音效自動提示，經(jīng)服務(wù)生確認后自動靜音；6）自開機相關(guān)鏡頭開始錄音報警，延遲關(guān)機；7）在同時收到多個警報時，警報彈出框?qū)⒅丿B。

2.2.2 消防報警系統(tǒng)功能

煙氣檢測器實現(xiàn)對室內(nèi)煙氣的采集，檢測到煙氣時向監(jiān)控者發(fā)出報警信號。

2.2.3 周界圍墻紅外對射報警功能

圍墻上安裝了一個主動紅外線警報，如果這段時間有物體經(jīng)過，光源就會被阻斷，從而提供一個監(jiān)控主機的報警信號。周邊警報系統(tǒng)的警報范圍為：1）有人或物體侵入；2）警報裝置損壞。

2.2.4 燈光聯(lián)動控制系統(tǒng)功能

監(jiān)控器必須能實現(xiàn)變電站室內(nèi)外燈光自動控制和手動控制，前一種采用監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動功能，實現(xiàn)照明系統(tǒng)的自動開關(guān)和延遲時間；后一種采用手動方式實施。

3 系統(tǒng)運行調(diào)試研究

根據(jù)系統(tǒng)研發(fā)流程，構(gòu)建的基于數(shù)據(jù)集成的電網(wǎng)全渠道一體化監(jiān)控系統(tǒng)需要進行調(diào)試研究。

3.1 電網(wǎng)全渠道數(shù)據(jù)統(tǒng)計

選擇某電力企業(yè)2019年電網(wǎng)全渠道運行數(shù)據(jù)，并以電網(wǎng)監(jiān)控下一周內(nèi)的變化情況為基礎(chǔ)，如表1所示。

表1 電網(wǎng)全渠道數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表1可知：在時間為20:00時，電網(wǎng)渠道數(shù)據(jù)流通量最大，用戶可通過查看電網(wǎng)全渠道數(shù)據(jù)來分析電網(wǎng)實際運行情況。

3.2 監(jiān)控效果對比分析

根據(jù)上述統(tǒng)計的全部數(shù)據(jù)，分析20:00的數(shù)據(jù)，分別使用獨立VQC裝置、網(wǎng)絡(luò)VQC系統(tǒng)和基于數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)分析電網(wǎng)全渠道中數(shù)據(jù)傳輸情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同系統(tǒng)在電網(wǎng)全渠道數(shù)據(jù)傳輸情況對比分析

由圖4可知：在獨立VQC裝置中，電網(wǎng)全渠道的電壓、電流和功率數(shù)據(jù)不規(guī)則排列，十分散亂，且部分數(shù)據(jù)離開渠道；在網(wǎng)絡(luò)VQC系統(tǒng)中，電網(wǎng)全渠道的數(shù)據(jù)在橫向方向呈不規(guī)則排列，但縱向排列十分規(guī)整；使用基于數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)橫縱方向數(shù)據(jù)排列規(guī)整。

在上述分析內(nèi)容下，將3種系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控精準度進行對比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 3種系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控精準度對比分析

由表2可知：使用基于數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)監(jiān)控精準度較高，而使用其他兩種系統(tǒng)監(jiān)控精準度較低。

4 結(jié)束語

依據(jù)基于數(shù)據(jù)集成的電網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思想，可以根據(jù)各地電網(wǎng)的實際情況靈活地設(shè)定監(jiān)測參數(shù)。監(jiān)管機構(gòu)對電網(wǎng)進行實時監(jiān)控，能及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運行中的安全隱患，并進行關(guān)鍵環(huán)節(jié)的監(jiān)控和處理，以最大限度地降低電網(wǎng)事故發(fā)生率，確保電網(wǎng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。但是，由于時間的關(guān)系，還有很多后續(xù)的問題需要研究。在系統(tǒng)開發(fā)的前期規(guī)劃管理過程中，任務(wù)的劃分比較粗糙，需要進一步細分；在后續(xù)評估過程中，指標體系還不夠完善，評估指標體系還有待進一步完善。