變電站智能輔助控制系統(tǒng)實施方案的探討

王小霞， 劉義博

（三門峽電力設(shè)計有限責(zé)任公司， 河南 三門峽 472000）

引言

集成應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在變電站輔助控制系統(tǒng)中，將極大地豐富智能變電站輔助控制系統(tǒng)的內(nèi)涵，提升智能變電站全站全景全息的信息化水平，實現(xiàn)安防消防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、動力監(jiān)測、運(yùn)行輔助、檢修輔助、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、預(yù)報警等系統(tǒng)的集成應(yīng)用和聯(lián)動控制、資產(chǎn)管理等功能，提高變電站的智能化水平，可為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供決策技術(shù)支撐。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能變電站輔助控制與監(jiān)測系統(tǒng)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)模型的建立

輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)分為四個層級：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。以戶外變電和戶內(nèi)變電站涉及到的小室為模型，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)框架模型，綜合論述每個小室的設(shè)備布置和功能需求。

1）感知層：主要包含采集上傳站內(nèi)環(huán)境信息的各種傳感器以及執(zhí)行下行命令的執(zhí)行終端。傳感器主要包括水浸探測器、水位傳感器、微氣象傳感器、室內(nèi)溫濕度傳感器、紅外雙鑒探測器、視頻監(jiān)控攝像機(jī)、SF6氣體探測器、感溫電纜、感煙電纜以及煙感探測器、溫感探測器等，執(zhí)行終端如排風(fēng)機(jī)、水泵、聲光報警器、語音系統(tǒng)等。

2）網(wǎng)絡(luò)層：站內(nèi)傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)均傳輸至輔助設(shè)備控制主機(jī)，可經(jīng)過規(guī)約轉(zhuǎn)換與變電站三維模型系統(tǒng)對接，一種是模擬顯示采集到的環(huán)境信息，另一種是直接將采集畫面投射到模型中，方便運(yùn)維人員快速定位異常告警位置。

3）平臺層：輔助智能控制主機(jī)與站內(nèi)智能巡視主機(jī)實現(xiàn)互聯(lián)通信，輔助控制系統(tǒng)重要告警信息傳送至站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)。

4）應(yīng)用層：變電站輔助系統(tǒng)監(jiān)控平臺、三維展示平臺、自動巡檢系統(tǒng)、圖像智能分析與決策系統(tǒng)通過規(guī)約轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)信息融合共享、人機(jī)交互、設(shè)備環(huán)境狀態(tài)全面感知、故障快速反應(yīng)、信息高效處理的便捷功能，為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供決策技術(shù)支撐。

1.2 變電站物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案設(shè)計

以110 kV 及以上電壓等級變電站為例，全站配置1 套輔助設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)，對變電站輔助設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，包括一次設(shè)備在線監(jiān)測子系統(tǒng)、火災(zāi)消防子系統(tǒng)、安全防衛(wèi)子系統(tǒng)、動環(huán)子系統(tǒng)、智能鎖控子系統(tǒng)以及智能巡視子系統(tǒng)等。

1.2.1 變電站輔助控制系統(tǒng)設(shè)備配置

1）一次設(shè)備在線監(jiān)測子系統(tǒng)：主變壓器配置1 臺油中溶解氣體監(jiān)測器、鐵芯/夾件接地電流在線監(jiān)測IED；避雷器泄漏電流表計；配電裝置室進(jìn)線柜、分段柜等電流空氣絕緣開關(guān)柜觸頭溫度；主變壓器油面溫度、油位；斷路器絕緣氣體密度表計。

2）圖像監(jiān)視子系統(tǒng)：全站配置全景攝像機(jī)2 臺，根據(jù)機(jī)位高度對角布置，覆蓋全站場區(qū)變化情景。其他設(shè)備間如二次設(shè)備室、配電裝置室、配電裝置區(qū)等均配置球機(jī)，室內(nèi)可掛墻安裝，室外可立桿安裝。按照所監(jiān)視設(shè)備的高度采用匹配的機(jī)位。蓄電池室應(yīng)配置防爆型室內(nèi)快球。

3）火災(zāi)告警子系統(tǒng)：變電站內(nèi)設(shè)備間均需配置感煙、感溫探測器。在GIS 室、高壓配電裝置室布置點(diǎn)型高燕火災(zāi)探測器時，還需考慮梁突出頂棚的影響，數(shù)量應(yīng)符合GB 50116—2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》。電纜夾層、電纜溝、電纜豎井、電纜橋架等不適宜安裝點(diǎn)型探測器的場所配置纜式線型感溫火災(zāi)探測器。

4）安全防衛(wèi)子系統(tǒng)：變電站進(jìn)站大門處不少于一對紅外對射探測器，圍墻四周可設(shè)置電子圍欄或按墻設(shè)置紅外雙鑒探測器，采集站內(nèi)周界入侵告警信息并聯(lián)動聲光警報系統(tǒng)，并支持遠(yuǎn)方遙控解除警報及密碼解除警報功能。變電站設(shè)備間門禁系統(tǒng)支持多種開門方式，滿足遠(yuǎn)程控制開門、密碼開門、刷卡開門等多種需求。

5）動環(huán)子系統(tǒng)：變電站樓頂設(shè)置1 套微氣象傳感器，采集風(fēng)速、濕度等環(huán)境信息；匯控柜內(nèi)溫濕度信息通過溫濕度傳感器采集上傳?？照{(diào)、除濕機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的狀態(tài)信息能傳送至輔控系統(tǒng)，便于分析站內(nèi)設(shè)備情況，為后期其他項目進(jìn)行提供數(shù)據(jù)參考。

6）智能巡視子系統(tǒng)：包括智能巡視主機(jī)、機(jī)器人、視頻監(jiān)控設(shè)備、充電房，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、自動巡視、信息整合、遠(yuǎn)程操作功能。

1.2.2 變電站物聯(lián)網(wǎng)傳感器終端配置方案

智能傳感器終端由外圍接口模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和電源模塊組成。物聯(lián)網(wǎng)終端基本由外圍感知接口、中央處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和電源模塊組成。

對于一次設(shè)備在線監(jiān)測子系統(tǒng)，油中溶解氣體以及主變油面溫度、油位等信息可以通過控制電纜傳送至顯示器，或通過轉(zhuǎn)碼傳送至測控裝置，從而逐步上傳至計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。避雷器泄漏電流等表計數(shù)據(jù)能夠被同時傳送至計算機(jī)監(jiān)控后臺和智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)后臺，或者監(jiān)控后臺與輔助監(jiān)控系統(tǒng)按照變電站分區(qū)原則，經(jīng)防火墻后共享部分信息。針對異常信息，聯(lián)動智能巡視系統(tǒng)前去確認(rèn)核實表計信息，雙回采集通道確認(rèn)數(shù)據(jù)異常，及時上報遠(yuǎn)端運(yùn)維班站。極大減輕了運(yùn)維工作量，提高了工作效率。

當(dāng)火災(zāi)報警子系統(tǒng)異常告警時，輔助控制系統(tǒng)后臺通過聯(lián)動監(jiān)控攝像機(jī)掃描異常情況；對于室內(nèi)火警信息，輔控后臺還應(yīng)能夠聯(lián)動風(fēng)機(jī)的控制回路，風(fēng)機(jī)就地啟動與遠(yuǎn)方控制啟動宜采用互相獨(dú)立的方式。

1.2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一鍵順控

一鍵順控技術(shù)通過采集本間隔電流、電壓、開關(guān)位置狀態(tài)信息綜合判別開關(guān)位置狀態(tài)，線路運(yùn)行狀態(tài)，不依賴于就地開關(guān)輔助接點(diǎn)和開關(guān)狀態(tài)顯示器來判別開關(guān)狀態(tài)信息，從而為倒閘操作等提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，使操作人員遠(yuǎn)離可能的危險區(qū)域，保障人的生命財產(chǎn)安全。另一方面可以通過視頻監(jiān)控子系統(tǒng)和巡視機(jī)器人遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場設(shè)備操作狀態(tài)，節(jié)省了人力物力。一鍵順控技術(shù)的發(fā)展，減少了硬接點(diǎn)閉鎖相關(guān)刀閘控制回路電纜的接線，減少了施工時間和降低施工難度，縮短了施工工期，降低了人力、物力成本以及由于人的不確定因素造成的失誤。

1.2.4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站智能巡檢

在變電站配置巡檢機(jī)器人，建立機(jī)器人巡檢通道，巡檢機(jī)器人通過無線將自身采集的視頻信息傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，開展站內(nèi)智能巡檢。對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)盲區(qū)或者信息傳輸盲區(qū)，巡視系統(tǒng)機(jī)器人進(jìn)行巡視時，應(yīng)能采集規(guī)劃路徑的站內(nèi)設(shè)備環(huán)境信息，可對接站內(nèi)三維系統(tǒng)模型，當(dāng)狀態(tài)量異常時，平臺自動融合邊緣計算結(jié)果、不良工況等運(yùn)檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)，判別設(shè)備是否存在缺陷以及缺陷的種類和嚴(yán)重程度，將異常信息投放到三維模型中提示運(yùn)維集控中心人員進(jìn)行處理。

1.2.5 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站設(shè)備故障智能決策

基于設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫、設(shè)備故障案例樣本數(shù)據(jù)庫及相關(guān)規(guī)程，應(yīng)用智能推理以及設(shè)備狀態(tài)大數(shù)據(jù)等智能分析技術(shù)與專家經(jīng)驗進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動，制定完善設(shè)備特征狀態(tài)量與故障設(shè)備之間的判斷規(guī)則，搭建模擬決策平臺，形成應(yīng)急決策、試驗決策、檢修決策模型，建立基于多維故障信息的變電站設(shè)備故障智能決策系統(tǒng)。通過決策平臺預(yù)估決策結(jié)果，根據(jù)狀態(tài)信息層級報送不同的處理層。

1.3 環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合

變電站內(nèi)電纜溝不僅考慮自然排水系統(tǒng)，還要考慮大暴雨天氣下水流的影響。在水浸探測器探測到站內(nèi)水位變化較快時，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺天氣預(yù)報數(shù)據(jù)能夠自動模糊計算模擬變電站排水系統(tǒng)的安全性，在積水對站內(nèi)設(shè)備造成威脅時能夠自動啟動關(guān)鍵部位水泵，排除站內(nèi)積水隱患。變電站輔助控制系統(tǒng)參考智能家居系統(tǒng)控制方式，在人員到達(dá)變電站現(xiàn)場前，遙控開啟GIS 室等散發(fā)有害氣體的小室風(fēng)機(jī)，確保人員生命財產(chǎn)安全。

2 基于變電站智能五防系統(tǒng)的智能輔助控制系統(tǒng)

2.1 一體化信息平臺的基本配置

一體化信息平臺作為變電站的統(tǒng)一數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺，從站控層網(wǎng)絡(luò)直接采集SCADA 數(shù)據(jù)、保護(hù)信息等數(shù)據(jù)，宜直接采集電能、故障錄波、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。一鍵順控、智能告警及故障信息綜合分析決策、設(shè)備狀態(tài)可視化、支撐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與優(yōu)化控制等高級應(yīng)用的拓展依托于一體化信息平臺。

2.2 智能輔助控制系統(tǒng)平臺的延伸

單個獨(dú)立的變電站各自的監(jiān)控系統(tǒng)自成信息，作為出事故時調(diào)看監(jiān)控使用，雖然可作為排查隱患的事后排查行為，但是延伸智能輔助控制系統(tǒng)后臺功能，拓展其事前預(yù)防行為是今后研究的方向。建立集中運(yùn)維監(jiān)控平臺，匯聚站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備部分信息，讓值班巡視人員坐在監(jiān)控室里就能實時掌握設(shè)備運(yùn)行狀況信息。另一方面，值班巡視人員配合視頻監(jiān)控子系統(tǒng)遠(yuǎn)方操作變電站大門的啟開，通過不同的視頻監(jiān)控攝像機(jī)掌握現(xiàn)場人員的動向，對于超出安全活動范圍的人員給予語音提示。

2.3 智能監(jiān)視子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

鑒于智能手機(jī)的輕巧化和智能化，可將攝像頭集成智能手機(jī)功能，攝像頭圖像可以儲存在本身的存儲器中，也可以上傳至站內(nèi)輔助系統(tǒng)監(jiān)控后臺機(jī)內(nèi)，通過后臺機(jī)上傳至一體化運(yùn)維控制平臺。每個監(jiān)控攝像機(jī)既是一個獨(dú)立的存儲系統(tǒng)，可以較長時間的存儲數(shù)據(jù)，后信息自動周期性覆蓋前信息。輔助監(jiān)控系統(tǒng)后臺作為監(jiān)控信息匯聚點(diǎn)，既可上傳信息至運(yùn)維控制平臺，也能儲存圖像信息。每個監(jiān)控攝像頭同時搭接物聯(lián)網(wǎng)平臺，視頻監(jiān)控信息問答式協(xié)議或通過WiFi 發(fā)送至一體化運(yùn)維平臺。各個變電站的信息匯聚至一體化運(yùn)維平臺，降低人員運(yùn)行維護(hù)巡視成本。

3 極端情況下變電站輔助控制系統(tǒng)的升級完善

智能輔助控制系統(tǒng)主機(jī)電源正常情況下采用站內(nèi)交流電源，極端情況下智能輔助控制系統(tǒng)也可考慮采用UPS 電源供電，在檢修人員未達(dá)到變電站時，輔助控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至運(yùn)維中心輔助控制系統(tǒng)總監(jiān)控平臺，通過平臺數(shù)據(jù)綜合分析可能發(fā)生的次生災(zāi)害事故，保障現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員的工作安全。

4 未來變電站智能輔助控制系統(tǒng)在電網(wǎng)轉(zhuǎn)型中的優(yōu)勢及方向

1）促進(jìn)電網(wǎng)更加安全可靠，全面提升電網(wǎng)的感知能力、互動水平、運(yùn)行效率和自愈能力，使設(shè)備管理更高效、調(diào)度控制更靈活，電網(wǎng)運(yùn)行更安全。

2）通過智能輔助控制系統(tǒng)傳感器的布置，感知設(shè)備的運(yùn)行狀況及環(huán)境信息，模擬潛在的不安全狀態(tài)，捕捉潛在的不穩(wěn)定因素，為評估設(shè)備狀態(tài)提供可靠的依據(jù)。智能輔助控制系統(tǒng)搭載智能手機(jī)芯片手機(jī)信息，一方面通過傳統(tǒng)線路上傳數(shù)據(jù)，另一方通過5G基站加密協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)至云后臺。

3）通過開放電網(wǎng)基礎(chǔ)資源，與政府、通信企業(yè)實現(xiàn)共享各類社會資源，支撐設(shè)備、數(shù)據(jù)、服務(wù)的互聯(lián)互通，推動各產(chǎn)業(yè)健康協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)互利共贏。