新型數(shù)字智能變電站監(jiān)控及巡視系統(tǒng)應(yīng)用研究

王利民，金枝潔，方 艷，胡明輝，張喜斌，汪健偉

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司黃石供電公司，湖北 黃石 435000）

0 引 言

變電站作為連接發(fā)電與用電的橋梁，在電網(wǎng)中起到電力能量轉(zhuǎn)換、調(diào)度運行、信息監(jiān)控等重要作用，而變電站的發(fā)展從傳統(tǒng)變電站、綜合自動化變電站到智能變電站，經(jīng)歷了技術(shù)的不斷更新迭代。傳統(tǒng)變電站中，監(jiān)控系統(tǒng)間隔層的測控裝置根據(jù)國家標準均要求按間隔配置，電壓等級越高的變電站，間隔層需要的測控裝置數(shù)量也越多。以典型的500 kV變電站為例，大約有45 ～65 臺測控裝置投入使用，數(shù)量非常龐大，從而導(dǎo)致變電站監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)調(diào)試周期和運維工作增加，使變站總投資成本增加，經(jīng)濟合理性差。此外，傳統(tǒng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)中的間隔層裝置一般不采用雙重化配置，間隔測控裝置一旦發(fā)生故障退出運行，就將直接導(dǎo)致調(diào)度主站運行數(shù)據(jù)缺失，從而影響電網(wǎng)安全運行。由于電力設(shè)備無冗余備用，故障切除后需要一段時間才能夠正常投入工作，嚴重影響變電站連續(xù)監(jiān)控[1]。智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)為電網(wǎng)調(diào)度控制中心提供實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，是智能電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)保障。因此，文章研究了新型數(shù)字智能變電站監(jiān)控及巡視系統(tǒng)應(yīng)用。

1 智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

目前，我國智能變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計主要分為3 個方面，分別是變電站前端信號采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控中心系統(tǒng)。智能變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)工作主要采用硬件壓縮和軟件解壓縮2 種技術(shù)手段，對變電站現(xiàn)場設(shè)備進行遠程監(jiān)控。通過建立圖像監(jiān)控工作站，利用網(wǎng)絡(luò)通信進行網(wǎng)絡(luò)傳輸，可以有效地防止網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中出現(xiàn)過載現(xiàn)象。監(jiān)控中心系統(tǒng)的功能主要是分析現(xiàn)場信號和實時監(jiān)控現(xiàn)場信號，及時識別出問題，并制定應(yīng)對策略。

1.1 智能變電站綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)的多層次設(shè)計

智能變電站綜合能耗監(jiān)控系統(tǒng)一般選擇多層次設(shè)計，智能變電站綜合能耗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計分為3 個層次，分別為總體監(jiān)控、多層次監(jiān)控和收集模塊。智能變電站綜合能耗監(jiān)控系統(tǒng)是總體控制，主要是數(shù)據(jù)采集裝置，負責對子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行采集、監(jiān)控和傳輸，將數(shù)據(jù)上傳到上級數(shù)據(jù)中心，并將上級數(shù)據(jù)中心的控制命令發(fā)送到裝置。每個電源子系統(tǒng)都有獨立的控制，以保證電源的獨立運行，并且不會由于部分故障而關(guān)閉整個集成電源系統(tǒng)。此外，集成電源控制裝置可配置為對所有受控設(shè)備進行統(tǒng)一集中控制，使集成電源系統(tǒng)形成整體性。

1.2 監(jiān)控及巡視系統(tǒng)構(gòu)成

考慮新型數(shù)字智能變電站對全站主輔設(shè)備信息數(shù)據(jù)的需求以及對變電站消防和安全防衛(wèi)的日益重視，構(gòu)建的新型數(shù)字智能變電站監(jiān)控及巡視系統(tǒng)主要集成了一次設(shè)備在線監(jiān)測、二次系統(tǒng)在線監(jiān)測、火災(zāi)消防、安全防衛(wèi)、動環(huán)監(jiān)測、智能鎖控以及智能巡視系統(tǒng)，實現(xiàn)一次設(shè)備、二次設(shè)備及回路在線監(jiān)測、火災(zāi)、消防、安全警衛(wèi)、動力環(huán)境的監(jiān)視以及設(shè)備智能巡視功能。其中，變電站分為安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)及安全Ⅳ區(qū)，監(jiān)控及巡視系統(tǒng)分別接入3個安全分區(qū)。變電站常規(guī)保護、測控及合并單元、智能終端設(shè)備接入安全Ⅰ區(qū)；一次設(shè)備在線監(jiān)測、二次系統(tǒng)在線監(jiān)測、火災(zāi)消防、安全防衛(wèi)以及動力環(huán)境子系統(tǒng)部署于安全Ⅱ區(qū)，信息接入綜合應(yīng)用服務(wù)器，并通過Ⅱ區(qū)網(wǎng)關(guān)機與集控站交互信息；當集控站尚未建成的過渡期，且運維主站部署在Ⅳ區(qū)時，通過Ⅳ區(qū)網(wǎng)關(guān)機與主站交互信息；智能巡視子系統(tǒng)部署于安全Ⅳ區(qū)，信息接入巡視主機，與集控站智能巡視集中監(jiān)控系統(tǒng)交互信息；當集控站尚未建成的過渡期，站端信息與運維主站交互信息；安全Ⅱ區(qū)與安全Ⅳ區(qū)通過正、反向隔離裝置進行互聯(lián)[2-5]。

1.3 安全系統(tǒng)監(jiān)控

變電站容易受到外部損壞，不僅嚴重影響正常供電，而且對人們的生命構(gòu)成嚴重威脅。安全系統(tǒng)的傳感器控制級別包括聲光報警器、紅外雙探測器、紅外探測器、應(yīng)急報警按鈕、門禁控制器、電子圍欄以及報警控制器。目前，變電站內(nèi)部安全監(jiān)控平臺主要分為物理鎖定、入侵自恢復(fù)和視頻監(jiān)控3 種類型，保護變電站免受干擾，但在實際應(yīng)用中存在一定的缺點。在視頻監(jiān)控領(lǐng)域，國內(nèi)的發(fā)展起步較晚，主要集中在?？低?、浙江大華技術(shù)股份有限公司等知名廠家和科研院所。安全監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控過程包括模擬監(jiān)控階段、數(shù)字監(jiān)控階段和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控階段。安全監(jiān)控系統(tǒng)目前具有電子圍欄和門禁控制，通過光纖連接所有站點，推進智能安全系統(tǒng)建設(shè)。變電站采用全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile communications，GSM）無線模塊與移動電話進行通信，該功能可以為操作維護和技術(shù)人員提供實時安全警報。一些變電站采用各種硬盤錄像機（Digital Video Recorder，DVR）技術(shù)設(shè)計安全系統(tǒng)，其核心是DVR 設(shè)備，即硬盤錄像機，可以為變電站監(jiān)控中心提供實時監(jiān)控，并在變電站發(fā)生異常事件或事故時提供有效的數(shù)據(jù)支撐。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起為智能安防監(jiān)控系統(tǒng)帶來了新的機遇。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，支持3G、4G、5G 無線局域網(wǎng)等通信和遠程報警手段來滿足變電站環(huán)境信息的感知，主要應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、云計算技術(shù)、智能視頻分析以及“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)等，提高智能變電站的安全監(jiān)控水平，為智能變電站提供可靠的保護。

1.4 城市公司和維修公司

部署輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對受管轄的變電站輔助設(shè)備的采集、演示、存儲、歷史查詢和操作許可管理、警報以及通信等操作。部署用于城市公司和維修公司輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換機。部署變電站綜合信息處理系統(tǒng)的服務(wù)器和軟件系統(tǒng)，以實現(xiàn)接收、監(jiān)控、錄像請求以及遠程控制變電站操作和維護許可管理。轉(zhuǎn)換信息處理集成系統(tǒng)是轉(zhuǎn)換信息處理集成模塊項目中的一個獨立項目。部署監(jiān)控工作站、遠程視頻監(jiān)控、視頻錄制請求以及客戶端遠程控制設(shè)備。部署綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換機，用于公司綜合信息處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。

2 監(jiān)控及巡視系統(tǒng)配置

2.1 二次系統(tǒng)在線監(jiān)測

二次系統(tǒng)在線監(jiān)測主要實現(xiàn)二次設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)報文分析、二次虛回路在線監(jiān)視、過程層光纖回路在線監(jiān)視以及二次回路故障智能診斷等功能，還可以實現(xiàn)采集保護裝置、安全自動裝置、測控裝置、過程層設(shè)備以及Ⅰ區(qū)交換機等二次設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、端口連接狀態(tài)、采樣信息的通信服務(wù)/面向通用對象的變電站事件（Sampled Value/Generic Object Oriented Substation Event，SV/GOOSE）報文和制造信息規(guī)范（Manufacturing Message Specification，MMS）報文等功能。二次系統(tǒng)在線監(jiān)測具備二次設(shè)備溫度、電源電壓、過程層端口發(fā)送/接收光強和保護光纖縱聯(lián)通道光強監(jiān)測功能，并且可以進行可視化展示，具備通信過程分析、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)診斷、報文一致性檢查、異常情況告警等報文分析功能。同時，顯示回路狀態(tài)異常時的細節(jié)信息，如其所在邏輯鏈路狀態(tài)、相關(guān)聯(lián)軟壓板狀態(tài)，對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)報文狀態(tài)等二次虛回路在線監(jiān)視功能。另外，根據(jù)裝置的光纖端口監(jiān)測信息和邏輯鏈路告警信息進行物理鏈路故障定位等過程層光纖回路在線監(jiān)視功能，能輔助定位故障點或故障區(qū)域，給出提示信息，并在圖上進行明顯的標識。

2.2 間隔層測控功能的熱備用

傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的間隔層設(shè)備無備用，設(shè)備的運行狀態(tài)一旦出現(xiàn)故障或者異常的情況，其電氣間隔就會失去測控功能，而且設(shè)備的恢復(fù)速度取決于人工的修復(fù)速度。即使在有備用設(shè)備的情況下，由于要進行裝置配置文件或者參數(shù)的重新設(shè)定和實驗，通常需要數(shù)小時的修復(fù)時間。雖然測控裝置雙重化方案曾進行過一些試點，但每一個間隔均須額外增加一套測控裝置，建設(shè)成本明顯過高，不具有推廣應(yīng)用價值。采用間隔層集群測控裝置后，能夠完全解決備用問題，同時在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上實現(xiàn)熱備用和在線無縫切換。將間隔測控功能的失效恢復(fù)時間由小時級縮短到秒級，最短的異常切換時間不到12 s，這將大幅縮減停電時間。

3 智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)負責收集整個變電站設(shè)備產(chǎn)生的運行參數(shù)。同時，測量全站設(shè)備產(chǎn)生的運行參數(shù)，并監(jiān)測和記錄整個變電站設(shè)備的運行狀態(tài)，以防變電站主要設(shè)備的輸出和配電線路出現(xiàn)故障。例如，一級設(shè)備的開關(guān)和斷路器可以及時記錄和提供故障信息，及時將故障信息上傳到主控制站，等待主控制站發(fā)出的指令執(zhí)行。智能變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)包括對變電站設(shè)備參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，并分類采集到的數(shù)據(jù)，及時處理采集到的數(shù)據(jù)和需要存儲的數(shù)據(jù)，充分利用輔助功能進行決策分析，實現(xiàn)最佳的監(jiān)控和安全控制。此外，智能變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)進行操作和管理，并在人與機器接觸時支持智能變電站的在線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由同步功能模塊組成。此外，智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)完成對普通變電站的監(jiān)控，并收集變電站設(shè)備的數(shù)據(jù)。有效集成來自視頻和在線監(jiān)控等眾多子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并采集環(huán)境監(jiān)測和智能變電站實時在線監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，滿足實時網(wǎng)絡(luò)分析輔助管理解決方案，運行狀態(tài)可滿足可視化標準。變電站視頻監(jiān)控對象的傳輸通道在變電站綜合電力監(jiān)控系統(tǒng)中，主要有以下幾種傳輸方式。

（1）在傳輸過程中控制以太網(wǎng)傳輸通道。以太網(wǎng)傳輸通道在傳輸監(jiān)控中對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和光纖設(shè)備有很高的要求。如果系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)水平和光纖設(shè)備不符合標準，則會導(dǎo)致變電站產(chǎn)生的聲音和圖像信息無法通過以太網(wǎng)從監(jiān)控主機加載到主監(jiān)控區(qū)域。此外，在這種監(jiān)控傳輸方式下，智能變電站綜合電源監(jiān)控系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)必須通過以太網(wǎng)傳輸。

（2）監(jiān)控以太網(wǎng)傳輸通道的2 Mb/s 傳輸。在監(jiān)控信道以太網(wǎng)傳輸模式下，許多相應(yīng)的變電站設(shè)備需要有2 Mb/s 的標準接口，才能將變電站產(chǎn)生的聲音和圖像通過2 Mb/s 的以太網(wǎng)傳輸信道傳輸，并上傳到監(jiān)控中心，然后監(jiān)控中心將圖像信息和通過2 Mb/s的以太網(wǎng)傳輸信道下載的各種數(shù)據(jù)進行整合和匯總。最后，數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的方式傳輸?shù)浇粨Q機設(shè)備。

（3）監(jiān)控傳輸中的光學(xué)模擬信道。在監(jiān)控傳輸模式下的模擬光纖傳輸中，系統(tǒng)收集的圖像數(shù)據(jù)可以通過光纖傳輸?shù)娇刂浦行模瑹o須任何處理。

4 變電站監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試要點

變電站監(jiān)控系統(tǒng)的測控設(shè)備主要有調(diào)試板配置和五邏輯防鎖。調(diào)試板配置是設(shè)備調(diào)試器在安裝測量和控制設(shè)備后，根據(jù)電信、遙測和遠程控制功能配置控制軟件，設(shè)備出廠前將對設(shè)備卡進行初始配置，然后將調(diào)試器安裝到位后再對卡進行初始配置功能進行第二次調(diào)試，以確保其符合實際要求。五邏輯防鎖是變電站監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯，防止故障操作，當監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備運行異常時，監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)異常信息執(zhí)行操作，造成變電站運行風(fēng)險。

5 結(jié) 論

文章對新型數(shù)字智能變電站監(jiān)控及巡視系統(tǒng)進行了研究，將一次、二次設(shè)備在線監(jiān)測、消防、安防、鎖控以及巡視等各子系統(tǒng)集成應(yīng)用，并提出各前端設(shè)備配置方案和終端設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸方案，全面保障變電站運行安全，實現(xiàn)變電站設(shè)備狀態(tài)全面感知、安全防衛(wèi)全面強化、智能巡視全方位覆蓋。