配電站智能綜合監控系統設計與實現

陳 丹，傅中君，柳益君，趙小榮，蔣紅芬

(江蘇理工學院 計算機工程學院，常州市云計算與智能信息處理重點實驗室，江蘇 常州 213001)

0 引 言

現代社會對電能的依賴性越來越高，對供電設備可靠性提出了更高要求[1-2]。配電站作為電網的末端，上連變電站，下連各種用電設備，不斷改變著生產方式和生活方式，配電站的安全正常工作關系到千家萬戶的日常生活[3]。電站特殊的建筑要求作為配電自動化、配電網智能化的支撐節點，配電站、開關站的智能化建設至關重要。但是，由于配電站分布廣、數量大，又面臨諸如安防、消防、環境等問題，若缺乏監控手段，不能及時消除隱患將導致停電事故，社會影響重大。電力供應中斷感知等監控方法受到關注[4-5]。對配電站內各類電氣設備進行實時監控，做出早期預警，不僅可以減少運行與維護成本，而且能夠有效提高電氣設備的運行可靠性。配電公司需要從目前的管理控制系統向全自動轉變[6]。

本文結合“云、物、移、大、智”等技術，研發了配電站智能綜合監控系統，增加了局放監測、電纜分布式光纖測溫、樁頭無線測溫、視頻監控等新功能，并按照新的技術標準建成投運了一批配電站，系統平臺更加穩定強大，用戶使用體驗也更加良好。

1 系統子站設計

物聯網M2M實現了機器(Machine)、人(Man)及移動(Mobile)網絡之間的信息全面共享與互通[7]。目前被業界廣泛認可的物聯網框架體系為4層架構，包括感知層、傳輸層、處理層和應用層用于配電站、開關站的系統子站，采用模塊化設計理念，由監控主機、傳感器、控制器、動力設備以及網絡通信和交換設備等，通過485總線、無線網和以太網構成物聯網監控系統。子站主要設備物聯網架構圖如圖1所示。系統子站主要功能框圖如圖2所示。

圖1 子站主要設備物聯網架構圖

圖2 系統子站主要功能框圖

門禁系統由電控鎖+磁力鎖的兩把鎖構成，其中電控鎖開鎖壽命>50 000次。采用經授權CPU卡刷卡開門，遠程遙控開門。該模式對機械鑰匙遺失、施工隊配鑰匙等情況可以有效防控；另外，CPU卡不可復制，卡片權限可分區和設置有效工作時間段，遺失或者過期，也能有效管控。在基本功能基礎上，可以增加了紅外對射探測、觸發攝像機抓拍功能，不管人員是從大門正常進入還是非法闖入，都會被抓拍，照片都會與門禁記錄、報警記錄等一同保存備查。

動力環境監控子系統運用先進的傳感技術、通信技術和計算機技術，貼合現實地區實際情況，保證系統的實用性、可靠性、技術先進性等方面具備一定前瞻性。動力環境監控子系統主要由采集網關、雙鑒防盜變送器、SF6傳感器、煙霧探測器、溫濕度傳感器、水浸探測器，其中采集網關預留SF6監控主機數據接入接口。其中：

(1)雙鑒防盜變送器采用紅外+微波的雙鑒原理，探測距離可達8～10m，增加系統的可靠性。根據多普勒原理，雙鑒傳感器發出無線電波，當無線電波在傳輸過程中感知到人或物體會被反射，反射波的頻率會隨所感知的人或物體移動狀態變化而變化，從而被傳感器感知[8]。

(2)SF6傳感器分兩種：B-35型SF6氣體、氧氣體變送器，內含SF6氣體傳感器和氧氣體傳感器，檢測環境中SF6氣體和氧氣含量，采集數據，直接傳送至系統主機進行顯示、分析、處理；SB-65型SF6氣體、氧氣體變送器，該型號變送器基于高精度激光紅外檢測技術，采用單光束雙波長、模擬信號輸出、零點和滿程跳線校準、擴散式測量方式，具有測量精度高、抗干擾性強等特點，檢測范圍可達(0～1)×10-3。當設備線路老化或設備電路故障，燃燒產生的煙霧彌漫聚集到天花板，煙霧探測器會及時報警通知運維人員，可降低損失。

(3)溫濕度傳感器分為內溫和外溫兩種形式，根據溫濕度檢測情況，可聯動風機、空調等動力設備。屋頂水浸監測，可定制水浸探測靈敏度，由感應線S型黏附在內屋頂表面，檢測站所滲漏水情況。

(4)水浸探測器可分為3級，用于告警和啟停水泵抽水等。

視頻監控主要設備為槍機攝像頭和高清紅外球形機，一般都采用網絡高清制式，支持紅外夜視模式。視頻監控系統采用IP網絡攝像機及網絡硬盤錄像機(NVR)組網的方式，固定槍機安裝于出入口，重點監控人員出入情況，槍機、球機安裝于室內主要設備附近，用于監控人員的作業情況以及設備運行情況。由于單個球機或槍機鏡頭范圍有限，無法看清被監測區域的全貌，故可采用有多個鏡頭組成的全景攝像機，提供三維立體高清實時畫面(亦可8分畫面展示)，并支持3D操作。用戶可通過鼠標操作快速選擇任意監控角度，并且可以控制監控角度的旋轉、放大和縮小，以實現無死角監控，一般吊裝于被監測區域的中央。

動力設備包括不銹鋼低噪音軸流風機、除濕機和空調。這些都是配電房的標配，它們可與監測到溫濕度聯動，也可以遠程和就地控制。其中，空調不僅可以進行啟停控制，還可以進行模式切換等操作。還有基于半導體制冷原理研發的應用于開關柜、端子箱等柜內除濕的電子式除濕器。

局放監測主要應用于站內的變壓器柜、開關柜和配電電纜等，監測原理是檢測高頻脈沖電流，核心原件是鉗式高頻CT，套接與進柜的配電電纜外表面地線上，感應主設備放電電流。另一個核心部件是采集器，將放電檢測信號做AD轉換，在通過總線方式，將每個檢測點的信息匯入輔助系統。局放采集系統組成原理圖如圖3所示。開關柜內母排搭接樁頭、電纜搭接樁頭都是易發熱部位，可采用無源無線測溫技術進行監測，包括測溫傳感器和監測主機。柜內內置電池的無線測溫傳感器，主機通過無線技術采集各無線測 溫傳感器溫度，匯總后通過以太網上傳平臺。配電電纜的接頭處也經常需要重點關注的故障點，采用基于拉曼原理[9-10]的分布式光纖測溫原理，對配電電纜進行全程測溫，核心部件包括測溫主機和感溫電纜。測溫主機布置于監控屏柜，內置核心檢測算法和軟件，感溫光纖附著于電纜表面。

圖3 局放采集系統組成原理圖

2 系統主站設計

配電站智能監控系統橫向通過與站內一、二次設備和輔助設施的信息集成，實現對開關站、配電室設備及運行環境的全面監控；縱向實現上級應用系統對輔助設備的遠程監視、控制及管理。配電站智能監控系統網絡連接圖如圖4所示，整套系統由主站系統、通訊系統、子站系統等組成。

圖4 配電站智能監控系統網絡連接圖

本系統采用2級組網，所有數據都先匯聚到地區級主站，再按權限分發到各集控、巡檢中心，保證了地區級主站的絕對控制權，再由權限分配的方式由各集控、巡檢中心獲取相關站點數據。

智能綜合監控主站采用數字化、網絡化、智能化的建設方案，以視頻監控、環境監控為主，多個業務系統互聯，結合智能分析功能[11-13]，建設智能化居住區開關站、配電站智能綜合監控系統，滿足電力運檢人員工作需要。系統能提供標準軟件接口，即支持二次開發，兼容性強。系統主站有以下主要功能。

(1)信息采集功能。包括：現場各類傳感器(門禁控制、防盜報警、火災報警、水浸報警、溫度濕度監測、照明等)、視頻探頭的監測參數、圖像和動力設備運行狀況，收集事件記錄和告警信息等。

(2)控制功能。包括：對門禁、風機、空調、除濕機、水泵、照明等動力設備的遠程控制，遠程防盜報警的布防撤防操作功能，攝像機的云臺控制和預置位調用功能等。

(3)聯動功能。包括：① 聯動設備。配置門禁控制，風機的啟停，空調的啟停，除濕器的啟停，水泵的啟停；② 聯動條件。配置啟用站內重要設備告警信息、越限信息等、開關刀閘等設備變位信息；③ 聯動配置管理。聯動優先級處理、聯動過程及結果的展示與記錄。

(4)告警處理功能。包括：告警信息分級處理及展示功能，告警級別設定，告警的人工抑制功能，告警記錄保存管理，如報警信息不得丟失和誤報、告警信息應有時標、精確到秒級等。

(5)實時展示功能。包括：支持配電站各類型數據、圖像視頻信息、告警記錄、事件記錄，以多種形式進行展示。① 支持以平面、接線圖、列表等多種畫面展示設備運行狀態、告警信息、模擬量數據等；② 支持在畫面上直接控制可控的輔助設備；③ 支持以曲線、棒圖、餅圖等方式展示模擬量數據；④ 支持告警聯動、操作聯動的展示；⑤ 以多畫面的方式展示實時視頻；⑥ 支持對實時視頻的本地錄像和抓圖功能；⑦ 支持視頻輪巡顯示功能。

(6)對時功能。包括：主站系統應對各子站進行統一受時和對時，確保全網時間統一。主站對子站采用NTP或SNTP方式接受時間同步設備對時信息；子站監控主機可對各輔助設備統一對時；時間同步準確應優于1 s。

(7)數據存儲功能。包括：各類型數據、圖像視頻信息、告警記錄、事件記錄，以多種形式進行后臺存儲，便于調用。包括：① 存儲系統配置參數信息；② 存儲用戶及權限信息；③ 存儲輔助設備模型信息；④ 存儲告警及操作聯動配置信息；⑤ 存儲采集的模擬量數據，存儲周期可調；⑥ 存儲輔助設備運行工況及告警信息；⑦ 存儲告警及操作聯動產生的事件、抓圖、視頻等信息。

(8)電子地圖。功能：電子地圖數據是地圖導航系統的基礎數據庫，電子地圖數據規模龐大，集成度較高，集成了城市及道路的各種信息，包括道路交通信息、道路設施信息等信息[14]。電子地圖興趣點直觀有效地反映了各類城市要素的集聚狀況[15]。電子地圖主要是將接入系統的子站在電子地圖上進行布點和關聯，便于站所地理信息的查詢和展示。包括：① 主站系統與全市電子地圖結合，在電子地圖上顯示現實所有接入系統(站所)地理位置，所在站所有告警觸發時地圖閃爍提示；② 支持放大、縮小地圖圖片，支持重新加載最新的地圖；③ 雙擊地圖上的配電站、開關站，進入該子站監控界面；④ 加載地圖：從目錄樹上選擇一個居住區，從本地加載已保存的居住區地圖圖片和設備；選擇不同居住區，切換到不同地圖；⑤ 從地圖上新增或刪除配電站、開關站。

(9)歷史數據查詢。功能：對站所各種類型數據、圖像的歷史數據進行查詢或者回放。包括：以時間、設備等組合查詢條件對歷史記錄數據進行綜合查詢及展示；支持曲線方式展示查詢的采集的模擬量數據；支持以事件為線索檢索和回放聯動的視頻錄像，回放過程中支持播放、暫停、停止、快放、慢放、拖放、抓拍等控制功能。

(10)報表功能和平臺管理管理功能。支持的報表類型包括日報、周報、月報、季報、年報以及自定義報表，支持對所定義報表的調用、顯示及打印等功能。平臺管理功能主要是用戶權限配置管理、站所設備配置、告警配置、聯動配置等。主要包括：用戶及權限管理、輔助設備的接入管理、輔助設備配置參數管理、信息建模管理、告警配置管理、聯動關系配置及展示管理、矢量圖形繪制及管理。

3 系統主站實現

3.1 系統主站硬件配置

主站系統主要由綜合服務器、視頻服務器、數據通信網關機、存儲單元、網絡交換機、監控工作站、監控大屏，以及必要的安全防護設備等組成。

(1)綜合服務器。負責采集各子站監控主機匯集的輔助設備數據的采集、處理，實現輔助設備的運行監視、操作與控制、信息綜合分析及告警。

(2)視頻服務器。負責對各子站視頻信息的采集、處理，實現對各視頻設備的運行監視、操作與控制、信息綜合分析及告警。

(3)數據通信網關機。實現向上級應用系統的數據傳輸，接收上級應用系統對輔助設備的操作控制及信息查詢等功能。

(4)存儲單元。實現配置參數、告警視頻、輔助數據等各類數據存儲功能。

(5)監控工作站。實現輔助監控系統站內運行監、操作控制，具備事件記錄及告警顯示查詢、具備設備狀態及參數查詢、具備系統配置維護和管理功能。

(6)監控大屏。主要解決多路信號的集中、直觀、準確、及時的控制顯示，實現在同一平臺上實時輔助信號和視頻圖像的混合顯示，監控中心的重要組成部分。

3.2 系統主站軟件

主站軟件結構分為平臺層、中間層和應用層。平臺層主要以Windows/Unix操作系統、TCP/IP等網絡通信協議通過軟總線、通信中間件軟件、數據庫與中間層連接;中間層包括前置服務器、數據處理服務器、視頻服務器等；應用層面向用戶，實現配電站智能綜合監控系統所有的應用功能。主站軟件系統結構如圖5所示。

3.3 系統主站實現平臺

系統主站平臺基于B/S架構的Web后臺，簡單來說，就是主站服務器及數據庫匯聚到各子站的信息，用戶通過Web網頁，輸入網址、賬號和密碼，登陸管理后臺，進行站所監控操作。目前，云計算越來越普遍，且開源云計算平臺巳經被廣泛應用[16]。站所信息通過無線4G網送阿里云服務器，管理人員通過賬號密碼登錄管理后臺。

圖5 主站軟件系統結構圖

另外，同步開發了手機端APP，包括蘋果和安卓兩個平臺。APP支持站點位置查詢，站點狀態、設備及視頻實時查看，站點環境實時顯示，遠程操作等功能。系統主站實現平臺如圖6所示，包括PC端Web網頁平臺和手機端APP平臺。

通信方式目前主要分為電力內網、Internet(俗稱外網或者公網)、外網轉內網、租用運營商的專網方式。例如南京浦口配電智能監控系統采用外網方式租用運營商無線網絡，信息安全方面需要有相關安全技術提供保障；江陰地區配電綜合監控系統租用的專網是由移動提供的，信息安全有保證，投資小，組網便捷。

(a) PC端Web網頁平臺(b) 手機端APP平臺

圖6 系統主站實現平臺圖

4 結 語

隨著電子信息技術和嵌入式應用的發展，對智能控制系統的要求越來越高，安全可靠、功能豐富、響應及時、使用方便、界面人性化等因素都被列入考慮范圍。本文從智能綜合監控系統子站和主站設計出發，設計并實現了一種配電站智能綜合監控系統。該系統是一種用于配電站控制的智能設備，技術先進、系統實用、結構合理、產品主流、低成本、低維護量以及具備良好的可擴展性。配電站智能綜合監控系統可以充分利用其綜合功能和資源，提高電力系統配電站自動化程度，在電力安全管理和生產領域發揮了不可或缺的作用。