500 kV變電站集中監控模式的指揮策略及系統設計

申曉杰, 廖 華, 袁衛義

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司南寧監控中心，南寧 530029)

隨著南方電網公司《關于印發全面推進南方電網調控一體化工作方案的通知》和超高壓公司《500 kV交流變電站集中監控工作方案》的提出，南寧監控中心將由原來只接入南寧、百色局5個變電站的模式，變成集群接入廣西境內20個站點的集中監控模式。500 kV變電站集中監控模式給南寧監控中心的指揮和監控帶來了一些問題，如監視子系統的冗余、變電站和監控中心數據交互不統一等。另外，在無人值班變電站的情況下，現有系統無法滿足監控中心工作人員的第一時間視角實景的要求以及現場作業人員與后方專家實時聯系的要求，影響事故處理和應急指揮。因此，研究基于500 kV變電站集中監控模式的指揮策略及系統設計具有重要意義。

目前，一些學者對變電站的監控進行了一些研究，研究內容主要包括變電站監控系統的設計[1-6]和變電站監控信息的分析與處理[7-12]。關于變電站監控系統的設計，文獻[1]采用組件模型技術對變電站監控及預測軟件進行設計，滿足了電力系統智能化報警、電壓無功控制等方面的要求；文獻[2]對智能變電站一體化監控系統的架構、功能進行設計，對一體化監控系統進行了重點研究；文獻[3]對智能變電站二次系統的結構特點進行分析，并對系統設計和工程應用進行了研究；文獻[4]介紹了一種基于云服務的變電站監測系統的開發與應用，詳細設計了該系統的結構與功能；文獻[5]研究了一種高效的、常用的變電站自動化系統軟件包，并將其配置在一高壓變電站中，表現出了較高的可靠性；文獻[6]總結了目前幾種典型的不同電壓等級智能變電站的測控實現方案，并對比分析其優缺點。關于變電站監控信息的分析與處理，文獻[7]對500 kV變電站實際諧振數據，采用希爾伯特-黃變換和小波變換方法進行對比分析，總結了500 kV變電站實際諧振諧波成分的幅頻特性；文獻[8]提出了一種基于信息流傳輸時延、丟包率和各信息流QoS要求的智能變電站信息流可靠性評估模型；文獻[9]基于變電站監控信息基礎數據庫和臺賬庫，建立二者之間松耦合的信息解析機制并實現數據庫之間的數據交互；文獻[10]借助最小二乘模型和有限加窗過濾實現了變電站監控信號的壓縮和優化優先級上報；文獻[11]針對變電站光纖通信設計了一種新的最優節點選取模型；文獻[12]在通信網絡體系結構中對變電站監控信息名稱和通信協議進行了改進的粒子群算法優化，得到了變電站監控信息的全局最優通信路徑，實現了輕量級信息表示和精度分析的目的。

上述文獻均未考慮在500 kV變電站集中監控模式下變電站和監控中心數據交互不統一的問題，也未考慮在這種監控模式下如何進行現場作業交互和應急指揮管理。文中針對500 kV變電站集中監控模式的擴大給南寧監控中心帶來的問題，提出了基于500 kV變電站集中監控模式的指揮策略和系統設計方案。

1 生產指揮策略

在500 kV變電站集中監控模式下，為提高監控中心對現場作業的管控，提高應急指揮的效率，保障系統的安全穩定運行，提出了在正常、故障、檢修和應急四種條件下的指揮策略。

1.1 正常運行條件下的指揮策略

正常運行條件下的指揮策略可分為監控中心電氣倒閘操作和受控站設備自行操作兩種情況，其操作流程分別如圖1、圖2所示。

圖1 監控中心電氣倒閘操作流程Fig.1 Electrical switching operation process of monitoring center

圖2 受控站設備自行操作流程Fig.2 Controlled station equipment self-operating process

監控中心電氣倒閘操作流程涉及調度、監控中心和受控站三個層次，需要由調度下令給監控中心，監控中心進行任務分解，直接對受控站設備進行遠方操作或者轉令給受控站進行操作，受控站操作后需要向監控中心反饋。監控中心進行遠方操作時，需要借助監控系統實時查看操作開關、刀閘的狀態。

受控站設備自行操作同樣可能涉及調度、監控中心和受控站三個層次。受控站設備自行操作需要根據情況向監控中心、調度逐級申請，操作結束后還需要根據情況逐級匯報。

通過上述指揮策略，可實現在正常運行條件下對操作開關、刀閘等設備的監視、遠方操作及受控站設備自行操作的高效管控，實現調度、監控中心和受控站的三層協同運行，保障系統的正常運行。

1.2 故障條件下的指揮策略

故障條件下的指揮策略如圖3所示。

圖3 故障條件下的指揮策略流程Fig.3 Command strategy process under fault conditions

故障條件下的指揮策略涉及調控人員、監控人員和運維人員三方人員。調控人員根據事故信息和地理信息向監控人員和運維人員下達指令，運維人員對設備進行狀態監測后向調控人員匯報，調控人員擬定處理方案后由運維人員執行，從而消除事故；最終，需要由調控人員和運維人員共同核對并記錄；而監控人員則需要對全程進行實時監控。

當故障發生時，監控系統可監測到故障信息并進行告警，可進行故障定位，確定開關位置，同時可在監控人機界面上對事故位置進行明顯的標示；除此之外，監控系統還通過實時視頻監控獲取事故位置處的真實地理信息和現場信息，從而為調控人員的處理決策提供重要的依據。在緊急情況下，調控人員可采取故障隔離等調整方式操作指令對事故進行應急處理，避免事故的影響進一步擴大，盡快完成電力事故處理。

運維人員進行現場處理事故時，配備無線智能終端及穿戴式攝像頭設備，可對現場作業情況進行實時視頻監控，并可將現場作業音視頻實時回傳上報，為后方工作人員提供第一時間的現場實景。后方專家可根據情況與現場作業人員進行語音互通并進行遠程實景指揮，從而大大提高故障處理的效率，減少錯誤的產生。事故處理完成后，運維人員可通過智能終端自動上傳工作記錄至監控中心平臺端，從而為經驗總結，提高現場作業管控打下堅實的基礎。

通過上述指揮策略，結合現場作業實時視頻監控、語音對講等功能，可實現故障情況下調控人員、監控人員、運維人員的協同高效溝通，高效有序地完成故障的判斷、監測及處理工作。另外，通過對現場作業的記錄、分析和上報，可為日后的事故處理工作增加經驗，進一步提高對現場作業的管控。

1.3 檢修條件下的指揮策略

檢修條件下的指揮策略流程如圖4所示，其中涉及公司領導、發展策劃部、生產技術部、巡視部門和檢修部門五個部門人員。生產技術部下達巡視任務，由巡視部門進行現場巡視并上傳缺陷故障照片，生產技術部根據缺陷情況再制定消缺方案，由公司領導審批通過后下達給檢修部門執行，執行完成后由生產技術部進行驗收、審核和歸檔等。發展策劃部負責對驗收結果進行考核。

圖4 檢修條件下的指揮策略流程Fig.4 Command strategy process under overhaul conditions

結合手持移動平臺，指揮策略流程可進行全程電子化工作任務管理。生產技術部可在統一的管理后臺編制線路巡視工作任務，包括定期巡視、特殊巡視和夜間、交叉診斷性巡視，以及監察巡視工作計劃，巡視人員可從后臺下載線路巡視工作任務到移動平臺，并實時上傳工作任務完成情況。同樣地，消缺任務的下達和執行也可通過平臺進行電子化任務管理。

在執行巡視或者消缺過程中，除可對現場作業進行實時視頻監控和實景指揮，還可實時查看巡檢任務的執行情況以及巡檢人員的活動軌跡，從而實現檢修任務的高效管理和完成。

1.4 應急條件下的指揮策略

為防止事故擴大，受控站巡檢員可不待調度指令自行按照調度管理規程及現場運行規程進行緊急操作，操作完畢后，及時向監控中心值班員匯報，由監控中心值班員將事故與處理情況簡明扼要地報告上級值班調度員。應急條件下的指揮策略流程如圖5所示。

圖5 應急條件下的指揮策略流程Fig.5 Command strategy process under emergency conditions

通過上述指揮策略，可保證在應急條件下盡可能快地對現場情況進行處理，避免出現更嚴重的事故，提高應急指揮的工作效率。

2 系統設計

為實現上述指揮策略，對監控中心的系統進行詳細的設計，從而為指揮策略的實施提供強大的支持平臺。

2.1 總體架構

提出的監控系統采用底層平臺和上層應用相對分離的模式建設，其總體架構如圖6所示。

圖6 監控系統總體架構Fig.6 Overall architecture of the monitoring system

其中，基礎平臺是為適應集中監控系統多類型應用間互聯、集成及全方位開放需求，將電網拓撲模型、參數信息、電網運行、統計數據、生產運行信息、應用功能集中管理，統一維護、綜合使用而構建的數據和業務支撐平臺，為各類應用提供技術支撐，并為整個系統的集成和高效可靠運行提供保障。在基礎平臺上，構建變電站集中電力監控系統、保護及故障信息管理系統、變電站視頻及環境監控系統以及現場作業移動指揮系統，從而可滿足集中監控中心日常業務的分析和功能要求，還可滿足現場作業交互和應急指揮管理的要求。基礎平臺提供一系列公共服務，從而保證各子系統功能僅需注重自身的業務邏輯與算法，其他功能通過調用基礎平臺的公共服務來實現。

系統包含數據采集與處理功能，可與智能遠動機進行一體化數據采集與交換。系統可通過與遠方廠站終端進行通信實現對變電站實時運行信息的采集，并將信息寫入實時數據庫。對于采集的各類業務數據，系統可對其進行質量評估、濾波和有效性校驗等處理，從而確保數據的有效性；另外，系統可根據數據重要性及實時性的不同要求確定不同的優先級，對不同的數據進行接收處理。系統提供統一的數據訪問服務和控制服務接口，主站端不同應用可根據需要讀取相關數據或者向廠站端下達控制指令。除此之外，系統還提供數據訂閱機制，主站端不同應用可訂閱其所關心的數據。

基礎支撐平臺提供公共的、一體化的具有靈活定制和集成能力的人機界面，該人機界面采用南瑞繼保的PCS-9000系統，可提供基于矢量技術的圖元工具、圖形工具、曲線工具等，用來繪制和編輯電力系統的各種接線圖。通過各種圖形畫面可實時展示系統的各種設備狀態和數據，操作人員還可方便地操作和調用所需監視的畫面。針對集中監控模式下監控信息繁多的問題，該人機界面還支持將多個窗口組合在一屏中綜合顯示。人機界面示意圖如圖7所示。

監控中心系統可通過接口與其他系統互聯，如圖8所示。

圖7 人機界面示意圖Fig.7 Illustration of human-machine interface

圖8 系統接口示意圖Fig.8 Schematic diagram of the system interface

系統接口包括橫向接口和縱向接口。在橫向上，監控中心系統可與機房動環監控系統和大屏顯示系統接口互聯，可實時獲取環境監控信息并實時展示在大屏幕上；通過與資產管理系統接口互聯，可獲取設備臺賬、缺陷、檢修等信息；通過與公司短信平臺接口互聯，可實現重要監控告警信息第一時間送到站端運維人員。在縱向上，監控中心系統可與超高壓廣州備用監控中心接口互聯，實現實時電網數據、控制數據、圖形、電網模型等的交互和共享以及維護的雙向同步；通過與各級調度的接口，可實現調度令執行的全自動化無人干預操作；通過與廠站監控系統的接口可實現與廠站監控系統的通信。

2.2 各系統功能及應用情況

2.2.1 變電站集中電力監控系統

圖9 變電站集中電力監控系統功能模塊Fig.9 Functional modules of substation centralized power monitoring system

變電站集中電力監控系統是監控系統最核心的功能，其主要功能模塊如圖9所示，包括數據采集與監視控制(supervisory control and data acquisition, SCADA)、智能告警和防誤操作。通過這些功能模塊，變電站集中電力監控系統為提出的指揮策略的實現提供了核心的平臺支撐。

(1)SCADA功能

系統可調用基礎平臺的數據服務，實時采集受監控站點的遙測、遙信等數據，并對數據進行有效性檢查和無效數據過濾，還可對數據進行相應的數學運算以及置質量標記。系統可接受調度指令，對變電站相關設備進行遙控操作，或者根據運行需要對站內設備進行控制。其中，自動電壓控制(automatic voltage control, AVC)應用模塊能與總調AVC系統實現協調控制，即正常運行時，優先投入總調對應的該站點AVC功能，當總調AVC該站點功能退出時，投入區域監控中心該站無功設備自動投切功能。

(2)變電站運行信息智能告警

集中電力監控系統能根據各受控站運行信息的重要性對告警信號進行分類，將每個信號都進行定義，標注重要等級，對于保護動作和事故變位信號能夠優先處理。告警信號可在告警顯示窗口中進行展示，告警顯示窗口由多個頁面組成，系統能根據集控系統監控的提示信息或告警類型，自動歸入相應頁面。在此基礎上，系統能根據提前預先設定的綜合判據，對上送信號進行綜合分析，推理該異常事故情況的智能描述及處理方法，減少上送告警量的同時協助監控值班員及時進行準確分析、處理。

(3)防誤操作

系統具備基于網絡拓撲的操作防誤功能，可以實現在實時態下針對遙控的基于本站及站際拓撲分析的防誤判斷，并可對防誤功能人工干預調整。對于特定的防誤判斷，系統提供在模擬狀態下進行操作預演，并在實時態下嚴格按照預演的步驟進行操作的機制。在基礎防誤功能的基礎上，開發與調度令系統的接口，將調度令系統中直接與監控中心相關的調度令同步到監控系統中，并進行系統判斷，一鍵智能生產操作票，減少人為工作，避免失誤。

變電站集中電力監控系統的應用情況如下所述，其SCADA功能和智能告警功能示意圖如圖10、圖11所示。

圖10 SCADA功能示意Fig.10 Illustration of SCADA function

圖11 智能告警功能示意Fig.11 Illustration of intelligent alarm function

由圖10可知，通過SCADA功能，系統可實時采集受控站的遙測、遙信、遙脈數據，還可進行遙控操作，相應信息的各項屬性數據都可清晰展示在界面中，可隨時調閱查看。由圖11可知，通過智能告警功能，系統可對告警信息進行實時監視，對告警信號的告警等級進行分類，對告警信號的時間、內容和動作清晰展示，同時，還可顯示告警的確認狀態。

2.2.2 保護及故障信息管理系統

保護及故障信息管理系統主要采集站內保信子站匯集的保護設備的動作信息報文，監視與分析處理保護、安自裝置和故障錄波信息數據，診斷故障時的故障范圍、故障點及故障性質，為監控人員處理電網事故提供信息支持與決策參考，為故障條件、檢修條件以及應急條件下的指揮策略的實現提供了強大的支撐。

(1) 監視主畫面功能

監視主畫面功能模塊可在正常情況下監視主站系統自身軟硬件和通道運行狀況、子站系統運行狀況、廠站端的繼電保護裝置、故障錄波裝置的運行狀況和運行定值，并采用與電氣一次接線圖方式一致的圖形化管理。

(2) 故障分析功能

故障分析功能主要模塊如圖12所示。

圖12 故障分析功能主要模塊Fig.12 Main modules of fault analysis function

① 在線故障分析功能:功能模塊對各個子站自動上送的信息具有在線故障綜合分析的能力，能對各個子站自動上送的信息進行綜合分析，在電力系統發生故障時，迅速給出故障情況，自動給出測距結果及巡線范圍，在統一的全網運行監視圖上顯示，并按廠站給出相應的保護動作情況、故障錄波文件。除此之外，功能模塊還能夠在工作站中以圖形畫面方式和語音提示方式推出事故報警提示和故障簡報，并且在全網接線圖上對應的站點及故障線路以動態閃爍的方式快速直觀地顯示故障站點和故障線路。

② 故障信息歸檔功能:功能模塊提供按不同故障對歷史故障相關的所有信息進行歸檔管理的功能，將與該次故障相關的所有故障信息整理成故障信息包，包括保護告警信息、動作事件、故障簡報等，便于運行管理和分析查詢。

③ 故障錄波離線分析功能:系統能夠讀取、轉換、分析基于ANSI/IEEE C37.111-1991/1999 C￣O￣M￣T￣R￣A￣D￣E兼容格式的錄波文件，并提供故障分析報告，是繼電保護專業管理人員進行故障分析的有效工具。

借助保護及故障信息管理系統的功能，監控中心人員可進行故障管理，生成故障事件報告表。故障事件報告表示意圖如圖13所示。

圖13 故障事件報告表Fig.13 Fault event report form

由圖13可知，故障事件報告表包含故障的時間、分類、定位及事件描述等信息，這些信息可通過保護及故障信息管理系統的故障分析、故障定位等功能得到。

2.2.3 變電站視頻及環境監控系統

(1) 受控站端視頻環境監控系統

為滿足集中監控中心對變電站的運行情況監視，站端視頻環境監控系統可對廠站進行監視，包括監視廠站區域內場景情況，刀閘的分、合狀態，變壓器、斷路器、電流互感器、電壓互感器、避雷器和瓷絕緣子等重要運行設備的外觀狀態，主要室內(主控室、繼電器室、高壓室、電纜層、電容器室、獨立通信室等)場景情況及溫度、濕度、風力等環境信息，并實現雙向通話等，其系統結構示意圖如圖14所示。

圖14 站端視頻及環境監控系統結構示意圖Fig.14 Schematic diagram of station-side video and environment monitoring system

(2) 主站端系統

監控中心變電站視頻及環境監控系統主要功能包括視頻監控、現場環境監控、語音功能、遠程控制和廠站3D建模等。

系統以按監控中心→各變電站→監控區域→攝像機的樹形方式展開選擇所需監控的視頻，實時監視各變電站視頻信息，可實時監視同一變電站多路(1、4、9、16)實時視頻并實現一機同屏同時監視，也可同時實時監視多個變電站(1、4、9)的單路實時視頻。并且，可在以電子地圖承載的變電站平面布置圖或一次設備連接示意圖點擊一次設備同時監視一次設備的多個攝像機的多角度實時視頻。

系統具備現場環境監控的功能，能夠以組合方式實時監視各變電站的現場溫度、濕度、風速、SF6等環境數據及現場煙霧、水浸等告警信息。另外，系統可實現實時的監控中心及變電站的雙向語音對講及語音廣播，還可實現雙向語音錄音功能，播放、保存、回放語音。系統還具備遠程控制站端監控設備(主要包括攝像頭和燈光等)的功能，可對攝像頭進行控制，實現對攝像頭視角、方位、焦距、光圈、景深的調整。

系統還具備廠站3D建模模塊。模塊中應用了三維地圖，在現有資源管理系統數據庫的基礎上，以三維虛擬現實的形式展現變電站的運行情況。

通過變電站視頻及環境監控系統，監控中心人員可對變電站進行實時視頻監控及紅外熱成像，如圖15所示；另外，還可對廠站進行3D化展示，如圖16所示。

圖15 變電站實時視頻監控示意Fig.15 Illustration of real-time video monitoring in substation

2.2.4 現場作業移動指揮系統

(1) 前端系統

根據作業現場的具體情況和施工任務的具體內容，現場將配置相應數量的單兵、布控球和車載管控系統。無論是單兵、布控球，還是車載管控系統，都能形成獨立的前端系統，實現各種情況下的實時視頻監控和語音對講。前端系統示意圖如圖17所示。

圖17 前端系統示意圖Fig.17 Schematic diagram of the front-end system

(2) 指揮系統功能

為了實現在各種情況下的指揮策略，需要設計功能強大的指揮系統。指揮系統具有多種功能，可實時監控現場作業的移動視頻，第一時間進行指揮并管控，還可實現實時的監控中心及移動端的雙向語音對講。指揮中心可遠程派單給作業人員，完成電子化工單下發，并可對工單進行管理和編輯。監控中心能實時查看所有巡檢任務的執行情況，包括巡檢中任務的概況和實時視頻預覽；能夠通過電子地圖，隨時掌握巡檢人員位置、人員分布密度、相應的狀態信息及每個巡檢人員的活動軌跡，作業結束后記錄可自動上傳歸檔至監控中心平臺端。

通過現場作業移動指揮系統，結合文中提出的指揮策略，可實現對監控中心值班人員、巡檢人員、檢修人員以及專家人員的統一調度，可進行實時視頻通話、音頻通話，以及對指揮管理進行記錄，實現應急指揮的高效管理。應急指揮調度圖如圖18所示。

圖18 應急指揮調度圖Fig.18 Illustration of emergency command and dispatch

3 結論

針對500 kV變電站集中監控模式的擴大給南寧監控中心帶來的問題，提出了在正常、故障、檢修和應急四種情況下的指揮策略，提高了監控中心對現場作業的管控和應急指揮的效率；為了實現提出的指揮策略，提出了詳細的監控中心系統設計，設計了監控系統的總體架構、基礎服務、接口及相應的子系統，滿足了監控中心的監視控制、故障分析、現場作業交互、應急指揮等需求。在500 kV變電站集中監控模式下，該指揮策略和系統設計方案在南寧監控中心得到了應用，實現了變電站和監控中心數據的統一交互以及現場作業交互和應急指揮的高效管理，取得了理想的效果。提出的指揮策略和系統設計主要關注監控中心層次的指揮和監控，對于變電站端具體監控細節的設計和優化需要在未來進一步研究。