無人值守變電站智能輔助控制系統設計

陳欽勇

（福州萬山電力咨詢有限公司，福建 福州 350000）

1 無人值守變電站

1.1 結構說明

無人值守智能變電站采用先進的自動化技術、計算機網絡技術、通信網絡技術、射頻識別技術以及智能控制等多種技術，對智能變電站的實時環境、圖像監控、火災報警、照明暖通、安防報警以及門禁識別控制等進行在線監視和智能控制。智能輔助控制系統能夠輔助無人值守智能變電站開展管理和控制工作，也是保證對無人值守智能變電站進行遠程控制的基礎。該系統通過監測、預警和控制手段為智能變電站的安全運行提供了有力的保障，解決了變電站安全運營的“在控”、“可控”等問題。

通常情況下，無人值守變電站要實現智能輔助的功能，就需要具備以下6個方面的內容：1） 系統的結構應該具有分層或分區的分布式設計，從高到底依次為省級、地區級及站端系統，由此構成1個完整的三級結構。2） 該系統的核心就是“智能控制”，它的作用在于對站內主要設備及關鍵設備的安裝位置和周圍環境條件進行不間斷的監測，同時借助智能化技術實現無人控制，進而確保整個電力系統的生產狀態符合相關安全協議。3） 該系統的核心主要依靠IEC61850協議，已有類型的印象信息、環境數據、門禁以及防盜報警的采集監控都可以通過該系統進行采集和上傳。4） 所有安全相關要素及信息監控量在監視及控制方式上必須嚴格采用一體化的方式。5） 僅有獲得許可的主機可以作為嵌入式設備，嚴禁將其他類型的設備作為主機。6） 各安全相關要素的子系統之間能夠在智能輔助系統的幫助下進行完整的聯動，并且不同子系統之間相互獨立運行，不會對其他系統產生影響。

1.2 系統配置構成

智能輔助控制系統是無人值守智能變電站的核心系統，它主要承擔保證變電站安全、可靠運行的任務。該系統主要由智能視頻監控子系統、智能火災報警子系統、智能安全警戒子系統、動力環境監控子系統、空調以及照明子系統等相關輔助子系統構成，各子系統的類型和功能如圖1所示。

圖1 智能輔助控制系統構成圖

在常規的輔助控制系統中，許多輔助子系統都是獨立運行的，并通過不同路由上傳數據，很難對這些系統進行多系統的集中監控和統一管理，不但降低了系統的高效性，而且還增加了系統管理和運維的成本。智能輔助控制系統可以最大程度地挖掘現有輔助系統的潛力，并最大限度地節約運維成本、提高系統效率。

智能輔助控制系統將以智能視頻監控子系統為核心，完成對智能火災報警子系統、智能安全警戒子系統、動力與環境監控子系統、空調以及照明子系統等相關輔助子系統的高度集成。除了可以讓各個子系統之間進行信息共享和信息互動之外，智能輔助控制系統還負責調度端與廠站端自動化系統的信息交互和溝通，從而可以隨時滿足智能變電站運維對輔助系統提出的新需求。

全站配置了1套智能輔助控制系統，該系統可以實現對圖像監視、安全警衛、火災報警、消防、照明、采暖通風以及環境監測等系統的智能聯動控制，實時接收各終端設備上傳的各種模擬量、開關量及視頻圖像信號，分類存儲各類信息并對信息進行分析、計算、判斷、統計和其他處理。

1.3 功能實現

智能化輔助系統具有實現實時視頻監視、智能視頻分析、信息采集上送、遠程控制以及智能聯動等功能，因此該系統可以使智能化變電站的信息更加完整可靠，其功能更加齊全，從而保障變電站運行的安全。智能化輔助系統的主要功能如下。

1.3.1 實時視頻監視

視頻監視能夠從圖像了解變電站內設備的運行狀態及其他相關信息，該功能不僅可以查看主變的運行狀態，還可以直接、清晰地呈現斷路器、接地刀閘以及隔離開關的接觸狀態[1]。

1.3.2 智能化視頻分析

變電站應用了智能視頻分析（IVS）技術，該技術以背景建模技術和目標追蹤技術為核心，除了可以有效判斷監視對象的狀態以外，還可以執行穿越警戒線、進入區域行為分析等操作，進而為調整刀閘及開關狀態提供有效的信息。

1.3.3 信息匯總

該系統的信息匯總是指對環境信息進行匯總。雖然變電站所處的環境相對復雜，但是它本身對環境穩定性的要求又很高，因此監控人員需要掌握溫濕度、風力以及水力等環境信息的數據，而該系統就可以收集匯總這些數據并自動加工成便于理解的圖表形式，為統計分析、實時監控以及歷史查詢工作提供了便利。

1.3.4 遠程控制

變電站中的所有攝像機都可以實現獨立控制，且可以靈活設置所有攝像機的位置及巡航路徑，而各環境的維持系統及門禁的開閉則可以通過電子地圖進行遠程控制。

1.3.5 智能聯動

智能視頻監控子系統可以對各分系統進行聯動控制，通過與其他子系統進行實時通信，可以實現用戶所需要的設備聯動，包括就地設備操作聯動、火災消防、門禁控制、環境監測以及故障報警等相關設備的聯動，還可以根據智能變電站現場的實際需求，完成自動閉環控制和告警，例如自動啟動/關閉空調、自動啟動/關閉視頻監控以及自動啟動/關閉照明系統等。

除此之外，輔助系統綜合監控平臺預留了與各子系統間的通信接口，通過和其他輔助子系統的通信可以實現用戶所需要的設備聯動，包括火災安防、環境監測以及故障報警等相關設備的聯動。

1.3.5.1 與周界報警系統、火災報警系統進行聯動報警

對站端每個火災報警點和高壓脈沖報警設備的地址碼進行解析，將解析后的地址與視頻系統中每個攝像機的預置位地址進行一一對應，相應攝像機以前端報警信號為觸發條件進行聯動。

1.3.5.2 與攝像機的輔助燈光系統進行聯動

在夜間或照明不良的情況下，需要開啟攝像頭，帶有輔助燈光的攝像機應該與攝像機的燈光聯動，從而自動啟動照明燈。

1.3.5.3 與通風系統進行聯動，自動完成閉環控制和告警

通過實時采集室內環境的溫度和濕度，可以自動啟動/關閉通風系統，同時通風系統與火災報警控制子系統進行聯動，并設置煙感閉鎖邏輯，當火災報警時就自動切斷風機電源。

2 無人值守智能輔助控制系統的優化設計

2.1 智能視頻監控子系統

就整個系統的構建狀態來看，智能視頻監控子系統具有非常重要的功能，該系統與其他各系統都建立了緊密的連接，因此，可以將其視為整個系統的核心，這樣，整個變電站自動化系統就成為1個完整的個體。該系統的主要功能包括4個方面：1） 視頻監控系統可以在安全防范子系統的幫助下，維持變電站設備的安全運行。2） 遠程工作人員可以依靠自己的操作經驗，并依靠視頻監控有效地減少出現誤操作的可能。3） 智能視頻分析功能可以有效地幫助工作人員判斷監視對象的狀態，從而為開關及刀閘提供相關信息。4） 各監控系統可以共同發揮預警及保護的作用，還可以配合其他類型子系統實現聯動及互動[2]。

2.2 智能火災報警子系統

智能火災報警系統，如圖2所示。該系統包括智能化的火災報警控制器和火災探測系統，此外，還加入了輔助監控系統和聯動報警系統。其中，火災報警控制器是整個系統的核心，它可以持續、穩定地為火災報警提供能源。在上述各部分互相配合、相互發揮作用的前提下，火災報警子系統能夠監測自身及探測器的工作狀態，并根據情況對火災信號進行適當的處理，同時還能精準地定位報警位置和報警時間。

圖2 變電站火災自動報警系統圖

該系統主要用于防范變電站中出現火災及疑似火災的情況，它通過發出報警信號來引起值班人員或工作人員的注意，以便在第一時間采取措施，將火災扼殺在可控范圍，從而避免變電站因火災而遭受重大損失[3]。

除了通知遠程工作人員之外，該系統還能夠配合聯動報警系統采集火災報警信號，如果采集到的信號顯示當前環境狀態滿足滅火條件，就可以通過手動或自動的方式開啟滅火設備并切斷非消防電源（相應的防火閥也會被關閉）。輔助監控系統主要負責采集并上傳火災信號。

2.3 智能安全警戒子系統

電子安全圍欄產品是1種新型的安防產品，該產品是遵循“阻擋為主，報警為輔”先進周界安防理念的智能周界阻擋報警系統。其產生的非致命脈沖高壓能快速擊退入侵者，同時把入侵信號傳輸至監視器，具有震懾、阻擋和報警功能。它由高強度的電子導線、掛線柱、角柱和緊線器等構成，附加在現有的圍墻上，也可以進行自立式安裝，形成完整的有形界墻；系統控制器以每秒一次的頻率發出低能量（5 J）、低頻率（60 次/min，空度比為1∶10的脈沖電壓（5000 V～8000 V），并連續不斷地向電子纜線輸送脈沖信號。有人一旦觸碰到電子纜線產生的非致命脈沖電壓，就像遭到電棍觸擊，給入侵者造成1種心理障礙，起到威懾、阻嚇和警戒不法分子的作用。

2.4 動力與環境監測子系統

通常環境監測工作主要是采集環境的溫濕度信息，并將采集結果上傳至智能視頻綜合控制系統，它具有多種報警方式，而且還可以實時監測并疊加環境數據，通過調整相關子系統來控制環境狀態。最后，這些收集到的數據及做出的指令會被整合并上傳至統一平臺。

動力監測主要是對開關室風機進行監測，例如在10 kV開關室與GIS開關室各安裝1套軸流風機電氣控制箱，通過溫濕度監測器與傳感器實現控制箱內風機的自動啟動，同時還可以實現開關室內的自動調溫功能。

此外，環境監測內容還包括對SF6開關室進行監測，需要在SF6開關室安裝完整的環境監測系統，該系統由SF6監測系統主機、SF6監測系統變送器以及SF6監測系統風控器組成，能夠實現對SF6氣體監測信號的全面監測。

2.5 智能照明子系統

常規變電站的照明系統主要以普通熒光燈為主，它存在效率低、壽命短以及維護工作量大的缺點，而且它的燈光自控功能無法配合視頻監視系統自動開啟燈光。結合該次設計競賽，智能變電站必須采用綠色低碳照明，并選用合適的光源與燈具，從而提高照明的質量。

2.6 各子系統之間協同聯動

智能輔助控制系統的各個子系統聯系密切且可以協同聯動。一方面，視頻監控子系統可以借助判斷監視對象的狀態獲得遠程操作刀閘及開關的參考依據。另一方面，在視頻、燈光和環境監測等各類型現場設備的共同作用下，能夠對變電站內的異常做出有效預警。各子系統的聯動主要可以實現以下7個功能：1） 環境監測子系統能夠實現對環境數據的實時監測，當監測發現相關信息超過安全上限時，就會在報警的同時啟動相應的子系統并上傳數據。2） 火災報警子系統與消防控制系統之間是聯動的，在檢測到火警信號時能夠向消防系統發送指令，進而由消防系統負責控制火情并將相關實時信息發送給智能輔助控制系統，隨后由智能輔助控制系統采取更詳細的措施進一步控制并解決火情。3） 安全警戒子系統與多數子系統之間建立了聯動，這是由于安全警戒子系統要防范的內容較多，需要根據情況采取不同的控制措施。發現非法闖入時，智能輔助控制系統會根據開關量信號進行判斷，同時借助視頻監控系統獲取信息并采取相應的處理方法。4） 智能變電站燈光控制與視頻監控系統相結合，根據有關的報警事件（消防報警和安防報警等事件）聯動開啟與報警事件相對應區域內的燈光，并能在設定的時間內關閉聯動開啟的燈光。5） 環境控制子系統通常與通風系統進行聯動，在收集環境中的溫濕度信息之后，通過調整通風系統及空調系統來實現對環境的控制。此外，該系統還與火災報警控制子系統進行聯動，出現火災報警時就會隔絕空氣流動。6） 在各方面條件允許的情況下，站內的排水系統和空調系統等也可以執行聯動，聯動之后，該系統可以自動開啟或關閉。7） 預留與現場設備操作的聯動功能。與SCADA的互聯能夠實現對相應位置攝像機的控制，進而實現對整個工程的全程管控。

2.7 無人值守變電站發展趨勢

智能化技術的發展為無人值守變電站的演化帶來了新的可能，在智能化技術的幫助下，站內信息的自動化采集能夠直接反饋給智能輔助控制系統，并下達環境控制和安全管理指令。如果發生失竊或火災等情況，就可以進行初步的處理，并將站內信息上報至中央控制臺[4]。

安防系統未來的發展方向是基于電子安全圍欄周界報警系統與計算機網絡視頻監控的結合；該系統主要包括監控、阻擋以及報警3個內容；電子安全圍欄與錄像硬盤、圖像監控系統進行聯動。安防系統一旦建成后將形成1個有形的防周界入侵探測系統，把入侵者阻擋在周界防區的外圍，可以防止入侵者翻入圍墻進入重點地區進行盜竊和破壞。一旦發生非法侵入，可以通過視頻監控對監控區域內的犯罪分子進行跟蹤并記錄全過程，為公安部門破案提供有力的證據；同時聯動110報警中心，有利于公安人員及時趕到案發現場。

3 結語

隨著計算機網絡技術和視頻通信技術的迅速發展，智能變電站的火災報警系統、安防系統和環境監測等輔助系統必將與智能視頻監控系統及智能自動化系統緊密結合，從而確保無人值守變電站的運行安全。

該文提出了無人值守變電站的設計方案，并優先采用國內領先的智能化新技術、新設備。通過優化設計確定采用先進、可靠、集成且環保的智能設備，從而實現采集變電站視頻、環境、安防以及消防等輔助系統信息數據的功能。并且，智能輔助控制系統還可以根據變電站運行維護的實際需求，實現對變電站輔助系統的實時自動控制、智能調節、在線分析和協同聯動等高級功能。