變電站遠程智能巡檢系統研究與應用

許 飛,唐曙光,劉文濤,成敬周,張玉和

(1.國網浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000；2.華雁智能科技(集團)股份有限公司，四川 成都 610041；3.浙江華云信息科技有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

隨著科技的進步，變電站巡檢技術正向智能化方向發展，變電設備運行的可靠性面臨嚴峻考驗[1]。變電站巡檢作為保障設備安全的基礎性工作，傳統人工巡檢受限于外部環境、個人技術水平的影響，存在漏巡的可能性；巡視人員與設備距離較遠，在惡劣天氣以及事故查找過程中，將對人員的安全性埋下隱患[2-4]。因此，通過有效的技術手段實現對變電站設備的遠程實景巡檢以及故障預報警，已成為當前變電站巡視的重要發展方向[5]。自動化技術及通信技術的普及，為遠程無人值守變電站的建設提供了條件：利用各類傳感器進行數據采集，通過互聯網技術實現數據互聯傳輸，采用人性化的交互界面設計，可使工人足不出戶即可獲取變電站設備信息[6-8]。如國外研發的一款漫游者巡檢系統，采用高清圖像采集設備和紅外成像設備，通過在設備上布置地理信息系統(geographic information system,GIS)模塊和機械臂，實現對變電站的巡檢和維護[9]。新西蘭某電網研發的便攜式可手持防碰撞超聲波傳感器，可實現對變電站的日常運維作業[10]。國內開發的變電站第三代巡檢系統，通過預定軌道和攜帶的傳感器安裝射頻識別標簽，實現了變電站設備的定點巡檢，但能耗相對較高[11]。

本文在對變電站巡檢需求分析的基礎上，采用三層網絡分布式結構進行變電站遠程智能巡檢系統設計，實現對變電站不同設備數圖信息的實時采集、傳輸與保存，以及對設備的遠程監控、對故障的缺陷報警和處理。

1 遠程智能巡檢系統結構設計

1.1 系統需求分析

遠程智能巡檢系統依托于智能化設備和通信功能，可準確采集變電站設備運行情況、時間、地理位置等，并根據運行數據進行設備狀態預判，在設備發生故障時及時作故障報警。通過無線傳輸方式將設備數據上傳至服務器，一旦故障難以排除，由系統執行自我診斷和修復，或尋求人工幫助，從而消除缺陷，保證設備的正常運行。因此，整個遠程智能巡檢系統需要滿足實時、可靠、智能化的需求。

基于此，所開發的系統要求能夠在統一標準基礎上進行數據/圖像獲取，將數據上傳至服務器終端并制定巡檢策略，以實現故障預測和報警；能夠進行設備聯動保護，定位故障點并評估故障危險性和緊迫性，同時給出處理建議，以實現遠程智能化巡檢。系統業務執行流程如圖1所示。

圖1 系統業務執行流程Fig.1 Flowchart of system business execution

1.2 系統結構框架

基于遠程智能巡檢系統的需求分析和業務流程，本文采用.Net Framework 開發平臺和VS2018開發工具進行遠程智能巡檢系統的結構設計。系統采用瀏覽器/服務器(browser/server,B/S)三層網絡分布式結構，分為服務端、應用端以及網絡通信端。服務端采用B/S架構、SSH開發框架、SQL Server2015數據庫軟件。網絡通信端基于ASP.NET 開發的Web服務端口，通過整合第三方庫，實現數據庫和應用終端的信息異步交互。應用端主要為布置在變電站現場的溫度、濕度各類傳感器，電感器、電阻器儀器儀表，以及紅外熱成像儀、可見光攝像儀等。作為系統的核心部分和功能執行者，應用端既可單獨運行，又可集中運行，實現了后臺對各類終端設備的一對一控制和多對一控制。系統B/S結構框架如圖2所示。

圖2 系統B/S結構框架Fig.2 System B/S structural framework

2 系統功能模塊設計

2.1 系統功能結構

根據系統的需求分析和框架設計，將系統分為管理服務子系統、通信模塊、遠程智能監測系統三部分。系統結構功能模塊如圖3所示。

圖3 系統結構功能模塊Fig.3 System structure function module

2.2 管理服務子系統

管理服務子系統主要進行系統和設備信息的初始化設定，制定和啟動巡檢任務，進行巡回記錄查詢、報警信息查詢。系統根據變電站工作人員權限設置用戶登錄口令和虛擬專用網絡(virtual private network,VPN)，賦予不同人員訪問權限；同時，錄入設備基本信息，并關聯智能化設備。根據遠程智能巡檢系統進行狀態監測，一旦設備異常，對缺陷設備進行局部或全面監測和跟蹤，并記錄設備詳細運行情況；將數據傳回服務器，以查詢一次設備、輔助設備和檢測設備報警信息。

管理服務子系統是整個系統的頂層設計。管理服務子系統信息模型如圖4所示。

圖4 管理服務子系統信息模型Fig.4 Information model of management subsystem

圖4中：MS_UserLogin類實現用戶登錄驗證；MS_UserInformation 類主要記錄系統用戶的基本信息，包括姓名、身份、權限；MS_DeviceInformation類記錄設備基本信息和具體運行參數信息，如各類軟硬件信息、功能集；MS_main類作為功能聚合類，現實可用功能，在制造執行系統(manufacturing execution system,MES)中分別定義下載巡檢任務、開始巡檢和數據上傳；MS_Polling類為巡檢方式選擇，包括MS_auto_polling智能自動巡檢模式、MS_manual_polling人工巡檢模式；MS_Report類包括巡檢內容、巡檢狀態報表等；MS_Breakdown類包括各類設備的報警信息和系統報警信息；MS_Time類用于獲取時間信息。

2.3 通信模塊

系統采用WIA網絡設備提供數據實體的通信服務，向應用端和服務器端發送/接收數據，實現兩個對等應用實體的數據單元傳輸[12]。應用端采用Client-Server通信模式，支持動態、非中期單播傳輸模式，采用Publisher-Subscriber通信模式進行應用對象預先配置、周期性數據傳輸，通過Report-Sink通信模式支持緊急事件時的非周期信息傳輸。

B/S接口映射如圖5所示。

圖5 B/S接口映射Fig.5 B/S interface mapping

WIA應用層支持B/S通信服務。由Client端將操作資源、操作動作和內容發送給B/S端口。B/S將接收信息封裝后，通過應用子層的數據傳輸原語將封裝信息和VCR_ID提交給應用子層，按照Client-Server傳輸，并匹配Server端響應信息[13]。

開關柜溫度監測終端與管理子系統應用進程調用B/S接口完成溫度報表更新過程。

開關柜溫度檢測終端遠程寫入檢測信息報表，采用SwitchgearData及子類信息模型生成開關柜檢測信息。由B/S接口查詢原地址與目的地址虛擬通信關系，并封裝檢測信息。將封裝的B/S模式信息傳輸至服務器端WIA應用層進行數據解析，調用REPLY服務響應變更信息。

Publisher-Subscriber信息交互用于變電站智能巡檢系統周期性變更操作。通過Subscribe和Subscribed完成動詞訂閱和取消操作。WIA應用子層提供發布/訂閱(publish/subscribe,P/S)通信服務。在Publisher設備中，卡帶式影像錄放機(video cassette recorder,VCR)列表包括訂閱資源的Publisher數據尋址地址以及Subscriber用戶進程尋址信息，并根據獲取的內容數據制定數據發送時間。Subscriber設備通過VCR與本體用戶對象匹配，并向其發送數據。

2.4 遠程智能監控系統

2.4.1 狀態監測子系統

狀態監測子系統業務流程如圖6所示。

圖6 狀態監測子系統業務流程Fig.6 Flowchart of state cavity measurement subsystem

狀態監測子系統業務流程主要是對變電站設備的智能巡檢。當狀態監測系統接收指令后，檢測設備和儀器開始工作。紅外成像在線分析用于獲得一次設備熱力圖，并定位故障點，上傳異常數據，發出報警信息。SF6密度及微水在線監測對變電站設備中的氣體成分、壓力、密度和溫度數據監測，對超過閾值數據進行報警，并上傳故障數據。避雷器在線監測對避雷器泄漏電流和電阻監測，生成設備運行參數，并對異常數據報警。變壓器監測重點對變壓器油含氣量成分檢測，當某一指標超過預設值時，發出報警。開關柜穩定檢測對開關觸頭、電纜頭位置溫度進行檢測，并對異常數據報警。容性設備絕緣檢測對系統的容性設備、蓄電池和直流屏運行狀況的監測，對異常數據報警。

狀態監測子系統信息模型如圖7所示。

圖7 狀態監測子系統信息模型Fig.7 Information model of state monitoring subsystem

狀態監測子系統數據庫用于緩存監視、測量、預測數據。數據庫中數據主要包括：MonitorDatabase類說明數據庫屬性；InfraredDetectionData類保存紅外成像檢測數據，如溫度參數、紅外特征值等；SF6Data類保存變壓器內SF6含量、氣體壓力、微水量；CapacitiveEquipmentsData類保存變電站電流/電壓互感器、變壓器套管、鐵芯、電容器、避雷器等容性一次設備信息，記錄電容電流、避雷器電阻、系統電壓等數據；ArresterData類記錄避雷器電流信息、阻性電流等；SwitchgearData類記錄開關柜觸頭參數、報警參數；TransformerData類記錄攝像頭裝置信息、變壓器運行視頻數據；AggregateMonitorDatabase類監視大量具有共同特征符合聚類信息；PatrolData類記錄歷史巡檢記錄；ForecastedBreakdown類預測某一段時間下的故障，為報警預測提供依據。

2.4.2 智能輔助子系統

智能輔助子系統對變電站設備進行實時監控。一旦設備發生故障，故障點周邊攝像頭聯動轉向故障點，記錄故障情況，并上傳視頻信息至信息庫。當接收到監控中心控制指令，子系統根據指令信息轉動攝像頭進行手動錄入。當視頻打開時，子系統可根據不同光線強度和溫度打開燈光補償或調解空調運行模式，以提升視頻錄入效果。子系統中布設的溫度、濕度、氣體濃度檢測儀對變電站區域溫度場、濕度場、污染物分布和濃度進行監測，并將數據實時上傳至服務器。

智能輔助子系統數據庫用于實現視頻功能、遠控功能、環境監測和安防功能。遠程智能輔助子系統信息模型如圖8所示。

圖8 智能輔助子系統信息模型Fig.8 Information model of intelligent auxiliary subsystem

由圖8可知，數據庫中包括遠程控制類，即遠控燈光、空調開斷信息，遠控環境監測、安防監控，遠控視頻聯動信息；AuxiliaryEquipment類包括變電站區域視頻數據、監控信息；SecurityProtectionData類記錄變電站安防信息，包括入侵物類型、入侵報警信息；Environment_MonitorData類為變電站溫度、污染物濃度等環境信息。

2.4.3 報警廣播接口

變電站某個設備發生故障時，需要以廣播方式傳播至整個網絡，提醒值班人員注意。對此，系統提供一個報警廣播接口，支持快速、可靠的報警匯報[14]。WIA應用子層提供Report-Sink傳輸模式，以傳感器作為報警節點，將產生的報警數據與應用子層的數據原語提交給用戶子層，并采用Report-Sink傳輸模式支持非周期突發信息傳輸。在環境監測進程調用讀取/保存(read/save,R/S)信息接口完成報警監控，并直接調用WIA應用子層的R/S信息服務去除不需要的動態鏈接資源，然后廣播告知系統內所有設備，提醒協調監視。

3 遠程智能巡檢系統應用

3.1 系統運行環境

系統服務器端操作系統選擇Microsoft Windows 7以上操作系統，II 8.0的Web服務器，瀏覽器為IE 8.0以上版本。系統客戶端包括鏈接網絡的計算機和移動設備，操作系統基于Micorsoft windows 及更高版本。

3.2 功能測試

為便于測試，系統進行硬件平臺的IP地址設置，通過服務器端嵌入式Web服務器掛起，利用客戶端瀏覽器輸入服務器地址登錄服務器。系統登錄界面可輸入賬號、密碼，點擊登錄即可登錄到服務器端。

進入系統主界面后，可以看到系統被劃分為四個功能模塊，分別為巡檢、缺陷、設備、系統管理。每個功能模塊下又有其相應的子模塊的細化分類。客戶端可通過遠程登錄服務器的IP地址進入主頁，再進入系統子頁面。點擊高值電阻鍵，再點擊變壓器1上層油溫，則系統將變壓器上層油溫當前時刻測量值顯示在系統的主界面。同樣地，也可以點擊1#電流互感器絕緣電阻來讀取電流互感器的絕緣電阻測量結果。

系統提供了變電站現場圖像數據采集功能，可分析設備儀器的工作運行狀態。首先，由高清攝像頭和布設的探測點捕捉現場設備儀表的圖像和數據參數；同時，圖像處理系統提供了紅外攝像機來獲得設備的溫度場，并與標定數據比較來判定設備溫度是否正常。然后，將圖像和參數信息一并發送至視頻主程序，使用戶可通過巡檢界面直接查看結果。例如，對某一電抗器進行紅外測溫監控時，可通過系統電抗器遠程端采集電感器不同位置區間的最高、最低溫度以及中間溫度，并通過不同的顏色進行顯著區分。當發現某一相電抗器溫度值超過標定數據值，系統將異常數據上傳并發出語音報警。

系統還可以數據和圖表的形式導出變電站內設備缺陷，如根據設備登記、電壓等級等進行缺陷情況匯總。用戶可以查看不同變電站運行情況，包括缺陷設備、缺陷位置、缺陷內容，缺陷狀態，以及實際巡檢過程中拍攝的缺陷圖片和缺陷處理進程。維保人員根據缺陷狀態作處理，并將成功處理缺陷的實時情況傳遞至后臺管理。

4 結論

變電站遠程智能巡檢系統通過融合監控技術、通信技術、信息處理技術實現對各類輸變電設備的實時感知、遠程監控、智能巡檢。本文根據智能化變電站建設要求，對遠程變電站智能巡檢系統的數據采集模塊、通信模塊、應用管理模塊進行設計，實現了變電站遠程圖數采集和聯動、以及遠程智能巡檢。本文獲得的主要結果如下。

①采用B/S三層網絡分布式結構，構建變電站遠程智能巡控系統：利用數據庫實現對用戶權限、巡檢數據的分類存儲；基于RS-232、RS-485實現子站和主站通信；采用無線傳輸和以太網相結合方式，進行子站和檢測裝置通信；基于Web服務端口，實現數據庫和應用終端的信息異步交互。

②遠程智能巡檢系統可實現實時監控和廣播報警功能。所設計的管理服務子系統可完成對系統平臺的初始化設定、報表查詢等。遠程智能監測模塊可實現預訂時間內對變電站設備儀器的巡檢，保證對設備的狀態監測和遠程故障報警。變電站遠程智能巡檢系統有效實現了變電站遠程圖數采集和聯動，遠程智能巡檢，為構建智能電網全自動化平臺奠定了技術基礎，體現了平臺的應用價值。