新型數字智能變電站監控及巡視系統應用研究

王利民，金枝潔，方 艷，胡明輝，張喜斌，汪健偉

（國網湖北省電力有限公司黃石供電公司，湖北 黃石 435000）

0 引 言

變電站作為連接發電與用電的橋梁，在電網中起到電力能量轉換、調度運行、信息監控等重要作用，而變電站的發展從傳統變電站、綜合自動化變電站到智能變電站，經歷了技術的不斷更新迭代。傳統變電站中，監控系統間隔層的測控裝置根據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，數量非常龐大，從而導致變電站監控系統的建設調試周期和運維工作增加，使變站總投資成本增加，經濟合理性差。此外，傳統變電站監控系統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生故障退出運行，就將直接導致調度主站運行數據缺失，從而影響電網安全運行。由于電力設備無冗余備用，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監控[1]。智能變電站監控系統為電網調度控制中心提供實時監控數據，是智能電網安全、穩定運行的基礎保障。因此，文章研究了新型數字智能變電站監控及巡視系統應用。

1 智能變電站在線監測系統的整體結構

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

1.1 智能變電站綜合能耗監測系統的多層次設計

智能變電站綜合能耗監控系統一般選擇多層次設計，智能變電站綜合能耗監控系統設計分為3 個層次，分別為總體監控、多層次監控和收集模塊。智能變電站綜合能耗監控系統是總體控制，主要是數據采集裝置，負責對子系統數據進行采集、監控和傳輸，將數據上傳到上級數據中心，并將上級數據中心的控制命令發送到裝置。每個電源子系統都有獨立的控制，以保證電源的獨立運行，并且不會由于部分故障而關閉整個集成電源系統。此外，集成電源控制裝置可配置為對所有受控設備進行統一集中控制，使集成電源系統形成整體性。

1.2 監控及巡視系統構成

考慮新型數字智能變電站對全站主輔設備信息數據的需求以及對變電站消防和安全防衛的日益重視，構建的新型數字智能變電站監控及巡視系統主要集成了一次設備在線監測、二次系統在線監測、火災消防、安全防衛、動環監測、智能鎖控以及智能巡視系統，實現一次設備、二次設備及回路在線監測、火災、消防、安全警衛、動力環境的監視以及設備智能巡視功能。其中，變電站分為安全Ⅰ區、安全Ⅱ區及安全Ⅳ區，監控及巡視系統分別接入3個安全分區。變電站常規保護、測控及合并單元、智能終端設備接入安全Ⅰ區；一次設備在線監測、二次系統在線監測、火災消防、安全防衛以及動力環境子系統部署于安全Ⅱ區，信息接入綜合應用服務器，并通過Ⅱ區網關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區時，通過Ⅳ區網關機與主站交互信息；智能巡視子系統部署于安全Ⅳ區，信息接入巡視主機，與集控站智能巡視集中監控系統交互信息；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區與安全Ⅳ區通過正、反向隔離裝置進行互聯[2-5]。

1.3 安全系統監控

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成嚴重威脅。安全系統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，變電站內部安全監控平臺主要分為物理鎖定、入侵自恢復和視頻監控3 種類型，保護變電站免受干擾，但在實際應用中存在一定的缺點。在視頻監控領域，國內的發展起步較晚，主要集中在海康威視、浙江大華技術股份有限公司等知名廠家和科研院所。安全監控系統的監控過程包括模擬監控階段、數字監控階段和網絡監控階段。安全監控系統目前具有電子圍欄和門禁控制，通過光纖連接所有站點，推進智能安全系統建設。變電站采用全球移動通信系統（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）技術設計安全系統，其核心是DVR 設備，即硬盤錄像機，可以為變電站監控中心提供實時監控，并在變電站發生異常事件或事故時提供有效的數據支撐。物聯網技術的興起為智能安防監控系統帶來了新的機遇。在物聯網技術的基礎上，支持3G、4G、5G 無線局域網等通信和遠程報警手段來滿足變電站環境信息的感知，主要應用物聯網感知技術、云計算技術、智能視頻分析以及“互聯網+”技術等，提高智能變電站的安全監控水平，為智能變電站提供可靠的保護。

1.4 城市公司和維修公司

部署輔助設備監控系統服務器和軟件系統，實現對受管轄的變電站輔助設備的采集、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備監控系統的控制網絡數據交換機。部署變電站綜合信息處理系統的服務器和軟件系統，以實現接收、監控、錄像請求以及遠程控制變電站操作和維護許可管理。轉換信息處理集成系統是轉換信息處理集成模塊項目中的一個獨立項目。部署監控工作站、遠程視頻監控、視頻錄制請求以及客戶端遠程控制設備。部署綜合數據網絡交換機，用于公司綜合信息處理系統轉換網絡。

2 監控及巡視系統配置

2.1 二次系統在線監測

二次系統在線監測主要實現二次設備狀態在線監視、網絡報文分析、二次虛回路在線監視、過程層光纖回路在線監視以及二次回路故障智能診斷等功能，還可以實現采集保護裝置、安全自動裝置、測控裝置、過程層設備以及Ⅰ區交換機等二次設備的狀態數據、端口連接狀態、采樣信息的通信服務/面向通用對象的變電站事件（Sampled Value/Generic Object Oriented Substation Event，SV/GOOSE）報文和制造信息規范（Manufacturing Message Specification，MMS）報文等功能。二次系統在線監測具備二次設備溫度、電源電壓、過程層端口發送/接收光強和保護光纖縱聯通道光強監測功能，并且可以進行可視化展示，具備通信過程分析、網絡狀態診斷、報文一致性檢查、異常情況告警等報文分析功能。同時，顯示回路狀態異常時的細節信息，如其所在邏輯鏈路狀態、相關聯軟壓板狀態，對應網絡報文狀態等二次虛回路在線監視功能。另外，根據裝置的光纖端口監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視功能，能輔助定位故障點或故障區域，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

傳統監控系統的間隔層設備無備用，設備的運行狀態一旦出現故障或者異常的情況，其電氣間隔就會失去測控功能，而且設備的恢復速度取決于人工的修復速度。即使在有備用設備的情況下，由于要進行裝置配置文件或者參數的重新設定和實驗，通常需要數小時的修復時間。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，建設成本明顯過高，不具有推廣應用價值。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上實現熱備用和在線無縫切換。將間隔測控功能的失效恢復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 智能變電站在線監測系統的設計

智能變電站監控系統負責收集整個變電站設備產生的運行參數。同時，測量全站設備產生的運行參數，并監測和記錄整個變電站設備的運行狀態，以防變電站主要設備的輸出和配電線路出現故障。例如，一級設備的開關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，等待主控制站發出的指令執行。智能變電站在線監控系統包括對變電站設備參數進行數據采集，并分類采集到的數據，及時處理采集到的數據和需要存儲的數據，充分利用輔助功能進行決策分析，實現最佳的監控和安全控制。此外，智能變電站在線監控系統可以根據變電站內的數據進行操作和管理，并在人與機器接觸時支持智能變電站的在線監控系統。該系統由同步功能模塊組成。此外，智能變電站監控系統應完成對普通變電站的監控，并收集變電站設備的數據。有效集成來自視頻和在線監控等眾多子系統的數據，并采集環境監測和智能變電站實時在線監控系統的數據，滿足實時網絡分析輔助管理解決方案，運行狀態可滿足可視化標準。變電站視頻監控對象的傳輸通道在變電站綜合電力監控系統中，主要有以下幾種傳輸方式。

（1）在傳輸過程中控制以太網傳輸通道。以太網傳輸通道在傳輸監控中對系統網絡和光纖設備有很高的要求。如果系統的網絡建設水平和光纖設備不符合標準，則會導致變電站產生的聲音和圖像信息無法通過以太網從監控主機加載到主監控區域。此外，在這種監控傳輸方式下，智能變電站綜合電源監控系統中的各種數據必須通過以太網傳輸。

（2）監控以太網傳輸通道的2 Mb/s 傳輸。在監控信道以太網傳輸模式下，許多相應的變電站設備需要有2 Mb/s 的標準接口，才能將變電站產生的聲音和圖像通過2 Mb/s 的以太網傳輸信道傳輸，并上傳到監控中心，然后監控中心將圖像信息和通過2 Mb/s的以太網傳輸信道下載的各種數據進行整合和匯總。最后，數據以統一的方式傳輸到交換機設備。

（3）監控傳輸中的光學模擬信道。在監控傳輸模式下的模擬光纖傳輸中，系統收集的圖像數據可以通過光纖傳輸到控制中心，無須任何處理。

4 變電站監控系統的調試要點

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

5 結 論

文章對新型數字智能變電站監控及巡視系統進行了研究，將一次、二次設備在線監測、消防、安防、鎖控以及巡視等各子系統集成應用，并提出各前端設備配置方案和終端設備數據傳輸方案，全面保障變電站運行安全，實現變電站設備狀態全面感知、安全防衛全面強化、智能巡視全方位覆蓋。