王利民，金枝潔，方 艷，胡明輝，張喜斌，汪健偉

（國(guó)網(wǎng)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(fā)電與用電的橋梁，在電網(wǎng)中起到電力能量轉(zhuǎn)換、調(diào)度運(yùn)行、信息監(jiān)控等重要作用，而變電站的發(fā)展從傳統(tǒng)變電站、綜合自動(dòng)化變電站到智能變電站，經(jīng)歷了技術(shù)的不斷更新迭代。傳統(tǒng)變電站中，監(jiān)控系統(tǒng)間隔層的測(cè)控裝置根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)均要求按間隔配置，電壓等級(jí)越高的變電站，間隔層需要的測(cè)控裝置數(shù)量也越多。以典型的500 kV變電站為例，大約有45 ～65 臺(tái)測(cè)控裝置投入使用，數(shù)量非常龐大，從而導(dǎo)致變電站監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)調(diào)試周期和運(yùn)維工作增加，使變站總投資成本增加，經(jīng)濟(jì)合理性差。此外，傳統(tǒng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)中的間隔層裝置一般不采用雙重化配置，間隔測(cè)控裝置一旦發(fā)生故障退出運(yùn)行，就將直接導(dǎo)致調(diào)度主站運(yùn)行數(shù)據(jù)缺失，從而影響電網(wǎng)安全運(yùn)行。由于電力設(shè)備無(wú)冗余備用，故障切除后需要一段時(shí)間才能夠正常投入工作，嚴(yán)重影響變電站連續(xù)監(jiān)控[1]。智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)為電網(wǎng)調(diào)度控制中心提供實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，是智能電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。因此，文章研究了新型數(shù)字智能變電站監(jiān)控及巡視系統(tǒng)應(yīng)用。

1 智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

目前，我國(guó)智能變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要分為3 個(gè)方面，分別是變電站前端信號(hào)采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控中心系統(tǒng)。智能變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)工作主要采用硬件壓縮和軟件解壓縮2 種技術(shù)手段，對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)建立圖像監(jiān)控工作站，利用網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，可以有效地防止網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象。監(jiān)控中心系統(tǒng)的功能主要是分析現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，及時(shí)識(shí)別出問(wèn)題，并制定應(yīng)對(duì)策略。

1.1 智能變電站綜合能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多層次設(shè)計(jì)

智能變電站綜合能耗監(jiān)控系統(tǒng)一般選擇多層次設(shè)計(jì)，智能變電站綜合能耗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為3 個(gè)層次，分別為總體監(jiān)控、多層次監(jiān)控和收集模塊。智能變電站綜合能耗監(jiān)控系統(tǒng)是總體控制，主要是數(shù)據(jù)采集裝置，負(fù)責(zé)對(duì)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)控和傳輸，將數(shù)據(jù)上傳到上級(jí)數(shù)據(jù)中心，并將上級(jí)數(shù)據(jù)中心的控制命令發(fā)送到裝置。每個(gè)電源子系統(tǒng)都有獨(dú)立的控制，以保證電源的獨(dú)立運(yùn)行，并且不會(huì)由于部分故障而關(guān)閉整個(gè)集成電源系統(tǒng)。此外，集成電源控制裝置可配置為對(duì)所有受控設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一集中控制，使集成電源系統(tǒng)形成整體性。

1.2 監(jiān)控及巡視系統(tǒng)構(gòu)成

考慮新型數(shù)字智能變電站對(duì)全站主輔設(shè)備信息數(shù)據(jù)的需求以及對(duì)變電站消防和安全防衛(wèi)的日益重視，構(gòu)建的新型數(shù)字智能變電站監(jiān)控及巡視系統(tǒng)主要集成了一次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、二次系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)、火災(zāi)消防、安全防衛(wèi)、動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)、智能鎖控以及智能巡視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備、二次設(shè)備及回路在線監(jiān)測(cè)、火災(zāi)、消防、安全警衛(wèi)、動(dòng)力環(huán)境的監(jiān)視以及設(shè)備智能巡視功能。其中，變電站分為安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)及安全Ⅳ區(qū)，監(jiān)控及巡視系統(tǒng)分別接入3個(gè)安全分區(qū)。變電站常規(guī)保護(hù)、測(cè)控及合并單元、智能終端設(shè)備接入安全Ⅰ區(qū)；一次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、二次系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)、火災(zāi)消防、安全防衛(wèi)以及動(dòng)力環(huán)境子系統(tǒng)部署于安全Ⅱ區(qū)，信息接入綜合應(yīng)用服務(wù)器，并通過(guò)Ⅱ區(qū)網(wǎng)關(guān)機(jī)與集控站交互信息；當(dāng)集控站尚未建成的過(guò)渡期，且運(yùn)維主站部署在Ⅳ區(qū)時(shí)，通過(guò)Ⅳ區(qū)網(wǎng)關(guān)機(jī)與主站交互信息；智能巡視子系統(tǒng)部署于安全Ⅳ區(qū)，信息接入巡視主機(jī)，與集控站智能巡視集中監(jiān)控系統(tǒng)交互信息；當(dāng)集控站尚未建成的過(guò)渡期，站端信息與運(yùn)維主站交互信息；安全Ⅱ區(qū)與安全Ⅳ區(qū)通過(guò)正、反向隔離裝置進(jìn)行互聯(lián)[2-5]。

1.3 安全系統(tǒng)監(jiān)控

變電站容易受到外部損壞，不僅嚴(yán)重影響正常供電，而且對(duì)人們的生命構(gòu)成嚴(yán)重威脅。安全系統(tǒng)的傳感器控制級(jí)別包括聲光報(bào)警器、紅外雙探測(cè)器、紅外探測(cè)器、應(yīng)急報(bào)警按鈕、門(mén)禁控制器、電子圍欄以及報(bào)警控制器。目前，變電站內(nèi)部安全監(jiān)控平臺(tái)主要分為物理鎖定、入侵自恢復(fù)和視頻監(jiān)控3 種類型，保護(hù)變電站免受干擾，但在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的缺點(diǎn)。在視頻監(jiān)控領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的發(fā)展起步較晚，主要集中在?？低?、浙江大華技術(shù)股份有限公司等知名廠家和科研院所。安全監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控過(guò)程包括模擬監(jiān)控階段、數(shù)字監(jiān)控階段和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控階段。安全監(jiān)控系統(tǒng)目前具有電子圍欄和門(mén)禁控制，通過(guò)光纖連接所有站點(diǎn)，推進(jìn)智能安全系統(tǒng)建設(shè)。變電站采用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile communications，GSM）無(wú)線模塊與移動(dòng)電話進(jìn)行通信，該功能可以為操作維護(hù)和技術(shù)人員提供實(shí)時(shí)安全警報(bào)。一些變電站采用各種硬盤(pán)錄像機(jī)（Digital Video Recorder，DVR）技術(shù)設(shè)計(jì)安全系統(tǒng)，其核心是DVR 設(shè)備，即硬盤(pán)錄像機(jī)，可以為變電站監(jiān)控中心提供實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在變電站發(fā)生異常事件或事故時(shí)提供有效的數(shù)據(jù)支撐。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起為智能安防監(jiān)控系統(tǒng)帶來(lái)了新的機(jī)遇。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，支持3G、4G、5G 無(wú)線局域網(wǎng)等通信和遠(yuǎn)程報(bào)警手段來(lái)滿足變電站環(huán)境信息的感知，主要應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、智能視頻分析以及“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)等，提高智能變電站的安全監(jiān)控水平，為智能變電站提供可靠的保護(hù)。

1.4 城市公司和維修公司

部署輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)受管轄的變電站輔助設(shè)備的采集、演示、存儲(chǔ)、歷史查詢和操作許可管理、警報(bào)以及通信等操作。部署用于城市公司和維修公司輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換機(jī)。部署變電站綜合信息處理系統(tǒng)的服務(wù)器和軟件系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)接收、監(jiān)控、錄像請(qǐng)求以及遠(yuǎn)程控制變電站操作和維護(hù)許可管理。轉(zhuǎn)換信息處理集成系統(tǒng)是轉(zhuǎn)換信息處理集成模塊項(xiàng)目中的一個(gè)獨(dú)立項(xiàng)目。部署監(jiān)控工作站、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、視頻錄制請(qǐng)求以及客戶端遠(yuǎn)程控制設(shè)備。部署綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，用于公司綜合信息處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。

2 監(jiān)控及巡視系統(tǒng)配置

2.1 二次系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)

二次系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)主要實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析、二次虛回路在線監(jiān)視、過(guò)程層光纖回路在線監(jiān)視以及二次回路故障智能診斷等功能，還可以實(shí)現(xiàn)采集保護(hù)裝置、安全自動(dòng)裝置、測(cè)控裝置、過(guò)程層設(shè)備以及Ⅰ區(qū)交換機(jī)等二次設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、端口連接狀態(tài)、采樣信息的通信服務(wù)/面向通用對(duì)象的變電站事件（Sampled Value/Generic Object Oriented Substation Event，SV/GOOSE）報(bào)文和制造信息規(guī)范（Manufacturing Message Specification，MMS）報(bào)文等功能。二次系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)具備二次設(shè)備溫度、電源電壓、過(guò)程層端口發(fā)送/接收光強(qiáng)和保護(hù)光纖縱聯(lián)通道光強(qiáng)監(jiān)測(cè)功能，并且可以進(jìn)行可視化展示，具備通信過(guò)程分析、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)診斷、報(bào)文一致性檢查、異常情況告警等報(bào)文分析功能。同時(shí)，顯示回路狀態(tài)異常時(shí)的細(xì)節(jié)信息，如其所在邏輯鏈路狀態(tài)、相關(guān)聯(lián)軟壓板狀態(tài)，對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文狀態(tài)等二次虛回路在線監(jiān)視功能。另外，根據(jù)裝置的光纖端口監(jiān)測(cè)信息和邏輯鏈路告警信息進(jìn)行物理鏈路故障定位等過(guò)程層光纖回路在線監(jiān)視功能，能輔助定位故障點(diǎn)或故障區(qū)域，給出提示信息，并在圖上進(jìn)行明顯的標(biāo)識(shí)。

2.2 間隔層測(cè)控功能的熱備用

傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的間隔層設(shè)備無(wú)備用，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)一旦出現(xiàn)故障或者異常的情況，其電氣間隔就會(huì)失去測(cè)控功能，而且設(shè)備的恢復(fù)速度取決于人工的修復(fù)速度。即使在有備用設(shè)備的情況下，由于要進(jìn)行裝置配置文件或者參數(shù)的重新設(shè)定和實(shí)驗(yàn)，通常需要數(shù)小時(shí)的修復(fù)時(shí)間。雖然測(cè)控裝置雙重化方案曾進(jìn)行過(guò)一些試點(diǎn)，但每一個(gè)間隔均須額外增加一套測(cè)控裝置，建設(shè)成本明顯過(guò)高，不具有推廣應(yīng)用價(jià)值。采用間隔層集群測(cè)控裝置后，能夠完全解決備用問(wèn)題，同時(shí)在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)熱備用和在線無(wú)縫切換。將間隔測(cè)控功能的失效恢復(fù)時(shí)間由小時(shí)級(jí)縮短到秒級(jí)，最短的異常切換時(shí)間不到12 s，這將大幅縮減停電時(shí)間。

3 智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集整個(gè)變電站設(shè)備產(chǎn)生的運(yùn)行參數(shù)。同時(shí)，測(cè)量全站設(shè)備產(chǎn)生的運(yùn)行參數(shù)，并監(jiān)測(cè)和記錄整個(gè)變電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以防變電站主要設(shè)備的輸出和配電線路出現(xiàn)故障。例如，一級(jí)設(shè)備的開(kāi)關(guān)和斷路器可以及時(shí)記錄和提供故障信息，及時(shí)將故障信息上傳到主控制站，等待主控制站發(fā)出的指令執(zhí)行。智能變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)包括對(duì)變電站設(shè)備參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并分類采集到的數(shù)據(jù)，及時(shí)處理采集到的數(shù)據(jù)和需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，充分利用輔助功能進(jìn)行決策分析，實(shí)現(xiàn)最佳的監(jiān)控和安全控制。此外，智能變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和管理，并在人與機(jī)器接觸時(shí)支持智能變電站的在線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由同步功能模塊組成。此外，智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)完成對(duì)普通變電站的監(jiān)控，并收集變電站設(shè)備的數(shù)據(jù)。有效集成來(lái)自視頻和在線監(jiān)控等眾多子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并采集環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能變電站實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，滿足實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)分析輔助管理解決方案，運(yùn)行狀態(tài)可滿足可視化標(biāo)準(zhǔn)。變電站視頻監(jiān)控對(duì)象的傳輸通道在變電站綜合電力監(jiān)控系統(tǒng)中，主要有以下幾種傳輸方式。

（1）在傳輸過(guò)程中控制以太網(wǎng)傳輸通道。以太網(wǎng)傳輸通道在傳輸監(jiān)控中對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和光纖設(shè)備有很高的要求。如果系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)水平和光纖設(shè)備不符合標(biāo)準(zhǔn)，則會(huì)導(dǎo)致變電站產(chǎn)生的聲音和圖像信息無(wú)法通過(guò)以太網(wǎng)從監(jiān)控主機(jī)加載到主監(jiān)控區(qū)域。此外，在這種監(jiān)控傳輸方式下，智能變電站綜合電源監(jiān)控系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)必須通過(guò)以太網(wǎng)傳輸。

（2）監(jiān)控以太網(wǎng)傳輸通道的2 Mb/s 傳輸。在監(jiān)控信道以太網(wǎng)傳輸模式下，許多相應(yīng)的變電站設(shè)備需要有2 Mb/s 的標(biāo)準(zhǔn)接口，才能將變電站產(chǎn)生的聲音和圖像通過(guò)2 Mb/s 的以太網(wǎng)傳輸信道傳輸，并上傳到監(jiān)控中心，然后監(jiān)控中心將圖像信息和通過(guò)2 Mb/s的以太網(wǎng)傳輸信道下載的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和匯總。最后，數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的方式傳輸?shù)浇粨Q機(jī)設(shè)備。

（3）監(jiān)控傳輸中的光學(xué)模擬信道。在監(jiān)控傳輸模式下的模擬光纖傳輸中，系統(tǒng)收集的圖像數(shù)據(jù)可以通過(guò)光纖傳輸?shù)娇刂浦行?，無(wú)須任何處理。

4 變電站監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試要點(diǎn)

變電站監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)控設(shè)備主要有調(diào)試板配置和五邏輯防鎖。調(diào)試板配置是設(shè)備調(diào)試器在安裝測(cè)量和控制設(shè)備后，根據(jù)電信、遙測(cè)和遠(yuǎn)程控制功能配置控制軟件，設(shè)備出廠前將對(duì)設(shè)備卡進(jìn)行初始配置，然后將調(diào)試器安裝到位后再對(duì)卡進(jìn)行初始配置功能進(jìn)行第二次調(diào)試，以確保其符合實(shí)際要求。五邏輯防鎖是變電站監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯，防止故障操作，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)異常信息執(zhí)行操作，造成變電站運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié) 論

文章對(duì)新型數(shù)字智能變電站監(jiān)控及巡視系統(tǒng)進(jìn)行了研究，將一次、二次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、消防、安防、鎖控以及巡視等各子系統(tǒng)集成應(yīng)用，并提出各前端設(shè)備配置方案和終端設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸方案，全面保障變電站運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備狀態(tài)全面感知、安全防衛(wèi)全面強(qiáng)化、智能巡視全方位覆蓋。