变电站预警联动监控平台的设计

文｜ 南京天溯自动化控制系统有限公司 杨 毅

南京师大建筑工程设计研究院 王 松

1 前言

随着电力行业的不断发展，电力部门所辖变电站/所逐步向无人值守方向发展，提高了经济效益和管理水平；目前视频监控己开始应用于变电站/所的监控，传统的“四遥”扩展为“五遥”，即增加了“遥视”功能。但是，现有电力监控系统存在诸多问题，如视频监控与电力监控（SCADA）相互独立，电力系统与其他辅助模块、设备或系统互相独立，信息无法共享，自动化水平较低，报警信息单一，特别是对电网消费侧用电设备的保护不够，业已成为智能电网亟需解决的问题。本文针对无人值守变电站/所存在的问题，在监控平台基础上，设计了变电站辅助专家控制系统（以下简称辅控系统），实现了变电站的预警和联动保护功能，提高了电网供电品质及用电设备的安全保障。

2 预警联动监控平台的系统结构

辅控系统集成了计算机、网络通信、数字编解码、模式识别、红外线、离子感烟等技术，通过各种探测器收集变电站的环境信息及设备运行工况，实现预警联动保护功能，自动判断、评估突发状况的紧迫性及危险性，按照预案自动处理，并把信息上传调度中心；在发生严重影响电力设备正常运行的状况时，启动应急预处理程序，同时向调度中心和相关用户告警，传送现场图像、声音及其他信息，并给出处理建议，供调度人员和相关用户参考。

预警联动监控平台主要由中心服务器、联动服务器、前置服务器、各类远程采集/控制终端组成，采用分布式架构（如图1所示）。中心服务器提供了各子系统的统一调控平台，以达到资源共享的目的，并对各子系统进行统一管理、认证和授权，保证系统的安全性。

3 预警联动监控平台的关键技术

3.1 视频组播与网络质量保证技术

传统的IP视频监控系统的工作模式是：在系统中设置一个媒体转发服务器，在网络客户端请求某摄像机视频时，由媒体转发服务器以点对点单播方式（如图2所示）把相应的视音频流转发给该客户端；多客户请求某一特定摄像机视频时，媒体转发服务器需逐一为请求客户端分发视音频流。当某变电站摄像机所辖范围内出现异常状况时，将瞬间形成多客户端同时查看某路摄像机视频的需求；如果并发的查询过多，采用单播模式的系统势必遭遇媒体转发服务器的大量资源被占用、网络负担剧增，从而影响变电站网络上其他数据的传送。

预警联动监控平台采用图3所示的IP组播技术转发视音频流，系统中的每一台智能IP网络摄像机（自带编码器，以下简称网络摄像机）均为组播源，监控图像通过RJ45接口接入位于变电站的网络交换机。组播分发时，网络摄像机只需发送一路实时视频流到网络上，视频流在尽可能远的分叉路口才进行复制和分发——无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条链路上只传送一路媒体流的数据包。在这种数据分发方式下，一旦网络交换机发现客户端调看实时视频图像的请求，立即在离该客户端最近的节点把实时数据流复制并转发至该客户端；如果网络中没有任何客户端请求视频，则不进行转发。因此，得以在组播中大幅节省网络带宽，减少了整个变电站电力网络的带宽与负载，也减少了网络拥塞的发生。

变电站监控视频直接接入电力网络，因此网络中既有电网监控数据，也有视音频流数据。客户端查看视音频的实时性要求较高，这就要求电力网络拥有足够的带宽，另一方面也需要引入QoS（网络质量保证）技术来满足各种业务的不同服务要求。在视频监控系统中，网络摄像机在生成的视音频流中设置QoS标记（1～3级），根据QoS优先级的不同提供不同级别的转发服务。在变电站的视频流和电力数据流共用电力网络带宽的情况下，QoS机制使得网络信息的传输更加稳定、可靠，带宽得到充分有效的利用。

视频监控采用H.264（有时也称为MPEG-4 Part10/AVC）视频压缩技术，图像分辨率可达到704×576。在不影响图像质量的情况下，与采用Motion JPEG和MPEG-4 Part 2标准相比，采用H.264编码可使录像文件的大小减少50%以上。对录像文件进行大比例压缩带来的直接好处是：能够显著减少变电站监控中心的数据存储空间开销，节省变电站电力系统网络的带宽。

3.2 SCADA与视频预警联动的集成

建立无人值守变电站/所的安全监控体系，需将监视系统、环境监控系统、防盗系统、消防系统、报警系统和远程控制系统有机结合，从而提高无人值守变电站/所的监控便利性和设备的安全保障。

（1）视频接入

前端视频采集装置主要是网络摄像机。由于网络摄像机自带编码、压缩功能，现场可不使用硬盘录像机或安装采集卡，只须把视频接入变电站现场的网络交换机即可。如图4所示。

图4 视频接入示意图

视频监控采用了组播及QoS技术，可以保证后台监控画面的流畅性、联动的实时性、控制的可靠性。

（2）SCADA与视频监控的集成

视频监控与SCADA系统可安装于同一台计算机上，也可安装在不同的计算机上，通过监控平台集成。

（3）SCADA与视频预警联动的集成

辅控系统中接入的安全警卫、火灾报警、采暖通风、环境安全监控等子系统或模块，通过SCADA系统的前置通信管理机（以下简称前置机）接入，消除了传统的硬盘录像机或监控主机接入开关量、模拟量信号的局限性；其他设备也可方便地通过前置机扩展规约模块接入。预警联动监控平台则由辅控系统与监控平台集成。

3.3 预警联动技术

预警联动监控平台与传统监控平台相比最大的区别就是建立了预警联动机制，能够对所有监控子系统进行统一监控与管理，判断、评估突发状况的紧迫性及危险性，自动启动事故处理程序，向调度中心和相关用户告警、传送现场信息，并支持调度人员和相关用户作出最终决策。系统在原有监控平台上引入Python脚本，建立了一套灵活的系统联动机制，支持客户根据现场需求修改联动规则，以适应多变的联动业务场景。

IronPython和.Net框架集无缝集成，由PythonEngine脚本引擎实现脚本动态加载和运行，完成脚本和宿主语言的交互，达到流程控制的目的。

使用该平台可轻松实现系统联动。例如，当红外探测器的信号发生变化时，信号通过前置机上传至SCADA系统，由IronPython脚本判断信号量状态，并根据预定义的联动规则判断是否需要联动、如何联动；如符合联动规则，则通过调用通用函数库中的接口函数实现声、光报警并启动视频监控软件，把该信号量对应的摄像机编号、联动控制信息传至视频监控软件，由视频监控软件根据已定义的预置点转动云台、驱动镜头对焦、启动临时录像（可配）、定时关闭监控/录像（可配）、上传重要图片等。又如，当子系统或模块上传的数据产生突变时，由IronPython脚本根据联动规则判断是否需要联动，如符合联动规则，则通过IronPython将视频软件启动，并把该模拟量数据对应的摄像机编号及联动控制信息发送至视频监控软件，由视频监控软件做相应操作。在实现各种联动的同时，系统也可通过短信服务器把现场告警信息发送给变电站相关领导或负责人，以便了其解最新信息。该联动流程如图5所示。

图5 对应的实例代码如下：

（1）宿主程序如下：

“namespace NTSIronPython

{

public partial class NTSForm : Form

{

public NTSForm ()

{

InitializeComponent();

}

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)

{

PythonEngine scriptEngine = new PythonEngine();

scriptEngine.DefaultModule.Globals["EventId"] = m_EventId;

scriptEngine.AddToPath(Application.StartupPath);

scriptEngine.Execute(txtScript.Text);

}

}

}”

（2）公共流程控制函数库如下：

“namespace NTSIronPython_Dll

{

public class NTSDll

{

public static void VideoAct(int Id)

{

……

}

public static void SendSms(string strSms)

{

……

}

}

}”

（3）IronPython脚本如下：

“import clr

clr.AddReferenceByPartialName("Syst em.Windows.Forms")

clr.AddReferenceByPartialName("Syst em.Drawing")

clr.AddReferenceToFile("NTSIronPyth on_Dll.dll")

from NTSIronPython_Dll import *

if( EventID = EVENT_ID_DEF) :

{

NTSDll.VideoAct(1)

NTSDll.SendSms(“有人入侵”);

}”

“PythonEngine scriptEngine = new PythonEngine()”语句用于创建DLR（动态语言运行时）运行环境，通过“ScriptScope”构建执行上下文，其中保存了环境及全局变量，宿主（Host）通过创建不同的ScriptScope来提供多个数据隔离的执行上下文。

图5 视频与SCADA系统交互流程图

“scriptEngine.DefaultModule.Globals["EventId"] = m_EventId”语句采用ScriptScope在 Host和“ScriptRuntime” 间传递数据，提供Host与DLR对象成员的互操作接口。“scriptEngine.Execute(txtScript.Text)”语句编译并执行动态脚本。脚本引擎将源代码编译成“CompiledCode”，这样多次执行就无需重复编译，可提高软件整体执行性能。通用函数库是外设控制通用接口，主要包括视频操作（VideoAct）、短信操作（SendSms）、门禁 操 作（AccessControlAct）、 安 防 操 作（SecurityAct）等接口——通过这些接口可实现系统对外设的基本控制。IronPython脚本是真正实现联动逻辑的环节，通过ScriptScope达到和宿主程序共享数据的目的，加以业务逻辑判断，调用通用函数库操作对象实现业务联动机制。本系统联动控制部分采用了该脚本进行特效处理，使系统完全实现了定制，并且接口丰富，应对能力极强。

4 结束语

变电站实现智能化远程监控管理后，应用状态检测技术，通过监测、预警和控制三种手段，可第一时间发现设备缺陷，减少停电损失；凭借安全警卫技术、图像监控技术、环境监控及门禁系统相结合，实现防盗、防灾害；通过照明、采暖、通风的自动控制，节约能源，维护设备安全，从而解决变电站安全运营的“在控”、“可控”等问题，符合国家电网公司“两型一化”和“全寿命周期”的指导思想，是落实科学发展观、推进电网发展建设的一项重要举措，存在广泛的应用价值。

1 张海霞.一种新型控制技术——PCC在水电站中的应用.武汉科技学院学报，2005（8）

2 张俊勇.基于DTC技术的交流电机控制方法研究.机械与电气，2009（5）

3 覃金库.新形势下变电站综合自动化系统应用优势.广西电业，2009（8）

4 王卫斌.变电站空调系统自动控制节能研究.华东电力，2009（5）

5 侯志炜.如何应用自动化技术实现变电站现代化管理.中国高新技术企业，2008

6 张伟峰.新一代变电站自动化监控系统的应用.应用能源技术，2008（9）

7 邓世杰.采用现代工控技术实现变电站辅助系统自动控制.宁夏电力，2007（4）

8 丁代勇.基于IEC 61850的MMS客户端软件的设计与实现.继电器，2007（8）

9 全球IP通信联盟.深度融合——IP网络技术在园区监控中的应用.2010