500 kV变电站集中监控模式的指挥策略及系统设计

申晓杰, 廖 华, 袁卫义

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司南宁监控中心，南宁 530029)

随着南方电网公司《关于印发全面推进南方电网调控一体化工作方案的通知》和超高压公司《500 kV交流变电站集中监控工作方案》的提出，南宁监控中心将由原来只接入南宁、百色局5个变电站的模式，变成集群接入广西境内20个站点的集中监控模式。500 kV变电站集中监控模式给南宁监控中心的指挥和监控带来了一些问题，如监视子系统的冗余、变电站和监控中心数据交互不统一等。另外，在无人值班变电站的情况下，现有系统无法满足监控中心工作人员的第一时间视角实景的要求以及现场作业人员与后方专家实时联系的要求，影响事故处理和应急指挥。因此，研究基于500 kV变电站集中监控模式的指挥策略及系统设计具有重要意义。

目前，一些学者对变电站的监控进行了一些研究，研究内容主要包括变电站监控系统的设计[1-6]和变电站监控信息的分析与处理[7-12]。关于变电站监控系统的设计，文献[1]采用组件模型技术对变电站监控及预测软件进行设计，满足了电力系统智能化报警、电压无功控制等方面的要求；文献[2]对智能变电站一体化监控系统的架构、功能进行设计，对一体化监控系统进行了重点研究；文献[3]对智能变电站二次系统的结构特点进行分析，并对系统设计和工程应用进行了研究；文献[4]介绍了一种基于云服务的变电站监测系统的开发与应用，详细设计了该系统的结构与功能；文献[5]研究了一种高效的、常用的变电站自动化系统软件包，并将其配置在一高压变电站中，表现出了较高的可靠性；文献[6]总结了目前几种典型的不同电压等级智能变电站的测控实现方案，并对比分析其优缺点。关于变电站监控信息的分析与处理，文献[7]对500 kV变电站实际谐振数据，采用希尔伯特-黄变换和小波变换方法进行对比分析，总结了500 kV变电站实际谐振谐波成分的幅频特性；文献[8]提出了一种基于信息流传输时延、丢包率和各信息流QoS要求的智能变电站信息流可靠性评估模型；文献[9]基于变电站监控信息基础数据库和台账库，建立二者之间松耦合的信息解析机制并实现数据库之间的数据交互；文献[10]借助最小二乘模型和有限加窗过滤实现了变电站监控信号的压缩和优化优先级上报；文献[11]针对变电站光纤通信设计了一种新的最优节点选取模型；文献[12]在通信网络体系结构中对变电站监控信息名称和通信协议进行了改进的粒子群算法优化，得到了变电站监控信息的全局最优通信路径，实现了轻量级信息表示和精度分析的目的。

上述文献均未考虑在500 kV变电站集中监控模式下变电站和监控中心数据交互不统一的问题，也未考虑在这种监控模式下如何进行现场作业交互和应急指挥管理。文中针对500 kV变电站集中监控模式的扩大给南宁监控中心带来的问题，提出了基于500 kV变电站集中监控模式的指挥策略和系统设计方案。

1 生产指挥策略

在500 kV变电站集中监控模式下，为提高监控中心对现场作业的管控，提高应急指挥的效率，保障系统的安全稳定运行，提出了在正常、故障、检修和应急四种条件下的指挥策略。

1.1 正常运行条件下的指挥策略

正常运行条件下的指挥策略可分为监控中心电气倒闸操作和受控站设备自行操作两种情况，其操作流程分别如图1、图2所示。

图1 监控中心电气倒闸操作流程Fig.1 Electrical switching operation process of monitoring center

图2 受控站设备自行操作流程Fig.2 Controlled station equipment self-operating process

监控中心电气倒闸操作流程涉及调度、监控中心和受控站三个层次，需要由调度下令给监控中心，监控中心进行任务分解，直接对受控站设备进行远方操作或者转令给受控站进行操作，受控站操作后需要向监控中心反馈。监控中心进行远方操作时，需要借助监控系统实时查看操作开关、刀闸的状态。

受控站设备自行操作同样可能涉及调度、监控中心和受控站三个层次。受控站设备自行操作需要根据情况向监控中心、调度逐级申请，操作结束后还需要根据情况逐级汇报。

通过上述指挥策略，可实现在正常运行条件下对操作开关、刀闸等设备的监视、远方操作及受控站设备自行操作的高效管控，实现调度、监控中心和受控站的三层协同运行，保障系统的正常运行。

1.2 故障条件下的指挥策略

故障条件下的指挥策略如图3所示。

图3 故障条件下的指挥策略流程Fig.3 Command strategy process under fault conditions

故障条件下的指挥策略涉及调控人员、监控人员和运维人员三方人员。调控人员根据事故信息和地理信息向监控人员和运维人员下达指令，运维人员对设备进行状态监测后向调控人员汇报，调控人员拟定处理方案后由运维人员执行，从而消除事故；最终，需要由调控人员和运维人员共同核对并记录；而监控人员则需要对全程进行实时监控。

当故障发生时，监控系统可监测到故障信息并进行告警，可进行故障定位，确定开关位置，同时可在监控人机界面上对事故位置进行明显的标示；除此之外，监控系统还通过实时视频监控获取事故位置处的真实地理信息和现场信息，从而为调控人员的处理决策提供重要的依据。在紧急情况下，调控人员可采取故障隔离等调整方式操作指令对事故进行应急处理，避免事故的影响进一步扩大，尽快完成电力事故处理。

运维人员进行现场处理事故时，配备无线智能终端及穿戴式摄像头设备，可对现场作业情况进行实时视频监控，并可将现场作业音视频实时回传上报，为后方工作人员提供第一时间的现场实景。后方专家可根据情况与现场作业人员进行语音互通并进行远程实景指挥，从而大大提高故障处理的效率，减少错误的产生。事故处理完成后，运维人员可通过智能终端自动上传工作记录至监控中心平台端，从而为经验总结，提高现场作业管控打下坚实的基础。

通过上述指挥策略，结合现场作业实时视频监控、语音对讲等功能，可实现故障情况下调控人员、监控人员、运维人员的协同高效沟通，高效有序地完成故障的判断、监测及处理工作。另外，通过对现场作业的记录、分析和上报，可为日后的事故处理工作增加经验，进一步提高对现场作业的管控。

1.3 检修条件下的指挥策略

检修条件下的指挥策略流程如图4所示，其中涉及公司领导、发展策划部、生产技术部、巡视部门和检修部门五个部门人员。生产技术部下达巡视任务，由巡视部门进行现场巡视并上传缺陷故障照片，生产技术部根据缺陷情况再制定消缺方案，由公司领导审批通过后下达给检修部门执行，执行完成后由生产技术部进行验收、审核和归档等。发展策划部负责对验收结果进行考核。

图4 检修条件下的指挥策略流程Fig.4 Command strategy process under overhaul conditions

结合手持移动平台，指挥策略流程可进行全程电子化工作任务管理。生产技术部可在统一的管理后台编制线路巡视工作任务，包括定期巡视、特殊巡视和夜间、交叉诊断性巡视，以及监察巡视工作计划，巡视人员可从后台下载线路巡视工作任务到移动平台，并实时上传工作任务完成情况。同样地，消缺任务的下达和执行也可通过平台进行电子化任务管理。

在执行巡视或者消缺过程中，除可对现场作业进行实时视频监控和实景指挥，还可实时查看巡检任务的执行情况以及巡检人员的活动轨迹，从而实现检修任务的高效管理和完成。

1.4 应急条件下的指挥策略

为防止事故扩大，受控站巡检员可不待调度指令自行按照调度管理规程及现场运行规程进行紧急操作，操作完毕后，及时向监控中心值班员汇报，由监控中心值班员将事故与处理情况简明扼要地报告上级值班调度员。应急条件下的指挥策略流程如图5所示。

图5 应急条件下的指挥策略流程Fig.5 Command strategy process under emergency conditions

通过上述指挥策略，可保证在应急条件下尽可能快地对现场情况进行处理，避免出现更严重的事故，提高应急指挥的工作效率。

2 系统设计

为实现上述指挥策略，对监控中心的系统进行详细的设计，从而为指挥策略的实施提供强大的支持平台。

2.1 总体架构

提出的监控系统采用底层平台和上层应用相对分离的模式建设，其总体架构如图6所示。

图6 监控系统总体架构Fig.6 Overall architecture of the monitoring system

其中，基础平台是为适应集中监控系统多类型应用间互联、集成及全方位开放需求，将电网拓扑模型、参数信息、电网运行、统计数据、生产运行信息、应用功能集中管理，统一维护、综合使用而构建的数据和业务支撑平台，为各类应用提供技术支撑，并为整个系统的集成和高效可靠运行提供保障。在基础平台上，构建变电站集中电力监控系统、保护及故障信息管理系统、变电站视频及环境监控系统以及现场作业移动指挥系统，从而可满足集中监控中心日常业务的分析和功能要求，还可满足现场作业交互和应急指挥管理的要求。基础平台提供一系列公共服务，从而保证各子系统功能仅需注重自身的业务逻辑与算法，其他功能通过调用基础平台的公共服务来实现。

系统包含数据采集与处理功能，可与智能远动机进行一体化数据采集与交换。系统可通过与远方厂站终端进行通信实现对变电站实时运行信息的采集，并将信息写入实时数据库。对于采集的各类业务数据，系统可对其进行质量评估、滤波和有效性校验等处理，从而确保数据的有效性；另外，系统可根据数据重要性及实时性的不同要求确定不同的优先级，对不同的数据进行接收处理。系统提供统一的数据访问服务和控制服务接口，主站端不同应用可根据需要读取相关数据或者向厂站端下达控制指令。除此之外，系统还提供数据订阅机制，主站端不同应用可订阅其所关心的数据。

基础支撑平台提供公共的、一体化的具有灵活定制和集成能力的人机界面，该人机界面采用南瑞继保的PCS-9000系统，可提供基于矢量技术的图元工具、图形工具、曲线工具等，用来绘制和编辑电力系统的各种接线图。通过各种图形画面可实时展示系统的各种设备状态和数据，操作人员还可方便地操作和调用所需监视的画面。针对集中监控模式下监控信息繁多的问题，该人机界面还支持将多个窗口组合在一屏中综合显示。人机界面示意图如图7所示。

监控中心系统可通过接口与其他系统互联，如图8所示。

图7 人机界面示意图Fig.7 Illustration of human-machine interface

图8 系统接口示意图Fig.8 Schematic diagram of the system interface

系统接口包括横向接口和纵向接口。在横向上，监控中心系统可与机房动环监控系统和大屏显示系统接口互联，可实时获取环境监控信息并实时展示在大屏幕上；通过与资产管理系统接口互联，可获取设备台账、缺陷、检修等信息；通过与公司短信平台接口互联，可实现重要监控告警信息第一时间送到站端运维人员。在纵向上，监控中心系统可与超高压广州备用监控中心接口互联，实现实时电网数据、控制数据、图形、电网模型等的交互和共享以及维护的双向同步；通过与各级调度的接口，可实现调度令执行的全自动化无人干预操作；通过与厂站监控系统的接口可实现与厂站监控系统的通信。

2.2 各系统功能及应用情况

2.2.1 变电站集中电力监控系统

图9 变电站集中电力监控系统功能模块Fig.9 Functional modules of substation centralized power monitoring system

变电站集中电力监控系统是监控系统最核心的功能，其主要功能模块如图9所示，包括数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition, SCADA)、智能告警和防误操作。通过这些功能模块，变电站集中电力监控系统为提出的指挥策略的实现提供了核心的平台支撑。

(1)SCADA功能

系统可调用基础平台的数据服务，实时采集受监控站点的遥测、遥信等数据，并对数据进行有效性检查和无效数据过滤，还可对数据进行相应的数学运算以及置质量标记。系统可接受调度指令，对变电站相关设备进行遥控操作，或者根据运行需要对站内设备进行控制。其中，自动电压控制(automatic voltage control, AVC)应用模块能与总调AVC系统实现协调控制，即正常运行时，优先投入总调对应的该站点AVC功能，当总调AVC该站点功能退出时，投入区域监控中心该站无功设备自动投切功能。

(2)变电站运行信息智能告警

集中电力监控系统能根据各受控站运行信息的重要性对告警信号进行分类，将每个信号都进行定义，标注重要等级，对于保护动作和事故变位信号能够优先处理。告警信号可在告警显示窗口中进行展示，告警显示窗口由多个页面组成，系统能根据集控系统监控的提示信息或告警类型，自动归入相应页面。在此基础上，系统能根据提前预先设定的综合判据，对上送信号进行综合分析，推理该异常事故情况的智能描述及处理方法，减少上送告警量的同时协助监控值班员及时进行准确分析、处理。

(3)防误操作

系统具备基于网络拓扑的操作防误功能，可以实现在实时态下针对遥控的基于本站及站际拓扑分析的防误判断，并可对防误功能人工干预调整。对于特定的防误判断，系统提供在模拟状态下进行操作预演，并在实时态下严格按照预演的步骤进行操作的机制。在基础防误功能的基础上，开发与调度令系统的接口，将调度令系统中直接与监控中心相关的调度令同步到监控系统中，并进行系统判断，一键智能生产操作票，减少人为工作，避免失误。

变电站集中电力监控系统的应用情况如下所述，其SCADA功能和智能告警功能示意图如图10、图11所示。

图10 SCADA功能示意Fig.10 Illustration of SCADA function

图11 智能告警功能示意Fig.11 Illustration of intelligent alarm function

由图10可知，通过SCADA功能，系统可实时采集受控站的遥测、遥信、遥脉数据，还可进行遥控操作，相应信息的各项属性数据都可清晰展示在界面中，可随时调阅查看。由图11可知，通过智能告警功能，系统可对告警信息进行实时监视，对告警信号的告警等级进行分类，对告警信号的时间、内容和动作清晰展示，同时，还可显示告警的确认状态。

2.2.2 保护及故障信息管理系统

保护及故障信息管理系统主要采集站内保信子站汇集的保护设备的动作信息报文，监视与分析处理保护、安自装置和故障录波信息数据，诊断故障时的故障范围、故障点及故障性质，为监控人员处理电网事故提供信息支持与决策参考，为故障条件、检修条件以及应急条件下的指挥策略的实现提供了强大的支撑。

(1) 监视主画面功能

监视主画面功能模块可在正常情况下监视主站系统自身软硬件和通道运行状况、子站系统运行状况、厂站端的继电保护装置、故障录波装置的运行状况和运行定值，并采用与电气一次接线图方式一致的图形化管理。

(2) 故障分析功能

故障分析功能主要模块如图12所示。

图12 故障分析功能主要模块Fig.12 Main modules of fault analysis function

① 在线故障分析功能:功能模块对各个子站自动上送的信息具有在线故障综合分析的能力，能对各个子站自动上送的信息进行综合分析，在电力系统发生故障时，迅速给出故障情况，自动给出测距结果及巡线范围，在统一的全网运行监视图上显示，并按厂站给出相应的保护动作情况、故障录波文件。除此之外，功能模块还能够在工作站中以图形画面方式和语音提示方式推出事故报警提示和故障简报，并且在全网接线图上对应的站点及故障线路以动态闪烁的方式快速直观地显示故障站点和故障线路。

② 故障信息归档功能:功能模块提供按不同故障对历史故障相关的所有信息进行归档管理的功能，将与该次故障相关的所有故障信息整理成故障信息包，包括保护告警信息、动作事件、故障简报等，便于运行管理和分析查询。

③ 故障录波离线分析功能:系统能够读取、转换、分析基于ANSI/IEEE C37.111-1991/1999 C￣O￣M￣T￣R￣A￣D￣E兼容格式的录波文件，并提供故障分析报告，是继电保护专业管理人员进行故障分析的有效工具。

借助保护及故障信息管理系统的功能，监控中心人员可进行故障管理，生成故障事件报告表。故障事件报告表示意图如图13所示。

图13 故障事件报告表Fig.13 Fault event report form

由图13可知，故障事件报告表包含故障的时间、分类、定位及事件描述等信息，这些信息可通过保护及故障信息管理系统的故障分析、故障定位等功能得到。

2.2.3 变电站视频及环境监控系统

(1) 受控站端视频环境监控系统

为满足集中监控中心对变电站的运行情况监视，站端视频环境监控系统可对厂站进行监视，包括监视厂站区域内场景情况，刀闸的分、合状态，变压器、断路器、电流互感器、电压互感器、避雷器和瓷绝缘子等重要运行设备的外观状态，主要室内(主控室、继电器室、高压室、电缆层、电容器室、独立通信室等)场景情况及温度、湿度、风力等环境信息，并实现双向通话等，其系统结构示意图如图14所示。

图14 站端视频及环境监控系统结构示意图Fig.14 Schematic diagram of station-side video and environment monitoring system

(2) 主站端系统

监控中心变电站视频及环境监控系统主要功能包括视频监控、现场环境监控、语音功能、远程控制和厂站3D建模等。

系统以按监控中心→各变电站→监控区域→摄像机的树形方式展开选择所需监控的视频，实时监视各变电站视频信息，可实时监视同一变电站多路(1、4、9、16)实时视频并实现一机同屏同时监视，也可同时实时监视多个变电站(1、4、9)的单路实时视频。并且，可在以电子地图承载的变电站平面布置图或一次设备连接示意图点击一次设备同时监视一次设备的多个摄像机的多角度实时视频。

系统具备现场环境监控的功能，能够以组合方式实时监视各变电站的现场温度、湿度、风速、SF6等环境数据及现场烟雾、水浸等告警信息。另外，系统可实现实时的监控中心及变电站的双向语音对讲及语音广播，还可实现双向语音录音功能，播放、保存、回放语音。系统还具备远程控制站端监控设备(主要包括摄像头和灯光等)的功能，可对摄像头进行控制，实现对摄像头视角、方位、焦距、光圈、景深的调整。

系统还具备厂站3D建模模块。模块中应用了三维地图，在现有资源管理系统数据库的基础上，以三维虚拟现实的形式展现变电站的运行情况。

通过变电站视频及环境监控系统，监控中心人员可对变电站进行实时视频监控及红外热成像，如图15所示；另外，还可对厂站进行3D化展示，如图16所示。

图15 变电站实时视频监控示意Fig.15 Illustration of real-time video monitoring in substation

2.2.4 现场作业移动指挥系统

(1) 前端系统

根据作业现场的具体情况和施工任务的具体内容，现场将配置相应数量的单兵、布控球和车载管控系统。无论是单兵、布控球，还是车载管控系统，都能形成独立的前端系统，实现各种情况下的实时视频监控和语音对讲。前端系统示意图如图17所示。

图17 前端系统示意图Fig.17 Schematic diagram of the front-end system

(2) 指挥系统功能

为了实现在各种情况下的指挥策略，需要设计功能强大的指挥系统。指挥系统具有多种功能，可实时监控现场作业的移动视频，第一时间进行指挥并管控，还可实现实时的监控中心及移动端的双向语音对讲。指挥中心可远程派单给作业人员，完成电子化工单下发，并可对工单进行管理和编辑。监控中心能实时查看所有巡检任务的执行情况，包括巡检中任务的概况和实时视频预览；能够通过电子地图，随时掌握巡检人员位置、人员分布密度、相应的状态信息及每个巡检人员的活动轨迹，作业结束后记录可自动上传归档至监控中心平台端。

通过现场作业移动指挥系统，结合文中提出的指挥策略，可实现对监控中心值班人员、巡检人员、检修人员以及专家人员的统一调度，可进行实时视频通话、音频通话，以及对指挥管理进行记录，实现应急指挥的高效管理。应急指挥调度图如图18所示。

图18 应急指挥调度图Fig.18 Illustration of emergency command and dispatch

3 结论

针对500 kV变电站集中监控模式的扩大给南宁监控中心带来的问题，提出了在正常、故障、检修和应急四种情况下的指挥策略，提高了监控中心对现场作业的管控和应急指挥的效率；为了实现提出的指挥策略，提出了详细的监控中心系统设计，设计了监控系统的总体架构、基础服务、接口及相应的子系统，满足了监控中心的监视控制、故障分析、现场作业交互、应急指挥等需求。在500 kV变电站集中监控模式下，该指挥策略和系统设计方案在南宁监控中心得到了应用，实现了变电站和监控中心数据的统一交互以及现场作业交互和应急指挥的高效管理，取得了理想的效果。提出的指挥策略和系统设计主要关注监控中心层次的指挥和监控，对于变电站端具体监控细节的设计和优化需要在未来进一步研究。