智慧变电站监控系统智能联动技术浅析

严亚兵，黎刚，李辉，毛文奇，潘华，尹超勇

(1.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力有限公司，湖南长沙410007)

0 引言

随着绿色低碳能源技术革命的深入推进,对电力系统的建设提出了更高要求,在传统功能基础上需进一步扩展和丰富。设备状态评估是变电站运维的关键一环[1],研究采用先进传感技术对变电站设备状态参量、消防、环境、动力等进行全面采集,如利用超声波带电检测等在线监测装置实现对主设备状态的多维度评估[2-3]。充分应用通信数据网和人工智能、移动互联等现代信息技术,建设状态全面感知、信息互联共享的智慧变电站；实现变电站 “操作一键顺控、设备自动巡检、主辅设备智能联动”等智能应用,深入推进变电站运维管理智能化、现代化；提升变电站安全水平,提高变电站运检质量,大幅增加运维效益,真正促进变电站运维向无人化发展[4-6]。智慧变电站建设中,二次监控子系统的智能联动集中体现了电力设备的泛在物联,是实现变电站智慧化运维的核心基础。

目前,已有部分研究工作围绕变电站二次监控子系统的联动展开[7-8]。文献 [9]探讨了视频监视系统和智能变电站监控系统联动采用的主要方式,分析了不同联动方式的适用前景。该研究主要围绕智能变电站,不能完全适用于智慧变电站的建设。文献 [10]从管理的角度对智能变电站内辅助设备监控子系统之间的部分联动方式进行了梳理,具有一定的工程参考价值。对变电站视频监控系统的联动控制研究可以实现智能巡检工作[11],有效提高变电站运维效率。文献 [12]对消防联动在变电站火灾预防方面的应用进行了探讨,指出了相关优点与不足。总的来看,现有变电站建设中,主设备与辅助设备监控子系统之间的智能联动研究仍然处于起步阶段,相关研究工作较少。智慧变电站建设仍处于探索阶段,与之相关的智能联动技术还需深入研究。

本文在对辅助设备监控系统基本结构与软件架构的基础上,分析了智慧变电站智能联动技术的实现方式与相关联动功能的作用,并利用模拟案例对部分智能联动功能进行了直观展示。

1 智慧变电站辅助设备监控系统

1.1 智慧变电站辅助设备监控系统基本结构

辅助设备监控系统的建设有助于实现变电站的无人值守[13]。辅助设备监控系统的基本结构如图1所示,主要由辅助设备监控主机、工作站、运检网关机、巡检机器人主机、视频监控主机、智能分析单元、就地模块等组成,系统分别接入在线监测、巡检机器人、视频监控、消防、安全防范、环境监测、SF6监测、照明控制、智能锁控等子系统。其中,各构成部分的主要功能如下:

图1 智慧变电站辅助设备监控系统结构

1)辅助设备监控主机实现Ⅱ区辅助设备数据接入、运行监视、操作控制、智能联动、权限管理、系统配置、存储管理等功能。

2)辅助设备监控系统工作站实现图形界面规范化展示、运行监视及操作控制等人机交互功能。

3)视频监控主机实现Ⅳ区工业摄像机数据接入、操作控制、系统配置及转发服务等功能,相关视频监控 (红外摄像头)可实现对一次设备局部发热等状态实现监测[14]。

4)巡检机器人主机实现Ⅳ区巡检机器人设备数据接入、上传、信令下发等功能,结合图像分析算法,可实现部分设备的常规巡视[15]。

5)辅助设备运检网关机实现Ⅱ区变电站辅助设备信息接收上传、操作控制信息下发等功能。

6)就地模块负责在线监测、安全防范、环境监测、SF6监测、照明控制等辅助设备数据接入处理,其中门禁以及各类在线监测采用专用就地模块。

7)就地模块采用本地部署或区域集中部署,直接与辅助设备监控系统主机和辅助设备运检网关机交互数据；当就地模块断电时,监控系统应能通过测控装置识别通信中断并报警。

8)智能锁控直接与辅助设备监控系统主机和辅助设备运检网关机交互数据,有效降低人员误开二次屏柜风险[16]。

9)消防专用传输单元负责变电站火灾报警、消防灭火等消防设备数据接入处理。

1.2 变电站辅助设备监控系统软件架构

智慧变电站辅助设备监控系统软件架构采用标准化、模块化设计封装,则软件架构具备良好的移植性、可扩展性,可适用不同规模的变电站应用。图2给出了推荐采用的辅助设备监控系统 (简称辅控系统)软件模块架构。

图2 智慧变电站辅控系统软件模块架构示意图

从图2中可以看出,辅助设备监控系统软件架构总体上由硬件层、操作系统层、通讯处理层、数据处理层、公共服务层、业务应用层和表现层组成。其中,智慧变电站智能联动的配置管理在公共服务层实现,通过该软件模块对全站各类子系统间的联动进行配置与管理。

2 智慧变电站监控子系统智能联动技术

2.1 智慧变电站内智能联动的技术实现方式

智慧变电站内智能联动总体可分为主设备监控系统与辅控子系统/视频监控系统联动、辅控子系统间及其辅控子系统/视频监控系统间联动两大类。图3为某智慧变电站内各类智能联动实现所对应的信息流。需要指出的是,在智慧变电站智能联动控制策略设计中,需考虑电力系统网络安全分区的特殊要求,防止出现部分联动所需信息无法获取的情况。

从图3中可以看出,受网络安全分区的限制,主设备监控与辅控子系统/视频监控系统联动仅考虑信息的单向流动。主设备监控系统通过防火墙与辅助设备监控系统通信,采用DL/T 634.5104—2009协议或UDP协议。主设备监控系统发给辅助设备监控系统信息内容主要包括一次设备的遥控预置、变位信号、非电量告警信号、单体一次设备融合后的总告警信号和保护动作跳闸信号等。

图3 智慧变电站内智能联动信息流

图3 中布置在安全Ⅱ区的辅控子系统之间的联动可以直接进行信息交互,联动功能设计更为方便,但辅控子系统与视频监控系统之间的联动仍然只能进行单向的信息传输。在智能联动执行过程中,辅助设备监控主机通过正向隔离装置与视频监控主机单向通信,采用UDP协议。辅助设备监控主机发给视频监控主机的联动信息包括一次设备的遥控预置、变位、非电量告警信号、保护动作跳闸信号等主设备信息,和灯光设备的遥控开启命令、消防设备的遥信变位信号、氧气在线监测的遥测告警信号、辅助设备融合后的总告警信号等辅助设备信息两个部分内容。

2.2 智慧变电站监控子系统联动功能

在智慧变电站中涉及联动的子系统较多,联动控制策略配置复杂,为清晰展示各子系统间联动关系,以某智慧变电站为例,给出了典型智慧变电站智能联动控制策略,具体见表1。该表格仅从宏观角度整理变电站各子系统之间联动的关系。随着智慧变电站技术的进一步发展,其监控子系统之间的联动关系将更为完善。

从表1中可以看出,主设备监控系统与视频监控、机器人、照明控制、在线监测等子系统存在联动关系。这一类型的联动事件通过主设备遥控预置、主设备变位信号、主设备监控系统告警信号触发,联动对应视频预置位或巡检机器人对事件进行视频预览、录像,更进一步则是对相关一次设备的在线监测数据进行采集记录。主设备监控系统与照明控制系统的联动则主要是方便相关摄像头的录像。

表1 智慧变电站监控子系统智能联动关系

辅助设备监控中多个子系统之间存在联动关系。为方便梳理子系统之间的联动功能,以联动触发源为依据,对辅控系统子系统之间的联动进行梳理。

1)视频监控系统触发的联动功能。这一联动功能主要依靠人工智能图像识别对变电站内人员、动物行为分析及环境侦测后,触发安全防范、环境监测、照明控制、消防、锁控、在线监测等子系统,发出告警信号并联动相关应急措施,防止站内事故发生。

2)安全防范子系统触发的联动功能。该联动功能由安全防范子系统中的门禁系统和防入侵系统动作引起。其中门禁系统主要根据人员刷卡开门时联动视频监控子系统对相关行为进行录像记录；防入侵系统中电子围栏、红外对射探测器、双鉴探测器等安防设备报警时,则联动摄像机对入侵点进行抓拍并实时存储录像,联动照明控制子系统开启相关区域灯光以辅助摄像机的工作。

3)消防子系统动作时主要是联动安防子系统控制与逃生通道相关的门锁打开,联动照明控制子系统控制开启相关区域灯光,联动环境监测子系统控制关闭对应区域风机。

4)在线监测子系统在发出告警或异常信息时,联动相关摄像头进行告警、异常信息确认；在进行局部放电测试时,可联动照明控制子系统与环境监测子系统以减少相关设备对监测的影响。

5)智能锁控子系统触发的联动主要是用于启动相应视频摄像机对开锁事件进行记录。

6)环境监测子系统触发的联动事件主要是在检测到SF6、O2浓度越限及越限复归发生后,自动控制启动、停止风机,并联动安防子系统,启动、停止声光报警,调用相关摄像机进行环境信息确认。

7)智能机器人巡检子系统在运行过程中需联动照明控制子系统开启相关区域灯光,联动安防子系统控制相关区域门禁。

3 智慧变电站智能联动技术应用案例

为更为直观展示智慧变电站智能联动的应用效果,选取部分模拟案例进行说明。

3.1 主变压器告警联动视频监控子系统

主变压器状态对变电站的正常运行有至关重要的影响。智慧变电站中,可利用智能联动对主变压器进行全天候实时监测,并根据主变压器告警信息联动相关摄像机,以方便运维人员对现场情况的及时研判。实验中测控装置模拟主变压器告警信号,视频监控子系统即会调动相关摄像头运动至预置位,并对模拟表计进行识别,以辅助运维人员研判主变压器状态。

3.2 视频监控子系统联动安防系统

3.2.1 遗留物品侦测

为防止变电站内作业人员在工作区域遗留物品而危害设备安全运行,可利用图像识别技术,配置物品遗留侦测,并通过联动站内安防子系统声光报警,及时提醒工作人员移出相关遗留物品。

3.2.2 人员行为管控

利用深度神经网络算法对码流进行分析,识别站内工作人员安全帽佩戴情况。当出现违规佩戴情况时,则联动安防子系统对相关人员发出告警信号,可实现对现场作业人员行为的实时管控。

4 结语

智能联动技术作为智慧变电站的建设核心之一,是保障变电站运维智慧化的重要手段。本文对智慧变电站辅助设备监控系统的构成及软件架构进行了梳理,分析了站端主设备监控与辅助设备监控子系统/视频监控系统、辅助设备监控子系统之间及其与视频监控系统之间智能联动的技术实现方式及联动功能作用。基于现场实际设置的模拟案例直观展示了智能联动技术对变电站智慧化运维的促进作用。目前智慧变电站智能联动技术仍然处于发展初期,为促进电力物联网建设,后续仍需深化对这一技术的研究。