无人值守变电站智能辅助控制系统设计

陈钦勇

（福州万山电力咨询有限公司，福建 福州 350000）

1 无人值守变电站

1.1 结构说明

无人值守智能变电站采用先进的自动化技术、计算机网络技术、通信网络技术、射频识别技术以及智能控制等多种技术，对智能变电站的实时环境、图像监控、火灾报警、照明暖通、安防报警以及门禁识别控制等进行在线监视和智能控制。智能辅助控制系统能够辅助无人值守智能变电站开展管理和控制工作，也是保证对无人值守智能变电站进行远程控制的基础。该系统通过监测、预警和控制手段为智能变电站的安全运行提供了有力的保障，解决了变电站安全运营的“在控”、“可控”等问题。

通常情况下，无人值守变电站要实现智能辅助的功能，就需要具备以下6个方面的内容：1） 系统的结构应该具有分层或分区的分布式设计，从高到底依次为省级、地区级及站端系统，由此构成1个完整的三级结构。2） 该系统的核心就是“智能控制”，它的作用在于对站内主要设备及关键设备的安装位置和周围环境条件进行不间断的监测，同时借助智能化技术实现无人控制，进而确保整个电力系统的生产状态符合相关安全协议。3） 该系统的核心主要依靠IEC61850协议，已有类型的印象信息、环境数据、门禁以及防盗报警的采集监控都可以通过该系统进行采集和上传。4） 所有安全相关要素及信息监控量在监视及控制方式上必须严格采用一体化的方式。5） 仅有获得许可的主机可以作为嵌入式设备，严禁将其他类型的设备作为主机。6） 各安全相关要素的子系统之间能够在智能辅助系统的帮助下进行完整的联动，并且不同子系统之间相互独立运行，不会对其他系统产生影响。

1.2 系统配置构成

智能辅助控制系统是无人值守智能变电站的核心系统，它主要承担保证变电站安全、可靠运行的任务。该系统主要由智能视频监控子系统、智能火灾报警子系统、智能安全警戒子系统、动力环境监控子系统、空调以及照明子系统等相关辅助子系统构成，各子系统的类型和功能如图1所示。

图1 智能辅助控制系统构成图

在常规的辅助控制系统中，许多辅助子系统都是独立运行的，并通过不同路由上传数据，很难对这些系统进行多系统的集中监控和统一管理，不但降低了系统的高效性，而且还增加了系统管理和运维的成本。智能辅助控制系统可以最大程度地挖掘现有辅助系统的潜力，并最大限度地节约运维成本、提高系统效率。

智能辅助控制系统将以智能视频监控子系统为核心，完成对智能火灾报警子系统、智能安全警戒子系统、动力与环境监控子系统、空调以及照明子系统等相关辅助子系统的高度集成。除了可以让各个子系统之间进行信息共享和信息互动之外，智能辅助控制系统还负责调度端与厂站端自动化系统的信息交互和沟通，从而可以随时满足智能变电站运维对辅助系统提出的新需求。

全站配置了1套智能辅助控制系统，该系统可以实现对图像监视、安全警卫、火灾报警、消防、照明、采暖通风以及环境监测等系统的智能联动控制，实时接收各终端设备上传的各种模拟量、开关量及视频图像信号，分类存储各类信息并对信息进行分析、计算、判断、统计和其他处理。

1.3 功能实现

智能化辅助系统具有实现实时视频监视、智能视频分析、信息采集上送、远程控制以及智能联动等功能，因此该系统可以使智能化变电站的信息更加完整可靠，其功能更加齐全，从而保障变电站运行的安全。智能化辅助系统的主要功能如下。

1.3.1 实时视频监视

视频监视能够从图像了解变电站内设备的运行状态及其他相关信息，该功能不仅可以查看主变的运行状态，还可以直接、清晰地呈现断路器、接地刀闸以及隔离开关的接触状态[1]。

1.3.2 智能化视频分析

变电站应用了智能视频分析（IVS）技术，该技术以背景建模技术和目标追踪技术为核心，除了可以有效判断监视对象的状态以外，还可以执行穿越警戒线、进入区域行为分析等操作，进而为调整刀闸及开关状态提供有效的信息。

1.3.3 信息汇总

该系统的信息汇总是指对环境信息进行汇总。虽然变电站所处的环境相对复杂，但是它本身对环境稳定性的要求又很高，因此监控人员需要掌握温湿度、风力以及水力等环境信息的数据，而该系统就可以收集汇总这些数据并自动加工成便于理解的图表形式，为统计分析、实时监控以及历史查询工作提供了便利。

1.3.4 远程控制

变电站中的所有摄像机都可以实现独立控制，且可以灵活设置所有摄像机的位置及巡航路径，而各环境的维持系统及门禁的开闭则可以通过电子地图进行远程控制。

1.3.5 智能联动

智能视频监控子系统可以对各分系统进行联动控制，通过与其他子系统进行实时通信，可以实现用户所需要的设备联动，包括就地设备操作联动、火灾消防、门禁控制、环境监测以及故障报警等相关设备的联动，还可以根据智能变电站现场的实际需求，完成自动闭环控制和告警，例如自动启动/关闭空调、自动启动/关闭视频监控以及自动启动/关闭照明系统等。

除此之外，辅助系统综合监控平台预留了与各子系统间的通信接口，通过和其他辅助子系统的通信可以实现用户所需要的设备联动，包括火灾安防、环境监测以及故障报警等相关设备的联动。

1.3.5.1 与周界报警系统、火灾报警系统进行联动报警

对站端每个火灾报警点和高压脉冲报警设备的地址码进行解析，将解析后的地址与视频系统中每个摄像机的预置位地址进行一一对应，相应摄像机以前端报警信号为触发条件进行联动。

1.3.5.2 与摄像机的辅助灯光系统进行联动

在夜间或照明不良的情况下，需要开启摄像头，带有辅助灯光的摄像机应该与摄像机的灯光联动，从而自动启动照明灯。

1.3.5.3 与通风系统进行联动，自动完成闭环控制和告警

通过实时采集室内环境的温度和湿度，可以自动启动/关闭通风系统，同时通风系统与火灾报警控制子系统进行联动，并设置烟感闭锁逻辑，当火灾报警时就自动切断风机电源。

2 无人值守智能辅助控制系统的优化设计

2.1 智能视频监控子系统

就整个系统的构建状态来看，智能视频监控子系统具有非常重要的功能，该系统与其他各系统都建立了紧密的连接，因此，可以将其视为整个系统的核心，这样，整个变电站自动化系统就成为1个完整的个体。该系统的主要功能包括4个方面：1） 视频监控系统可以在安全防范子系统的帮助下，维持变电站设备的安全运行。2） 远程工作人员可以依靠自己的操作经验，并依靠视频监控有效地减少出现误操作的可能。3） 智能视频分析功能可以有效地帮助工作人员判断监视对象的状态，从而为开关及刀闸提供相关信息。4） 各监控系统可以共同发挥预警及保护的作用，还可以配合其他类型子系统实现联动及互动[2]。

2.2 智能火灾报警子系统

智能火灾报警系统，如图2所示。该系统包括智能化的火灾报警控制器和火灾探测系统，此外，还加入了辅助监控系统和联动报警系统。其中，火灾报警控制器是整个系统的核心，它可以持续、稳定地为火灾报警提供能源。在上述各部分互相配合、相互发挥作用的前提下，火灾报警子系统能够监测自身及探测器的工作状态，并根据情况对火灾信号进行适当的处理，同时还能精准地定位报警位置和报警时间。

图2 变电站火灾自动报警系统图

该系统主要用于防范变电站中出现火灾及疑似火灾的情况，它通过发出报警信号来引起值班人员或工作人员的注意，以便在第一时间采取措施，将火灾扼杀在可控范围，从而避免变电站因火灾而遭受重大损失[3]。

除了通知远程工作人员之外，该系统还能够配合联动报警系统采集火灾报警信号，如果采集到的信号显示当前环境状态满足灭火条件，就可以通过手动或自动的方式开启灭火设备并切断非消防电源（相应的防火阀也会被关闭）。辅助监控系统主要负责采集并上传火灾信号。

2.3 智能安全警戒子系统

电子安全围栏产品是1种新型的安防产品，该产品是遵循“阻挡为主，报警为辅”先进周界安防理念的智能周界阻挡报警系统。其产生的非致命脉冲高压能快速击退入侵者，同时把入侵信号传输至监视器，具有震慑、阻挡和报警功能。它由高强度的电子导线、挂线柱、角柱和紧线器等构成，附加在现有的围墙上，也可以进行自立式安装，形成完整的有形界墙；系统控制器以每秒一次的频率发出低能量（5 J）、低频率（60 次/min，空度比为1∶10的脉冲电压（5000 V～8000 V），并连续不断地向电子缆线输送脉冲信号。有人一旦触碰到电子缆线产生的非致命脉冲电压，就像遭到电棍触击，给入侵者造成1种心理障碍，起到威慑、阻吓和警戒不法分子的作用。

2.4 动力与环境监测子系统

通常环境监测工作主要是采集环境的温湿度信息，并将采集结果上传至智能视频综合控制系统，它具有多种报警方式，而且还可以实时监测并叠加环境数据，通过调整相关子系统来控制环境状态。最后，这些收集到的数据及做出的指令会被整合并上传至统一平台。

动力监测主要是对开关室风机进行监测，例如在10 kV开关室与GIS开关室各安装1套轴流风机电气控制箱，通过温湿度监测器与传感器实现控制箱内风机的自动启动，同时还可以实现开关室内的自动调温功能。

此外，环境监测内容还包括对SF6开关室进行监测，需要在SF6开关室安装完整的环境监测系统，该系统由SF6监测系统主机、SF6监测系统变送器以及SF6监测系统风控器组成，能够实现对SF6气体监测信号的全面监测。

2.5 智能照明子系统

常规变电站的照明系统主要以普通荧光灯为主，它存在效率低、寿命短以及维护工作量大的缺点，而且它的灯光自控功能无法配合视频监视系统自动开启灯光。结合该次设计竞赛，智能变电站必须采用绿色低碳照明，并选用合适的光源与灯具，从而提高照明的质量。

2.6 各子系统之间协同联动

智能辅助控制系统的各个子系统联系密切且可以协同联动。一方面，视频监控子系统可以借助判断监视对象的状态获得远程操作刀闸及开关的参考依据。另一方面，在视频、灯光和环境监测等各类型现场设备的共同作用下，能够对变电站内的异常做出有效预警。各子系统的联动主要可以实现以下7个功能：1） 环境监测子系统能够实现对环境数据的实时监测，当监测发现相关信息超过安全上限时，就会在报警的同时启动相应的子系统并上传数据。2） 火灾报警子系统与消防控制系统之间是联动的，在检测到火警信号时能够向消防系统发送指令，进而由消防系统负责控制火情并将相关实时信息发送给智能辅助控制系统，随后由智能辅助控制系统采取更详细的措施进一步控制并解决火情。3） 安全警戒子系统与多数子系统之间建立了联动，这是由于安全警戒子系统要防范的内容较多，需要根据情况采取不同的控制措施。发现非法闯入时，智能辅助控制系统会根据开关量信号进行判断，同时借助视频监控系统获取信息并采取相应的处理方法。4） 智能变电站灯光控制与视频监控系统相结合，根据有关的报警事件（消防报警和安防报警等事件）联动开启与报警事件相对应区域内的灯光，并能在设定的时间内关闭联动开启的灯光。5） 环境控制子系统通常与通风系统进行联动，在收集环境中的温湿度信息之后，通过调整通风系统及空调系统来实现对环境的控制。此外，该系统还与火灾报警控制子系统进行联动，出现火灾报警时就会隔绝空气流动。6） 在各方面条件允许的情况下，站内的排水系统和空调系统等也可以执行联动，联动之后，该系统可以自动开启或关闭。7） 预留与现场设备操作的联动功能。与SCADA的互联能够实现对相应位置摄像机的控制，进而实现对整个工程的全程管控。

2.7 无人值守变电站发展趋势

智能化技术的发展为无人值守变电站的演化带来了新的可能，在智能化技术的帮助下，站内信息的自动化采集能够直接反馈给智能辅助控制系统，并下达环境控制和安全管理指令。如果发生失窃或火灾等情况，就可以进行初步的处理，并将站内信息上报至中央控制台[4]。

安防系统未来的发展方向是基于电子安全围栏周界报警系统与计算机网络视频监控的结合；该系统主要包括监控、阻挡以及报警3个内容；电子安全围栏与录像硬盘、图像监控系统进行联动。安防系统一旦建成后将形成1个有形的防周界入侵探测系统，把入侵者阻挡在周界防区的外围，可以防止入侵者翻入围墙进入重点地区进行盗窃和破坏。一旦发生非法侵入，可以通过视频监控对监控区域内的犯罪分子进行跟踪并记录全过程，为公安部门破案提供有力的证据；同时联动110报警中心，有利于公安人员及时赶到案发现场。

3 结语

随着计算机网络技术和视频通信技术的迅速发展，智能变电站的火灾报警系统、安防系统和环境监测等辅助系统必将与智能视频监控系统及智能自动化系统紧密结合，从而确保无人值守变电站的运行安全。

该文提出了无人值守变电站的设计方案，并优先采用国内领先的智能化新技术、新设备。通过优化设计确定采用先进、可靠、集成且环保的智能设备，从而实现采集变电站视频、环境、安防以及消防等辅助系统信息数据的功能。并且，智能辅助控制系统还可以根据变电站运行维护的实际需求，实现对变电站辅助系统的实时自动控制、智能调节、在线分析和协同联动等高级功能。