电网设备状态在线监控系统的研究

高 源，张振宇，罗 翔，李吉昌，陈张建

(1.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福建 福州 350007；2.积成电子股份有限公司，山东 济南 250100)

随着信息技术的飞速发展，各类自动化、智能化的电气设备随之诞生，并被广泛应用在电力系统中，大大提升了工作效率，但同时也带来了新的挑战，传统依靠工作经验进行电网运行状态监控分析的方法技术已经无法满足大电网智能化运行以及集中调控发展的需求[1－3]。采用智能化、系统化的方式对电网设备进行实时监控，并充分应用大数据对所产生的信息进行高效汇集和智能分析，这对提高工作效率，降低运行风险，更好地适应电网大运行体系建设的需求有着重要意义[4－6]。

国内外研究学者对于电网信息监控技术展开大量研究。文献[7]提出了合理地设计调度自动化系统并应用各种自动化设备对电网系统进行实时负荷监控，及时掌握电网实时状况对各种故障情况进行及时的处理，对提升调度系统自动化性能的重要性。文献[8]分析了信号监控工作从单点监视转向综合化智能化监控方向发展的大趋势，说明了运用综合智能分析技术建立设备快速建模、信号自动验收及故障综合分析消除等辅助功能的必要性。文献[9]对浙江电网的电气设备集中监控信息分析系统进行介绍，分析了系统的总体结构、采用的算法以及所用各类监控信息分析模块，证实了监控系统能够为监控员提供相应的辅助决策，为电网的安全运行提供保障。文献[10－11]提出了一种基于ZigBee 网络的电网设备故障高精度远程视频监控系统，在下层数据传感层的搭建上应用了CC2530－F256 作为ZigBee 网络的射频芯片，在通信网络层的搭建上应用了通用分组无线服务技术和4G 网络通信技术，而对顶层数据存储层则使用关系型数据，系统的高效运作能力证明了所提方案的正确性。文献[13]将图像视频分析方法应用在对动态目标进行识别以及对灾害的类型进行分类上，实验结果证明了该方法在监控灾情维护安防的重要意义。文献[14]介绍了一种应用于数字化变电站的保护与视频系统的联动控制方法，根据摄像机安装配置信息和变电站系统配置描述文件建立摄像机与关联二次设备的对应关系，以实时掌握变电站继电保护装置的动作状态，进而对其进行有目的性的视频监控，达到联动控制的目标。文献[15]介绍调控一体模式下地区电网调控中心设备监控标准化管理体系的建设思路、电网监控信号的精益化、规范化管理方法以及监控业务闭环管理的具体实施。文献[16]通过分析目前电网统一视频监控平台在业务架构、应用架构、集成架构、安全架构等4 部分性能提升方面的需求，提出了电网统一视频监控平台体系架构全面深化的方向。

基于上述研究工作，本文针对目前地区电网调控一体化模式下存在的问题及需求进行分析与总结，对已有的智能电网调度系统平台进行完善，扩展了电网设备视频监控功能，通过对电网设备状态在线监控系统的总体框架结构以及软硬件配置进行设计，以解决传统电网人工操作工作量大、时效性差、效率低等问题，并增强系统的信息综合处理能力。

1 电网设备状态在线监控系统的现状及需求分析

1.1 电网设备运营现状

截止目前，各省调控中心所使用电气设备监控摄像机主要以模拟视频监控方式为主，高清网络摄像机所占比例不足，通常仅能对监控区域的大体环境进行监视，无法对放大设备进行聚焦，且存在图像像素较低、监控视角固定等缺陷。此外，智能电网调控平台所使用的视频监控系统，主要由调控中心主计算机、视频矩阵、网络通道和视频摄像设备等构成，该系统视频监控系统是一款常规的视频监控软件，能基本实现实时的视频预览、录像回放、本地抓图、本地录像等视频功能。但该平台的主要功能是实现对摄像机的集中管理，仍存在监控区域范围狭隘、监控视角固定的问题，若调控人员要对某一特定电气设备进行状态监测，则需要先找到该电气设备所归属区域的监控摄像头，再经过监控视角调整以及聚焦、变倍等复杂繁琐的操作步骤，执行效率低下，无法满足大电网在实际调度运行操作过程对电气设备的监控需求[17]。

此外，对于起到网架支撑作用的高电压等级变电站，传统电力人员的运行值班模式一般采用三班倒方式，以实现对变电站内设备的全天候连续监视。而如今开始逐步推广无人值守的运行模式之后，常规变电站不再安排守站人员，而将站内设备的监控管理任务交给调控中心负责，由调控中心对所管辖区域进行日常的巡视和运维。但这种模式也存在一定的安全隐患[18]:

(1)盗窃灾情防范问题:传统预防电气设备发生火灾或是盗窃，主要依靠运行值班人员的日常巡视，以及变电站周边所装设的电子围栏和火灾感应装置。在实施无人值守模式后，对设备的防盗防灾能力受到了一定的限制。

(2)操作准确性:当调控中心进行远方开关的分合闸操作时，按照规定，每次操作后都需要确认所执行操作确实到位。在无人值守模式下，调控中心只能凭借三遥功能所反馈的信息对操作状态进行确认。当反馈的信息出现错误时，便不能及时发现错误进而可能导致遥控操作失误情况的发生。

(3)安全监察:据统计，因操作人员不严格遵守安全规程进行电气操作而引起的电力安全事故所占比例极大。在实施无人值守模式后，人员的数量有所下降，这将进一步削弱了对安全监察工作的管控。

(4)事故处理的时效性:对于电压等级较高的变电站，通常处在路途遥远的郊区地带，在实施无人值守模式后，增加了运维人员赶到变电站对事故的处理时间，造成电网长时间的运行风险。

(5)恶劣天气:在恶劣天气下，需要运维人员对相应电气设备进行特殊巡检，在实施无人值守模式后，运维人员难以及时了解电气设备的实时状态，无法对电气设备安全隐患进行预检。

综上所述，为了满足无人值守模式以及调控一体化发展模式的需求，应对调控中心现有的视频监控系统进行升级改造，建设满足大电网对电气设备进行远程、全面、实时监控与管理的需求。

1.2 设备状态在线监控系统的功能需求

结合上述对无人值守和调控一体化模式下电网运营现状以及安全隐患的分析，要求电气设备状态实时监控系统应具备以下功能:

(1)数据的采集与记录

电网设备状态在线监测系统应能够采集设备的模拟量信息、状态量信息及事件信息，并对所采集的数据进行展示和修改。基于调度运行管理系统(Operation Management System，OMS)及其相连数据库系统，搭建电气设备状态的初始信息数据库，采集所需要的电气设备全部数据信息，并通过OMS 平台的任务调度服务实现对数据的定期更新。其中，在对数据进行更新处理时，需要对监测过程中产生的异常数据、错误数据等无效信息进行自动滤除，即无效数据将无法被传输至D5000 智能调控平台进行显示[19]。

(2)监测数据的查询与展示

系统应能对监测装置的运行工况与告警信息、被监测电气设备的数据与告警信息等进行展示，能够在OMS 系统中直观地显示最新的遥测数据，如网页、表格等；能够提供遥测信息的自主选配展示功能，使用户能够根据自身需求，对指定地区的厂站以及线路进行选择性的查看。此外，对于告警窗口，除能够提供基本的告警信息实时展示功能外，还应具备声音报警、信息确认、已处理报文信息归类等功能，方便监控人员操作。

(3)告警信息的加工处理

设备监控系统应能对告警信息进行查询、抑制处理以及阀值维护等操作。其中，告警信息的查询功能能够根据用户需求提供多种查询筛选条件，并提供数据导出和自动排序功能，导出格式至少支持EXCEL 格式；告警信息的抑制处理功能能够在监测装置产生异常数据时，对异常告警数据进行人工抑制操作，使其所生成的异常告警信息不再输送至D5000 智能电网调度系统平台；告警信息的阀值维护功能能够根据用户的需求对不同类型的监测装置设置不同的阀值。

2 电网设备状态在线监控系统总体框架设计

电网设备状态在线监控系统应按照“四个统一”的信息化建设标准来进行建设，即:确保系统所应用技术的成熟性，系统自身的统一性、规范性和兼容性，还有其他系统进行交流的协同性[20]。

2.1 总体框架设计

本文以现有的D5000 智能电网调度系统平台为基础，使用当前的设备监测系统服务器，对原有系统数据进行配置升级，建立电网设备状态在线监控子系统，实现对电网设备视频监控功能的扩展和完善。

电网设备状态在线监控系统的功能架构图如图1 所示。首先，通过电气设备状态在线监控系统进行数据采集，将采集到的信息存入原始数据库中，OMS 系统根据需要对原始数据信息进行处理，实现对遥测信息的分层分区综合展示、历史数据的条件化搜索及统计、异常告警信息的加工处理、用户权限的限制约束等功能，基于B/S 浏览器模式为客户端用户提供浏览窗口。在线监控系统监测到的全部告警信息经由OMS 系统处理后生成报文推送至省调I区D5000 智能调控平台，若是地调所负责管辖的区域，则通过FTP 连接从省调I 区调取相关信息，电网设备状态在线监控系统的所有异常信息报文告警、语音告警、操作信息确认以及通用信息搜索功能均通过D5000 智能调控平台实现。

图1 系统的功能架构图

2.2 系统的硬件结构配置

如图2 所示，为电网设备状态在线监控系统的拓扑结构图。由于现有的监测设备无法满足需求，因此需要对主要硬件设备进行选型，对监控摄像设备进行整体的升级改造，并增强对监控薄弱点的部署，实现对各类电气设备的全面覆盖，确保摄像机能够监视到所有设备的分合闸状态信息。

图2 系统的拓扑结构图

(1)摄像机

本文选择配置具备红外功能的高清网络摄像机进行实时监控，其具有清晰度高、监控范围广的特点，能够对被监控设备进行精准的识别，并作出分析和诊断。由于其监控区域面较大，能够降低所需安装的摄像机数量，且易于管理，进而节约成本。该高清网络摄像机的详细参数配置如下:

(a)具有720p 及以上的画面分辨率；(b)采用吸顶式安装方式，设备外观为球形结构，能够实现全天无间断动态全覆盖监控；(c)防护等级高，具备完全防尘和对高压喷水的防护能力；(d)能在恶劣工作环境下进行高清监视，如:低能见度状态、采光较差的环境等；(e)含有BNC 接口，易于进行附加功能的扩展；(f)使用光纤收发器进行光电转换，信号传输容量大、距离远[21]。

(2)视频处理模块

在对前端摄像机进行统一管理、存储、编码以及解码操作时，需要用到视频处理模块。本文选择网络型视频处理设备，不仅仅能实时监控新接入的监控设备，还能够对高清视频进行编解码和存储。当监控到异常情况时，该网络型视频处理设备能够接收告警信息，并以视频形式进行展示，提醒工作人员及时进行处理。

(3)存储模块

电网设备实行全天候不间断视频监控录像，同时要求历史存储录像信息在一定时间内不被覆盖。因此，以录像存储周期为30 d×24 h 进行设备选型。已知视频数据码流是决定视频占用存储空间量大小的重要指标，表1 给出了不同存储时间下，三种常用视频码流存储容量估算表(单位:GB)，其中存储容量＝视频码流×存储天数×24 h×3 600 s/8/1 024[22]。

表1 视频码流存储容量估算表

综合考虑存储空间和图像效果的影响，本文采用HD720P 型存储设备，分布式存储，总存储容量约为202 TB。

2.3 系统的软件结构配置

电网设备状态在线监控系统基于RT21 平台进行开发，选择分层式、模块化的组织架构进行构建，尽可能全面地满足用户需求。系统不但能够实现电网设备的实时监控，还具备了对门禁管理、环境监测、消防预警等功多项能，其能够与D5000 智能电网调度平台进行互联，系统的软件配置情况如图3所示[23]。应用模块层的重要组成成分有:视频监控、门禁管理、环境监控、消防报警、联动控制等，各个模块之间互不干涉，能够独立地完成各自的逻辑控制以及信息数据处理任务。平台模块层提供了图形、权限、安全、报表、接口管理以及历史、实时数据库等功能模块，提供了规范统一、安全可靠且易操作的应用开发接口，能够按照不同的工作需要，并可以通过脚本语言进行逻辑配置实现。

图3 系统的软件结构图

在线监控系统基于各子系统所采集到的数据信息，进一步作出分析诊断和联动处理，以对电网设备进行主动监控。此外，在线监控系统将地理平面图与电气一次接线图相融合，以电气设备为目标进行视频监控，使得系统操作起来更加直观便捷，满足电力系统生产和运维的需求。

3 主要功能设计及应用展示

电网设备状态在线监控系统对各类电气设备进行远程辅助监控，通过融合视频监控、门禁管理、环境监测、周界安防、火灾报警等多个功能以对监控数据信息和资源进行共享，实现辅助监控系统的集中管控和维护。

3.1 视频监控功能

电网设备状态在线监控系统对电气设备进行实时视频监视，支持对云台全方位的转动，能够调整云台转动速度，调节开关雨刮以及辅助灯光。如图4所示，为实时视频监控界面。在线监控系统基于电力系统一次接线图，将原始的树状结构菜单与目前广泛使用的电子地图结合在一起对监控画面进行展示，使得操作界面更加简单直观。

图4 实时视频监控界面

此外，系统具备联动视频弹窗和视频监控录像资料的回放功能，监控中心可以及时收到监控异常数据信息，并在告警弹窗中对监控视频进行查看，系统具备视频录像节选以及连续截图等功能，便于安全监察部门对事故图像进行存储调用和回放核实，如图5 所示。

图5 视频监控及联动信息展示

3.2 环境监测功能

电网设备状态在线监控系统具备对环境监测等功能，如图6 所示，为环境实时监测界面。当在线监控系统通过所装设的温度传感器、风力传感器等传感设备监测到环境异常时，调控中心可以及时、准确地收到现场的异常信息的详细数据，并以独立的告警窗口对现场异常画面进行显示。此外，在线监控系统的环境监控功能还提出了对风机以及灯光等设备的远程控制功能。

图6 环境实时监测界面

3.3 消防报警功能

电网设备状态在线监控系统支持对报警优先级、报警类型的自定义，能够通过电气一次接线图直接调取对应设备视频画面，实现设备视频画面定位功能，使对一次设备的视频监控便捷、直观。如图7所示，为消防报警监控界面。在线监控系统通过接收从管辖区域所装设的烟雾报警器、火灾感应器以及手动按钮动作信号所传来的数据信息，实现对管辖区域的异常状态监控，并以独立的告警窗口对现场出现的火灾、烟雾状况进行显示。

图7 消防报警监控界面

3.4 门禁管理功能

电网设备状态在线监控系统支持用户的添加、删除、修改操作，支持用户密码的设置、修改以及功能权限的设置，能够对不同角色进行不同操作权限的设置，确保用户不能进行越权操作访问。如图8所示，为门禁管理界面展示图。在线监控系统通过门禁卡传感器、密码口令认证等方式，对进出人员进行安全管理，控制用户的操作权限，如:负责不同工作的相关工作人员能够进出的通道序号各不同。

图8 门禁管理界面展示

3.5 安全防盗功能

电网设备状态在线监控系统能够按照调控人员的需求对巡视路线进行人工设定，自动对所设定巡视路线上对应的监控摄像机进行调用，并对这些监控摄像机所拍摄视频画面进行统一的存储记录。如图9 所示，为安全防盗监控界面。在线监控系统通过接收从电子围栏、墙体振动传感器以及红外感应灯等监控设备传来的数据信息，对无人值守变电站进行灾情防范和电气设备的防窃预警。此外，在人员进出的大门设有红外感应，实现对异常出入行为的报警联动。

图9 安全防盗监控界面

4 结语

本文通过对当前调控一体化模式下电网运营状态以及电气设备安全隐患进行分析，对现有D5000智能电网调控平台进行完善，建立了电网设备状态在线监控系统，通过对监控系统的软硬件设备进行升级配置，并融合视频监控、门禁管理、环境监测、周界安防、火灾报警等多个功能，实现了对设备监控信息的互通和资源的共享，增强了系统的综合处理能力，解决了传统电网人工操作工作量大、时效性差、效率低等问题。